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  • Diciembre 2017Nº 32

Materiales

Control del grafeno mediante sonido

Un estudio teórico sugiere la posibilidad de utilizar ondas mecánicas para gobernar el comportamiento de los electrones en este material bidimensional. El hallazgo podría encontrar aplicaciones en electrónica y en el diseño de materiales inteligentes.

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En los últimos años, los materiales con espesor de una sola capa de átomos (bidimensionales) han desencadenado una revolución en nanotecnología. Empezaron a despertar interés en 2004, cuando Andre Geim y Konstantin Novoselov, de la Universidad de Manchester, descubrieron el grafeno, un material formado por monocapas de carbono cuyo hallazgo les valdría en 2010 el premio Nobel de física. Con el tiempo, esta familia se ha ido ampliando con la incorporación del siliceno (monocapas de silicio), el fosforeno (monocapas de fósforo) y dicalcogenuros bidimensionales de metales de transición (MoS2, NiSe2, etcétera). Todos ellos presentan propiedades electrónicas, ópticas, químicas y mecánicas de gran interés. En particular, se cree que en un futuro podrían reemplazar al silicio en la electrónica. Para ello, la capacidad de controlar el comportamiento de los electrones en estos materiales reviste un interés fundamental.

El grafeno ha sido apodado el «material maravilla»: es el mejor conductor conocido de la electricidad y el calor, y combina la ligereza del grafito con la resistencia del diamante. Esta resistencia ante deformaciones mecánicas se explica por la fuerza de los enlaces entre sus átomos de carbono, los cuales se disponen en una estructura hexagonal similar a la de un panal. Un material sólido típico puede estirarse hasta un 3 por ciento de su longitud. El grafeno, en cambio, lo hace hasta un 23 por ciento. Además, dicha deformación es elástica: cuando desaparece la fuerza que la causa, recupera su forma original. Por otro lado, su longitud aumenta de manera proporcional a la fuerza de deformación; es decir, se comporta como un resorte, un sistema mecánico que los físicos conocen muy bien.

Las deformaciones del grafeno generan todo tipo de cambios en el comportamiento de sus electrones. Esto ha llevado a la idea de desarrollar materiales «inteligentes» que, de manera controlada, modifiquen sus propiedades electrónicas según el esfuerzo aplicado. En principio, ello permitiría modular el modo en que absorben la luz, su conductividad eléctrica, térmica y otras cualidades. En inglés se ha acuñado la palabra straintronics, que podríamos traducir como «tensiotrónica», para describir el estudio y la aplicación de este fenómeno.

En un trabajo teórico reciente, realizado junto con Maurice Oliva-Leyva, del Instituto de Investigaciones en Materiales de la UNAM, hemos analizado el efecto de las ondas sonoras en el comportamiento electrónico del grafeno. Nuestros resultados, publicados en Journal of Physics: Condensed Matter, sugieren la posibilidad de emplear deformaciones mecánicas para colimar los electrones del material; es decir, para generar un haz que se propague en una dirección determinada. El hallazgo supone un primer paso hacia la manipulación de los electrones en el grafeno mediante ondas sonoras y abre la puerta a varias aplicaciones.

Electrones «relativistas» y ondas electromagnéticas
Los electrones del grafeno se comportan de modo muy distinto al de sus equivalentes en materiales tridimensionales. En un semiconductor tridimensional, como el silicio, la energía de los electrones es proporcional al cuadrado de su velocidad. En el grafeno, en cambio, la energía resulta directamente proporcional a la velocidad de estas partículas. Desde un punto de vista matemático, dicha relación es análoga a la que satisfacen las partículas relativistas; es decir, aquellas que se mueven a velocidades muy próximas a la de la luz.

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