El grafano abre un nuevo potencial

El grafano es el material elegido por los físicos en la vanguardia de la ciencia de materiales, y los investigadores de la Universidad de Rice están en ese grupo – incluso tal vez algo destacados.

Los investigadores bajo la tutela de Boris Yakobson, profesor de Rice de ingeniería mecánica y ciencias de los materiales y química, han descubierto que la extracción estratégica de átomos de hidrógeno procedentes de una lámina bidimensional de grafano abre de forma natural espacios de grafano puro que parecen – y actúan como – puntos cuánticos.

Esto abre un nuevo mundo de posibilidades para el conjunto cada vez más pequeño de la nanoelectrónica que depende de las propiedades semiconductoras altamente controlables de los puntos cuánticos, particularmente en el dominio de la óptica avanzada.

El trabajo teórico de Abhishek Singh y Evgeni Penev, ambos investigadores de posdoctorado coautores del grupo de Yakobson, se publicó en la revista ACS Nano y será la portada de la versión impresa de junio. Rice fue recientemente designada como la institución mundial número 1 en investigación de ciencias de los materiales por una publicación británica.

El grafano se ha convertido en el Flat Stanley de los materiales. Esta forma de carbono de un átomo de grosor en forma de panal puede ser bidimensional, pero parece estar en todos sitios, propuesta como una solución para ir más allá de la Ley de Moore.

El grafano es simplemente grafeno modificado mediante la adición de átomos de hidrógeno a ambos lados de la matriz, que hace que sea un aislante. Aunque técnicamente sólo tiene un átomo de grosor, el grafano ofrece grandes posibilidades para la manipulación de las propiedades semiconductoras de los materiales.

Los puntos cuánticos son moléculas cristalinas de unos pocos a muchos átomos de tamaño que interactúan con la luz y los campos magnéticos de una forma única. El tamaño de un punto determina su hueco de banda – la cantidad de energía necesaria para cerrar el circuito – y hace que sea ajustable a un grado preciso. Las frecuencias de luz y energía liberadas por los puntos activados hacen que sea partícularmente útil para los sensores químicos, células solares, imagen médica y circuitería de nanoescala.

Singh y Penev calcularon que eliminando islas de hidrógeno de ambos lados de la matriz de grafano, se deja un pozo con todas las propiedades de los puntos cuánticos, lo cual puede ser útil para crear conjuntos de puntos cuánticos con muchas aplicaciones.

“Llegamos a estas ideas desde un estudio completamente distinto sobre almacenamiento de energía en forma de adsorción de hidrógeno en el grafeno”, dice Yakobson. “Abhishek y Evgeni se dieron cuenta de que esta transformación de fase (de grafeno a grafano), acompañados por el cambio de metal a aislante, ofrece una novedosa paleta para la nanoingeniería”.

Su trabajo reveló distintas características interesantes. Encontraron que cuando se eliminaban trozos de la subred de hidrógeno, el área dejada siempre era hexagonal, con un acusado interfaz entre el grafeno y el grafano. Esto es importante, dice, debido a que significa que cada punto está altamente contenido; los cálculos muestran muy poca filtración de carga en el material anfitrión del grafano. (Cómo, precisamente, eliminar los átomos de la red sigue siendo una cuestión para los científicos de materiales, que están trabajando en ello, comentan.)

“Tienes un espectro atómico incrustado en un medio, y entonces puedes jugar con el hueco de banda cambiando el tamaño del punto”, dice Singh. “Básicamente, puedes ajustar las propiedades ópticas”.

Junto con otras aplicaciones ópticas, los puntos pueden ser útiles como sensores de moléculas y podrían llevar a diminutos transistores o láser semiconductores, señala.

El reto sigue siendo descubrir cómo crear conjuntos de puntos cuánticos en una lámina de grafano, pero ni Singh ni Penev lo ven como un obstáculo insalvable.

“Creemos que las principales conclusiones del artículos son suficientes para entusiasmar a los experimentadores”, dice Singh, que pronto dejará Rice para convertirse en profesor asistente en el Instituto Indio de Ciencia en Bangalore. “Algunos ya están trabajando en las direcciones que exploramos”.

“Su trabajo es realmente un apoyo a lo que sugerimos , que puedes hacer este patrón de una forma controlada”, dice Penev.

¿Cuándo podrían sus cálculos tener frutos comerciales? “Esa es una pregunta compleja”, dice Singh. “No dentro de mucho, probablemente – pero hay dificultades. No sabría decirte un marco de tiempo, pero podría ser pronto”.