El Grafeno con sus Electrones, ¿Puede Significar una Nueva Etapa para la Física?

maurelvys (59)in #spanish • 6 years ago

Seguro muchos ya han escuchado acerca del grafeno, el denominado “material de Dios”. Este es un material del que se ha estado estudiando hace más de una década y del cual han surgido grandes beneficios tecnológicos, fue descrito por primera vez en el año 1930, sin embargo, fue en el año 2010 cuando los científicos Andre Geim y Konstantin Novoselov recibieron el premio Nobel de física por sus grandes trabajos y avances demostrados acerca del grafeno.

El uso que se le puede dar a este material proporciona tantas ventajas que puede hacer que medios de transportes como barcos y aviones sean mucho más ligeros y resistentes, que nuestros computadores se vuelvan mucho más rápidas para procesar información y no se recalienten e incluso que los tan utilizados cables de fibra óptica transfieran datos a velocidades mucho más elevadas que las actuales. No conforme a esto, resulta que este asombroso material también ha revelado una nueva comprensión de la física de materiales conductores, debido al comportamiento tan inusual que han observado los investigadores en los electrones que fluyen por el grafeno.

Imagen 1. Estructura del Grafeno

Grafeno, "El Material del Futuro"

El grafeno es un material aislado a partir del grafito (mineral de Carbono casi puro), en esencia, este material es una lámina de carbono puro dispuesto en forma hexagonal; posee tan solo un átomo de grosor y a pesar de ello, resulta ser más fuerte que el acero, más liviano que el aluminio, mucho más duro que el diamante y uno de los mejores conductores descubiertos hasta el momento; razones que lo convierten en el material que podría revolucionar el mundo y llevar a los humanos a una nueva era. El grafeno resulta ser el único material conocido hasta el momento con un único átomo de espesor que puede ser sintetizado y estudiado en detalle, es por ello el incremento de su investigación.

Por otro lado, es necesario recalcar que el grafeno ha logrado que recientemente los científicos avancen enormemente en cuanto a la comprensión de sus propiedades básicas, observando por primera vez en un metal, electrones que muestran un comportamiento como el de un fluido.

Imagen 2. Lámina de Grafeno.

Comportamiento de Electrones en otros Metales

Imagen 3. Enlace Metálico.

Los metales se caracterizan por contar con millones de átomos, los cuales poseen en su órbita externa algunos electrones de valencia (aquellos que se encuentran en la capa de mayor nivel de energía del átomo), estos cuentan con la capacidad de liberar más electrones para lograr estabilidad en cuento a su configuración. En los metales, los átomos liberados forman una especie de nube de electrones, lo que permite la conductividad de electricidad con gran facilidad; es por ello que, si se aplica un campo eléctrico a un metal, los electrones empiezan a fluir desde un extremo del material a otro libremente.

Según los antes descrito, se entiende que, la conductividad de la mayoría de los metales está limitada por imperfecciones cristalinas, las cuales provocan que los electrones se dispersen frecuentemente cuando se mueven a través del material. Sin embargo, en el grafeno, los científicos han descubierto que los electrones fluyen como si se tratara de un líquido.

Electrones en el Grafeno

Recientemente, los investigadores han descubierto que, en el grafeno los electrones se parecen por su comportamiento a partículas relativistas sin masa, como los fotones (partícula elemental responsable de las exposiciones cuánticas del fenómeno electromagnético); esto explica las atractivas propiedades de dicho material, pues combina alta conductividad y resistencia mecánica; estas propiedades hacen que semejante material se encuentre en el rango entre un metal y un semiconductor.

Imagen 4. Propiedades Electrónicas.

Mediante minuciosas observaciones, los investigadores pudieron visualizar que, los electrones que fluyen por el grafeno muestran un comportamiento poco habitual. Se dice que su estructura de panal se comporta como una autopista de electrones, mismos que actúan como objeto sin masa y se mueven a velocidades de hasta 1/300 de la velocidad de la luz, chocando entre sí diez billones de veces por segundo a temperatura ambiente. Este comportamiento se denomina límite balístico, el cual está siendo considerado como un nuevo tipo de física. Aunque esto es algo que los superconductores pueden hacer, lo logran a temperaturas inferiores a los -267 grados centígrados, mientras que en este material se ha observado a temperaturas muy calientes de -123 grados centígrados; incluso, a medida que aumentaba la temperatura, la resistencia disminuía, contrario a lo que se esperaba. Por su parte, el científico Konstantin Novoselov ha señalado que:

Aunque la interesante física que hemos encontrado en este experimento en concreto puede llegar a tener una aplicación en dispositivos electrónicos prácticos, una mayor comprensión todavía de las propiedades electrónicas de este material nos acercará al desarrollo de la electrónica basada en el grafeno.

Por otro lado, en el trabajo publicado, el científico Francisco Guinea ha dicho:

El trabajo resalta el parecido entre el grafeno y las partículas elementales que se estudian en los aceleradores. La medida y explicación de lo que pasa en este material es más simple y directa que en los trabajos de física de altas energías. Además, los efectos que se observan en el grafeno se pueden estudiar en un rango mayor de energías. Estos electrones se comportan como si estuviesen en el vacío y tuviesen masa cero, por cómo se difractan a través de la red cristalina. La velocidad es 300 veces menor que la de la luz, de un millón de metros por segundo.

Lo que trae Consigo este Descubrimiento

Imagen 5. Utilidad del Grafeno.

Una de las ventajas del choque de electrones entre sí, es que pueden empezar a trabajar juntos, facilitando con ello el flujo de corriente. Para la física, encontrar una forma de conducir la electricidad de manera eficiente a temperaturas más altas resulta un avance increíble pues, acortaría el camino para crear ordenadores más eficientes o redes eléctricas que no pierdan el 7% de su energía como calor. Este material podría reemplazar al silicio en electrónica, logrando mejorar la eficiencia de las baterías, la durabilidad y la conductividad de las pantallas táctiles, modelar el comportamiento de los fluidos; también es capaz de generar electricidad a través de energía solar, convirtiéndose en u material llamativo para el campo de las energías limpias. Toda una gran variedad de posibilidades para el avance tecnológico. Respecto a todo esto, el científico, Andre Geim expone:

Este progreso ha sido posible gracias a la enorme mejora en la calidad de las muestras que hemos podido producir en la Universidad de Manchester.

Opinión del Autor

Imagen 6. Grafeno

El grafeno es sin duda, un material con grandes bondades, que aporta a la humanidad un avance increíble gracias a todas las capacidades que ha demostrado tener, por lo que son muchas las compañías que empiezan a contemplar el grafeno en el desarrollo de sus dispositivos. Otra de las propiedades atractivas de este material es el hecho de que resulte ser una especie de protector para el medioambiente pues, cuenta con gran potencial como material absorbente para la detección rápida de compuestos organofosforados (sustancias químicas altamente tóxicas).

Aunque sus bondades son muchas, el grafeno al igual que todo en el mundo tiene una pequeña desventaja, ya que este material presenta un pequeño problema a la hora de ser aislado y, aunque se han utilizado varios métodos para lograrlo, aún su producción masiva resulta ser un inconveniente del que esperamos pronto se tenga la solución definitiva y más rentable para sus variados usos y posterior distribución.

REFERENCIAS

FUENTE DE IMÁGENES
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