El grafeno que crece

En el Instituto de Investigaciones en Fisicoquímica de Córdoba simularon en computadoras el proceso de formación del grafeno en una superficie metálica. El trabajo, publicado en Science, permitiría encontrar formas de producción menos costosas de un material con gran potencial para la industria por su gran resistencia, bajo peso y buena conductividad.

Por Matías Alonso  
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Agencia TSS – Marcelo Mariscal y Germán Soldano, integrantes del Instituto de Investigaciones en Fisicoquímica de Córdoba (INFIQC), dependiente de la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad Nacional de Córdoba (UNC) y el CONICET, identificaron el mecanismo por el cual el grafeno “crece” sobre la superficie del níquel. El hallazgo, publicado recientemente en la revista Science, permitiría diseñar estrategias para hacer menos costosa la producción del grafeno y fue realizado en colaboración con investigadores de la Universidad de Trieste (Italia) y del Consejo Nacional Italiano de Investigación (CNR).

El grafeno es objeto de investigación en todo el mundo porque se trata de uno de los materiales más promisorios para la industria. Tiene características muy particulares: es doscientas veces más duro que el acero, es conductor de electricidad y luz, y es muy liviano, flexible y transparente. Además, puede conducir electrones doscientas veces más rápido que el silicio y con menor efecto Joule, es decir, que genera menos calor al hacerlo. En el año 2010, los científicos de la Universidad de Manchester (Reino Unido) André Geim y Konstantin Novoselov, ambos de origen ruso, ganaron el premio Nobel de Física por el aislamiento del grafeno a una capa bidimensional con un espesor  de un solo átomo.

El grafeno está formado por átomos de carbono que se unen en forma de malla hexagonal, lo que crea una estructura similar a un panel de abejas. En la configuración plana obtenida por Geim y Novoselov, a partir de la exfoliación del grafito, los investigadores obtuvieron una malla sumamente resistente, liviana y flexible. Como ejemplo de estas características, Geim dijo que una hipotética hamaca de grafeno de un metro cuadrado de un átomo de espesor podría soportar el peso de un gato de cuatro kilos, mientras que la hamaca no pesaría más que un pelo de ese gato. Sin embargo, construir objetos con grafeno todavía resulta muy costoso. Si bien Geim y Novoselov recurrieron a la cinta adhesiva para aislar el grafeno en su experimento, el proceso usual para producirlo consiste en evaporar el carbono a altas temperaturas para que luego condense sobre una placa de cobre o níquel.

El aporte de los científicos argentinos ayuda a entender su formación y, por lo tanto, permitiría mejorar las condiciones para producirlo de una forma más económica. “La principal motivación de este trabajo es desarrollar metodologías de producción más sencillas y de menor costo para poder fabricarlo a gran escala”, le dijo Mariscal a TSS.

Microscopio de efecto túnel que permitió tomar los videos que se utilizaron para la simulación. Foto: Marcelo Mariscal.

El hallazgo publicado en Science consiste en que se encontró que el níquel tiene átomos libres que se adhieren al grafeno para luego atraer átomos libres de carbono y así “tejer” la red de grafeno y extenderla. Cuando esto ocurre, el níquel se corre nuevamente al borde de la malla de grafeno para atraer nuevos átomos.

La investigación se dividió en una parte de experimentación, que se hizo en Europa, y otra de análisis y simulación computacional, que se hizo en la Argentina. En Italia, incorporaron un módulo de escaneo de alta velocidad (de 60 imágenes por segundo) a un microscopio altamente sofisticado, con el objetivo de registrar, en tiempo real, el comportamiento de los átomos individuales de carbono sobre la superficie de níquel. Con la filmación del proceso y los datos recabados durante la fase experimental en Italia, los científicos cordobeses generaron los modelos teóricos y realizaron las simulaciones computacionales para intentar explicar este proceso.

Para la simulación computacional del crecimiento de láminas de grafeno (imagen que abre esta nota) se utilizó la supercomputadora Mendieta, del Centro de Cómputo de Alto Desempeño de la UNC. Esta máquina tiene 424 núcleos que pueden trabajar en simultáneo y las simulaciones demandaron un mes de procesamiento. Los investigadores estiman que, con una computadora estándar, esa tarea habría llevado más de seis años y medio de uso continuo. “Lo que hicimos fue simular todos lo procesos que se llevan adelante durante el crecimiento del grafeno”, explicó Mariscal. Y agregó: “Con eso pudimos ayudar a entender el mecanismo por el cual el grafeno crece sobre la superficie de níquel. Experimentamos con níquel porque es muy utilizado en la industria y tiene la particularidad de que tiene una muy buena adhesión con el grafeno, pero a partir de ahora la idea es optimizar los procesos de síntesis con el níquel y continuar la investigación con otros metales”.

Marcelo Mariscal (izq.) y Germán Soldano. Foto: gentileza investigadores/Jimena Olmos.

El grafeno podría tener múltiples aplicaciones en metalmecánica, como para lograr herramientas más fuertes y livianas, y tiene un gran potencial en la industria automotriz y aeroespacial. En electrónica, actualmente hay prototipos de pantallas hechas con grafeno que tienen la particularidad de ser muy livianas, flexibles y traslúcidas, y también se han fabricado teléfonos celulares con forma de pulseras. En telecomunicaciones, su capacidad para trasmitir la luz lo vuelve más confiable que la fibra óptica, lo que brindaría conexiones más rápidas y confiables.

“Lo que hacemos no solo impacta en el ámbito científico, sino también en el industrial”, advirtió Mariscal, que viene trabajando desde hace tres años en colaboración con los investigadores italianos. Y concluyó: “La publicación en Science fue una gran satisfacción desde el punto de vista institucional porque creemos que la ciencia y la tecnología tienen que ser el motor de desarrollo de nuestro país y estas cosas sirven para que la sociedad pueda valorizar la inversión que se hace en ciencia. Hay que seguir insistiendo en sostener las políticas de financiamiento del sistema científico argentino, porque hay investigaciones que llevan muchos años y eso hace que los frutos no se vean de un día para el otro”.

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