Materiales bidimensionales, casi invisibles y con un enorme potencial

En el Centro de Investigaciones Avanzadas en Grafeno, Nanomateriales y Nanotecnologías, en Brasil, se llevan a cabo estudios que podrán resultar en los dispositivos fotónicos de las próximas generaciones

Por Heitor Shimizu, desde Nueva York (EE.UU.)  |  Agência FAPESP – El Centro de Investigaciones Avanzadas en Grafeno, Nanomateriales y Nanotecnologías (MackGraphe) de la Universidad Presbiteriana Mackenzie de Brasil explora materiales nuevos y sorprendentes, que podrán emplearse, por ejemplo, en el desarrollo de dispositivos fotónicos de las próximas generaciones para las más diversas áreas y aplicaciones. 

El MackGraphe, que inició sus actividades en 2013 con el apoyo de la FAPESP, “se dedica a las aplicaciones científicas e industriales del grafeno y de otros materiales bidimensionales, y cuenta con tres áreas de interés principales: Fotónica, Energía y Materiales Compuestos”, dijo Christiano José Santiago de Matos, docente de la Universidad Mackenzie e investigador del MackGraphe, durante su disertación en la FAPESP Week New York, realizada por la FAPESP junto con la City University of New York (CUNY) y el Wilson Center entre los días 26 y 28 de noviembre en el Graduate Center de la CUNY. 

Los materiales bidimensionales (o 2D) están formados por capas únicas de átomos. El grafeno fue el primero de estos materiales que se aisló en 2004, en un logro que les redituó el premio Nobel de Física de 2010 a Andre Geim y Konstantin Novoselov.

El grafeno corresponde a un cristal de grafito con un espesor de un átomo de carbono. Es centenas de veces más resistente que el acero y su conductividad térmica y eléctrica es superior a la del cobre, lo que convierte en un material con enorme potencial para las industrias de semiconductores y de productos electrónicos. 

“Se trata de un material superlativo. Es un millón de veces más delgado que un cabello humano y es sumamente liviano: tan sólo tres gramos de grafeno son suficientes como para cubrir una cancha de fútbol. Es prácticamente invisible a simple vista y absorbe solamente un 2,3% de la luz visible”, dijo Santiago de Matos. 

“El grafeno posee la más elevada conductividad térmica conocida, diez veces superior a la del cobre, y es un excelente conductor de la electricidad. Y aparte de todo esto, es un material sumamente fuerte, con una resistencia más de 200 veces mayor que la del acero”, dijo. 

Pero el grafeno no es el único material bidimensional investigado en el MackGraphe. Otro material con enorme potencial es el fósforo negro, un cristal con una estructura corrugada compuesta por capas bidimensionales de fósforo apiladas de tan sólo un átomo de espesor (lea más, en portugués, en: agencia.fapesp.br/28041).

“Desde el aislamiento del grafeno en 2004, los cristales de espesor atómico vienen estudiándose para su uso en una cantidad creciente de aplicaciones, en áreas tan diversas como la electrónica, la de sensores biomédicos y la ingeniería de materiales”, dijo Santiago de Matos.

El diminuto espesor de los materiales bidimensionales hace que interaccionen en forma distinta con la luz. “La interacción entre la luz y los materiales 2D se ha mostrado mucho fuerte, particularmente en el caso de los semiconductores, y no sólo permite la observación de efectos peculiares, sino que también sugiere diversas aplicaciones fotónicas”, dijo Santiago de Matos. 

“Son diversos los motivos por los cuales los materiales 2D son tan buenos para la óptica y la fotónica, entre ellos su fuerte interacción con la luz (pese a ser prácticamente transparentes) y la posibilidad de ajustar sus propiedades de acuerdo con la cantidad de capas. Son también materiales sumamente fáciles de apilar para formar estructuras más complejas y funcionales”, añadió. 

La caracterización de los nuevos materiales

Durante su conferencia, Santiago de Matos se refirió también al uso de la espectroscopia para identificar y estudiar las características peculiares de los nuevos materiales bidimensionales. La técnica utilizada se basa en un fenómeno observado experimentalmente en 1928 por el científico indio Chandrasekhara Venkata Raman. Se vale de una fuente de láser que, al llegar a un objeto, se propaga por éste y genera luz de misma frecuencia o de frecuencia distinta que la que incide. 

En el primer caso, se dice que es una dispersión elástica: es la dispersión Rayleigh. Pero el más importante es el segundo caso: el efecto inelástico, también conocido como dispersión Raman, que permite obtener cuantiosa información importante sobre la composición química y estructural del material en análisis con base en esa diferencia de frecuencia. Esto genera una firma de la composición química y una estructura de cada material irradiado. 

Además de estudiar las propiedades estructurales de los bordes de cristales de fósforo negro mediante espectroscopía Raman, hallando características peculiares, Santiago de Matos y sus colegas exploraron una versión más sensible de la técnica para la demostración de un sensor químico. 

“Se trata de la llamada espectroscopía Raman intensificada por superficie o SERS [del inglés Surface Enhanced Raman Spectroscopy], una técnica fotónica de alta sensibilidad que suministra información química y estructural de moléculas en bajas concentraciones y en segundos”, dijo Santiago de Matos. 

En septiembre pasado, Santiago de Matos y sus pares del MackGraphe publicaron en Optics Express un artículo en el cual muestran al sensor químico utilizando una fibra microcapilar de vidrio como plataforma optofluídica, que combina las ventajas de la microfluídica y de la óptica. 

Para amplificar la dispersión Raman, el orificio interno de la fibra fue recubierto con óxido de grafeno y nanobastones de oro. “La fibra permite la detección de moléculas en tiempos de adquisición tan bajos que llegan a 0,05 segundo, lo que indica su potencial de uso en sensores de tiempo real y requiere poco más de 100 nanolitros de muestra”, dijo Santiago de Matos. 

El investigador y sus colegas remarcan que la detección de elementos químicos en concentraciones ultrabajas “resulta de gran importancia en aplicaciones de sensores en diversas áreas, especialmente en el monitoreo ambiental, en las ciencias de la vida y en la seguridad nacional”. Entre esas aplicaciones se encuentran el diagnóstico precoz de enfermedades y la detección de explosivos, armas químicas o contaminantes. 

La coherencia en el desorden

Otro disertante en la sesión de Fotónica de la FAPESP Week fue Azriel Genack, docente del Departamento de Física del Queens College y del Graduate Center, del sistema CUNY, quien se refirió a los desafíos tendientes a intentar hallar coherencia en los transportes en medios desordenados.

Genack ha venido estudiando durante la última década la propagación clásica de ondas en presencia de desorden. Uno de los objetivos de ello consiste en encontrar coherencia en la transmisión aparentemente caótica en diversos medios, tales como microondas (de 10 GHz a 20 GHz) o láseres (630 nanómetros). 

“Las ondas clásicas son los medios a través de los cuales interactuamos con el ambiente y nos comunicamos. Como resultado de la dualidad entre ondas y partículas, los estudios de ondas clásicas también han servido como modelos de transporte electrónico –incluso de ondas en mecánica cuántica– en estado sólido”, dijo. 

“Uno de los objetivos de nuestros estudios en el Queens College con la propagación de la radiación óptica y de las microondas consiste en suministrar una descripción universal de la dispersión de ondas en sistemas aleatorios. Logramos demostrar la relación entre estadísticas de fluctuaciones de intensidad y de transmisión total y la correlación de intensidad no local y el transporte medio en el espacio, en el tiempo y en la frecuencia”, dijo Genack. 

Según el investigador, esto ha llevado al desarrollo de modelos esenciales de transporte electrónico en sistemas mesoscópicos, que son sistemas en los cuales la coherencia de fase de una determinada onda es preservada por toda la muestra. 

Sepa más sobre la FAPESP Week New York en: www.fapesp.br/week2018/newyork.