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Ciencia / ENERO 14 DE 2024 / 3 meses antes

El grafeno, otra revolución

Autor : Diego Arias Serna

El grafeno, otra revolución

El grafeno cuenta con bases científicas firmes y confiables para constituirse en una edificante alternativa en la construcción, un sector económica y socialmente clave.

Desde los 60 del siglo XX los semiconductores han venido planteando revoluciones tecnológicas. En este 2024 se está insinuando otra, y posiblemente se desarrollará de la mano de EE. UU.  y China.      

Por estos días en el entorno de los científicos, ingenieros y tecnólogos, así como de la industria de los semiconductores, está el carbón. ¿La razón? Porque el grafeno, esa lámina de solo átomos de carbón, volvió al escenario con el anuncio de la obtención de un transistor con este material, con las propiedades físicas ya conocidas desde su descubrimiento en 2004: excelente conducción del calor y la electricidad, maleable, con una resistencia superior a la del acero, además liviano – cinco veces menos pesado que el aluminio -; además, han ido revelando otras propiedades.

Es un elemento nanométrico bidimensional (2D), formado de una sola capa de átomos de carbono, fuertemente cohesionados mediante enlaces de valencia y dispuestos en una superficie uniforme, ligeramente ondulada, con una estructura semejante a la de un panal de abejas por su ordenación atómica hexagonal. El grafeno es una de las formas alotrópicas del carbono, como lo son también el grafito y el diamante, lo que significa que están hechos de átomos de carbono dispuestos de diferente manera

El grafito consiste de capas apiladas de grafeno, que presentan enlaces débiles de Van der Waals entre tres millones de capas de grafeno. Un ejemplo típico del grafito es el lápiz; y se puede escribir con él porque desliza fácilmente sobre el papel dejando una ‘mancha’ de palabras dibujadas por la mano. ¿Quién iba a creer que a partir del grafeno se podía obtener un transistor, tan útil en los circuitos electrónicos? Esa idea la presentaron en 2004 Andre Geim y Konstantin Novoselov. 

Años después otros científicos también plantearon esa idea, pero su implementación no ha sido fácil. Este nuevo año, el 3 de enero, la revista científica de gran credibilidad como es Nature, publicó el artículo titulado: “Ultrahigh-mobility semiconducting epitaxial graphene on silicon carbide”, (Semiconductor de grafeno epitaxial con movilidad ultraalta, depositado sobre carburo de silicio”)

El primer autor es el científico chino Jian Zhao y como último firmante, el estadounidense Walt A. de Heer; sobre esto va el documento. El hecho científico obtenido entre científicos de EE. UU. y China ha generado comentarios sobre la supuesta superación de las contradicciones entre las dos potencias.  

EE. UU – China: no todo los separa

Empecemos señalando dos elementos de este Nature: 1- número de investigadores de las dos nacionalidades: quince. 2- ¿Cuánto tiempo pasó para que la revista lo publicara?: el artículo lo recibieron el 1 febrero 2023- Después de pasar por el proceso de revisión fue aceptado el 31 de octubre 2023. Fue publicado online (en línea) el 3 de enero 2024 y finalmente se imprimió el 4 de enero 2024, lo que indica el rigor de la revista. 

Las dos instituciones involucradas en esta investigación que buscaron la manera de obtener el primer semiconductor de grafeno, son la Universidad de Tianjin, en China, y el Instituto de Tecnología de Georgia, en EE. UU. La importancia de este resultado científico radica en varios hechos: es el candidato a reemplazar los sistemas electrónicos que funcionan con la electrónica de semiconductores de silicio, implicando menos consumo de corriente eléctrica. 

Así mismo, permitirá reunir en áreas más pequeñas un número mayor de transistores y, por tanto, circuitos integrados que mejorarán la funcionalidad y la posibilidad de ejecutar más tareas. Igualmente, amplía la autopista para la ‘circulación’ de la computación clásica y mejora las posibilidades del ordenador cuántico. De acuerdo con la introducción “el semiconductor de grafeno juega un importante papel en la nanoelectrónica debido a la falta de una banda prohibida intrínsecas en le grafeno (…)”. 

Señalándose, además, que “en las últimas décadas, los intentos de modificarla ya sean mediante confinamiento o con la funcionalidad química, no lograron producir el transistor de grafeno viable. La banda prohibida de un semiconductor es la energía mínima necesaria para excitar un electrón desde su estado ligado a un estado libre que le permita participar en la conducción eléctrica.

Según lo publicado por el medio científico “aquí demostramos que el epigrafeno semiconductor (SEG) sobre sustratos de carburo de silicio monocristalino tiene una banda prohibida de 0,6 eV y movilidades a temperaturas superiores al del ambiente” (eV, es la sigla de electrón voltios); que es 10 veces mayor que la del silicio y 20 veces superior al de los otros semiconductores 2D, tales como el disulfuro de molibdeno (MoS2), el diseleniuro de molibdeno (MoSe2), entre otros”. La importancia de controlar esa banda prohibida lo dice el investigador Lei Ma de la Universidad de Tiajin: “si no se controla, el transistor no se podía encender y apagar de forma correcta para que funcionara como semiconductor, pero con la nueva tecnología se logra estabilizar esto”.      

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Adecuado para la nanoelectrónica

Los autores aseveran: “aquí demostramos un método de recocido de cuasi equilibrio que produce SEG (es decir, una capa de amortiguación bien ordenada)”, agregando que “la red SEG está alineada con el sustrato de SiC. Es química, mecánica y térmicamente robusto y se le puede modelar y conectar sin problemas al epigrafeno semimetálico utilizando técnicas convencionales de fabricación de semiconductores. Estas propiedades hacen que SEG sea adecuado para la nanoelectrónica”. SiC significa carburo de silicio. Las características físicas de este material son sorprendentes: su bidimensionalidad es de unas 100 mil veces más delgado que el cabello humano; es el material más resistente de la naturaleza, unas 200 veces más que el acero estructural con su mismo espesor.

Por lo anterior, se plantea su uso en la construcción; es más duro al rayado que el diamante. Es casi transparente a la luz; tiene menor efecto Joule, es decir, se calienta menos al conducir los electrones; trabaja a altas frecuencias; soporta la radiación ionizante, lo que permite su uso en ambientes como el sanitario donde usen la radioterapia. Todas esas características se reflejarán en el transistor de grafeno. 

El material objeto de esta investigación, además de todas las propiedades físicas que tiene, posee una característica importante desde el punto de vista de la geopolítica, como es el trabajo colaborativo entre las dos grandes potencias como son EE. UU. y la China. Aunque esa relación científica viene de varias décadas atrás, la del transistor de grafeno que se presenta en el Nature aludido, se hace más relevante por la revolución electrónica.

Lo más posible es que se dé ventajas científicas, tecnológicas, de desarrollo industrial a quienes controlen este nuevo desarrollo de los semiconductores. El hecho de que sean científicos de potencias en pugna por controlar el mundo, ha generado optimismo por las buenas relaciones que se puedan dar. Por eso hay artículos de periodistas sobre ciencia y tecnología que están reflejando esa esperanza sobre una paz detrás del desarrollo científico y tecnológico.

Por ejemplo, Juan Carlos López, periodista y divulgador de ciencia y tecnología, y con doctorado en telecomunicaciones, es un español que el 8 de enero 2024 en la página web Kataka escribió el artículo: “China y EE. UU. han aparcado sus diferencias y se han dado la mano para conseguir algo inédito: el primer semiconductor de grafeno”. En el recuadro se plantean apartes de sus afirmaciones. 

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¿China y EE. UU. suavizarán tensiones tecnológicas?    

Juan Carlos López afirma en su artículo: “la capacidad científica de China y EEUU está fuera de toda duda. De hecho, el origen de la tensión que sostienen estas dos superpotencias reside en la rivalidad que mantienen en prácticamente todos los frentes estratégicos, como son su desarrollo militar, económico o técnico. En la coyuntura actual en la que un día sí y otro también tropezamos con nuevas sanciones y declaraciones cruzadas que no disimulan lo más mínimo su agresividad resulta sorprendente que estos países puedan darse la mano. Pero sí, pueden. Y lo han hecho”.

Plasmó igualmente en su escrito: “además, lo más sorprendente es que EE.UU. y China están trabajando juntas en uno de los ámbitos en el que parecen tener posturas irreconciliables: el de los semiconductores”. Agregó: “El silicio no es perfecto. Poco a poco y a medida que los procesos fotolitográficos se han ido desarrollando nos hemos ido acercando a su límite físico, por lo que es crucial encontrar nuevos materiales que puedan ocupar su lugar”. Y ese reemplazo parece ser que está en el transistor de grafeno.


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