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(Noticias de Nanowerk) El grafeno es 200 veces más fuerte que el acero y ha sido aclamado como el supermaterial del futuro desde su descubrimiento en 2004. El material de carbono ultrafino es un conductor eléctrico y térmico increíblemente fuerte, lo que lo convierte en un ingrediente perfecto para mejorar los chips semiconductores que se encuentran en muchos dispositivos electrónicos.
Pero mientras la investigación basada en el grafeno se aceleró, el nanomaterial encontró obstáculos: en particular, los fabricantes no pudieron producir grandes cantidades industrialmente relevantes del material. Una nueva investigación del laboratorio de Nai-Chang Yeh, profesor de física de Thomas W. Hogan, está revitalizando la moda de los gráficos.
En dos nuevos estudios, los investigadores muestran que el grafeno puede mejorar significativamente los circuitos eléctricos necesarios para dispositivos electrónicos portátiles y flexibles, como parches de salud inteligentes, teléfonos inteligentes flexibles, cascos, pantallas plegables grandes y más.
En un estudio publicado en Interfaces y materiales aplicados de ACS («Deposición de vapor químico mejorado con plasma de baja temperatura compatible con polímeros de grafeno en cobre galvanizado para electrónica híbrida flexible»), los investigadores cultivaron grafeno directamente en líneas delgadas de cobre bidimensionales comúnmente utilizadas en electrónica. Los resultados mostraron que el grafeno no solo mejoró las propiedades de conducción de los cables, sino que también protegió las estructuras a base de cobre del desgaste común. Por ejemplo, demostraron que las estructuras de cobre recubiertas de grafeno podían plegarse 200.000 veces sin dañarse, en comparación con las estructuras de cobre originales, que comenzaban a romperse después de 20.000 pliegues. Los resultados muestran que el grafeno puede ayudar a crear productos electrónicos flexibles con una vida útil más larga.
El segundo estudio, publicado en Nanomateriales aplicados ACS («Graphene on Nanoscale-Thick Au Films: Implications for Anticorrosion in Smart Wearable Electronics»), demostró que el oro recubierto de grafeno resistiría mejor la transpiración del cuerpo de una persona, lo que produciría mejores biosensores implantables. El oro es un ingrediente común utilizado en el desarrollo de biosensores implantables o parches inteligentes, dispositivos a nanoescala que se utilizan para monitorear diversas condiciones de salud. El grafeno reduce la velocidad a la que se corroe el oro.
Los dos estudios, además de un tercer estudio en Interfaces y materiales aplicados de ACS («Crecimiento directo de un solo paso de grafeno en tinta de cobre hasta aplicaciones electrónicas híbridas flexibles mediante deposición de vapor químico mejorada con plasma»), que muestra que el grafeno puede proteger los circuitos electrónicos fabricados con impresoras de inyección de tinta, utilizó el método único del grupo de crecimiento Yeh-Graph.
En 2015, Yeh y sus colegas, incluido el científico investigador principal David Boyd, anunciaron que habían encontrado una forma mejor, más económica y más respetuosa con el medio ambiente de cultivar grafeno en materiales. El proceso, llamado deposición de vapor químico mejorado con plasma, se puede usar para hacer crecer láminas de grafeno de alta calidad de solo un átomo de espesor a temperatura ambiente en aproximadamente 15 minutos. Esto contrasta con otros métodos que requieren temperaturas mucho más altas, productos químicos agresivos y tardan varias horas en completarse.
«La electrónica flexible y portátil se puede fabricar con materiales blandos como polímeros que no pueden soportar altas temperaturas», dice Chen-Hsuan (Steve) Lu (MS ’20), estudiante graduado de Caltech y autor principal de los tres estudios. «Nuestro método nos permite cultivar grafeno directamente sobre los sustratos a baja temperatura, lo que no daña los materiales sensibles».
Yeh agrega que su método de crecimiento de grafeno, que se puede escalar para satisfacer las necesidades industriales, es compatible con una variedad de otras aplicaciones además de la electrónica portátil y flexible.
“Nuestro método es altamente compatible con todo tipo de sustratos, desde diminutos metales nanoestructurados hasta materiales semiconductores y plásticos. Debido a que no necesitamos altas temperaturas, este método se puede usar para muchas aplicaciones en diferentes sustratos», dice.
plasma rosa
El método del grupo para cultivar láminas de grafeno se lleva a cabo en el laboratorio del sótano. Un gas que consta de moléculas de hidrógeno y metano se activa con un chorro de plasma rosa brillante y se descompone en fragmentos más pequeños. Luego, la muestra, como un alambre de cobre bidimensional, se sumerge en el plasma y el carbono del gas se deposita en capas delgadas, de un átomo de espesor, en la superficie. La superficie final con el gráfico parece más brillante.
![La foto muestra el montaje del laboratorio para la producción de grafeno con plasma](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id61622_1.jpg)
«Debido a que la muestra se sumerge en el plasma sin la necesidad de calentamiento activo por un horno caliente a alrededor de 1000 grados centígrados, que es el caso con otros métodos, se hace posible el crecimiento a una temperatura mucho más baja», dice Lu.
Para el estudio, que probó la capacidad del grafeno para mejorar la flexibilidad de la electrónica, el equipo trabajó con los Laboratorios de Investigación Química y de Materiales de la organización taiwanesa Instituto de Investigación de Tecnología Industrial (ITRI). El equipo de Caltech creó estructuras de cobre recubiertas de grafeno que imitan lo que se usaría en la electrónica flexible y luego hizo que sus socios en ITRI las doblaran; La empresa cuenta con el equipo necesario para plegar las estructuras cientos de miles de veces. «Intenté y no pude quedarme allí tanto tiempo y doblar los materiales yo mismo», bromea Lu.
“El ITRI ha jugado un papel importante en unir la investigación de laboratorio y la producción industrial en Taiwán durante décadas. El ejemplo más destacado entre muchas empresas derivadas de ITRI es Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), actualmente la fundición de semiconductores más grande y líder del mundo», dice Yeh, quien recientemente viajó a Taiwán para visitar a su personal en ITRI (tanto Yeh como Lu son originario de Taiwán).
En el mismo estudio, los investigadores también demostraron que el grafeno podría mejorar la estabilidad química y la conductividad eléctrica de las estructuras de cobre, además de su flexibilidad estructural. «Simplemente pusimos dos capas atómicas de grafeno encima de estas delgadas líneas de cobre y vimos que después de varios meses estaban maravillosamente sin cambios», dice Yeh.
El segundo estudio examinó si el grafeno puede proteger la durabilidad de las estructuras de oro utilizadas en biosensores implantables. Los investigadores cultivaron grafeno en oro y luego expusieron el material a soluciones salinas que imitan el sudor. Los resultados mostraron que la estructura recubierta de grafeno permaneció intacta en condiciones equivalentes a aproximadamente un mes a la temperatura normal del cuerpo humano, mucho más tiempo del que sería posible con oro solo.
«No era consciente de todo el potencial del grafeno cuando comencé a trabajar con él», dice Lu. «Pero luego me di cuenta de cómo se podía usar con otros materiales para tantas aplicaciones. Mi compañero de piso [co-author Kuang Ming (Allen) Shang] y estaba bebiendo un té de boba cuando nos dimos cuenta de que podíamos probar si el grafeno podía proteger el oro de los efectos corrosivos del sudor». (Lu dice que su bebida taiwanesa favorita, el té de boba, lo ayuda a generar nuevas ideas para inspirarse).
¿Qué sigue para los gráficos?
Aunque el grafeno ha tardado más tiempo en llegar a la electrónica de lo previsto inicialmente, su futuro parece brillante. Además de usar grafeno en dispositivos electrónicos portátiles y flexibles, Yeh está investigando el potencial del grafeno en todo, desde investigación energética y comunicaciones ópticas hasta baterías ecológicas y más.
El grafeno también es clave para el creciente campo de la nanoelectrónica, cuyo objetivo es crear versiones más pequeñas de la electrónica que se usa ampliamente en la actualidad. El grafeno se puede usar en combinación con el silicio para reducir los dispositivos a tamaños cada vez más pequeños.
“El grafeno, en combinación con otros materiales, puede hacer que nuestra nanotecnología sea más pequeña y rápida. Conduce a una menor disipación de calor y un menor consumo de energía. Usamos gráficos para muchas cosas en nuestro laboratorio. Es emocionante», dice ella.
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