Las posibles aplicaciones del grafeno incluyen circuitos eléctricos/fotónicos livianos, delgados y flexibles, células solares y diversos procesos médicos, químicos e industriales mejorados o habilitados mediante el uso de nuevos materiales de grafeno. [1]
En 2008, el grafeno producido por exfoliación era uno de los materiales más caros de la Tierra; en abril de 2008, una muestra del área de una sección transversal de un cabello humano costaba más de 1.000 dólares (alrededor de 100.000.000 de dólares/cm2 ) . [2] Desde entonces, los procedimientos de exfoliación se han ampliado y ahora las empresas venden grafeno en grandes cantidades. [3] El precio del grafeno epitaxial sobre carburo de silicio está dominado por el precio del sustrato, que era de aproximadamente 100 dólares/cm 2 en 2009. Ahora existe un nuevo método para producir grafeno a partir de árboles de goma que puede reducir el costo hasta $ 0,50 por gramo a partir de 2019. [4] Hong Byung-hee y su equipo en Corea del Sur fueron pioneros en la síntesis de películas de grafeno a gran escala mediante deposición química de vapor (CVD) en capas delgadas de níquel , lo que desencadenó investigaciones sobre aplicaciones prácticas, [5 ] con tamaños de oblea de hasta 760 milímetros (30 pulgadas). [6] En 2017, la electrónica de grafeno se fabricaba en una fábrica comercial en una línea de 200 mm. [7]
En 2013, la Unión Europea otorgó una subvención de mil millones de euros para investigar posibles aplicaciones del grafeno. [8] En 2013 se formó el consorcio Graphene Flagship, que incluye a la Universidad Tecnológica de Chalmers y otras siete universidades y centros de investigación europeos, junto con Nokia . [9]
En 2011, los investigadores descubrieron la capacidad del grafeno para acelerar la diferenciación osteogénica de las células madre mesenquimales humanas sin el uso de inductores bioquímicos. [10]
En 2015, los investigadores utilizaron grafeno para crear biosensores con grafeno epitaxial sobre carburo de silicio. Los sensores se unen a la 8-hidroxidesoxiguanosina (8-OHdG) y son capaces de unirse selectivamente con anticuerpos . La presencia de 8-OHdG en sangre, orina y saliva se asocia comúnmente con daños en el ADN . Los niveles elevados de 8-OHdG se han relacionado con un mayor riesgo de varios tipos de cáncer. [11] Al año siguiente, los investigadores en biología estaban utilizando una versión comercial de un biosensor de grafeno como plataforma de sensor de unión a proteínas. [12]
En 2016, los investigadores revelaron que el grafeno sin recubrimiento se puede utilizar como electrodo de interfaz neurológica sin alterar ni dañar propiedades como la intensidad de la señal o la formación de tejido cicatricial. Los electrodos de grafeno en el cuerpo son significativamente más estables que los electrodos de tungsteno o silicio debido a propiedades como la flexibilidad, la biocompatibilidad y la conductividad. [13]
El grafeno se ha investigado para la ingeniería de tejidos. Se ha utilizado como agente de refuerzo para mejorar las propiedades mecánicas de nanocompuestos poliméricos biodegradables para aplicaciones de ingeniería de tejido óseo. [14] La dispersión de un porcentaje de grafeno de bajo peso (≈0,02 % en peso) aumentó las propiedades mecánicas de compresión y flexión de los nanocompuestos poliméricos. [15] La adición de nanopartículas de grafeno en la matriz polimérica conduce a mejoras en la densidad de reticulación del nanocompuesto y a una mejor transferencia de carga desde la matriz polimérica al nanomaterial subyacente, aumentando así las propiedades mecánicas.
Se han diseñado soluciones de grafeno funcionalizado y disperso con surfactante como agentes de contraste para resonancia magnética en la sangre . [16] Además, el yodo y el manganeso que incorporan nanopartículas de grafeno han servido como agentes de contraste multimodales para resonancia magnética y tomografía computarizada (TC). [17] Las micro y nanopartículas de grafeno han servido como agentes de contraste para la tomografía fotoacústica y termoacústica. [18] También se ha informado que el grafeno absorbe eficientemente las células cancerosas, lo que permite el diseño de agentes de administración de fármacos para la terapia del cáncer. [19] Las nanopartículas de grafeno de diversas morfologías, como nanocintas de grafeno, nanoplaquetas de grafeno y nanocebollas de grafeno [ se necesita aclaración ] no son tóxicas en concentraciones bajas y no alteran la diferenciación de las células madre, lo que sugiere que su uso puede ser seguro para aplicaciones biomédicas. [20]
Se informa que el grafeno mejora la PCR al aumentar el rendimiento del producto de ADN . [21] Los experimentos revelaron que la conductividad térmica del grafeno podría ser el factor principal detrás de este resultado. El grafeno produce un producto de ADN equivalente al control positivo con una reducción de hasta el 65 % en los ciclos de PCR. [ cita necesaria ]
La química modificable del grafeno, su gran superficie por unidad de volumen, su espesor atómico y su estructura molecularmente controlable hacen que las láminas de grafeno funcionalizadas con anticuerpos sean excelentes candidatas para dispositivos de detección y diagnóstico de mamíferos y microbios. [22] El grafeno es tan fino que el agua tiene una transparencia de humectación casi perfecta, lo cual es una propiedad importante, particularmente en el desarrollo de aplicaciones de biosensores. [23] Esto significa que un sensor recubierto de grafeno tiene tanto contacto con un sistema acuoso como un sensor no recubierto, mientras permanece protegido mecánicamente de su entorno.
Integración del grafeno (espesor de0,34 nm ) como nanoelectrodos en un nanoporo [24] pueden potencialmente resolver un cuello de botella para la secuenciación de ADN de una sola molécula basada en nanoporos .
El 20 de noviembre de 2013, la Fundación Bill y Melinda Gates otorgó 100.000 dólares "para desarrollar nuevos materiales compuestos elásticos para condones que contengan nanomateriales como el grafeno". [25]
En 2014, se anunciaron micromatrices de sensores médicos implantables, flexibles, transparentes (a través de frecuencias infrarrojas a ultravioleta) a base de grafeno que permiten la visualización del tejido cerebral oculto por implantes. La transparencia óptica fue superior al 90%. Las aplicaciones demostradas incluyen la activación optogenética de áreas corticales focales, imágenes in vivo de la vasculatura cortical mediante microscopía de fluorescencia y tomografía de coherencia óptica 3D. [26] [27]
Investigadores de la Universidad de Monash descubrieron que una lámina de óxido de grafeno se puede transformar espontáneamente en gotas de cristal líquido, como un polímero, simplemente colocando el material en una solución y manipulando el pH. Las gotas de grafeno cambian su estructura en presencia de un campo magnético externo. Este hallazgo plantea la posibilidad de transportar un fármaco en gotitas de grafeno y liberarlo al llegar al tejido objetivo haciendo que las gotitas cambien de forma en un campo magnético. Otra posible aplicación es la detección de enfermedades si se descubre que el grafeno cambia de forma ante la presencia de ciertos marcadores de enfermedades, como las toxinas . [28] [29]
Se demostró que una "alfombra voladora" de grafeno administra dos medicamentos contra el cáncer de forma secuencial a las células tumorales de pulmón ( células A549 ) en un modelo de ratón. La doxorrubicina (DOX) está incrustada en la lámina de grafeno, mientras que las moléculas del ligando inductor de apoptosis relacionado con el factor de necrosis tumoral ( TRAIL ) están unidas a la nanoestructura mediante cadenas peptídicas cortas. Inyectadas por vía intravenosa, las tiras de grafeno con la carga útil del fármaco se concentran preferentemente en las células cancerosas debido a la fuga común de los vasos sanguíneos alrededor del tumor. Los receptores de la membrana de las células cancerosas se unen a TRAIL y las enzimas de la superficie celular recortan el péptido, liberando así el fármaco en la superficie celular. Sin el voluminoso TRAIL, las tiras de grafeno con DOX incrustado se tragan en las células. El ambiente ácido intracelular promueve la liberación de DOX del grafeno. TRAIL en la superficie celular desencadena la apoptosis mientras DOX ataca el núcleo. Estos dos fármacos funcionan de forma sinérgica y se descubrió que son más eficaces que cualquiera de los fármacos por separado. [30] [31]
El desarrollo de la nanotecnología y la biología molecular ha permitido mejorar los nanomateriales con propiedades específicas que ahora pueden superar las debilidades de los procedimientos terapéuticos y de diagnóstico de enfermedades tradicionales. [32] En los últimos años, se ha dedicado más atención al diseño y desarrollo de nuevos métodos para lograr la liberación sostenida de diversos fármacos. Dado que cada fármaco tiene un nivel plasmático por encima del cual es tóxico y por debajo del cual es ineficaz y en la administración de fármacos convencional, la concentración del fármaco en la sangre aumenta rápidamente y luego disminuye, el objetivo principal de un sistema de administración de fármacos (DDS) ideal es mantener el fármaco dentro de un rango terapéutico deseado después de una dosis única, y/o dirigir el fármaco a una región específica mientras se reducen simultáneamente los niveles sistémicos del fármaco. [33] [34] Los materiales a base de grafeno, como el óxido de grafeno (GO), tienen un potencial considerable para varias aplicaciones biológicas, incluido el desarrollo de nuevos sistemas de liberación de fármacos. Los GO son una gran cantidad de grupos funcionales como hidroxilo, epoxi y carboxilo en su superficie basal y bordes que también se pueden usar para inmovilizar o cargar varias biomoléculas para aplicaciones biomédicas. Por otro lado, los biopolímeros se han utilizado con frecuencia como materia prima para diseñar formulaciones de administración de fármacos debido a sus excelentes propiedades, como la no toxicidad, la biocompatibilidad, la biodegradabilidad y la sensibilidad ambiental, etc. Las terapias con proteínas poseen ventajas sobre los enfoques de moléculas pequeñas, incluido el alto objetivo. especificidad y efectos bajos fuera del objetivo con procesos biológicos normales. La albúmina sérica humana (HSA) es una de las proteínas sanguíneas más abundantes. Sirve como proteína transportadora de varios ligandos endógenos y exógenos, así como de diversas moléculas de fármacos. Las nanopartículas de HSA han sido durante mucho tiempo el centro de atención en la industria farmacéutica debido a su capacidad para unirse a diversas moléculas de fármacos, alta estabilidad de almacenamiento y aplicación in vivo, no toxicidad y antigenicidad, biodegradabilidad, reproducibilidad, ampliación del proceso de producción y un mejor control sobre las propiedades de liberación. Además, se pueden incorporar cantidades significativas de fármacos a la matriz de partículas debido al gran número de sitios de unión de fármacos en la molécula de albúmina. [35] Por lo tanto, la combinación de HSA-NP y GO-NS podría ser útil para reducir la citotoxicidad de los GO-NS y mejorar la carga de fármacos y la liberación sostenida de fármacos en la terapia contra el cáncer.
Los investigadores demostraron un biomicrorobot (o citobot) a nanoescala creado revistiendo una célula endospora viva con puntos cuánticos de grafeno. El dispositivo actuó como sensor de humedad. [36]
En 2014 se anunció un producto de prueba de glucosa en sangre a base de grafeno. [37] [38]
Los biosensores FRET basados en grafeno pueden detectar ADN y su desenrollado utilizando diferentes sondas. [39]
El grafeno tiene una alta movilidad de portadores y un bajo nivel de ruido, lo que permite utilizarlo como canal en un transistor de efecto de campo . [40] El grafeno no modificado no tiene una banda prohibida de energía , lo que lo hace inadecuado para la electrónica digital. Sin embargo, las modificaciones (por ejemplo, las nanocintas de grafeno ) han creado usos potenciales en diversas áreas de la electrónica.
Se han construido transistores de grafeno controlados químicamente y controlados por voltaje.
Los transistores basados en grafeno podrían ser mucho más delgados que los dispositivos modernos de silicio, lo que permitiría configuraciones más rápidas y más pequeñas. [41]
El grafeno muestra una respuesta pronunciada a los campos eléctricos externos perpendiculares, formando potencialmente transistores de efecto de campo (FET), pero la ausencia de una banda prohibida limita fundamentalmente su relación de conductancia de encendido y apagado a menos de ~30 a temperatura ambiente. [42] Un artículo de 2006 propuso un FET plano totalmente de grafeno con puertas laterales. [43] Sus dispositivos mostraron cambios del 2% a temperaturas criogénicas. El primer FET con puerta superior (relación de encendido y apagado de <2) se demostró en 2007. [44] Las nanocintas de grafeno pueden resultar generalmente capaces de reemplazar al silicio como semiconductor. [45]
En 2006 se emitió una patente para la electrónica basada en grafeno. [46] En 2008, investigadores del Laboratorio Lincoln del MIT produjeron cientos de transistores en un solo chip [47] y en 2009, se produjeron transistores de muy alta frecuencia en los Laboratorios de Investigación Hughes . [48]
Un artículo de 2008 demostró un efecto de conmutación basado en una modificación química reversible de la capa de grafeno que proporciona una relación de encendido y apagado superior a seis órdenes de magnitud. Estos interruptores reversibles podrían emplearse potencialmente en memorias no volátiles. [49] IBM anunció en diciembre de 2008 transistores de grafeno que funcionan a frecuencias de GHz. [50]
En 2009, los investigadores demostraron cuatro tipos diferentes de puertas lógicas , cada una compuesta por un único transistor de grafeno. [51] En mayo de 2009, un transistor de tipo n complementó los transistores de grafeno de tipo p anteriores. [52] [53] Se demostró un circuito integrado de grafeno funcional: un inversor complementario que consta de un transistor de tipo p y uno de tipo n. [54] Sin embargo, este inversor sufrió una ganancia de voltaje baja. Normalmente, la amplitud de la señal de salida es aproximadamente 40 veces menor que la de la señal de entrada. Además, ninguno de estos circuitos funcionó a frecuencias superiores a 25 kHz.
Ese mismo año, simulaciones numéricas estrictas [55] demostraron que la banda prohibida inducida en los transistores de efecto de campo bicapa de grafeno no es lo suficientemente grande para transistores de alto rendimiento para aplicaciones digitales, pero puede ser suficiente para aplicaciones de voltaje ultrabajo. al explotar una arquitectura túnel-FET. [56]
En febrero de 2010, los investigadores anunciaron transistores de grafeno con una velocidad de encendido y apagado de 100 gigahercios, superando con creces las tasas anteriores y superando la velocidad de los transistores de silicio con una longitud de puerta igual. ElLos dispositivos de 240 nm se fabricaron con equipos convencionales de fabricación de silicio. [57] [58] [59] Según un informe de enero de 2010, [60] el grafeno se cultivó epitaxialmente en SiC en una cantidad y calidad adecuadas para la producción en masa de circuitos integrados. A altas temperaturas se podría medir el efecto Hall cuántico . IBM construyó 'procesadores' utilizando transistores de 100 GHz en láminas de grafeno de 2 pulgadas (51 mm). [61]
En junio de 2011, investigadores de IBM anunciaron el primer circuito integrado a escala de oblea basado en grafeno, un mezclador de radio de banda ancha. [62] El circuito manejaba frecuencias de hasta 10 GHz. Su rendimiento no se vio afectado por temperaturas de hasta 127 °C. En noviembre, los investigadores utilizaron la impresión 3D ( fabricación aditiva ) para fabricar dispositivos. [63]
En 2013, los investigadores demostraron la alta movilidad del grafeno en un detector que permite una selectividad de frecuencia de banda ancha que va desde la región THz hasta la región IR (0,76–33 THz) [64] Un grupo separado creó un transistor de velocidad de terahercios con características biestables, lo que significa que el El dispositivo puede cambiar espontáneamente entre dos estados electrónicos. El dispositivo consta de dos capas de grafeno separadas por una capa aislante de nitruro de boro de unas pocas capas atómicas de espesor. Los electrones atraviesan esta barrera mediante túneles cuánticos . Estos nuevos transistores exhiben conductancia diferencial negativa, por lo que la misma corriente eléctrica fluye con dos voltajes aplicados diferentes. [65] En junio, se describió un circuito oscilador en anillo de 1,28 GHz y 8 transistores. [66]
La resistencia diferencial negativa observada experimentalmente en transistores de efecto de campo de grafeno de diseño convencional permite la construcción de arquitecturas computacionales no booleanas viables. La resistencia diferencial negativa, observada bajo ciertos esquemas de polarización, es una propiedad intrínseca del grafeno resultante de su estructura de bandas simétrica. Los resultados presentan un cambio conceptual en la investigación del grafeno e indican una ruta alternativa para las aplicaciones del grafeno en el procesamiento de información. [67]
En 2013, unos investigadores crearon transistores impresos en plástico flexible que funcionan a 25 gigahercios, suficiente para circuitos de comunicaciones y que pueden fabricarse a escala. Los investigadores primero fabricaron estructuras que no contenían grafeno (los electrodos y las compuertas) en láminas de plástico. Por separado, cultivaron grandes láminas de grafeno sobre metal, luego las pelaron y las transfirieron al plástico. Finalmente, cubrieron la sábana con una capa impermeable. Los dispositivos funcionan después de ser sumergidos en agua y eran lo suficientemente flexibles como para doblarlos. [68]
En 2015, los investigadores idearon un interruptor digital perforando una lámina de grafeno con nanotubos de nitruro de boro que exhibía una relación de conmutación de 10 5 con un voltaje de encendido de 0,5 V. La teoría funcional de la densidad sugería que el comportamiento se debía a la falta de coincidencia de la densidad de estados . [69]
En 2008, se fabricó con grafeno un transistor de un átomo de espesor y 10 átomos de ancho. [70]
En 2022, los investigadores construyeron un transistor de grafeno de un solo átomo de 0,34 nanómetros (en estado), más pequeño que un dispositivo relacionado que usaba nanotubos de carbono en lugar de grafeno. El grafeno formó la puerta. Como base se utilizó dióxido de silicio. La lámina de grafeno se formó mediante deposición química de vapor , colocada sobre el SiO
2. Se colocó una lámina de óxido de aluminio encima del grafeno. el al
2oh
Xy SiO
2intercalar el grafeno actúa como aislante. Luego grabaron en los materiales intercalados, cortando el grafeno y el Al.
2oh
Xpara crear un escalón que expusiera el borde del grafeno. Luego agregaron capas de óxido de hafnio y disulfuro de molibdeno (otro material 2D) en la parte superior, lateral e inferior del escalón. Luego se agregaron electrodos en la parte superior e inferior como fuente y drenaje. A esta construcción la llaman "transistor de pared lateral". La relación de encendido/apagado alcanzó 1,02 × 105 y los valores de oscilación por debajo del umbral fueron 117 mV dec–1. [71]
Un campo eléctrico puede cambiar la estructura cristalina del grafeno tricapa, transformando su comportamiento de metálico a semiconductor. Una punta afilada de microscopía de túnel de barrido de metal pudo mover el borde del dominio entre las configuraciones de grafeno superior e inferior. Un lado del material se comporta como metal, mientras que el otro lado se comporta como semiconductor. El grafeno tricapa se puede apilar en configuraciones de Bernal o romboédricas , que pueden existir en una sola escama. Los dos dominios están separados por un límite preciso en el que la capa intermedia se tensa para acomodar la transición de un patrón de apilamiento al otro. [72]
Los transistores de silicio son de tipo p o de tipo n, mientras que el grafeno puede funcionar como ambos. Esto reduce costos y es más versátil. La técnica proporciona la base para un transistor de efecto de campo . [72]
En el grafeno tricapa, las dos configuraciones de apilamiento exhiben propiedades electrónicas diferentes. La región entre ellos consiste en un solitón de tensión localizado donde los átomos de carbono de una capa de grafeno se desplazan según la distancia del enlace carbono-carbono . La diferencia de energía libre entre las dos configuraciones de apilamiento aumenta cuadráticamente con el campo eléctrico, favoreciendo el apilamiento romboédrico a medida que aumenta el campo eléctrico. [72]
Esta capacidad de controlar el orden de apilamiento abre el camino a nuevos dispositivos que combinan propiedades estructurales y eléctricas. [72] [73]
La alta conductividad eléctrica y la alta transparencia óptica del grafeno lo convierten en un candidato para electrodos conductores transparentes, necesarios para aplicaciones tales como pantallas táctiles , pantallas de cristal líquido , células fotovoltaicas inorgánicas, [74] [75] células fotovoltaicas orgánicas y diodos emisores de luz orgánicos . En particular, la resistencia mecánica y la flexibilidad del grafeno son ventajosas en comparación con el óxido de indio y estaño , que es frágil. Las películas de grafeno pueden depositarse desde la solución en grandes áreas. [76] [77] [78]
Se produjeron películas de grafeno de pocas capas, de gran superficie, continuas, transparentes y altamente conductoras mediante deposición química de vapor y se utilizaron como ánodos para su aplicación en dispositivos fotovoltaicos . Se demostró una eficiencia de conversión de energía (PCE) de hasta el 1,7 %, que es el 55,2 % del PCE de un dispositivo de control basado en óxido de indio y estaño. Sin embargo, la principal desventaja que traerá el método de fabricación serán las malas uniones del sustrato que eventualmente conducirán a una estabilidad cíclica deficiente y causarán una alta resistividad a los electrodos. [79]
Se han demostrado diodos emisores de luz orgánicos (OLED) con ánodos de grafeno. El dispositivo se formó a partir de grafeno procesado en solución sobre un sustrato de cuarzo. El rendimiento electrónico y óptico de los dispositivos basados en grafeno es similar al de los dispositivos fabricados con óxido de indio y estaño . [80] En 2017, se produjeron electrodos OLED mediante CVD sobre un sustrato de cobre. [81]
Se demostró un dispositivo a base de carbono llamado celda electroquímica emisora de luz (LEC) con grafeno derivado químicamente como cátodo y el polímero conductor poli (3,4-etilendioxitiofeno) (PEDOT) como ánodo. [82] A diferencia de sus predecesores, este dispositivo contiene sólo electrodos a base de carbono, sin metal. [ cita necesaria ]
En 2014 se demostró un prototipo de pantalla flexible basada en grafeno. [83]
En 2016, los investigadores demostraron una pantalla que utilizaba modulación de interferometría para controlar los colores, denominada "dispositivo de globo de grafeno" hecho de silicio que contiene cavidades circulares de 10 μm cubiertas por dos láminas de grafeno. El grado de curvatura de las láminas sobre cada cavidad define el color emitido. El dispositivo aprovecha los fenómenos conocidos como anillos de Newton creados por la interferencia entre las ondas de luz que rebotan en el fondo de la cavidad y el material (transparente). Al aumentar la distancia entre el silicio y la membrana, aumentó la longitud de onda de la luz. Este enfoque se utiliza en pantallas coloreadas de lectores electrónicos y relojes inteligentes, como el Qualcomm Toq . Utilizan materiales de silicio en lugar de grafeno. El grafeno reduce los requisitos de energía. [84]
En 2009, los investigadores construyeron multiplicadores de frecuencia de grafeno experimentales que toman una señal entrante de una determinada frecuencia y emiten una señal en un múltiplo de esa frecuencia. [85] [86] [87]
El grafeno interactúa fuertemente con los fotones, con el potencial de crear directamente una banda prohibida. Esto es prometedor para dispositivos optoelectrónicos y nanofotónicos . La interacción de la luz surge debido a la singularidad de Van Hove . El grafeno muestra diferentes escalas de tiempo en respuesta a la interacción de los fotones, que van desde femtosegundos (ultrarrápidos) hasta picosegundos. Los usos potenciales incluyen películas transparentes, pantallas táctiles y emisores de luz o como dispositivo plasmónico que confina la luz y altera las longitudes de onda. [88]
Debido a la extremadamente alta movilidad de los electrones, el grafeno se puede utilizar para la producción de sensores de efecto Hall altamente sensibles . [89] La aplicación potencial de tales sensores está relacionada con transformadores de corriente CC para aplicaciones especiales. [ cita necesaria ] En abril de 2015 se informó de nuevos sensores Hall de alta sensibilidad récord. Estos sensores son dos veces mejores que los sensores existentes basados en Si. [90]
Los puntos cuánticos de grafeno (GQD) mantienen todas las dimensiones por debajo de los 10 nm. Su tamaño y cristalografía de bordes gobiernan sus propiedades eléctricas, magnéticas, ópticas y químicas. Los GQD se pueden producir mediante nanotomía de grafito [91] o mediante rutas ascendentes basadas en soluciones ( Diels-Alder, reacciones de ciclotrimerización y/o ciclodeshidrogenación ). [92] Los GQD con estructura controlada se pueden incorporar en aplicaciones en electrónica, optoelectrónica y electromagnética. El confinamiento cuántico se puede crear cambiando el ancho de las nanocintas de grafeno (GNR) en puntos seleccionados a lo largo de la cinta. [70] [93] Se estudia como catalizador para pilas de combustible. [94]
Un polímero semiconductor ( poli(3-hexiltiofeno) [95] colocado encima de una sola capa de grafeno conduce verticalmente la carga eléctrica mejor que una capa delgada de silicio. Una película de polímero de 50 nm de espesor conducía la carga aproximadamente 50 veces mejor que una de 10 nm película gruesa, potencialmente porque la primera consiste en un mosaico de cristalitos orientados de forma variable y forma un camino continuo de cristales interconectados. En una película delgada o sobre silicio, [95] los cristalitos en forma de placas están orientados paralelos a la capa de grafeno. células [96]
El grafeno de gran superficie creado por deposición química de vapor (CVD) y colocado en capas sobre un sustrato de SiO2 puede preservar el espín de los electrones durante un período prolongado y comunicarlo. La espintrónica varía el espín de los electrones en lugar del flujo de corriente. La señal de espín se conserva en canales de grafeno que tienen hasta 16 micrómetros de largo durante un nanosegundo. El transporte y la precesión de espín puro se extendieron a lo largo de canales de 16 μm con una vida útil de espín de 1,2 ns y una longitud de difusión de espín de ≈6 μm a temperatura ambiente. [97]
La espintrónica se utiliza en unidades de disco para almacenamiento de datos y en memorias magnéticas de acceso aleatorio . El espín electrónico es generalmente de corta duración y frágil, pero la información basada en el espín de los dispositivos actuales necesita viajar sólo unos pocos nanómetros. Sin embargo, en los procesadores, la información debe atravesar varias decenas de micrómetros con espines alineados. El grafeno es el único candidato conocido para tal comportamiento. [97]
En 2012, Vorbeck Materials comenzó a enviar el dispositivo de embalaje antirrobo Siren, que utiliza sus circuitos Vor-Ink basados en grafeno para reemplazar la antena metálica y el cableado externo a un chip RFID . Este fue el primer producto disponible comercialmente en el mundo basado en grafeno. [98] [99]
Cuando se ajusta el nivel de Fermi del grafeno, se puede cambiar su absorción óptica. En 2011, los investigadores informaron sobre el primer modulador óptico basado en grafeno. Operando en1,2 GHz sin controlador de temperatura, este modulador tiene un ancho de banda amplio (de 1,3 a 1,6 μm) y un tamaño reducido (~25 µm2 ) . [100]
Recientemente se ha demostrado un modulador Mach-Zehnder basado en una guía de ondas híbrida de grafeno y silicio, que puede procesar señales casi sin chirridos. [101] Se obtiene una extinción de hasta 34,7 dB y un parámetro de chirrido mínimo de -0,006. Su pérdida de inserción es aproximadamente -1,37 dB.
Una hiperlente es una lente de súper resolución en tiempo real que puede transformar ondas evanescentes en ondas que se propagan y así romper el límite de difracción. En 2016, una hiperlente basada en grafeno en capas dieléctricas y nitruro de h-boro (h-BN) puede superar los diseños metálicos. En función de sus propiedades anisotrópicas, las hiperlentes planas y cilíndricas se verificaron numéricamente con grafeno en capas a 1200 THz y h-BN en capas a 1400 THz, respectivamente. [102] En 2016, una microlente de grafeno de 1 nm de espesor que puede obtener imágenes de objetos del tamaño de una sola bacteria. La lente se creó rociando una lámina de solución de óxido de grafeno y luego moldeando la lente con un rayo láser. Puede resolver objetos tan pequeños como 200 nanómetros y ver en el infrarrojo cercano. Rompe el límite de difracción y consigue una distancia focal inferior a la mitad de la longitud de onda de la luz. Las posibles aplicaciones incluyen imágenes térmicas para teléfonos móviles, endoscopios , nanosatélites y chips fotónicos en supercomputadoras y distribución de banda ancha ultrarrápida. [103]
El grafeno reacciona al espectro infrarrojo a temperatura ambiente, aunque con una sensibilidad entre 100 y 1.000 veces demasiado baja para aplicaciones prácticas. Sin embargo, dos capas de grafeno separadas por un aislante permitieron que un campo eléctrico producido por los agujeros dejados por los electrones fotoliberados en una capa afectara una corriente que pasaba a través de la otra capa. El proceso produce poco calor, lo que lo hace adecuado para su uso en óptica de visión nocturna. El sándwich es lo suficientemente delgado como para integrarse en dispositivos portátiles, computadoras montadas en anteojos e incluso lentes de contacto . [104]
Se ha demostrado que una heterounión grafeno/silicio de tipo n exhibe un fuerte comportamiento rectificador y una alta fotorresponsividad. Al introducir una fina capa de óxido interfacial, la corriente oscura de la heterounión grafeno/n-Si se ha reducido en dos órdenes de magnitud con polarización cero. A temperatura ambiente, el fotodetector de grafeno/n-Si con óxido interfacial exhibe una detectividad específica de hasta 5,77 × 10 13 cm Hz 1/2 W 2 en la longitud de onda máxima de 890 nm en el vacío. Además, los fotodetectores de heterounión grafeno/n-Si mejorados poseen una alta capacidad de respuesta de 0,73 AW −1 y una alta relación de corriente foto-oscuridad de ≈107. Estos resultados demuestran que la heterounión grafeno/Si con óxido interfacial es prometedora para el desarrollo de fotodetectores de alta detectividad. [105] Recientemente, se presenta un fotodetector Schottky de grafeno/si con una velocidad de respuesta récord (<25 ns) desde una longitud de onda de 350 nm a 1100 nm. [106] Los fotodetectores exhiben una excelente estabilidad a largo plazo incluso almacenados en el aire durante más de 2 años. Estos resultados no solo avanzan en el desarrollo de fotodetectores de alto rendimiento basados en la unión Schottky grafeno/Si, sino que también tienen implicaciones importantes para la producción en masa de dispositivos de matriz de fotodetectores basados en grafeno para monitoreo ambiental rentable, imágenes médicas y espacio libre. comunicaciones, seguimiento fotoeléctrico inteligente e integración con circuitos CMOS para aplicaciones emergentes de interés de las cosas, etc.
Las membranas de óxido de grafeno dejan pasar el vapor de agua, pero son impermeables a otros líquidos y gases. [107] Este fenómeno se ha utilizado para una mayor destilación de vodka a concentraciones de alcohol más altas, en un laboratorio a temperatura ambiente, sin la aplicación de calor o vacío como se usa en los métodos de destilación tradicionales .
El grafeno se ha utilizado sobre diferentes sustratos como Si, CdS y CdSe para producir células solares de unión Schottky. Gracias a las propiedades del grafeno, como la función de trabajo del grafeno, se puede optimizar la eficiencia de las células solares. Una ventaja de los electrodos de grafeno es la capacidad de producir células solares de unión Schottky económicas. [108]
Las células solares de grafeno utilizan la combinación única del grafeno de alta conductividad eléctrica y transparencia óptica. [109] Este material absorbe sólo el 2,6% de la luz verde y el 2,3% de la luz roja. [110] El grafeno se puede ensamblar en una película de electrodo con baja rugosidad. Estas películas deben hacerse más gruesas que una capa atómica para obtener resistencias laminares útiles. Esta resistencia adicional se puede compensar incorporando materiales de relleno conductores, como una matriz de sílice . La conductividad reducida se puede compensar uniendo moléculas aromáticas grandes , como la sal sódica del ácido pireno -1-sulfónico (PyS) y la sal disódica del ácido bisbencenosulfónico (diimida bisbencenosulfónico) 3,4,9,10-perilentetracarboxílico (PDI). Estas moléculas, a altas temperaturas, facilitan una mejor conjugación π del plano basal del grafeno. [111]
El uso de grafeno como material fotoactivo requiere que su banda prohibida sea de 1,4 a 1,9 eV. En 2010, se lograron eficiencias de células individuales de fotovoltaicas nanoestructuradas basadas en grafeno superiores al 12%. Según P. Mukhopadhyay y RK Gupta, la energía fotovoltaica orgánica podría ser "dispositivos en los que se utiliza grafeno semiconductor como material fotoactivo y grafeno metálico como electrodos conductores". [111]
En 2008, la deposición química de vapor produjo láminas de grafeno depositando una película de grafeno hecha de gas metano sobre una placa de níquel. Se coloca una capa protectora de termoplástico sobre la capa de grafeno y luego el níquel que se encuentra debajo se disuelve en un baño ácido. El último paso es unir el grafeno recubierto de plástico a una lámina de polímero flexible , que luego puede incorporarse a una célula fotovoltaica. Las láminas de grafeno/polímero varían en tamaño hasta 150 centímetros cuadrados y pueden usarse para crear matrices densas. [112]
El silicio genera solo un electrón impulsor de corriente por cada fotón que absorbe, mientras que el grafeno puede producir múltiples electrones. Las células solares fabricadas con grafeno podrían ofrecer una eficiencia de conversión del 60%. [113]
En 2010, los investigadores informaron por primera vez sobre la creación de una célula solar de heterounión de grafeno-silicio, donde el grafeno servía como electrodo transparente e introducía un campo eléctrico incorporado cerca de la interfaz entre el grafeno y el silicio tipo n para ayudar a recolectar portadores de carga. [114] En 2012, los investigadores informaron una eficiencia del 8,6% para un prototipo que consistía en una oblea de silicio recubierta con grafeno dopado con trifluorometanosulfonilamida (TFSA). El dopaje aumentó la eficiencia al 9,6 % en 2013. [115] En 2015, los investigadores informaron una eficiencia del 15,6 % al elegir el espesor de óxido óptimo en el silicio. [116] Esta combinación de materiales de carbono con semiconductores de silicio tradicionales para fabricar células solares ha sido un campo prometedor de la ciencia del carbono. [117]
En 2013, otro equipo informó un 15,6% al combinar óxido de titanio y grafeno como colector de carga y perovskita como absorbente de luz solar. El dispositivo se puede fabricar a temperaturas inferiores a 150 °C (302 °F) mediante deposición basada en solución. Esto reduce los costes de producción y ofrece la posibilidad de utilizar plásticos flexibles. [118]
En 2015, los investigadores desarrollaron un prototipo de celda que utilizaba perovskita semitransparente con electrodos de grafeno. El diseño permitió absorber la luz por ambos lados. Ofrecía una eficiencia de alrededor del 12 por ciento con costos de producción estimados de menos de 0,06 dólares por vatio. El grafeno se recubrió con PEDOT: polímero conductor PSS ( politiofeno , poliestireno sulfonato). El grafeno multicapa mediante CVD creó electrodos transparentes que reducen la resistencia de las láminas. El rendimiento se mejoró aún más al aumentar el contacto entre los electrodos superiores y la capa de transporte de orificios. [119]
El grafeno adecuadamente perforado (y el nitruro de boro hexagonal hBN) puede permitir que los protones lo atraviesen, ofreciendo la posibilidad de usar monocapas de grafeno como una barrera que bloquea los átomos de hidrógeno, pero no los protones/hidrógeno ionizado (átomos de hidrógeno con sus electrones despojados). Incluso podrían usarse para extraer gas hidrógeno de la atmósfera que podría alimentar generadores eléctricos con aire ambiente. [120]
Las membranas son más efectivas a temperaturas elevadas y cuando están cubiertas con nanopartículas catalíticas como el platino . [120]
El grafeno podría resolver un problema importante de las pilas de combustible: un cruce de combustible que reduce la eficiencia y la durabilidad. [120]
En las pilas de combustible de metanol, el grafeno utilizado como capa barrera en el área de la membrana ha reducido el cruce de combustible con una resistencia de protones insignificante, lo que mejora el rendimiento. [121]
A temperatura ambiente, la conductividad de protones con hBN monocapa supera al grafeno, con una resistividad al flujo de protones de aproximadamente 10 Ω cm 2 y una baja energía de activación de aproximadamente 0,3 electronvoltios. A temperaturas más altas, el grafeno tiene mejores resultados y se estima que su resistividad cae por debajo de 10 −3 Ω cm 2 por encima de 250 grados Celsius. [122]
En otro proyecto, los protones pasan fácilmente a través de membranas de grafeno ligeramente imperfectas sobre sílice fundida en agua. [123] La membrana fue expuesta a ciclos de pH alto y bajo. Los protones se transfieren reversiblemente desde la fase acuosa a través del grafeno al otro lado donde se someten a una química ácido-base con grupos hidroxilo de sílice. Las simulaciones por computadora indicaron barreras de energía de 0,61 a 0,75 eV para defectos atómicos terminados en hidroxilo que participan en un relé de tipo Grotthuss , mientras que las terminaciones de éter tipo pirilio no lo hicieron. [124] Recientemente, Paul y sus compañeros de trabajo en IISER Bhopal demostraron la conducción de protones en estado sólido para grafeno de pocas capas funcionalizado con oxígeno (8,7x10 −3 S/cm) con una barrera de activación baja (0,25 eV). [125]
La adición de un 0,6% de grafeno a una mezcla de lantano y óxido de titanio y estroncio parcialmente reducido produce un Seebeck fuerte a temperaturas que van desde la temperatura ambiente hasta los 750 °C (en comparación con 500-750 sin grafeno). El material convierte el 5% del calor en electricidad (en comparación con el 1% del óxido de estroncio y titanio) .
En 2015, una capa de grafeno en los condensadores de vapor cuadruplicó la eficiencia de la condensación, aumentando la eficiencia general de la planta entre un 2 y un 3 por ciento. [127]
Debido a la alta relación superficie-masa del grafeno, una posible aplicación es en las placas conductoras de supercondensadores . [128]
En febrero de 2013, los investigadores anunciaron una técnica novedosa para producir supercondensadores de grafeno basados en el enfoque de reducción de la grabadora de DVD. [129]
En 2014 se anunció un supercondensador que, según se afirmaba, lograba una densidad de energía comparable a la de las baterías de iones de litio actuales. [37] [38]
En 2015, la técnica se adaptó para producir supercondensadores tridimensionales apilados . Se produjo grafeno inducido por láser en ambos lados de una lámina de polímero. Luego, las secciones se apilaron, separadas por electrolitos sólidos, formando múltiples microsupercondensadores. La configuración apilada aumentó sustancialmente la densidad energética del resultado. En las pruebas, los investigadores cargaron y descargaron los dispositivos durante miles de ciclos casi sin pérdida de capacitancia. [130] Los dispositivos resultantes fueron mecánicamente flexibles y sobrevivieron 8.000 ciclos de flexión. Esto los hace potencialmente adecuados para rodar en una configuración cilíndrica. Los dispositivos basados en electrolitos poliméricos de estado sólido exhiben una capacitancia de área de >9 mF/cm2 a una densidad de corriente de 0,02 mA/cm2, más del doble que los electrolitos acuosos convencionales. [131]
También en 2015, otro proyecto anunció un microsupercondensador que es lo suficientemente pequeño como para caber en dispositivos portátiles o implantables. Con sólo una quinta parte del grosor de una hoja de papel, es capaz de contener más del doble de carga que una batería de litio de película delgada comparable. El diseño empleó grafeno grabado con láser, o LSG con dióxido de manganeso . Se pueden fabricar sin temperaturas extremas ni costosos "cuartos secos". Su capacidad es seis veces mayor que la de los supercondensadores disponibles comercialmente. [132] El dispositivo alcanzó una capacitancia volumétrica de más de 1.100 F/cm3. Esto corresponde a una capacitancia específica del constituyente MnO2 de 1.145 F/g, cercana al máximo teórico de 1.380 F/g. La densidad de energía varía entre 22 y 42 Wh/L según la configuración del dispositivo. [133]
En mayo de 2015, un supercondensador de grafeno inducido por láser con infusión de ácido bórico triplicó su densidad de energía área y aumentó su densidad de energía volumétrica entre 5 y 10 veces. Los nuevos dispositivos demostraron ser estables durante 12.000 ciclos de carga y descarga, conservando el 90 por ciento de su capacitancia. En las pruebas de estrés, sobrevivieron a 8.000 ciclos de flexión. [134] [135]
En 2012 se demostraron baterías de iones de litio con ánodo de silicio y grafeno. [136]
El ciclo estable de iones de litio se demostró en películas de grafeno de dos y pocas capas cultivadas sobre sustratos de níquel , [137] mientras que las películas de grafeno de una sola capa se han demostrado como una capa protectora contra la corrosión en componentes de la batería, como la caja de la batería. [138] Esto crea posibilidades para electrodos flexibles para baterías de iones de litio a microescala, donde el ánodo actúa como material activo y colector de corriente. [139]
Los investigadores construyeron una batería de iones de litio hecha de grafeno y silicio , que, según se afirmaba, duraba más de una semana con una sola carga y solo tardaba 15 minutos en cargarse. [140]
En 2015, se utilizó el procesamiento de plasma basado en iones de argón para bombardear muestras de grafeno con iones de argón. Esto eliminó algunos átomos de carbono y triplicó la capacitancia de los materiales. Estos defectos en "sillón" y "zigzag" reciben nombres en función de las configuraciones de los átomos de carbono que rodean los agujeros. [141] [142]
En 2016, Huawei anunció baterías de iones de litio asistidas por grafeno con mayor tolerancia al calor y el doble de vida útil que las baterías de iones de litio tradicionales , el componente con menor vida útil en los teléfonos móviles . [143] [144] [145]
Debido a la alta conductividad eléctrica y térmica , resistencia mecánica y resistencia a la corrosión del grafeno , una aplicación potencial es la transmisión de energía de alta potencia.
El alambre de cobre se ha utilizado durante mucho tiempo para la transmisión de energía por su alta conductividad, ductilidad y bajos costos. Sin embargo, el cable tradicional no cumple con los requisitos de transmisión de muchas tecnologías nuevas. La resistividad térmicamente dependiente del alambre de cobre mesoscópico limita la eficiencia y la capacidad de carga de corriente en la electrónica de pequeña escala. [146] Además, el alambre de cobre presenta fallas internas por electromigración a alta densidad de corriente, lo que limita la miniaturización del alambre. El alto peso del cobre y su oxidación a baja temperatura también limitan sus aplicaciones en la transmisión de alta potencia. [147] La creciente demanda de transmisión de alta ampacidad en aplicaciones electrónicas y de vehículos eléctricos requiere mejoras en la tecnología de conductores.
Los conductores compuestos de grafeno y cobre son una alternativa prometedora a los conductores estándar en aplicaciones de alta potencia.
En 2013, los investigadores demostraron un aumento de cien veces en la capacidad de carga de corriente con cables compuestos de nanotubos de carbono y cobre en comparación con los cables de cobre tradicionales. Estos alambres compuestos exhibieron un coeficiente de resistividad de temperatura de un orden de magnitud menor que los alambres de cobre, una característica importante para aplicaciones de carga alta. [148]
Además, en 2021, los investigadores demostraron un aumento de 4,5 veces en el límite de ruptura de densidad de corriente del alambre de cobre con una cubierta de grafeno axialmente continua. El alambre de cobre fue recubierto por una lámina continua de grafeno mediante deposición química de vapor . El alambre recubierto mostró una oxidación reducida del alambre durante el calentamiento en julios , una mayor disipación de calor (224% más) y una mayor conductividad (41% más). [149] [150]
El grafeno no se oxida en el aire ni en fluidos biológicos, lo que lo convierte en un material atractivo para su uso como biosensor . [151] Un circuito de grafeno se puede configurar como un biosensor de efecto de campo aplicando moléculas de captura biológica y capas de bloqueo al grafeno, y luego controlando la diferencia de voltaje entre el grafeno y el líquido que incluye la muestra de prueba biológica. De los distintos tipos de sensores de grafeno que se pueden fabricar, los biosensores fueron los primeros en estar disponibles para la venta. [7]
Las propiedades electrónicas de las heteroestructuras de grafeno/h-BN se pueden modular cambiando las distancias entre capas mediante la aplicación de presión externa, lo que lleva a la posible realización de sensores de presión atómica delgada. En 2011, los investigadores propusieron un sensor de presión en el plano que constaba de grafeno intercalado entre nitruro de boro hexagonal y un sensor de presión de túnel que constaba de h-BN intercalado con grafeno. [152] La corriente varía en 3 órdenes de magnitud a medida que la presión aumenta de 0 a 5 nN/nm 2 . Esta estructura es insensible al número de capas envolventes de h-BN, lo que simplifica el control del proceso. Debido a que el h-BN y el grafeno son inertes a las altas temperaturas, el dispositivo podría admitir sensores de presión ultrafinos para su aplicación en condiciones extremas.
En 2016, los investigadores demostraron un sensor de presión biocompatible hecho a partir de una mezcla de hojuelas de grafeno con polisilicona reticulada (que se encuentra en la masilla ). [153]
Los sistemas nanoelectromecánicos (NEMS) se pueden diseñar y caracterizar comprendiendo la interacción y el acoplamiento entre los dominios de energía mecánico, eléctrico y de van der Waals. El límite mecánico cuántico regido por la relación de incertidumbre de Heisenberg decide la precisión última de los sistemas nanomecánicos. La compresión cuántica puede mejorar la precisión al reducir las fluctuaciones cuánticas en una amplitud deseada de las dos amplitudes de cuadratura. Los NEMS tradicionales difícilmente logran una compresión cuántica debido a sus límites de espesor. Se ha propuesto un esquema para obtener estados cuánticos comprimidos a través de estructuras NEMS de grafeno experimentales típicas aprovechando su espesor de escala atómica. [154]
En teoría, el grafeno es un sensor excelente debido a su estructura 2D. El hecho de que todo su volumen esté expuesto al entorno que lo rodea lo hace muy eficiente para detectar moléculas adsorbidas . Sin embargo, al igual que los nanotubos de carbono, el grafeno no tiene enlaces colgantes en su superficie. Las moléculas gaseosas no pueden adsorberse fácilmente en las superficies de grafeno, por lo que intrínsecamente el grafeno es insensible. [155] La sensibilidad de los sensores de gas químico de grafeno se puede mejorar drásticamente mediante la funcionalización, por ejemplo, recubriendo la película con una capa delgada de ciertos polímeros. La fina capa de polímero actúa como un concentrador que absorbe moléculas gaseosas. La absorción de la molécula introduce un cambio local en la resistencia eléctrica de los sensores de grafeno. Si bien este efecto ocurre en otros materiales, el grafeno es superior debido a su alta conductividad eléctrica (incluso cuando hay pocos portadores presentes) y su bajo ruido, lo que hace que este cambio en la resistencia sea detectable. [156]
Las simulaciones de la teoría funcional de la densidad predicen que depositar ciertos átomos de adato sobre el grafeno puede hacer que responda piezoeléctricamente a un campo eléctrico aplicado en la dirección fuera del plano. Este tipo de piezoelectricidad diseñada localmente es similar en magnitud a la de los materiales piezoeléctricos a granel y convierte al grafeno en un candidato para el control y la detección en dispositivos a nanoescala. [157]
Impulsado por la demanda de dispositivos portátiles, se ha demostrado que el grafeno es un material prometedor para posibles aplicaciones en sensores de tensión flexibles y altamente sensibles. Se propone un método rentable y respetuoso con el medio ambiente para fabricar películas de grafeno ultrafinas de gran superficie para sensores de tensión flexibles altamente sensibles. Las películas de grafeno ensambladas se derivan rápidamente en la interfaz líquido/aire mediante el efecto Marangoni y el área se puede ampliar. Estos sensores de deformación basados en grafeno exhiben una sensibilidad extremadamente alta con un factor de calibre de 1037 con una deformación del 2 %, lo que representa el valor más alto para las plaquetas de grafeno con esta pequeña deformación hasta el momento. [158]
Las bandas de goma con grafeno ("bandas G") se pueden utilizar como sensores corporales económicos. Las bandas siguen siendo flexibles y pueden usarse como sensor para medir la respiración, la frecuencia cardíaca o el movimiento. Los trajes con sensores livianos para pacientes vulnerables podrían permitir monitorear de forma remota movimientos sutiles. Estos sensores muestran10 × 10 4 aumentos de resistencia y trabajo con tensiones superiores al 800%. Se observaron factores de calibre de hasta 35. Estos sensores pueden funcionar con frecuencias de vibración de al menos 160 Hz . A 60 Hz, se pueden monitorear deformaciones de al menos el 6% a velocidades de deformación superiores al 6000%/s. [159]
En 2015, unos investigadores anunciaron un sensor magnético basado en grafeno 100 veces más sensible que un dispositivo equivalente basado en silicio (7.000 voltios por amperio-tesla). El sustrato del sensor era nitruro de boro hexagonal . Los sensores se basaron en el efecto Hall , en el que un campo magnético induce una fuerza de Lorentz sobre los portadores de carga eléctrica en movimiento, lo que provoca una desviación y una tensión Hall medible. En el peor de los casos, el grafeno coincidía aproximadamente con el diseño de silicio del mejor de los casos. En el mejor de los casos, el grafeno requería menores requisitos de corriente y potencia de fuente. [160]
El óxido de grafeno no es tóxico y es biodegradable. Su superficie está cubierta de grupos epoxi, hidroxilo y carboxilo que interactúan con cationes y aniones. Es soluble en agua y forma suspensiones coloides estables en otros líquidos porque es anfifílico (capaz de mezclarse con agua o aceite). Dispersado en líquidos muestra excelentes capacidades de sorción . Puede eliminar cobre, cobalto, cadmio , arseniato y disolventes orgánicos .
Las investigaciones sugieren que los filtros de grafeno podrían superar a otras técnicas de desalinización por un margen significativo. [161]
En 2021, los investigadores descubrieron que una espuma de grafeno reutilizable podría filtrar eficazmente el uranio (y posiblemente otros metales pesados como plomo, mercurio y cadmio) del agua a razón de 4 gramos de uranio por gramo de grafeno. [162]
En lugar de permitir la permeación, también es necesario bloquear. Las barreras a la permeación de gases son importantes para casi todas las aplicaciones, desde envases alimentarios, farmacéuticos, médicos, dispositivos electrónicos inorgánicos y orgánicos, etc. Prolonga la vida útil del producto y permite mantener pequeño el espesor total de los dispositivos. Al ser atómicamente delgado y sin defectos, el grafeno es impermeable a todos los gases. En particular, se ha demostrado que las capas de barrera ultrafinas a la permeación de la humedad basadas en grafeno son importantes para los FET y OLED orgánicos. [163] [164] Se están estudiando las aplicaciones de la barrera del grafeno en las ciencias biológicas.
En 2021, los investigadores informaron que un velo de grafeno aplicado de forma reversible mediante deposición química de vapor pudo preservar los colores en los objetos de arte (70%). [165] [166]
En 2016, los investigadores desarrollaron un prototipo de sistema de descongelación que incorporaba nanocintas de grafeno de nanotubos de carbono descomprimidas en un compuesto de epoxi /grafeno. En pruebas de laboratorio, el borde de ataque de la pala del rotor de un helicóptero se recubrió con el material compuesto, cubierto por una funda metálica protectora. La aplicación de una corriente eléctrica calentó el compuesto a más de 200 °F (93 °C), derritiendo una capa de hielo de 1 cm (0,4 pulgadas) de espesor con temperaturas ambiente de -4 °F (-20 °C). [167]
En 2014, investigadores de la Universidad de Australia Occidental descubrieron que fragmentos de grafeno de tamaño nanométrico pueden acelerar la velocidad de las reacciones químicas . [168] En 2015, los investigadores anunciaron un catalizador a escala atómica hecho de grafeno dopado con nitrógeno y aumentado con pequeñas cantidades de cobalto cuyo voltaje de inicio era comparable al de los catalizadores de platino. [169] [170] En 2016, los complejos de hierro y nitrógeno incrustados en grafeno se informaron como otra forma de catalizador. Se afirmó que el nuevo material se acercaba a la eficiencia de los catalizadores de platino. El enfoque eliminó la necesidad de nanopartículas de hierro menos eficientes. [171]
La alta conductividad térmica del grafeno sugiere que podría usarse como aditivo en refrigerantes. El trabajo de investigación preliminar demostró que un 5% de grafeno por volumen puede mejorar la conductividad térmica de un fluido base en un 86%. [172] Otra aplicación debido a la conductividad térmica mejorada del grafeno se encontró en la PCR. [21]
Los científicos descubrieron que el uso de grafeno como lubricante funciona mejor que el grafito usado tradicionalmente . Una capa de grafeno de un átomo de espesor entre una bola de acero y un disco de acero duró 6.500 ciclos. Los lubricantes convencionales duraron 1.000 ciclos. [173]
Una nanoantena plasmónica (GPN) basada en grafeno puede funcionar eficientemente en longitudes de onda de radio milimétricas. La longitud de onda de los polaritones del plasmón superficial para una frecuencia determinada es varios cientos de veces menor que la longitud de onda de las ondas electromagnéticas de la misma frecuencia que se propagan libremente. Estas diferencias de velocidad y tamaño permiten que las antenas eficientes basadas en grafeno sean mucho más pequeñas que las alternativas convencionales. Estos últimos operan a frecuencias entre 100 y 1000 veces mayores que las GPN, produciendo entre 0,01 y 0,001 la misma cantidad de fotones. [174]
Una onda electromagnética (EM) dirigida verticalmente sobre una superficie de grafeno excita el grafeno en oscilaciones que interactúan con las del dieléctrico en el que está montado el grafeno, formando así polaritones de plasmón superficial (SPP). Cuando la antena se vuelve resonante (un número entero de longitudes de onda SPP encajan en las dimensiones físicas del grafeno), el acoplamiento SPP/EM aumenta enormemente, transfiriendo energía de manera eficiente entre los dos. [174]
Una antena en fase de 100 μm de diámetro podría producir haces de 300 GHz de sólo unos pocos grados de diámetro, en lugar de la radiación de 180 grados de una antena metálica convencional de ese tamaño. Los usos potenciales incluyen polvo inteligente , redes inalámbricas de terabits de baja potencia [174] y fotónica. [175]
Una antena de varilla de oro a nanoescala capturó y transformó energía EM en plasmones de grafeno, de forma análoga a una antena de radio que convierte ondas de radio en ondas electromagnéticas en un cable metálico. Los frentes de onda de plasmón se pueden controlar directamente ajustando la geometría de la antena. Las ondas se enfocaron (curvando la antena) y se refractaron (mediante una bicapa de grafeno en forma de prisma porque la conductividad en el prisma de dos átomos de espesor es mayor que en la capa circundante de un átomo de espesor) .
La nanoantena plasmónica de metal-grafeno se compuso insertando unos pocos nanómetros de óxido entre una nanovara de oro dipolo y la monocapa de grafeno. [176] La capa de óxido utilizada aquí puede reducir el efecto de túnel cuántico entre el grafeno y la antena metálica. Al ajustar el potencial químico de la capa de grafeno a través de la arquitectura de transistores de efecto de campo, se logra el acoplamiento del modo en fase y fuera de fase entre los plasmónicos de grafeno y los plasmónicos metálicos. [176] Las propiedades sintonizables de la nanoantena de metal-grafeno plasmónico se pueden activar y desactivar modificando el voltaje de la puerta electrostática del grafeno.
El grafeno se adapta a un modo de superficie plasmónico, [177] observado recientemente mediante técnicas de microscopía óptica infrarroja de campo cercano [178] [179] y espectroscopia infrarroja [180 ] . Las aplicaciones potenciales se encuentran en las frecuencias de terahercios a infrarrojo medio, [181] como terahercios y moduladores de luz de infrarrojo medio, filtros pasivos de terahercios, fotodetectores y biosensores de infrarrojo medio. [182] [183]
Las capas de grafeno apiladas sobre un sustrato de cuarzo aumentaron la absorción de ondas milimétricas (de radio) en un 90 por ciento en un ancho de banda de 125 a 165 GHz, extensible a frecuencias de microondas y bajas frecuencias de terahercios, mientras permanecían transparentes a la luz visible. Por ejemplo, el grafeno podría utilizarse como revestimiento de edificios o ventanas para bloquear las ondas de radio. La absorción es el resultado de resonadores Fabry-Perot mutuamente acoplados representados por cada sustrato de grafeno-cuarzo. Se utilizó un proceso repetido de transferencia y grabado para controlar la resistividad de la superficie. [184] [185]
El óxido de grafeno se puede reducir y oxidar de forma reversible mediante estímulo eléctrico. Se ha demostrado que la reducción y oxidación controladas en dispositivos de dos terminales que contienen películas multicapa de óxido de grafeno dan como resultado el cambio entre óxido de grafeno parcialmente reducido y grafeno, un proceso que modifica las propiedades electrónicas y ópticas. La oxidación y la reducción están relacionadas con la conmutación resistiva. [186]
Las propiedades del grafeno lo sugieren como material de referencia para caracterizar materiales electroconductores y transparentes. Una capa de grafeno absorbe el 2,3% de la luz roja. [187]
Esta propiedad se utilizó para definir la conductividad de la transparencia que combina resistencia laminar y transparencia . Este parámetro se utilizó para comparar materiales sin el uso de dos parámetros independientes. [188]
Los investigadores demostraron un aerogel a base de óxido de grafeno que podría reducir el ruido hasta en 16 decibeles. El aerogel pesaba 2,1 kilogramos por metro cúbico (0,13 libras/pie cúbico). Un absorbente de sonido de uretano de poliéster convencional puede pesar 32 kilogramos por metro cúbico (2,0 libras/pie cúbico). Una posible aplicación es reducir los niveles de sonido en las cabinas de los aviones. [189] [190]
El peso ligero del grafeno proporciona una respuesta de frecuencia relativamente buena , lo que sugiere usos en micrófonos y parlantes de audio electrostáticos. [191] En 2015, se demostró que un micrófono y un altavoz ultrasónicos podían funcionar a frecuencias de 20 Hz a 500 kHz. El altavoz funcionó con una eficiencia del 99% con una respuesta de frecuencia plana en todo el rango audible. Una aplicación fue como reemplazo de la radio para las comunicaciones de larga distancia, dada la capacidad del sonido para penetrar el acero y el agua, a diferencia de las ondas de radio. [192] [193]
La resistencia, rigidez y ligereza del grafeno sugirieron su uso con fibra de carbono . El grafeno se ha utilizado como agente reforzante para mejorar las propiedades mecánicas de nanocompuestos poliméricos biodegradables para la ingeniería de tejido óseo. [194]
También se ha utilizado como agente fortalecedor del hormigón . [195]
En 2011, los investigadores informaron que una arquitectura de grafeno multicapa funcionalizada, alineada verticalmente y tridimensional puede ser un enfoque para materiales de interfaz térmica ( TIM ) basados en grafeno con una conductividad térmica superior y una resistencia térmica de interfaz ultrabaja entre el grafeno y el metal. [196]
Los compuestos de grafeno-metal se pueden utilizar en materiales de interfaz térmica. [197]
Agregar una capa de grafeno a cada lado de una película de cobre aumentó las propiedades conductoras de calor del metal hasta en un 24%. Esto sugiere la posibilidad de utilizarlos para interconexiones de semiconductores en chips de ordenador. La mejora es el resultado de cambios en la nano y microestructura del cobre, no de la acción independiente del grafeno como canal conductor de calor añadido. La deposición química de vapor a alta temperatura estimula el crecimiento del tamaño de grano en las películas de cobre. Los tamaños de grano más grandes mejoran la conducción del calor. La mejora en la conducción del calor fue más pronunciada en películas de cobre más delgadas, lo que resulta útil cuando las interconexiones de cobre se contraen. [198]
La unión de grafeno funcionalizado con moléculas de silano aumenta su conductividad térmica ( κ ) entre un 15 y un 56% con respecto a la densidad numérica de las moléculas. Esto se debe a la mejora de la conducción de calor en el plano resultante del aumento simultáneo de la resistencia térmica entre el grafeno y el sustrato, lo que limitó la dispersión de fonones en el plano cruzado . La capacidad de propagación del calor se duplicó. [199]
Sin embargo, los desajustes en el límite entre cristales adyacentes horizontalmente reducen la transferencia de calor en un factor de 10. [200]
El grafeno podría potencialmente marcar el comienzo de una nueva generación de dispositivos a prueba de agua cuyo chasis tal vez no necesite ser sellado como los dispositivos actuales. [140] [ dudoso ]
... sin duda, en cada marca de lápiz hay trozos de grafeno