Las posibles aplicaciones del grafeno incluyen circuitos eléctricos/fotónicos ligeros, delgados y flexibles, células solares y diversos procesos médicos, químicos e industriales mejorados o posibilitados por el uso de nuevos materiales de grafeno y favorecidos por enormes reducciones de costos en la producción de grafeno. [1] [2] [3]
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. [4]
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 a los anticuerpos . La presencia de 8-OHdG en sangre, orina y saliva se asocia comúnmente con daño al ADN . Los niveles elevados de 8-OHdG se han relacionado con un mayor riesgo de varios tipos de cáncer. [5] Al año siguiente, los investigadores de biología estaban utilizando una versión comercial de un biosensor de grafeno como plataforma de sensores de unión a proteínas. [6]
En 2016, los investigadores revelaron que el grafeno sin revestimiento se puede utilizar como electrodo de interfaz neuronal 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. [7]
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 tejidos óseos. [8] La dispersión de un bajo porcentaje en peso de grafeno (≈0,02 % en peso) aumentó las propiedades mecánicas de compresión y flexión de los nanocompuestos poliméricos. [9] La adición de nanopartículas de grafeno en la matriz polimérica conduce a mejoras en la densidad de reticulación del nanocompuesto y una mejor transferencia de carga desde la matriz polimérica al nanomaterial subyacente, lo que aumenta las propiedades mecánicas.
Las soluciones de grafeno dispersas en surfactantes y funcionalizadas se han diseñado como agentes de contraste para resonancia magnética en depósitos de sangre . [10] Además, las nanopartículas de grafeno que incorporan yodo y manganeso han servido como agentes de contraste para tomógrafos computarizados (TC) y resonancia magnética multimodales . [11] Las micropartículas y nanopartículas de grafeno han servido como agentes de contraste para tomografía fotoacústica y termoacústica. [12] También se ha informado que el grafeno absorbe eficientemente células cancerosas, lo que permite el diseño de agentes de administración de fármacos para la terapia del cáncer. [13] Las nanopartículas de grafeno de varias morfologías, como nanocintas de grafeno, nanoplaquetas de grafeno y nanocebollas de grafeno [ aclaración necesaria ] no son tóxicas en concentraciones bajas y no alteran la diferenciación de células madre, lo que sugiere que pueden ser seguras para usar en aplicaciones biomédicas. [14]
Se ha informado que el grafeno ha mejorado la PCR al aumentar el rendimiento del producto de ADN . [15] 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 requerida ]
La química modificable del grafeno, su gran área superficial por unidad de volumen, su espesor atómico y su estructura molecularmente modulable hacen que las láminas de grafeno funcionalizadas con anticuerpos sean excelentes candidatas para dispositivos de detección y diagnóstico de mamíferos y microbios. [16] El grafeno es tan fino que el agua tiene una transparencia de humectación casi perfecta , lo que es una propiedad importante particularmente en el desarrollo de aplicaciones de biosensores. [17] Esto significa que un sensor recubierto de grafeno tiene tanto contacto con un sistema acuoso como un sensor sin recubrimiento, mientras permanece protegido mecánicamente de su entorno.
Integración de grafeno (espesor deLas capas de 0,34 nm ) como nanoelectrodos en un nanoporo [18] pueden resolver potencialmente 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». [19]
En 2014, se anunciaron microarreglos de sensores médicos implantables, flexibles, transparentes (en frecuencias de infrarrojos a ultravioleta) basados en 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, la obtención de imágenes in vivo de la vasculatura cortical mediante microscopía de fluorescencia y tomografía de coherencia óptica 3D. [20] [21]
Los investigadores de la Universidad de Monash descubrieron que una lámina de óxido de grafeno se puede transformar en gotitas de cristal líquido de forma espontánea (como un polímero) simplemente colocando el material en una solución y manipulando el pH. Las gotitas 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 en presencia de ciertos marcadores de enfermedades, como las toxinas . [22] [23]
Se ha demostrado que una "alfombra voladora" de grafeno libera dos fármacos contra el cáncer de forma secuencial en las células tumorales de pulmón ( célula 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 a través de cadenas cortas de péptidos . Inyectadas por vía intravenosa, las tiras de grafeno con la carga 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 la célula cancerosa se unen al TRAIL y las enzimas de la superficie celular cortan el péptido, liberando así el fármaco sobre la superficie celular. Sin el voluminoso TRAIL, las tiras de grafeno con el DOX incrustado son tragadas por las células. El entorno ácido intracelular promueve la liberación de DOX del grafeno. El TRAIL en la superficie celular desencadena la apoptosis mientras que el DOX ataca el núcleo. Estos dos fármacos funcionan sinérgicamente y se ha descubierto que son más eficaces que cada uno de ellos por separado. [24] [25]
El desarrollo de la nanotecnología y la biología molecular ha proporcionado la mejora de los nanomateriales con propiedades específicas que ahora pueden superar las debilidades de los procedimientos tradicionales de diagnóstico y tratamiento de enfermedades. [26] 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 convencional de fármacos, la concentración del fármaco en la sangre aumenta rápidamente y luego disminuye, el objetivo principal de un sistema ideal de administración de fármacos (DDS) 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. [27] [28] Los materiales basados en 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 abundancia 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 frecuentemente como materias primas 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 proteicas poseen ventajas sobre los enfoques de moléculas pequeñas, incluyendo una alta especificidad del objetivo y bajos efectos fuera del objetivo con los procesos biológicos normales. La albúmina sérica humana (HSA) es una de las proteínas sanguíneas más abundantes. Sirve como proteína de transporte para varios ligandos endógenos y exógenos, así como varias 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 varias 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 en la matriz de partículas debido a la gran cantidad de sitios de unión de fármacos en la molécula de albúmina. [29] Por lo tanto, la combinación de HSA-NP y GO-NS podría ser útil para reducir la citotoxicidad de las GO-NS y mejorar la carga del fármaco y la liberación sostenida del fármaco en la terapia contra el cáncer.
Los investigadores demostraron que se puede fabricar un biomicrorobot (o citorrobot) a escala nanométrica recubriendo una célula endospora viva con puntos cuánticos de grafeno. El dispositivo actúa como un sensor de humedad. [30]
En 2014 se anunció un producto para la prueba de glucosa en sangre basado en grafeno. [31] [32]
Los biosensores FRET basados en grafeno pueden detectar ADN y el desenrollado del ADN utilizando diferentes sondas. [33]
El grafeno tiene una alta movilidad de portadores y un bajo nivel de ruido, lo que permite su uso como canal en un transistor de efecto de campo . [34] El grafeno sin modificar 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 varias áreas de la electrónica.
Se han construido transistores de grafeno controlados tanto químicamente como por voltaje.
Los transistores basados en grafeno podrían ser mucho más delgados que los dispositivos de silicio modernos, lo que permitiría configuraciones más rápidas y más pequeñas. [35]
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 brecha de banda limita fundamentalmente su relación de conductancia de encendido-apagado a menos de ~30 a temperatura ambiente. [36] Un artículo de 2006 propuso un FET planar totalmente de grafeno con puertas laterales. [37] Sus dispositivos mostraron cambios del 2% a temperaturas criogénicas. El primer FET con puerta superior (relación de encendido-apagado de <2) se demostró en 2007. [38] Las nanocintas de grafeno pueden demostrar ser capaces de reemplazar al silicio como semiconductor. [39]
En 2006 se concedió una patente para la electrónica basada en grafeno. [40] En 2008, los investigadores del Laboratorio Lincoln del MIT produjeron cientos de transistores en un solo chip [41] y en 2009, se produjeron transistores de muy alta frecuencia en los Laboratorios de Investigación Hughes . [42]
Un artículo de 2008 demostró un efecto de conmutación basado en la modificación química reversible de la capa de grafeno que da una relación de encendido-apagado de más de seis órdenes de magnitud. Estos interruptores reversibles podrían emplearse potencialmente en memorias no volátiles. [43] IBM anunció en diciembre de 2008 transistores de grafeno que funcionan a frecuencias de GHz. [44]
En 2009, los investigadores demostraron cuatro tipos diferentes de puertas lógicas , cada una compuesta por un solo transistor de grafeno. [45] En mayo de 2009, un transistor de tipo n complementó a los transistores de grafeno de tipo p anteriores. [46] [47] Se demostró un circuito integrado de grafeno funcional: un inversor complementario que consta de un transistor de tipo p y uno de tipo n. [48] Sin embargo, este inversor adolecía de baja ganancia de voltaje. 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 operaba a frecuencias superiores a 25 kHz.
Ese mismo año, las simulaciones numéricas de enlace fuerte [49] demostraron que la banda prohibida inducida en los transistores de efecto de campo de 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, cuando se explota una arquitectura de túnel-FET. [50]
En febrero de 2010, los investigadores anunciaron transistores de grafeno con una velocidad de encendido y apagado de 100 gigahercios, muy superior a las velocidades anteriores y a la de los transistores de silicio con una longitud de compuerta igual.Los dispositivos de 240 nm se fabricaron con equipos convencionales de fabricación de silicio. [51] [52] [53] Según un informe de enero de 2010, [54] el grafeno se cultivó epitaxialmente sobre SiC en una cantidad y con una calidad adecuadas para la producción en masa de circuitos integrados. A altas temperaturas, se pudo medir el efecto Hall cuántico . IBM construyó "procesadores" utilizando transistores de 100 GHz en láminas de grafeno de 2 pulgadas (51 mm). [55]
En junio de 2011, los investigadores de IBM anunciaron el primer circuito integrado a escala de oblea basado en grafeno, un mezclador de radio de banda ancha. [56] 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. [57]
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 IR (0,76-33 THz) [58] Un grupo independiente creó un transistor de velocidad de terahercios con características biestables, lo que significa que 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 se mueven a través de esta barrera mediante efecto túnel cuántico . Estos nuevos transistores exhiben conductancia diferencial negativa, por lo que la misma corriente eléctrica fluye a dos voltajes aplicados diferentes. [59] En junio, se describió un circuito oscilador en anillo de 1,28 GHz con 8 transistores. [60]
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 que resulta de su estructura de banda 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. [61]
En 2013, los investigadores crearon transistores impresos en plástico flexible que funcionan a 25 gigahercios, suficiente para circuitos de comunicaciones y que pueden fabricarse a gran escala. Los investigadores primero fabricaron estructuras que no contenían grafeno (los electrodos y las puertas) en láminas de plástico. Por separado, hicieron crecer grandes láminas de grafeno sobre metal, luego las pelaron y las transfirieron al plástico. Finalmente, cubrieron la lámina con una capa impermeable. Los dispositivos funcionan después de sumergirlos en agua y son lo suficientemente flexibles como para doblarse. [62]
En 2015, los investigadores idearon un interruptor digital perforando una lámina de grafeno con nanotubos de nitruro de boro que exhibían una relación de conmutación de 10 5 a un voltaje de activación de 0,5 V. La teoría funcional de la densidad sugirió que el comportamiento provenía del desajuste de la densidad de estados . [63]
En 2008 se fabricó un transistor de grafeno de un átomo de espesor y 10 átomos de ancho. [64]
En 2022, los investigadores construyeron un transistor de grafeno de un solo átomo de 0,34 nanómetros (en estado activo), más pequeño que un dispositivo relacionado que utilizaba nanotubos de carbono en lugar de grafeno. El grafeno formó la compuerta. Se utilizó dióxido de silicio como base. La lámina de grafeno se formó mediante deposición química de vapor , colocada sobre el SiO
2Se colocó una lámina de óxido de aluminio sobre el grafeno.
2Oh
incógnitay SiO
2El grafeno que se coloca en el sándwich actúa como aislante. Luego, grabaron en los materiales colocados en el sándwich, cortando el grafeno y el aluminio.
2Oh
incógnitapara crear un escalón que dejaba expuesto el borde del grafeno. Luego añadieron capas de óxido de hafnio y disulfuro de molibdeno (otro material 2D) a la parte superior, lateral e inferior del escalón. Luego añadieron electrodos en la parte superior e inferior como fuente y drenaje. A esta construcción la denominaron "transistor de pared lateral". La relación de encendido/apagado alcanzó 1,02 × 105 y los valores de oscilación del subumbral fueron 117 mV dec–1. [65]
Un campo eléctrico puede cambiar la estructura cristalina del grafeno tricapa, transformando su comportamiento de similar al de un metal a similar al de un semiconductor. Una punta afilada de microscopio de efecto túnel de barrido de metales fue capaz de mover el límite del dominio entre las configuraciones de grafeno superior e inferior. Un lado del material se comporta como un metal, mientras que el otro lado se comporta como un semiconductor. El grafeno tricapa se puede apilar en configuraciones Bernal o romboédricas , que pueden existir en una sola lámina. 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. [66]
Los transistores de silicio son de tipo p o de tipo n, mientras que el grafeno puede funcionar como ambos, lo que reduce los costos y es más versátil. La técnica proporciona la base para un transistor de efecto de campo . [66]
En el grafeno tricapa, las dos configuraciones de apilamiento presentan diferentes propiedades electrónicas. La región entre ellas consiste en un solitón de tensión localizado donde los átomos de carbono de una capa de grafeno se desplazan por la distancia del enlace carbono-carbono . La diferencia de energía libre entre las dos configuraciones de apilamiento escala cuadráticamente con el campo eléctrico, lo que favorece el apilamiento romboédrico a medida que aumenta el campo eléctrico. [66]
Esta capacidad de controlar el orden de apilamiento abre el camino a nuevos dispositivos que combinan propiedades estructurales y eléctricas. [66] [67]
La alta conductividad eléctrica y la alta transparencia óptica del grafeno lo convierten en un candidato para electrodos conductores transparentes, necesarios para aplicaciones como pantallas táctiles , pantallas de cristal líquido , células fotovoltaicas inorgánicas, [68] [69] células fotovoltaicas orgánicas y diodos orgánicos emisores de luz . 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 se pueden depositar a partir de una solución en áreas grandes. [70] [71] [72]
Se produjeron películas de grafeno de pocas capas, transparentes, continuas, de gran superficie y altamente conductoras mediante deposición química en fase de vapor y se usaron como ánodos para su aplicación en dispositivos fotovoltaicos . Se demostró una eficiencia de conversión de potencia (PCE) de hasta 1,7 %, que es el 55,2 % de la PCE de un dispositivo de control basado en óxido de indio y estaño. Sin embargo, la principal desventaja que traerá consigo el método de fabricación será la mala unión del sustrato que eventualmente conducirá a una mala estabilidad cíclica y provocará una alta resistividad a los electrodos. [73]
Se han demostrado diodos orgánicos emisores de luz (OLED) con ánodos de grafeno. El dispositivo se formó mediante 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 . [74] En 2017, se produjeron electrodos OLED mediante CVD sobre un sustrato de cobre. [75]
Se demostró un dispositivo basado en 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. [76] A diferencia de sus predecesores, este dispositivo contiene solo electrodos basados en carbono, sin metal. [ cita requerida ]
En 2014 se demostró un prototipo de pantalla flexible basada en grafeno. [77]
En 2016, los investigadores demostraron una pantalla que utilizaba modulación por 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 explota 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. El enfoque se utiliza en pantallas de lectores electrónicos en color y relojes inteligentes, como el Qualcomm Toq . Utilizan materiales de silicio en lugar de grafeno. El grafeno reduce los requisitos de energía. [78]
En 2009, los investigadores construyeron multiplicadores de frecuencia de grafeno experimentales que toman una señal entrante de una determinada frecuencia y emiten una señal a un múltiplo de esa frecuencia. [79] [80] [81]
El grafeno interactúa fuertemente con los fotones, con el potencial de crear directamente una banda prohibida. Esto es prometedor para los dispositivos optoelectrónicos y nanofotónicos . La interacción con la luz surge debido a la singularidad de Van Hove . El grafeno muestra diferentes escalas de tiempo en respuesta a la interacción con fotones, que van desde femtosegundos (ultrarrápido) hasta picosegundos. Los usos potenciales incluyen películas transparentes, pantallas táctiles y emisores de luz o como un dispositivo plasmónico que confina la luz y altera las longitudes de onda. [82]
Debido a la movilidad extremadamente alta de los electrones, el grafeno puede usarse para la producción de sensores de efecto Hall altamente sensibles . [83] La aplicación potencial de tales sensores está relacionada con los transformadores de corriente CC para aplicaciones especiales. [ cita requerida ] En abril de 2015 se informó sobre nuevos sensores Hall de alta sensibilidad récord. Estos sensores son dos veces mejores que los sensores basados en Si existentes. [84]
Los puntos cuánticos de grafeno (GQD) mantienen todas las dimensiones por debajo de los 10 nm. Su tamaño y la cristalografía de sus bordes determinan sus propiedades eléctricas, magnéticas, ópticas y químicas. Los GQD se pueden producir mediante nanotomía de grafito [85] o mediante rutas ascendentes basadas en soluciones ( reacciones de Diels-Alder, ciclotrimerización y/o ciclodeshidrogenación ). [86] Los GQD con estructura controlada se pueden incorporar en aplicaciones en electrónica, optoelectrónica y electromagnetismo. El confinamiento cuántico se puede crear cambiando el ancho de las nanocintas de grafeno (GNR) en puntos seleccionados a lo largo de la cinta. [64] [87] Se estudia como catalizador para celdas de combustible. [88]
Un polímero semiconductor ( poli(3-hexiltiofeno) [89] colocado sobre una capa de grafeno de una sola capa conduce verticalmente la carga eléctrica mejor que sobre una capa fina de silicio. Una película de polímero de 50 nm de espesor conducía la carga aproximadamente 50 veces mejor que una película de 10 nm de espesor, posiblemente porque la primera consiste en un mosaico de cristalitos orientados de forma variable que forman una vía continua de cristales interconectados. En una película fina o sobre silicio, [89] los cristalitos en forma de placa están orientados en paralelo a la capa de grafeno. Los usos incluyen células solares. [90]
El grafeno de gran superficie creado por deposición química en fase de vapor (CVD) y colocado sobre un sustrato de SiO2 puede conservar el espín del electrón durante un período prolongado y comunicarlo. La espintrónica varía el espín del electrón en lugar del flujo de corriente. La señal de espín se conserva en canales de grafeno de hasta 16 micrómetros de largo durante un nanosegundo. El transporte y la precesión de espín puros se extienden a lo largo de longitudes de canal 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. [91]
La espintrónica se utiliza en unidades de disco para el almacenamiento de datos y en memorias magnéticas de acceso aleatorio . El espín electrónico suele ser efímero y frágil, pero la información basada en espín de los dispositivos actuales solo necesita viajar unos pocos nanómetros. Sin embargo, en los procesadores, la información debe cruzar varias decenas de micrómetros con espines alineados. El grafeno es el único candidato conocido para tal comportamiento. [91]
En 2012, Vorbeck Materials comenzó a distribuir el dispositivo de embalaje antirrobo Siren, que utiliza su circuito Vor-Ink basado en grafeno para reemplazar la antena de metal y el cableado externo de un chip RFID . Este fue el primer producto comercialmente disponible del mundo basado en grafeno. [92] [93]
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.1,2 GHz sin un controlador de temperatura, este modulador tiene un ancho de banda amplio (de 1,3 a 1,6 μm) y un tamaño reducido (~25 μm 2 ). [94]
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. [95] Se obtiene una extinción de hasta 34,7 dB y un parámetro de chirrido mínimo de -0,006. Su pérdida de inserción es de 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 boro -h (h-BN) puede superar los diseños de metal. Con base en sus propiedades anisotrópicas, se verificaron numéricamente hiperlentes planas y cilíndricas con grafeno en capas a 1200 THz y h-BN en capas a 1400 THz, respectivamente. [96] 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 usando un rayo láser. Puede resolver objetos tan pequeños como 200 nanómetros y ver en el infrarrojo cercano. Rompe el límite de difracción y logra una distancia focal menor 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. [97]
El grafeno reacciona al espectro infrarrojo a temperatura ambiente, aunque con una sensibilidad entre 100 y 1000 veces menor para aplicaciones prácticas. Sin embargo, dos capas de grafeno separadas por un aislante permitieron que un campo eléctrico producido por los huecos dejados por los electrones liberados por la luz en una capa afectara a una corriente que pasara por 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 fino como para integrarse en dispositivos portátiles, ordenadores montados en gafas e incluso lentes de contacto . [98]
Se ha demostrado que una heterojunción de grafeno/silicio de tipo n exhibe un fuerte comportamiento rectificador y una alta fotorrespuesta. Al introducir una fina capa de óxido interfacial, la corriente oscura de la heterojunción de 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 vacío. Además, los fotodetectores de heterojunción de grafeno/n-Si mejorados poseen una alta capacidad de respuesta de 0,73 AW −1 y una alta relación de corriente foto-oscura de ≈107. Estos resultados demuestran que la heterojunción de grafeno/Si con óxido interfacial es prometedora para el desarrollo de fotodetectores de alta detectividad. [99] Recientemente, se presentó 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. [100] Los fotodetectores exhiben una excelente estabilidad a largo plazo incluso almacenados en el aire durante más de 2 años. Estos resultados no solo hacen avanzar el desarrollo de fotodetectores de alto rendimiento basados en la unión Schottky de 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, comunicaciones en espacio libre, seguimiento inteligente fotoeléctrico e integración con circuitos CMOS para aplicaciones emergentes de interés de las cosas, etc.
Las membranas de óxido de grafeno permiten el paso del vapor de agua, pero son impermeables a otros líquidos y gases. [101] Este fenómeno se ha utilizado para destilar aún más vodka a concentraciones de alcohol más altas, en un laboratorio a temperatura ambiente, sin la aplicación de calor o vacío como se utiliza en los métodos de destilación tradicionales .
El grafeno se ha utilizado en diferentes sustratos, como Si, CdS y CdSe, para producir células solares de unión Schottky. Gracias a las propiedades del grafeno, como su función de trabajo, 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. [102]
Las células solares de grafeno utilizan la combinación única de alta conductividad eléctrica y transparencia óptica del grafeno. [103] Este material absorbe solo el 2,6% de la luz verde y el 2,3% de la luz roja. [104] El grafeno se puede ensamblar en un electrodo de película con baja rugosidad. Estas películas deben ser más gruesas que una capa atómica para obtener resistencias de lámina 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 3,4,9,10-perilenotetracarboxílico diimida bisbencenosulfónico (PDI). Estas moléculas, a altas temperaturas, facilitan una mejor conjugación π del plano basal del grafeno. [105]
El uso del grafeno como material fotoactivo requiere que su ancho de banda sea de 1,4 a 1,9 eV. En 2010, se lograron eficiencias de celda única de PV basados en grafeno nanoestructurado de más del 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". [105]
En 2008, la deposición química en fase 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 paso final es unir el grafeno recubierto de plástico a una lámina de polímero flexible , que luego se puede incorporar a una célula fotovoltaica. Las láminas de grafeno/polímero varían en tamaño hasta 150 centímetros cuadrados y se pueden usar para crear matrices densas. [106]
El silicio genera sólo 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 %. [107]
En 2010, los investigadores informaron por primera vez sobre la creación de una célula solar de heterojunción de grafeno y silicio, donde el grafeno sirvió como un electrodo transparente e introdujo un campo eléctrico incorporado cerca de la interfaz entre el grafeno y el silicio de tipo n para ayudar a recolectar portadores de carga. [108] En 2012, los investigadores informaron una eficiencia del 8,6 % para un prototipo que consistía en una oblea de silicio recubierta de grafeno dopado con trifluorometanosulfonilamida (TFSA). El dopaje aumentó la eficiencia al 9,6 % en 2013. [109] En 2015, los investigadores informaron una eficiencia del 15,6 % al elegir el espesor óptimo de óxido en el silicio. [110] 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. [111]
En 2013, otro equipo informó de un 15,6% de mejora mediante la combinación de óxido de titanio y grafeno como colector de carga y perovskita como absorbente de la 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. [112]
En 2015, los investigadores desarrollaron un prototipo de célula que utilizaba perovskita semitransparente con electrodos de grafeno. El diseño permitía que la luz se absorbiera por ambos lados. Ofrecía una eficiencia de alrededor del 12 por ciento con costos de producción estimados de menos de $0,06/vatio. El grafeno estaba recubierto con un polímero conductor PEDOT:PSS ( politiofeno ) sulfonato de poliestireno. La aplicación de múltiples capas de grafeno mediante CVD creó electrodos transparentes que redujeron la resistencia de la lámina. El rendimiento se mejoró aún más al aumentar el contacto entre los electrodos superiores y la capa de transporte de huecos. [113]
El grafeno perforado adecuadamente (y el nitruro de boro hexagonal hBN) puede permitir el paso de protones , lo que ofrece la posibilidad de utilizar monocapas de grafeno como barrera que bloquee los átomos de hidrógeno, pero no los protones/hidrógeno ionizado (átomos de hidrógeno sin sus electrones). Incluso podrían utilizarse para extraer gas hidrógeno de la atmósfera que podría alimentar generadores eléctricos con aire ambiente. [114]
Las membranas son más efectivas a temperaturas elevadas y cuando están cubiertas con nanopartículas catalíticas como el platino . [114]
El grafeno podría resolver un problema importante para las pilas de combustible: el cruce de combustible que reduce la eficiencia y la durabilidad. [114]
En las celdas de combustible de metanol, el grafeno utilizado como capa de barrera en el área de la membrana ha reducido el cruce de combustible con una resistencia a los protones insignificante, lo que mejora el rendimiento. [115]
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 energía de activación baja de aproximadamente 0,3 electronvoltios. A temperaturas más altas, el grafeno supera con una resistividad estimada en menos de 10 −3 Ω cm 2 por encima de los 250 grados Celsius. [116]
En otro proyecto, los protones pasan fácilmente a través de membranas de grafeno ligeramente imperfectas sobre sílice fundida en agua. [117] La membrana se expuso a ciclos de pH alto y bajo. Los protones se transfirieron reversiblemente de la fase acuosa a través del grafeno al otro lado donde experimentan química ácido-base con grupos hidroxilo de sílice. Las simulaciones por computadora indicaron barreras de energía de 0,61-0,75 eV para defectos atómicos con terminación en hidroxilo que participan en un relé de tipo Grotthuss , mientras que las terminaciones de éter similares al pirilio no lo hicieron. [118] Recientemente, Paul y sus colaboradores 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). [119]
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 los 500-750 °C sin grafeno). El material convierte el 5 % del calor en electricidad (en comparación con el 1 % del óxido de titanio y estroncio). [120]
En 2015, un recubrimiento de grafeno en los condensadores de vapor cuadriplicó la eficiencia de condensación, aumentando la eficiencia general de la planta entre un 2 y un 3 por ciento. [121]
Debido a la alta relación entre el área superficial y la masa del grafeno, una posible aplicación es en las placas conductoras de los supercondensadores . [122]
En febrero de 2013, los investigadores anunciaron una nueva técnica para producir supercondensadores de grafeno basada en el método de reducción de la grabadora de DVD. [123]
En 2014 se anunció un supercondensador que supuestamente alcanzaría una densidad energética comparable a las baterías de iones de litio actuales. [31] [32]
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, creando 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 sin casi ninguna pérdida de capacitancia. [124] Los dispositivos resultantes fueron mecánicamente flexibles y sobrevivieron a 8000 ciclos de flexión. Esto los hace potencialmente adecuados para enrollarse en una configuración cilíndrica. Los dispositivos basados en electrolitos poliméricos de estado sólido exhiben una capacitancia superficial de >9 mF/cm2 a una densidad de corriente de 0,02 mA/cm2, más del doble que los electrolitos acuosos convencionales. [125]
También en 2015, otro proyecto anunció un microsupercondensador lo suficientemente pequeño como para caber en dispositivos portátiles o implantables. Con solo 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 costosas "salas secas". Su capacidad es seis veces mayor que la de los supercondensadores disponibles comercialmente. [126] El dispositivo alcanzó una capacidad volumétrica de más de 1100 F/cm3. Esto corresponde a una capacidad específica del constituyente MnO2 de 1145 F/g, cerca del máximo teórico de 1380 F/g. La densidad de energía varía entre 22 y 42 Wh/L según la configuración del dispositivo. [127]
En mayo de 2015, un supercondensador de grafeno inducido por láser e infundido con ácido bórico triplicó su densidad de energía superficial y aumentó su densidad de energía volumétrica entre 5 y 10 veces. Los nuevos dispositivos demostraron ser estables durante más de 12.000 ciclos de carga y descarga, manteniendo el 90 por ciento de su capacidad. En pruebas de estrés, sobrevivieron a 8.000 ciclos de flexión. [128] [129]
En 2012 se presentaron baterías de iones de litio con ánodo de silicio-grafeno. [130]
Se ha demostrado que el ciclo estable de iones de litio se produce en películas de grafeno de dos y pocas capas cultivadas sobre sustratos de níquel , [131] mientras que se ha demostrado que las películas de grafeno de una sola capa son una capa protectora contra la corrosión en componentes de baterías como la carcasa de la batería. [132] 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. [133]
Los investigadores construyeron una batería de iones de litio hecha de grafeno y silicio , que según afirmaron duraba más de una semana con una sola carga y tardaba solo 15 minutos en cargarse. [134]
En 2015, se utilizó un 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 de "sillón" y "en zigzag" reciben su nombre en función de las configuraciones de los átomos de carbono que rodean los agujeros. [135] [136]
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 la vida útil más corta en los teléfonos móviles . [137] [138] [139]
Se ha demostrado que el grafeno con defectos topológicos controlados adsorbe más iones, lo que da como resultado baterías de alta eficiencia. [140] [141]
Debido a la alta conductividad eléctrica y térmica del grafeno , su resistencia mecánica y su resistencia a la corrosión , 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 alambre tradicional no cumple con los requisitos de transmisión de muchas nuevas tecnologías. La resistividad dependiente de la temperatura en el alambre de cobre mesoscópico limita la eficiencia y la capacidad de transporte de corriente en la electrónica de pequeña escala. [142] 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 la oxidación a baja temperatura también limitan sus aplicaciones en la transmisión de alta potencia. [143] 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 que los cables compuestos de cobre y nanotubos de carbono podían transportar corriente cien veces más que los cables de cobre tradicionales. Estos cables compuestos presentaban un coeficiente de temperatura de resistividad un orden de magnitud menor que el de los cables de cobre, una característica importante para aplicaciones de carga elevada. [144]
Además, en 2021, los investigadores demostraron un aumento de 4,5 veces en el límite de ruptura de la densidad de corriente del cable de cobre con una capa de grafeno axialmente continua. El cable de cobre se recubrió con una lámina de grafeno continua mediante deposición química de vapor . El cable recubierto exhibió una oxidación reducida del cable durante el calentamiento Joule , una mayor disipación de calor (224% más alta) y una mayor conductividad (41% más alta). [145] [146]
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 . [147] 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 diversos tipos de sensores de grafeno que se pueden fabricar, los biosensores fueron los primeros en estar disponibles para la venta. [148]
Las propiedades electrónicas de las heteroestructuras de grafeno/h-BN se pueden modular modificando las distancias entre capas mediante la aplicación de presión externa, lo que conduce a la posible realización de sensores de presión atómicos delgados. En 2011, los investigadores propusieron un sensor de presión en el plano que consiste en grafeno intercalado entre nitruro de boro hexagonal y un sensor de presión de tunelización que consiste en h-BN intercalado con grafeno. [149] 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 altas temperaturas, el dispositivo podría soportar sensores de presión ultradelgados para su aplicación en condiciones extremas.
En 2016, los investigadores demostraron un sensor de presión biocompatible hecho a partir de la mezcla de copos de grafeno con polisilicona reticulada (que se encuentra en la plastilina tonta ). [150]
Los sistemas nanoelectromecánicos (NEMS) pueden diseñarse y caracterizarse mediante la comprensión de la interacción y el acoplamiento entre los dominios de energía mecánica, eléctrica y de van der Waals. El límite mecánico cuántico regido por la relación de incertidumbre de Heisenberg decide la precisión final 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 la 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 que aprovechan su espesor a escala atómica. [151]
En teoría, el grafeno es un sensor excelente debido a su estructura 2D. El hecho de que todo su volumen esté expuesto a su entorno circundante lo hace muy eficiente para detectar moléculas adsorbidas . Sin embargo, de manera similar a los nanotubos de carbono, el grafeno no tiene enlaces colgantes en su superficie. Las moléculas gaseosas no se pueden adsorber fácilmente en las superficies de grafeno, por lo que intrínsecamente el grafeno es insensible. [152] 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 capa delgada de polímero actúa como un concentrador que absorbe moléculas gaseosas. La absorción de moléculas 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 bajo ruido, lo que hace que este cambio en la resistencia sea detectable. [153]
Las simulaciones de la teoría funcional de la densidad predicen que depositar ciertos átomos de adatomo sobre el grafeno puede hacerlo sensible 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 hace del grafeno un candidato para el control y la detección en dispositivos a escala nanométrica. [154]
Debido a la demanda de dispositivos portátiles, se ha demostrado que el grafeno es un material prometedor para aplicaciones potenciales en sensores de tensión flexibles y altamente sensibles. Se propone un método económico y respetuoso con el medio ambiente para fabricar películas de grafeno ultradelgadas de gran superficie para sensores de tensión flexibles de alta sensibilidad. Las películas de grafeno ensambladas se derivan rápidamente en la interfaz líquido/aire por el efecto Marangoni y el área se puede ampliar. Estos sensores de tensión basados en grafeno exhiben una sensibilidad extremadamente alta con un factor de calibración de 1037 con una tensión del 2 %, que representa el valor más alto para plaquetas de grafeno con esta pequeña deformación hasta el momento. [155]
Las bandas de goma impregnadas de grafeno ("bandas G") se pueden utilizar como sensores corporales económicos. Las bandas siguen siendo flexibles y se pueden utilizar como sensor para medir la respiración, la frecuencia cardíaca o el movimiento. Los trajes con sensores ligeros para pacientes vulnerables podrían permitir controlar de forma remota los movimientos sutiles. Estos sensores muestranAumentos de resistencia y trabajo de 10 × 10 4 veces a tensiones superiores al 800 %. Se observaron factores de calibración de hasta 35. Dichos sensores pueden funcionar a frecuencias de vibración de al menos 160 Hz . A 60 Hz, se pueden monitorear tensiones de al menos el 6 % a velocidades de tensión superiores a 6000 %/s. [156]
En 2015, los investigadores anunciaron un sensor magnético basado en grafeno 100 veces más sensible que un dispositivo equivalente basado en silicio (7000 voltios por amperio-tesla). El sustrato del sensor era nitruro de boro hexagonal . Los sensores se basaban 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 produce una desviación y un voltaje Hall medible. En el peor de los casos, el grafeno coincidía aproximadamente con un diseño de silicio en el mejor de los casos. En el mejor de los casos, el grafeno requería una corriente de fuente y unos requisitos de potencia más bajos. [157]
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 coloidales estables en otros líquidos porque es anfifílico (capaz de mezclarse con agua o aceite). Disperso 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. [158]
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/gramo de grafeno. [159]
En lugar de permitir la permeación, también es necesario bloquearla. Las barreras de permeación de gases son importantes para casi todas las aplicaciones, desde alimentos, productos farmacéuticos, dispositivos médicos, electrónicos inorgánicos y orgánicos, etc., embalajes. Prolonga la vida útil del producto y permite mantener pequeño el espesor total de los dispositivos. Al ser atómicamente fino, el grafeno sin defectos es impermeable a todos los gases. En particular, se ha demostrado que las capas de barrera de permeación de humedad ultrafinas basadas en grafeno son importantes para los FET orgánicos y los OLED. [160] [161] Las aplicaciones de barrera de grafeno en las ciencias biológicas están en estudio.
En 2021, los investigadores informaron que un velo de grafeno aplicado de forma reversible mediante deposición química de vapor fue capaz de preservar los colores en objetos de arte (70%). [162] [163]
En 2016, los investigadores desarrollaron un prototipo de sistema antihielo que incorporaba nanocintas de grafeno de nanotubos de carbono descomprimidos en un compuesto de epoxi /grafeno. En pruebas de laboratorio, se recubrió el borde delantero de una pala de rotor de helicóptero con el compuesto, cubierto por una funda metálica protectora. Al aplicar una corriente eléctrica, el compuesto se calentó 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). [164]
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 . [165] 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. [166] [167] En 2016, se informó que los complejos de hierro-nitrógeno incrustados en grafeno eran 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. [168]
La alta conductividad térmica del grafeno sugiere que podría utilizarse como aditivo en refrigerantes. Los trabajos de investigación preliminares demostraron que el 5 % de grafeno por volumen puede mejorar la conductividad térmica de un fluido base en un 86 %. [169] Otra aplicación debido a la conductividad térmica mejorada del grafeno se encontró en la PCR. [15]
Los científicos descubrieron que el uso de grafeno como lubricante funciona mejor que el grafito utilizado 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. [170]
Una nanoantena plasmónica basada en grafeno (GPN) puede funcionar de manera eficiente en longitudes de onda de radio milimétricas. La longitud de onda de los polaritones plasmónicos de superficie para una frecuencia dada 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. Estas últimas funcionan en frecuencias entre 100 y 1000 veces mayores que las GPN, y producen entre 0,01 y 0,001 fotones más. [171]
Una onda electromagnética (EM) dirigida verticalmente sobre una superficie de grafeno excita el grafeno y provoca oscilaciones que interactúan con las del dieléctrico sobre el que está montado el grafeno, formando así polaritones plasmónicos superficiales (SPP). Cuando la antena se vuelve resonante (un número entero de longitudes de onda SPP caben en las dimensiones físicas del grafeno), el acoplamiento SPP/EM aumenta considerablemente, transfiriendo energía de manera eficiente entre los dos. [171]
Una antena de matriz 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 de metal convencional de ese tamaño. Los usos potenciales incluyen polvo inteligente , redes inalámbricas de terabits de bajo consumo [171] y fotónica. [172]
Una antena de varilla de oro a escala nanométrica capturó y transformó la energía electromagnética en plasmones de grafeno, de manera análoga a una antena de radio que convierte las ondas de radio en ondas electromagnéticas en un cable de metal. Los frentes de onda de plasmones 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). [172]
La nanoantena plasmónica de metal-grafeno se compuso insertando unos pocos nanómetros de óxido entre una nanobarra de oro dipolar y la monocapa de grafeno. [173] La capa de óxido utilizada aquí puede reducir el efecto de túnel cuántico entre el grafeno y la antena de metal. Con el ajuste del potencial químico de la capa de grafeno a través de la arquitectura del transistor de efecto de campo, se logra el acoplamiento de modo en fase y fuera de fase entre la plasmónica de grafeno y la plasmónica de metal. [173] Las propiedades ajustables de la nanoantena plasmónica de metal-grafeno se pueden activar y desactivar modificando el voltaje de compuerta electrostática en el grafeno.
El grafeno se adapta a un modo de superficie plasmónico, [174] observado recientemente a través de técnicas de microscopía óptica infrarroja de campo cercano [175] [176] y espectroscopia infrarroja [177]. Las aplicaciones potenciales están en las frecuencias de terahercios a infrarrojos medios, [178] como moduladores de luz de terahercios y de infrarrojos medios, filtros pasivos de terahercios, fotodetectores de infrarrojos medios y biosensores. [179] [180]
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 125–165 GHz, extensible a frecuencias de microondas y de terahercios bajos, mientras permanecían transparentes a la luz visible. Por ejemplo, el grafeno podría usarse como revestimiento para edificios o ventanas para bloquear las ondas de radio. La absorción es el resultado de resonadores Fabry-Perot acoplados mutuamente representados por cada sustrato de grafeno-cuarzo. Se utilizó un proceso repetido de transferencia y grabado para controlar la resistividad de la superficie. [181] [182]
El óxido de grafeno se puede reducir y oxidar de forma reversible mediante un estímulo eléctrico. Se ha demostrado que la reducción y oxidación controladas en dispositivos de dos terminales que contienen películas de óxido de grafeno multicapa dan como resultado un 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. [183]
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. [184]
Esta propiedad se utilizó para definir la conductividad de la transparencia que combina la resistencia de la lámina y la transparencia . Este parámetro se utilizó para comparar materiales sin el uso de dos parámetros independientes. [185]
Los investigadores han demostrado que un aerogel basado en óxido de grafeno puede reducir el ruido hasta en 16 decibeles. El aerogel pesa 2,1 kilogramos por metro cúbico (0,13 lb/cu ft). Un absorbente de sonido de uretano de poliéster convencional puede pesar 32 kilogramos por metro cúbico (2,0 lb/cu ft). Una posible aplicación es reducir los niveles de ruido en las cabinas de los aviones. [186] [187]
El peso ligero del grafeno proporciona una respuesta de frecuencia relativamente buena , lo que sugiere usos en altavoces y micrófonos de audio electrostáticos. [188] En 2015, se demostró un micrófono y un altavoz ultrasónicos que podían funcionar a frecuencias de 20 Hz a 500 kHz. El altavoz funcionaba con una eficiencia declarada del 99% con una respuesta de frecuencia plana en todo el rango audible. Una aplicación fue como reemplazo de radio para comunicaciones de larga distancia, dada la capacidad del sonido de penetrar el acero y el agua, a diferencia de las ondas de radio. [189] [190]
La resistencia, rigidez y ligereza del grafeno sugirieron su uso con fibra de carbono . El grafeno se ha utilizado como agente de refuerzo para mejorar las propiedades mecánicas de nanocompuestos poliméricos biodegradables para la ingeniería de tejido óseo. [191]
También se ha utilizado como agente reforzante en el hormigón . [192]
En 2011, los investigadores informaron que una arquitectura de grafeno multicapa funcionalizada, alineada verticalmente y tridimensional puede ser un enfoque para los materiales de interfaz térmica basados en grafeno ( TIM ) con conductividad térmica superior y resistencia térmica de interfaz ultrabaja entre el grafeno y el metal. [193]
Los compuestos de grafeno y metal se pueden utilizar en materiales de interfaz térmica. [194]
La adición de una capa de grafeno a cada lado de una película de cobre aumentó las propiedades de conducción de calor del metal hasta un 24%. Esto sugiere la posibilidad de utilizarlos para interconexiones de semiconductores en chips de computadora. La mejora es el resultado de cambios en la nano y microestructura del cobre, no de la acción independiente del grafeno como un canal conductor de calor adicional. La deposición química de vapor a alta temperatura estimula el crecimiento del tamaño de grano en películas de cobre. Los tamaños de grano más grandes mejoran la conducción de calor. La mejora de la conducción de calor fue más pronunciada en películas de cobre más delgadas, lo que es útil a medida que las interconexiones de cobre se encogen. [195]
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 moléculas. Esto se debe a una mejor conducción del 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. [196]
Sin embargo, los desajustes en el límite entre cristales adyacentes horizontalmente reducen la transferencia de calor en un factor de 10. [197]
El grafeno podría potencialmente marcar el comienzo de una nueva generación de dispositivos a prueba de agua cuyo chasis no necesite ser sellado como los dispositivos actuales. [134] [ dudoso – discutir ]
... sin duda hay fragmentos de grafeno presentes en cada marca de lápiz