Electrones en el grafeno. Imagen: Peter Allen. Fuente: Harvard.
Desde su descubrimiento hace una década, los científicos y los gurús de la tecnología han elogiado el grafeno como el material maravilloso que podría sustituir al silicio en la electrónica, aumentar la eficiencia de las baterías, la durabilidad y la conductividad de las pantallas táctiles y allanar el camino para la energía eléctrica térmica barata, entre muchas otras cosas.
Tiene un átomo de grosor, es más fuerte que el acero, más duro que el diamante y uno de los materiales más conductores de la Tierra. Sin embargo, varios desafíos deben superarse antes que los productos de grafeno lleguen al mercado. Los científicos todavía están tratando de comprender la física básica de este material único. Además, es muy difícil de fabricar, y aún más difícil fabricarlo sin impurezas.
En un nuevo artículo publicado en Science, investigadores de la Universidad de Harvard (EE.UU.) y la empresa Raytheon BBN Technology han hecho un gran avance en nuestra comprensión de las propiedades básicas del grafeno, observando por primera vez electrones en un metal que se comportan como un fluido.
Con el fin de hacer esta observación, el equipo mejoró los métodos para crear grafeno ultra-limpio y desarrollar una nueva forma medir su conductividad térmica. Esta investigación podría conducir a nuevos dispositivos termoeléctricos, así como proporcionar un sistema modelo para estudiar fenómenos exóticos como los agujeros negros y los plasmas de alta energía.
Ha sido dirigida por Philip Kim, profesor de física y física aplicada de la Universidad de Harvard.
Una supercarretera de electrones
En los metales comunes, tridimensionales, los electrones apenas interactúan entre sí. Sin embargo, la estructura en panal de dos dimensiones del grafeno actúa como una autopista de electrones en la que todas las partículas tienen que viajar en el mismo carril.
Los electrones actúan en el grafeno como objetos sin masa relativista, algunos de ellos con carga positiva y algunos con carga negativa. Se mueven a una velocidad increíble -1/300 la velocidad de la luz- y se ha pronosticado que chocan unos con otros diez billones de veces por segundo a temperatura ambiente. Estas intensas interacciones entre partículas cargadas no se habían observado antes en un metal ordinario.
El equipo creó una muestra ultra-limpia intercalando la hoja de grafeno de un átomo de espesor entre decenas de capas de un cristal transparente, aislante eléctrico perfecto, con una estructura atómica similar a la del grafeno.
"Dado que es un material con un átomo de grosor, el entorno le afecta mucho", dice Jesse Crossno, estudiante de posgrado en el laboratorio de Kim y primer autor del artículo, en la información de Harvard. "Si el grafeno está encima de algo que es áspero y desordenado, eso va a interferir con la forma en que los electrones se mueven. Es muy importante crear un grafeno sin interferencia de su entorno".
La técnica fue desarrollada por Kim y sus colaboradores en la Universidad de Columbia (Nueva York) antes trasladarse a la Universidad de Harvard en 2014, y ahora se ha perfeccionado en su laboratorio de la Escuela de Ingeniería.
Luego, el equipo creó una especie de sopa térmica de partículas con carga positiva y carga negativa en la superficie del grafeno, y observó cómo fluían esas partículas en forma de corrientes térmicas y eléctricas. Lo que observaron iba en contra de todo lo que sabían acerca de los metales.
Tiene un átomo de grosor, es más fuerte que el acero, más duro que el diamante y uno de los materiales más conductores de la Tierra. Sin embargo, varios desafíos deben superarse antes que los productos de grafeno lleguen al mercado. Los científicos todavía están tratando de comprender la física básica de este material único. Además, es muy difícil de fabricar, y aún más difícil fabricarlo sin impurezas.
En un nuevo artículo publicado en Science, investigadores de la Universidad de Harvard (EE.UU.) y la empresa Raytheon BBN Technology han hecho un gran avance en nuestra comprensión de las propiedades básicas del grafeno, observando por primera vez electrones en un metal que se comportan como un fluido.
Con el fin de hacer esta observación, el equipo mejoró los métodos para crear grafeno ultra-limpio y desarrollar una nueva forma medir su conductividad térmica. Esta investigación podría conducir a nuevos dispositivos termoeléctricos, así como proporcionar un sistema modelo para estudiar fenómenos exóticos como los agujeros negros y los plasmas de alta energía.
Ha sido dirigida por Philip Kim, profesor de física y física aplicada de la Universidad de Harvard.
Una supercarretera de electrones
En los metales comunes, tridimensionales, los electrones apenas interactúan entre sí. Sin embargo, la estructura en panal de dos dimensiones del grafeno actúa como una autopista de electrones en la que todas las partículas tienen que viajar en el mismo carril.
Los electrones actúan en el grafeno como objetos sin masa relativista, algunos de ellos con carga positiva y algunos con carga negativa. Se mueven a una velocidad increíble -1/300 la velocidad de la luz- y se ha pronosticado que chocan unos con otros diez billones de veces por segundo a temperatura ambiente. Estas intensas interacciones entre partículas cargadas no se habían observado antes en un metal ordinario.
El equipo creó una muestra ultra-limpia intercalando la hoja de grafeno de un átomo de espesor entre decenas de capas de un cristal transparente, aislante eléctrico perfecto, con una estructura atómica similar a la del grafeno.
"Dado que es un material con un átomo de grosor, el entorno le afecta mucho", dice Jesse Crossno, estudiante de posgrado en el laboratorio de Kim y primer autor del artículo, en la información de Harvard. "Si el grafeno está encima de algo que es áspero y desordenado, eso va a interferir con la forma en que los electrones se mueven. Es muy importante crear un grafeno sin interferencia de su entorno".
La técnica fue desarrollada por Kim y sus colaboradores en la Universidad de Columbia (Nueva York) antes trasladarse a la Universidad de Harvard en 2014, y ahora se ha perfeccionado en su laboratorio de la Escuela de Ingeniería.
Luego, el equipo creó una especie de sopa térmica de partículas con carga positiva y carga negativa en la superficie del grafeno, y observó cómo fluían esas partículas en forma de corrientes térmicas y eléctricas. Lo que observaron iba en contra de todo lo que sabían acerca de los metales.
Un agujero negro en un chip
La mayor parte de nuestro mundo -cómo fluye el agua o cómo se curva una bola- está descrito por la física clásica. Las cosas muy pequeñas, como los electrones, las describe la mecánica cuántica, mientras que las cosas muy grandes y muy rápidas, como las galaxias, las describe la física relativista.
La combinación de estas leyes de la física es muy difícil pero hay ejemplos extremos en los que se superponen. Los sistemas de alta energía, como las supernovas y los agujeros negros, pueden describirse mediante la vinculación de las teorías clásicas de la hidrodinámica (dinámica de los líquidos) con las teorías de la relatividad de Einstein. Pero es difícil de realizar un experimento en un agujero negro.
Ahí es donde entra el grafeno. Cuando las partículas que interaccionan fuertemente en el grafeno eran impulsadas por un campo eléctrico, no se comportaban como partículas individuales, sino como un fluido que podría ser descrito por la hidrodinámica.
"En lugar de ver cómo una sola partícula se veía afectada por una fuerza eléctrica o térmica, podíamos ver la energía conservada a medida que fluía a través de muchas partículas, como una onda a través del agua", dice Crossno.
"La física que descubrimos mediante el estudio de los agujeros negros y la teoría de cuerdas, estamos viéndola en el grafeno", dice Andrew Lucas, co-autor y estudiante de posgrado con Subir Sachdev, profesor de Física en la Universidad de Harvard. "Este es el primer sistema modelo de la hidrodinámica relativista en un metal."
En el futuro, un pequeño chip de grafeno podría utilizarse para modelar el comportamiento tipo-fluido de otros sistemas de alta energía.
Implicaciones industriales
¿Cómo influye esto en las aplicaciones industriales del grafeno? En primer lugar, para observar el sistema hidrodinámico, el equipo necesitó desarrollar una manera precisa de medir cómo de bien transportan los electrones el calor en el sistema. Es muy difícil de hacer, dice Kin Chung Fong, científico de Raytheon BBN.
Los materiales conducen el calor de dos maneras: a través de vibraciones en la estructura o red atómica; y transportado por los propios electrones.
"Necesitábamos encontrar una forma inteligente de hacer caso omiso de la transferencia de calor de la red y centrarnos sólo en la cantidad de calor que transportan los electrones", dice Fong.
Para ello, el equipo se centró en el ruido. A temperatura finita, los electrones se mueven al azar: cuanto mayor es la temperatura, más ruidosos los electrones. Mediante la medición de la temperatura de los electrones con tres decimales, el equipo fue capaz de medir con precisión la conductividad térmica de los mismos.
"Este trabajo proporciona una nueva manera de controlar la velocidad de transducción de calor en el sistema de electrones del grafeno, y como tal será clave para las aplicaciones relacionadas con energía y detección", dice Leonid Levitov, profesor de física en el Massachusetts Institute of Technology (MIT).
"La conversión de la energía térmica en corrientes eléctricas y viceversa es notoriamente difícil con materiales ordinarios", dice Lucas. "Pero, en principio, con una muestra limpia de grafeno puede que no haya ningún límite a lo bien que se puede hacer un dispositivo así."
La mayor parte de nuestro mundo -cómo fluye el agua o cómo se curva una bola- está descrito por la física clásica. Las cosas muy pequeñas, como los electrones, las describe la mecánica cuántica, mientras que las cosas muy grandes y muy rápidas, como las galaxias, las describe la física relativista.
La combinación de estas leyes de la física es muy difícil pero hay ejemplos extremos en los que se superponen. Los sistemas de alta energía, como las supernovas y los agujeros negros, pueden describirse mediante la vinculación de las teorías clásicas de la hidrodinámica (dinámica de los líquidos) con las teorías de la relatividad de Einstein. Pero es difícil de realizar un experimento en un agujero negro.
Ahí es donde entra el grafeno. Cuando las partículas que interaccionan fuertemente en el grafeno eran impulsadas por un campo eléctrico, no se comportaban como partículas individuales, sino como un fluido que podría ser descrito por la hidrodinámica.
"En lugar de ver cómo una sola partícula se veía afectada por una fuerza eléctrica o térmica, podíamos ver la energía conservada a medida que fluía a través de muchas partículas, como una onda a través del agua", dice Crossno.
"La física que descubrimos mediante el estudio de los agujeros negros y la teoría de cuerdas, estamos viéndola en el grafeno", dice Andrew Lucas, co-autor y estudiante de posgrado con Subir Sachdev, profesor de Física en la Universidad de Harvard. "Este es el primer sistema modelo de la hidrodinámica relativista en un metal."
En el futuro, un pequeño chip de grafeno podría utilizarse para modelar el comportamiento tipo-fluido de otros sistemas de alta energía.
Implicaciones industriales
¿Cómo influye esto en las aplicaciones industriales del grafeno? En primer lugar, para observar el sistema hidrodinámico, el equipo necesitó desarrollar una manera precisa de medir cómo de bien transportan los electrones el calor en el sistema. Es muy difícil de hacer, dice Kin Chung Fong, científico de Raytheon BBN.
Los materiales conducen el calor de dos maneras: a través de vibraciones en la estructura o red atómica; y transportado por los propios electrones.
"Necesitábamos encontrar una forma inteligente de hacer caso omiso de la transferencia de calor de la red y centrarnos sólo en la cantidad de calor que transportan los electrones", dice Fong.
Para ello, el equipo se centró en el ruido. A temperatura finita, los electrones se mueven al azar: cuanto mayor es la temperatura, más ruidosos los electrones. Mediante la medición de la temperatura de los electrones con tres decimales, el equipo fue capaz de medir con precisión la conductividad térmica de los mismos.
"Este trabajo proporciona una nueva manera de controlar la velocidad de transducción de calor en el sistema de electrones del grafeno, y como tal será clave para las aplicaciones relacionadas con energía y detección", dice Leonid Levitov, profesor de física en el Massachusetts Institute of Technology (MIT).
"La conversión de la energía térmica en corrientes eléctricas y viceversa es notoriamente difícil con materiales ordinarios", dice Lucas. "Pero, en principio, con una muestra limpia de grafeno puede que no haya ningún límite a lo bien que se puede hacer un dispositivo así."
Referencia bibliográfica:
Jesse Crossno, Jing K. Shi, Ke Wang, Xiaomeng Liu, Achim Harzheim, Andrew Lucas, Subir Sachdev, Philip Kim, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Thomas A. Ohki, Kin Chung Fong: Observation of the Dirac fluid and the breakdown of the Wiedemann-Franz law in graphene. Science (2016). DOI: 10.1126/science.aad0343.
Jesse Crossno, Jing K. Shi, Ke Wang, Xiaomeng Liu, Achim Harzheim, Andrew Lucas, Subir Sachdev, Philip Kim, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Thomas A. Ohki, Kin Chung Fong: Observation of the Dirac fluid and the breakdown of the Wiedemann-Franz law in graphene. Science (2016). DOI: 10.1126/science.aad0343.