Se inicia la era del grafeno piezoeléctrico

Un nuevo campo de opciones se abre para el uso del grafeno gracias a un desarrollo de ingenieros de la Stanford University de Estados Unidos, que han logrado crear grafeno con propiedades piezoeléctricas. Esta característica, que permite generar electricidad al someter a presión a determinados materiales, no estaba presente hasta ahora en el grafeno, un material de gran utilidad y amplio futuro en el sector tecnológico.

El grafeno es un material cien veces más efectivo como conductor eléctrico que el silicio, y es más fuerte que el diamante. Concentra éstas y otras propiedades en tan sólo un átomo de espesor, siendo tan delgado como para convertirse esencialmente en un material de dos dimensiones. Estas prometedores condiciones físicas han hecho del grafeno la sustancia más estudiada de la última década, sobretodo en nanotecnología.

Sin embargo, aunque el grafeno parece un material inmejorable en muchos aspectos, no es piezoeléctrico. La piezoelectricidad es la propiedad que poseen ciertos materiales para producir electricidad ante distintas presiones. Además, se trata de una propiedad reversible, lo que significa que al aplicarse un campo eléctrico los materiales piezoeléctricos cambian de forma, permitiendo un notable nivel de control de sus características en el campo de la ingeniería.

Gracias a sus características, los materiales piezoeléctricos se han utilizado en dispositivos y componentes presentes en relojes, radios, aparatos de ultrasonido y muchos otros dispositivos. Ahora, en un artículo publicado en la revista especializada ACS Nano y en una nota de prensa de la Escuela de Ingeniería de Stanford University se describe como ingenieros de materiales de dicha universidad han logrado diseñar dispositivos piezoeléctricos de grafeno, logrando estas propiedades en un material a nanoescala.

Dispositivos a medida

Según explica Evan Reed, jefe del equipo de ingenieros a cargo de esta investigación, las deformaciones físicas que se pueden lograr son directamente proporcionales al campo eléctrico aplicado, y esto representa una forma completamente nueva para controlar la electrónica a nanoescala.

Para Reed y su equipo, este fenómeno genera una nueva etapa en el campo del control físico de los dispositivos a nanoescala, porque permite variar de forma predecible y planificada la forma de los componentes, utilizando para ello un material de excelentes condiciones como el grafeno.

El grafeno piezoeléctrico puede proporcionar un nivel de control eléctrico, óptico o mecánico sin precedentes hasta hoy, para ser utilizado en diferentes aplicaciones, que van desde pantallas táctiles a transistores a nanoescala, afirma Mitchell Ong, otro de los especialistas que ha participado en este proyecto.

Utilizando una aplicación de modelado sofisticado que se ejecuta en supercomputadoras de alto rendimiento, los ingenieros simularon diferentes condiciones y lograron medir el efecto piezoeléctrico. Los resultados obtenidos sorprendieron a los investigadores, ya que se lograron alcanzar niveles comparables a los registrados en materiales piezoeléctricos tradicionales de característica tridimensional.

Diseño piezoeléctrico

Los investigadores lograron romper la simetría perfecta del grafeno, para de esa forma evitar la anulación del efecto piezoeléctrico, combinando a este material con litio, hidrógeno, potasio y flúor, al aplicar un proceso conocido como dopaje. En un principio, se pensó que el efecto piezoeléctrico estaría presente, pero en un nivel relativamente pequeño.

Sin embargo, los resultados mostraron elevados niveles de piezoelectricidad, comparables a los obtenidos en otros materiales. Además, un punto de gran importancia es que se ha logrado ajustar el efecto piezoeléctrico de forma selectiva en el grafeno, a través de la colocación de distintos átomos en secciones específicas.

De esta forma, los ingenieros de Stanford dicen haber inaugurado la etapa de la “piezoelectricidad de diseño”, ya que este avance permite controlar estratégicamente dónde, cuándo y hasta qué punto el grafeno es deformado por un campo eléctrico, una condición con implicaciones prometedoras para la ingeniería.

Dado que los resultados del proceso de creación de grafeno piezoeléctrico son alentadores, los investigadores creen que la nueva técnica podría tener muchas más utilidades en el futuro tras su optimización, por ejemplo en nanotubos y otros nanomateriales, con aplicaciones que incluyen a la electrónica, la fotónica y la captación de energía de detección química y acústica de alta frecuencia.

Un material en audio de Stanford University, con la explicación de los especialistas a cargo de la investigación, permite ampliar la información sobre esta nueva técnica.