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Físicos acaban de encontrar un resquicio en el grafeno que podría desbloquear una energía limpia e ilimitada
Con todas las medidas, el grafeno no debería existir. El hecho es que se reduce a un claro vacío en la física que ve una lámina 2D imposible, de átomos actuar como un material 3D sólido.
Nuevas investigaciones han profundizado en el ondulamiento del grafeno, descubriendo un fenómeno físico a escala atómica que podría ser explotado como una forma de producir un suministro virtualmente ilimitado de energía limpia.
El equipo de físicos liderado por investigadores de la Universidad de Arkansas (EE.UU.) no se propuso descubrir una nueva forma radical de alimentar dispositivos electrónicos. Su objetivo era mucho más humilde: simplemente observar cómo se mueve el grafeno.
Todos estamos familiarizados con el material negro arenoso a base de carbón llamado grafito, que comúnmente se combina con un material cerámico para hacer la llamada’ mina’ en lápices. Lo que vemos como manchas dejadas por el lápiz son en realidad hojas apiladas de átomos de carbono dispuestas en un patrón de «alambre de gallina». Como estas hojas no están unidas entre sí, se deslizan fácilmente unas sobre otras.
Durante años, los científicos se preguntaron si era posible aislar láminas individuales de grafito, dejando que un plano bidimensional de’ malla metálica’ de carbono permaneciera por sí solo.
En 2004, un par de físicos de la Universidad de Manchester lograron lo imposible, aislando las hojas de un trozo de grafito que era sólo un átomo de grosor. Para existir, el material 2D tenía que ser tramposo de alguna manera, actuando como un material 3D para proporcionar algún nivel de robustez.
Resulta que la «laguna» era el movimiento aleatorio de átomos que saltaban de un lado a otro, dando a la hoja 2D de grafeno una práctica tercera dimensión. En otras palabras, el grafeno era posible porque no era perfectamente plano en absoluto, sino que vibraba a nivel atómico de tal manera que sus enlaces no se desentrañaban espontáneamente.
Para medir con precisión el nivel de esta confusión, el físico Paul Thibado lideró recientemente un equipo de estudiantes graduados en un simple estudio. Pusieron láminas de grafeno a través de una rejilla de cobre de apoyo y observaron los cambios en las posiciones de los átomos usando un microscopio de barrido de túnel.
Mientras que podían registrar el balanceo de los átomos en el grafeno, los números no encajaban realmente en ningún modelo esperado. No pudieron reproducir los datos que estaban recopilando de un ensayo a otro. «Los estudiantes sentían que no íbamos a aprender nada útil», dice Thibado,»pero me preguntaba si estábamos haciendo una pregunta demasiado simple».
Thibado impulsó el experimento en una dirección diferente, buscando un patrón cambiando la forma en que miraban los datos. «Separamos cada imagen en subimágenes», dice Thibado. «Mirando los promedios a gran escala se ocultaron los diferentes patrones. Cada región de una sola imagen, cuando se veía en el tiempo, producía un patrón más significativo.»
El equipo rápidamente descubrió que las hojas de grafeno se doblaban de una manera no muy diferente a como se doblaban hacia adelante y hacia atrás de una pieza doblada de metal delgado mientras se retorcía por los lados.
Los patrones de pequeñas fluctuaciones aleatorias que se combinan para formar cambios repentinos y dramáticos se conocen como vuelos de Lévy. Si bien han sido observados en sistemas complejos de biología y clima, esta fue la primera vez que fueron vistos a escala atómica.
Al medir la velocidad y escala de estas ondas de grafeno, Thibado pensó que podría ser posible utilizarlas como fuente de energía a temperatura ambiente. Mientras la temperatura del grafeno permitiera que los átomos se movieran incómodamente, continuaría ondulando y doblándose.
Coloque los electrodos a cada lado de las secciones de este grafeno pandeo, y usted tendría un pequeño cambio de voltaje.
Según los cálculos de Thibado, un solo trozo de grafeno de diez micrones por diez micrones podría producir diez microwatios de potencia. Puede que no suene impresionante, pero dado que podría caber más de 20000 de estos cuadrados en la cabeza de un alfiler, una pequeña cantidad de grafeno a temperatura ambiente podría, posiblemente, alimentar algo pequeño como un reloj de pulsera indefinidamente. Mejor aún, podría alimentar bioimplantes que no necesiten baterías incómodas.
Por muy emocionantes que sean, estas aplicaciones todavía necesitan ser investigadas. Afortunadamente Thibado ya está trabajando con científicos del Laboratorio Naval de Investigación de los Estados Unidos para ver si el concepto tiene potencial.
Para una molécula imposible, el grafeno se ha convertido en algo así como un material maravilloso que ha girado la física en su cabeza.
Ya está siendo promocionado como un bloque de construcción para futuros conductores. Tal vez también veamos que también va a impulsar el futuro de un nuevo campo de dispositivos electrónicos.
Esta investigación fue publicada en Physical Review Letters.
Material ‘magnetoeléctrico’ promete ser una memoria para la electrónica
Los teléfonos inteligentes y los ordenadores no serían tan útiles sin espacio para muchas aplicaciones, música y vídeos. Los dispositivos tienden a almacenar esa información de dos maneras: a través de los campos eléctricos (piensa en una unidad flash) o a través de los campos magnéticos (como el disco duro del ordenador). Cada método tiene ventajas y desventajas. Sin embargo, en el futuro, nuestra electrónica podría beneficiarse de lo mejor de cada uno.
«Hay un concepto interesante», dice Chang-Beom Eom, profesor de Theodore H. Geballe y Harvey D. Spangler, profesor distinguido de Ciencia e Ingeniería de Materiales en la Universidad de Wisconsin-Madison. «¿Pueden acoplarse estas dos formas diferentes de almacenar información? ¿Podríamos usar un campo eléctrico para cambiar las propiedades magnéticas? Entonces usted puede tener un dispositivo multifuncional de baja potencia. Llamamos a esto un dispositivo ‘magnetoeléctrico'».
En una investigación publicada recientemente en la revista Nature Communications, Eom y sus colaboradores describen no sólo su proceso único para hacer un material magnetoeléctrico de alta calidad, sino también cómo y por qué funciona.
Los materiales magnetoeléctricos — que tienen funcionalidades magnéticas y eléctricas — ya existen. La conmutación de una funcionalidad induce un cambio en la otra. «Se llama cross-coupling», dice Eom. «Sin embargo, cómo se cruzan no se entiende claramente.»
Obtener esa comprensión, dice, requiere estudiar cómo cambian las propiedades magnéticas cuando se aplica un campo eléctrico. Hasta ahora, esto ha sido difícil debido a la complicada estructura de la mayoría de los materiales magnetoeléctricos.
En el pasado, dice Eom, la gente estudiaba las propiedades magnetoeléctricas usando materiales muy «complejos», o aquellos que carecen de uniformidad. En su enfoque, Eom simplificó no sólo la investigación, sino también el propio material.
Aprovechando su experiencia en el desarrollo de materiales, desarrolló un proceso único, utilizando «pasos» atómicos, para guiar el crecimiento de una fina película homogénea y monocristalina de ferrita de bismuto. Encima de eso, agregó cobalto, que es magnético; en el fondo, colocó un electrodo hecho de rutenato de estroncio.
El material de ferrita bismuto fue importante porque facilitó mucho el estudio del acoplamiento cruzado magnetoeléctrico fundamental por parte de Eom.
«Nos dimos cuenta de que en nuestro trabajo, debido a nuestro dominio único, podíamos ver lo que estaba ocurriendo utilizando múltiples sondeos o técnicas de imágenes», dice. «El mecanismo es intrínseco. Es reproducible, y eso significa que puedes hacer un dispositivo sin degradación alguna, de forma predecible».
Para visualizar el cambio de las propiedades eléctricas y magnéticas en tiempo real, Eom y sus colegas utilizaron las potentes fuentes de luz sincrotrón en el Argonne National Laboratory de Chicago, así como en Suiza y el Reino Unido.
«Cuando lo cambias, el campo eléctrico cambia la polarización eléctrica. Si está hacia abajo, cambia hacia arriba», dice. «El acoplamiento a la capa magnética cambia sus propiedades: un dispositivo de almacenamiento magnetoeléctrico.»
Ese cambio de dirección permite a los investigadores dar los siguientes pasos necesarios para añadir al material circuitos integrados programables, los componentes básicos que constituyen la base de nuestra electrónica.
Aunque el material homogéneo permitió a Eom responder a importantes preguntas científicas sobre cómo se produce el acoplamiento cruzado magnetoeléctrico, también podría permitir a los fabricantes mejorar su electrónica. «Ahora podemos diseñar un dispositivo mucho más eficaz, eficiente y de baja potencia», afirma.
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El equipo de Eom incluye tanto teóricos como experimentalistas, incluyendo al profesor de física Mark Rzchowski, profesor de la Universidad de Madison y colaboradores en Diamond Light Source en Inglaterra, Temple University, la Universidad de Oxford, el Laboratorio Nacional Argonne, Swiss Light Source, el Instituto de Ciencia y Tecnología de Luxemburgo y la Universidad de Northern Illinois.
Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Investigación del Ejército (W911NF-10-1-0362 y W911NF-13-1-0486) y el Departamento de Energía (DE-FG02-03ER46097 y DE-AC02-06CH11357).
Renee Meiller, (608)262-2481, meiller@engr.wisc.edu
3.5 GHz será la banda preponderante en 5G
Para abordar el potencial de 5G, la industria inalámbrica está estudiando una amplia gama de frecuencias de espectro radioeléctrico desde sub-1-GHz hasta 100 GHz, incluyendo espectro licenciado, sin licencia y compartido. Sin embargo, según los nuevos hallazgos de ABI Research, mientras que el uso de la tecnología mmWave (ondas milimétricas, banda de espectro entre 30 gigahertz (Ghz) y 300 Ghz) es una de las características más distintivas de 5G, a corto plazo la banda C está emergiendo con el consenso más global para el lanzamiento oportuno de la red comercial 5G en 2019.
A pesar de que muchos de los ensayos 5G de laboratorio y de campo realizados por participantes de la industria se han enfocado en frecuencias más altas, los recientes anuncios regulatorios de unos 20 países han apuntado a la banda C como el rango de espectro más común identificado para 5G.
«A largo plazo, toda la amplitud de la gama de espectro de sub-1-GHz a 100 GHz será crítica para abordar los diversos casos de uso y cumplir con velocidades mejoradas, latencia, fiabilidad y otras métricas 5G en diferentes escenarios de uso. A corto plazo, sin embargo, la utilización de ondas milimétricas para los servicios 5G en 2019-2020 se ve limitada debido a los desafíos tecnológicos y a la disponibilidad de espectro global», explica Prayerna Raina, Analista Senior de ABI Research.
Dado que la comunicación celular actual tiene lugar por debajo de 6 GHz, el uso de gamas de frecuencias más altas para la banda ancha móvil no es un territorio familiar para los operadores móviles. De manera similar, tecnologías clave de antenas 5G y estaciones base como MIMO se encuentran actualmente desplegadas en el rango por debajo de 6 GHz en un nivel bajo de cuatro a 16 elementos de antena en la mayoría de los casos. En frecuencias de ondas mmWave más altas, es probable que las antenas MIMO masivas tengan cientos de elementos de antena, lo que trae consigo su propio conjunto de desafíos.
El uso de frecuencias más altas, como 26 GHz y 28 GHz para el servicio fijo de banda ancha móvil en redes 5G es seguro, pero es la banda C con su armonización global la que está creando oportunidades para el despliegue a gran escala.
«En última instancia, 5G debe tener un buen sentido comercial para los operadores que siguen luchando contra el estancamiento de los ARPU, el aumento del tráfico de red y la necesidad de optimizar la gestión y las operaciones de red de forma rentable», afirma Raina. «La banda C, con el apoyo de las nuevas tecnologías, incluido el desacoplamiento de enlaces ascendentes, será probablemente la banda espectral dominante de 5G, ya que permite a los operadores desplegar 5G en una red existente, en lugar de gastar significativamente en nuevas instalaciones celulares», concluye Raina.
Ampliar en: MWee
Un material con propiedades prometedoras
El Collaborative Research Center CRC 1214 de la Universidad de Konstanz ha desarrollado un método para sintetizar nanopartículas de óxido de europio (II), un semiconductor ferromagnético que es relevante para el almacenamiento y transporte de datos.
Los semiconductores ferromagnéticos han atraído una atención creciente en la última década. Sus propiedades los convierten en materiales funcionales prometedores que se pueden utilizar en el campo de la electrónica basada en espín (espintrónica). La espintrónica es de crucial importancia para el almacenamiento y transporte de información. En una colaboración interdisciplinaria, los investigadores de la Universidad de Konstanz desarrollaron con éxito un método para sintetizar nanopartículas de óxido de europio (II) (EuO), un semiconductor ferromagnético con propiedades extremadamente prometedoras. Los investigadores también demostraron que las nanopartículas tienen propiedades magnéticas debido a su estructura. Los resultados del proyecto de investigación conjunta se han publicado en la edición del 20 de noviembre de 2017 de la revista científica Advanced Materials .
La colaboración de los grupos de investigación dirigidos por el profesor Sebastián Polarz (química inorgánica), el profesor Mikhail Fonin (física experimental) y el profesor Ulrich Nowak (física teórica) de la Universidad de Konstanz, así como el equipo de microscopía electrónica del Instituto Leibniz para Solid State and Materials Research Dresden (IFW Dresden), dirigido por el Dr. Axel Lubk, se llevó a cabo en el marco del Centro de Colaboración de la Universidad de Konstanz (SFB) «Partículas anisotrópicas como bloques de construcción: Adaptación de la forma, interacciones y estructuras». «Sin la cooperación de estos equipos de investigación, no podríamos haber logrado estos resultados», dice Bastian Trepka, autor principal del estudio y miembro del equipo de investigación de Sebastian Polarz Functional Inorganic Materials, donde se han sintetizado las nanopartículas.
Las propiedades de las nanopartículas anisotrópicas y magnéticas están en el centro del proyecto de investigación A5 del SFB. Anisotrópico significa que la forma y las propiedades magnéticas, ópticas o electrónicas no son idénticas para todas las direcciones espaciales de la partícula. Esto, a su vez, permite investigar no solo las propiedades nuevas y a menudo mejoradas de los materiales nanoestructurados, sino también las propiedades adicionales causadas por la anisotropía.
La producción de nanopartículas a partir de semiconductores ferromagnéticos como el óxido de europio (II) constituye un gran desafío, especialmente en la geometría anisotrópica. Después de todo, las partículas con las nuevas propiedades interesantes esperadas también deben ser anisotrópicas. «El objetivo es profundizar nuestra comprensión para que podamos modular y acceder a las propiedades de los nanosistemas bajo demanda», dice el autor principal, Trepka. Usando su método especial, los investigadores lograron producir nanopartículas de EuO de alta calidad y anisotrópicas que pueden usarse para observar los efectos de la estructura de la propiedad.
El método se basa en un proceso de dos etapas. En un primer paso, se produce un material híbrido que consta de componentes orgánicos e inorgánicos, que ya es anisotrópico. En el siguiente paso, el material híbrido se trata con vapor de europio. Como resultado, se convierte químicamente en EuO. En este caso, la forma de las nanopartículas es tubular. «Este método es interesante porque no se limita a formas tubulares. También es posible producir varillas», explica Bastian Trepka.
Además, los investigadores pudieron demostrar que las propiedades magnéticas del semiconductor óxido de Europio (II) están realmente relacionadas con la forma de su nanoestructura, o más bien la anisotropía. Después de un tratamiento adicional al intentar generar contra evidencia, las formas tubulares desaparecieron, dando como resultado diferentes propiedades. «Los físicos experimentales llevaron a cabo mediciones que confirmaron los resultados que habían sido simulados por los físicos teóricos. Esto nos permitió desarrollar ideas sobre cómo la estructura produce este comportamiento magnético particular», explica Bastian Trepka.
«Lo que es realmente especial acerca de nuestro proceso es la separación del control de la estructura y la transformación química. Podemos obtener diferentes formas del mismo material influyendo en la forma a través del control del proceso. De esta forma siempre conseguiremos que el material adopte la forma que necesitamos» , dice Trepka. En el caso del óxido de europio (II), se trata de una nanotransformación topotáctica que mantiene su dirección cristalina: es tubular tanto antes como después del tratamiento.
«Un material inteligente con una variedad de propiedades», dice Bastian Trepka de Europium (II) oxide. Sobre todo, tiene una estructura cristalina simple. «Podemos explicar los cambios en las propiedades que apelan a las estructuras cristalinas, que están predeterminadas». Esto es ideal para la investigación básica.
Ampliar en: https://doi.org/10.1002/adma.201703612
¿Cuál es la potencia computacional del universo?
¿Puede una mirada cercana al universo darnos soluciones a problemas demasiado difíciles de resolver, incluso para una computadora del tamaño de un planeta?
Ampliar en: PHYS.ORG
Los nanotubos de carbono causan cáncer de la misma manera que el asbesto
Los nanotubos de carbono son cancerígenos y el mecanismo por el cual causan cáncer parecería ser el mismo que en el caso del amianto, según un artículo publicado en Current Biology por autores del Medical Research Council (MRC) del Reino Unido.
Los nanotubos de carbono (CNTs) son un material maravilloso muy anunciado, más fuerte que el acero y un conductor eléctrico superior debido a su naturaleza bidimensional enrollada. Sin embargo, la naturaleza cancerígena de las fibras largas de CNT indica cautela en cómo se usan, concluyen los investigadores.
Se están desplegando y experimentando en múltiples áreas de la nanoelectrónica. Sin embargo, los CNT deben manejarse con cuidado. Su naturaleza nanoscópica los hace difíciles de controlar y dificulta asimismo la protección de los agentes de producción. Las mismas lecciones probablemente deberían trasladarse al uso de muchos de los denominados materiales biopersistentes en la escala de nanómetros.
Uno de los grandes problemas con el asbesto en el pasado, y con los CNTs ahora, es que su naturaleza inducida por el cáncer es un efecto a largo plazo. Una vez que se toman en las fibras son difíciles de purgar y permanecen inadvertidas en los pulmones. Es el efecto inflamatorio a largo plazo de las fibras largas atraídas a los pulmones lo que abre las vías químicas y bioquímicas al cáncer, aunque los mecanismos moleculares que subyacen al mesotelioma de latencia larga aún no se conocen.
La investigación del MRC muestra que las fibras largas biopersistentes inducen la enfermedad pleural, incluyendo el mesotelioma, en la misma vía que el asbesto. Los investigadores afirman:»Dado que la creciente fabricación de fibras largas de CNT aumenta el potencial de exposición humana, nuestros hallazgos refuerzan la necesidad de precaución al usar estos agentes si se quiere evitar el daño a largo plazo».
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