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Cómo hacer grafeno
El grafeno, una sola capa plana de átomos de carbono, puede transportar electrones a velocidades notables, lo que lo convierte en un material prometedor para dispositivos electrónicos. Hasta hace poco, los investigadores habían podido fabricar solo pequeñas escamas del material, y solo en pequeñas cantidades. Sin embargo, los investigadores de la Universidad de Rutgers han desarrollado una manera fácil de hacer películas de grafeno transparentes de unos pocos centímetros de ancho y de uno a cinco nanómetros de espesor.
Proceso flexible: Un nuevo método de fabricación desarrollado por investigadores de la Universidad de Rutgers puede depositar una película de grafeno, una hoja de carbono de un átomo de espesor, sobre casi cualquier sustrato, incluido el plástico flexible que se muestra aquí. Las películas podrían usarse en transistores de película delgada o como electrodos conductores para células solares orgánicas.
Las películas delgadas de grafeno podrían proporcionar un reemplazo económico para los electrodos de óxido de indio y estaño transparentes y conductores utilizados en las células solares orgánicas. También podrían reemplazar los transistores de película delgada de silicio comunes en las pantallas de visualización. El grafeno puede transportar electrones decenas de veces más rápido que el silicio, por lo que los transistores basados en grafeno podrían funcionar más rápido y consumir menos energía. (Consulte Transistores de grafeno y mejores transistores de grafeno).
De hecho, el profesor de ingeniería y ciencia de materiales de Rutgers Manish Chhowalla y sus colegas usaron sus películas de grafeno para hacer prototipos de transistores y llamadas solares orgánicas. En una reciente Nanotecnología de la naturaleza papel , demostraron que pueden depositar las películas transparentes sobre cualquier sustrato, incluido el vidrio y el plástico flexible. Chhowalla dice que el método podría adaptarse a una escala mayor para recubrir metros y metros de sustratos con películas de grafeno, utilizando el procesamiento de rollo a rollo, una técnica que se está desarrollando para hacer grandes circuitos electrónicos flexibles.
Por el contrario, las técnicas actuales para hacer grafeno producen pequeñas cantidades del material, aptas solo para uso experimental. Una técnica común se llama método de cinta adhesiva, en el que se usa un trozo de cinta para despegar las escamas de grafeno de un trozo de grafito, que es esencialmente una pila de hojas de grafeno. Esto da como resultado fragmentos de grafeno del tamaño de un micrómetro, que se colocan entre electrodos para hacer un transistor. Pero si habla de dispositivos a gran escala, quiere hacer [hojas] macroscópicas, dice Hannes Schniepp , investigador de grafeno en la Universidad de Princeton. Para eso, debe guiar el ensamblaje de piezas de grafeno más pequeñas en un área grande, dice Schniepp, que es exactamente lo que hacen los investigadores de Rutgers.
Los investigadores comienzan haciendo una suspensión de escamas de óxido de grafeno. Oxidan las escamas de grafito con ácido sulfúrico o nítrico. Esto inserta átomos de oxígeno entre las láminas de grafeno individuales y las separa, lo que da como resultado láminas de óxido de grafeno, que están suspendidas en agua.
La suspensión se filtra a través de una membrana que tiene poros de 25 nanómetros de ancho. El agua pasa a través de los poros, pero las escamas de óxido de grafeno, cada una de las cuales tiene unos pocos micrómetros de ancho y aproximadamente un nanómetro de espesor, cubren los poros. Esto sucede de manera regulada, dice Chhowalla. Cuando una escama cubre un poro, el agua se dirige a sus vecinos descubiertos, que a su vez quedan cubiertos, hasta que las escamas se distribuyen por toda la superficie. El método le permite depositar capas individuales de grafeno, dice Chhowalla. [Esto] da como resultado una película casi uniforme depositada sobre la membrana. Los investigadores colocan el lado recubierto de película de la membrana sobre un sustrato, como vidrio o plástico, y lavan la membrana con acetona. Finalmente, exponen la película a una sustancia química llamada hidracina, que convierte el óxido de grafeno en grafeno.
Gira de James , profesor de química en la Universidad de Rice, dice que este es sin duda el método más fácil que he visto para hacer [películas delgadas de grafeno] en grandes áreas. Él piensa que el proceso podría convertirse fácilmente en una técnica de fabricación a escala comercial más grande. Es muy adecuado para una producción rápida, dice. No se necesitará mucho para producir estas cosas ... y cubrir grandes áreas.
Chhowalla y sus colegas controlan el grosor de la película cambiando el volumen de la suspensión. Un volumen de 20 mililitros da como resultado una película que tiene principalmente de uno a dos nanómetros de espesor, mientras que una suspensión de 80 mililitros da como resultado películas que tienen principalmente de tres a cinco nanómetros de espesor. Las películas más delgadas son transparentes en un 95 por ciento. Los investigadores han utilizado las películas como electrodos transparentes en células solares orgánicas. También han fabricado transistores colocando sus películas sobre un sustrato de silicio y depositando electrodos de oro sobre ellos.
Las películas de grafeno necesitan mucho más trabajo. En este momento, los transistores no transportan tanta corriente como los fabricados con escamas de grafeno individuales, lo que, especulan los investigadores, se debe a la superposición de escamas en sus películas. Para transistores de alta calidad, necesitarán hacer películas de grafeno de una sola capa sin superposición. También necesitan mejorar la conductividad de su película: el óxido de indio y estaño sigue siendo cientos de veces más conductor. Las células solares orgánicas con electrodos de óxido de indio y estaño tienen una eficiencia de entre el 3 y el 5 por ciento. Con los electrodos de película fina de grafeno, obtenemos un 0,1 por ciento, dice Chhowalla, pero estos son dispositivos de prueba de concepto y, por supuesto, mejorarán con el tiempo.
Tour cree que la película es más prometedora para las células solares orgánicas que para los transistores. Muchos investigadores también están estudiando películas de nanotubos de carbono como una forma de reemplazar los recubrimientos de óxido de indio y estaño en las células solares. Pero Tour dice que el grafeno sería posiblemente más fácil que usar nanotubos de carbono debido a la mayor disponibilidad del material. La industria también podría encontrar más fácil adoptar el grafeno debido a las preocupaciones que algunas personas tienen sobre los efectos de los nanotubos de carbono en el medio ambiente.