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El material más resistente jamás probado
Los científicos de materiales han estado alabando al grafeno desde que se aisló por primera vez en 2005. Las láminas de carbono de un átomo de espesor conducen los electrones mejor que el silicio y se han convertido en transistores rápidos de baja potencia. Ahora, por primera vez, los investigadores han medido la fuerza intrínseca del grafeno y han confirmado que es el material más resistente jamás probado. El hallazgo proporciona una buena evidencia de que los transistores de grafeno podrían soportar el calor en futuros microprocesadores ultrarrápidos.
Material más resistente: Al presionar una sonda de diamante afilada en grafeno hasta que se rompió, los investigadores establecieron que el material es el más fuerte jamás probado. Esta imagen, una ilustración, muestra la estructura atómica del grafeno, que tiene un átomo de espesor y está formado por carbono e hidrógeno dispuestos en una malla similar a una malla de alambre.
Jeffrey Kysar y James Hone , profesores de ingeniería mecánica de la Universidad de Columbia, probaron la fuerza del grafeno a nivel atómico midiendo la fuerza necesaria para romperlo. Esculpieron agujeros de un micrómetro de ancho en una oblea de silicio, colocaron una muestra perfecta de grafeno sobre cada agujero y luego sangraron el grafeno con una sonda afilada hecha de diamante. Tales mediciones nunca se habían tomado antes porque deben realizarse en muestras perfectas de grafeno, sin lágrimas ni átomos faltantes, dicen Kysar y Hone.
Hone compara su prueba con estirar un trozo de plástico sobre la parte superior de una taza de café y medir la fuerza que se necesita para perforarlo con un lápiz. Si pudiera conseguir un trozo de material lo suficientemente grande para colocarlo sobre una taza de café, dice, el grafeno sería lo suficientemente fuerte como para soportar el peso de un automóvil en equilibrio sobre el lápiz.
Es poco probable que se utilice la increíble fuerza del grafeno en una tarea así. En el nivel macroscópico de las tazas de café y los automóviles, cualquier material estará lleno de grietas y defectos, dice Kysar. Es al nivel de tales grietas y fallas que fallan las alas de los aviones y los soportes de los puentes. Solo una pequeña muestra puede ser perfecta y superfuerte, dice Hone.
Sin embargo, las mediciones son otra demostración más de las notables propiedades del grafeno. Sabíamos que el grafeno era el material más fuerte; este trabajo lo confirma, dice Konstantin Novoselov , miembro de la Universidad de Manchester, que fue el primero en aislar láminas bidimensionales del material.
La resistencia del material es una noticia particularmente buena para aquellos en la industria de los semiconductores que esperan hacer que las computadoras sean más rápidas mediante el desarrollo de microprocesadores que usan transistores de grafeno. La principal responsabilidad en relación con la industria del microprocesamiento es la tensión, dice Julia Greer , científico de materiales en Caltech. Los materiales utilizados para fabricar los transistores no solo deben tener buenas propiedades eléctricas, sino que también deben poder resistir las tensiones de los procesos de fabricación y el calor generado por las operaciones repetidas. Los procesos utilizados para modelar conexiones eléctricas metálicas en microprocesadores, por ejemplo, ejercen tensiones que pueden hacer que los chips fallen. Y, dice Greer, el principal obstáculo para hacer microprocesadores más rápidos es que el calor es demasiado para que los materiales lo absorban. Según las mediciones de su fuerza, los transistores de grafeno podrían soportar el calor.
El grafeno es el bloque de construcción básico de varias otras nanoestructuras tridimensionales compuestas de carbono, incluidos nanotubos y buckyballs, moléculas huecas con forma de balón de fútbol. En teoría, un nanotubo es grafeno enrollado, por lo que debería tener la misma fuerza, dice Hone. En realidad, sin embargo, la mayoría de los nanotubos tienen pequeños defectos: falta un átomo aquí o allá. Cuando tira de un nanotubo, dice Hone, se rompe en cualquier sitio donde haya un defecto.
La resistencia mecánica del grafeno a nanoescala podría resultar útil para aplicaciones distintas de los transistores para microprocesadores. El material podría, por ejemplo, servir como un interruptor eléctrico duradero operado mecánicamente para dispositivos de comunicaciones, incluidos teléfonos celulares y radares avanzados, dice Kysar.
Aunque la mayoría de las investigaciones sobre nanomateriales se han centrado en sus propiedades eléctricas, ópticas y químicas, las propiedades mecánicas controlan más de lo que parece, dice Greer. Las bases de datos existentes sobre la resistencia de los materiales no tienen en cuenta las diferencias de resistencia a nanoescala. Pero ahora, al menos, los investigadores que prueben la resistencia de los nanomateriales tendrán un récord al que aspirar.