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Se ha descubierto el Pentagrafeno, estable a altas temperaturas, resistente a explosiones, el chaleco anti-bala perfecto

10/02/2015 04:00 0 Comentarios Lectura: ( palabras)

El pentagrafeno posee una fortaleza muy alta y sería capaz de soportar temperaturas de los 700 grados centígrados. Algunas de las propiedades del pentagrafeno son tan inusuales como interesantes; entre ellas destaca el hecho de que es un semiconductor, mientras que el grafeno es un conductor

 

En el año 2010 la Academia Sueca de las Ciencias otorgaba el Nobel de Física a los investigadores Andre Geim y Konstantin Novoselov por un trabajo que, publicado en 2004, había conseguido aislar láminas individuales de grafito, el llamado grafeno, utilizando un simple sistema de pelado con cinta adhesiva, convirtiendolo en un material fácil de analizar e investigar.

Desde entonces, el grafeno es siempre el primero en la lista de los materiales del futuro. Sus características únicas (es un excelente conductor de electricidad a temperatura ambiente que se conoce, además del más duro, un excelente conductor del calor, flexible y transparente) lo han puesto en el punto de mira de todo tipo de industrias, especialmente la industria electrónica.

España ocupa un campo importante en este sector, tanto en producción como en exportación de grafeno. Varias empresas nacionales han alcanzado un alto grado de especialización en la escena internacional. Potentes grupos de investigación desarrollan especialmente en Euskadi el conocimiento necesario para dominar este material y determinar todas sus funciones y sus futuras aplicaciones.

Pero un equipo internacional de científicos hha ido más allá y hadescubierto una nueva variante estructural del carbono, a la que se ha denominado "pentagrafeno". Consiste en una hoja muy delgada de carbono puro que posee una estructura única, anecdóticamente inspirada en un patrón pentagonal de losetas que se encuentra en el pavimento de calles de la ciudad egipcia de El Cairo. El nuevo material parece ser dinámica, térmica y mecánicamente estable.

Las tres últimas formas importantes de carbono que han sido descubiertas fueron el fullereno, el nanotubo y el grafeno. Cada una tiene una estructura única. Ahora, el Pentagrafeno se une a este selecto grupo.

Todo comenzó cuando la física Qian Wang, profesora en la Universidad de Pekín en China, y profesora adjunta de la VCU (Virginia Commonwealth University) en Estados Unidos, estaba cenando en un restaurante de Pekín con su marido, y se dio cuenta de un mural que mostraba las losetas pentagonales de calles de El Cairo.

Le dijo a su marido, ”¡, mira mira! Un patrón compuesto solo por pentágonos”, recuerda ella. Wang fotografió el patrón y a partir de aquí, junto al físico Puru Jena de la Universidad de Virginia y otros colegass, comenzaron a trabajar en la idea de que las leyes de la física podían permitir la existencia, aunque fuese solo artificial, de un material de carbono con una estructura comparable a la de ese pavimento, el pentagrafeno.

La mayor parte de las formas de carbono están hechas de “ladrillos” hexagonales, en ocasiones intercalados con pentágonos. El pentagrafeno sería un alótropo bidimensional (en el sentido atómico) de carbono compuesto exclusivamente de pentágonos.

El recién descubierto material,   es una capa individual de pentágonos de carbono que se parecen a ciertos embaldosados de calles de El Cairo.

Wang, Jena, Yoshiyuki Kawazoe de la Universidad de Tohoku en Japón, y otros científicos simularon la síntesis del pentagrafeno utilizando modelado informático. Los resultados de chinos y japoneses aseguran que el material podrá superar al grafeno en ciertas aplicaciones, ya que sería mecánicamente estable, poseería una fortaleza muy alta y sería capaz de soportar temperaturas del orden de los 700 grados centígrados. Algunas de las propiedades del pentagrafeno son tan inusuales como interesantes; entre ellas destaca el hecho de que es un semiconductor, mientras que el grafeno es un conductor de electricidad.

El próximo paso en esta línea de investigación será pasar de la teoría a la práctica, o sea intentar sintetizar pentagrafeno. Los investigadores  aseguran haber logrado redondear aún más el invento con una formulación alternativa del material que mejora algunas de sus prestaciones. El trabajo de la Universidad de Pekín, que de momento es una simulación puramente teórica, ha sido publicado en la revista norteamericana Proceedings of the National Academy of Science, y podría suponer, si termina materializándose en desarrollos experimentales y aplicados, un cambio en el escenario mundial del grafeno.

Grafeno basado en las aceras de El Cairo

La fórmula alternativa se basa en convertir la red hexágonal de átomos de carbono que forma el grafeno en una red pentágonal, que-como hemos dicho- imitando la forma de los azulejos de las calles de El Cairo" como señalan en el periódico Shunhong Zhang, del Centro de Física Aplicada y Tecnología de la Universidad de Pekín. Para lograrlo han convertido las láminas bidimensionales en estructuras ligerísiamente tridimensionales, dotando al grafeno de un relieve que no existe en su formulación, digamos, tradicional. Esto es posible partiendo de una de las muchas estructuras que la flexibilidad química del carbono le permite adoptar, llamada carbono T-12.

Lo que ha hecho el equipo de Wang, explica Eduardo Hernández, investigador del Centro de Investigación de los Materiales de Madrid ( del CSIC), es partir de esa estructura y aislar una de sus capas, formada por átomos de carbono en una estructura pentágonal. Utilizando modelos informáticos han demostrado que esta alineación alternativa no solo es posible sino que además sería estable al someterla a altas temperaturas y presentaría una serie de propiedades que serían interesantes y con las que el grafeno no cuenta.

Es una variante del carbono, dinámica, térmica y mecanicamente estable

Una de las propiedades está relacionada con su elasticidad. Este pentagrafeno tendría un coeficiente de Poisson negativo, algo que es casi inaudito por lo poco habitual. Para entender en qué consiste esta cualidad, imaginen una goma elástica: al tirar de ella verticalmente, se estrecha horizontalmente. Al dividir lo que se estira entre lo que se estrecha se obtiene el coeficiente de Poisson.

Lo habitual es que el dato sea positivo (como en el caso de la goma), pero existen algunos materiales, llamados augéticos, en los que el dato es negativo. Que este pentagrafeno tenga esta propiedad será interesante a nivel comercial, puesto que este tipo de materiales se utilizan para crear, entre otros, paredes resistentes a explosiones, chalecos antibalas y otras protecciones corporales, colchones más cómodos o hilo dental más eficaz.

Mejor semiconductor que el grafeno

Pero quizá lo más llamativo de la investigación de Zhang y sus colegas es que este pentagrafeno que han modelizado tendrá una banda de energías prohibidas o “band gap” intrínseca que le daría cierta ventaja frente al grafeno clásico y que lo haría más adecuado para lograr la revolución de la industria de los semiconductores que los innovadores llevan años intentando.

La banda de energías prohibidas es una cualidad de algunos materiales que condiciona su poder conductor de electricidad. Se trata de una especie de barrera (aunque la palabra brecha sería más gráfica) que dificulta el flujo de electrones y marca la potencia energética que hay que aplicar para que la conducción se produzca. Los metales, por ejemplo, no tienen esta banda y por tanto los electrones transmiten su carga energética sin necesidad de grandes aportaciones de energía (siempre existe alguna resistencia, leve pero inevitable, debido a las impurezas presentes en el metal). Esto los hace buenos conductores de electricidad.

Otros materiales si tienen esta “band gap“, aunque es más ancha en unos que en otros. Esto quiere decir que hace falta aplicar cantidades de energía mayores para que la electricidad circule por ellos, lo cual los convierte en buenos aislantes (si la band gap es mayor) o en buenos semiconductores (si es menor). El silicio, el material en el que está basada la industria de la electrónica, es un semiconductor, de forma que puede interrumpir la corriente o reanudarla si se aplica una cantidad de energía suficiente.

Existe mucho interés en todo lo que se refiere y se parece al grafeno, y esto es un ejercicio de cálculo perfecto. Pero hay muchas predicciones que nunca se cumplen.

El grafeno es mejor conductor que el silicio, pero no tiene band gap en su fórmula más habitual, y eso es un problema a la hora de utilizarlo como semiconductor porque es difícil interrumpir la corriente. Lo que muchos investigadores en el mundo tratan de hacer es modificar químicamente su estructura, quizá incluyendo átomos de otro elemento que actúen a modo de cortafuegos, para crear artificialmente esa banda de energías prohibidas. El pentagrafeno de los investigadores chinos lleva esa banda incorporada, de forma que sería potencialmente más sencillo y más barato utilizarlo a modo de semiconductor.

Hernández sin embargo llama a la cautela. Él también se dedica a modelizar distintos procesos basados en el grafeno y sabe que las predicciones tienen un valor relativo mientras no se lleven a la práctica. "Existe mucho interés en todo lo que se refiere y se parece al grafeno, y esto es un ejercicio de cálculo perfecto. Pero hay muchas predicciones que nunca se cumplen. Cuando lo vea lo creeré".

Grafeno para pantallas flexibles para todo tipo de dispositivos como móviles, tabletas y televisores

Su uso como semiconductor aún está por perfeccionarse, pero el grafeno ya se ha revelado como un material muy apropiado para la fabricación de pantallas para todo tipo de diapositivos. También ha sido publicado en la revista Nature Materials un estudio, dirigido por el ya mencionado premio Nobel Konstantin Novoselov, que demuestra que es posible utilizar grafeno y otros materiales bidimensionales para crear dispositivos emisores de luz para una prósxima generación de dispositivos como móviles, tabletas y televisores.

Como resultado, estos serían mucho más delgados, flexibles y semitransparentes.

Al preparar las estructuras en un sustrato transparente y elástico, hemos demostrado que pueden ser la base de unos dispositivos electrónicos flexibles y semitransparentes

Su hallazgo ha consistido en insertar LEDs en el grafeno a nivel atómico combinando diferentes cristales, de forma que es el propio material de la pantalla el que emite luz, y lo hace desde toda su superficie. "Al preparar las estructuras en un sustrato transparente y elástico, hemos demostrado que pueden ser la base de unos dispositivos electrónicos flexibles y semitransparentes", explica Novoselov en el comunicado publicado por la Universidad de Manchester.

El objetivo ahora es que las posibles aplicaciones de estas nuevas estructuras aumenten a medida que aumente también su disponibilidad y la calidad de sus funciones

 

        

 

 

 

 

 

 

 


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