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El grafeno se enfrenta a los límites del mundo real

Hola de nuevo. Yo soy Simón Sánchez y en esta ocasión hablaremos sobre El grafeno se enfrenta a los límites del mundo real

El grafeno es una capa de carbono de un átomo de espesor que ha sido aclamada como un reemplazo potencial del silicio capaz de extender los avances exponenciales en computación de los que depende la sociedad moderna. A pesar de que el perfil del material es fuerte, flexible, liviano y un buen conductor, todavía hay una serie de desafíos que deben abordarse antes de que sea adecuado para su uso en microprocesadores y otros dispositivos electrónicos.

Investigadores de todo el mundo están presionando mucho para mejorar el estado de este maravilloso material potencial. Esta semana, dos equipos de científicos, uno de la Universidad de Texas en Austin y el otro, un equipo combinado de la Universidad Rice y el Instituto de Tecnología de Georgia, publicaron varios resultados relacionados con el grafeno. El primero arroja luz sobre un desafío espinoso particular con respecto a cómo se usa el grafeno en dispositivos del mundo real, y el segundo se refiere a la naturaleza frágil de las láminas de grafeno, que se ha encontrado que son tan fuertes como su eslabón más débil. El modelado computacional fue una parte integral de ambos proyectos.

El equipo de la Universidad de Texas en Austin, dirigido por Li Shi, profesor de ingeniería mecánica, junto con el asistente de investigación graduado Mir Mohammad Sadeghi y el becario postdoctoral Insun Jo, han creado un experimento para estudiar la conductividad térmica cuando Se ha aumentado el grosor del grafeno sobre un sustrato. La conductividad térmica es una propiedad crítica a medida que los componentes electrónicos alcanzan la nanoescala. Permite que el calor se distribuya de forma que se eviten los puntos calientes. Cuando el grafeno está en su estado ideal, es decir, suspendido libremente en el vacío, tiene una excelente conductividad térmica. Desafortunadamente, las condiciones del mundo real no son tan ideales.

Como Li Shi explica: «Cuando se fabrican dispositivos que utilizan grafeno, es necesario soportar el grafeno sobre un sustrato y hacerlo suprime eficazmente la alta conductividad térmica del grafeno».

El equipo observó que la conductividad térmica aumentaba a medida que el número de capas de una sola capa de un átomo aumentaba a 34 capas, pero no hasta el punto en que era tan alto como el llamado grafito a granel, que es un excelente conductor de calor. .

Los hallazgos, que aparecen en la edición de septiembre de 2013 de las Actas de la Academia Nacional de Ciencias, llevaron al equipo a explorar nuevas formas de apoyar o conectar el grafeno con el mundo macroscópico. Entre las técnicas que están considerando se encuentran estructuras de espuma tridimensional interconectadas de grafeno y grafito ultradelgado, así como nitruro de boro hexagonal, que tiene una estructura cristalina muy similar al grafeno. Germanane es otro material que promete ser utilizado en dispositivos de conversión de energía electrónicos o termoeléctricos.

Los cálculos teóricos detrás de gran parte de este trabajo se realizaron en la supercomputadora Stampede a 10 petaflops (pico). El sistema financiado por NSF, uno de los más poderosos del mundo, se encuentra en el Centro de Computación Avanzada de Texas (TACC) de la Universidad de Texas en Austin.

“Para comprender verdaderamente la física, es necesario incluir cálculos teóricos adicionales. Es por eso que usamos supercomputadoras en TACC «, dijo Shi.» Cuando haces un experimento, ves una tendencia, pero sin hacer los cálculos no sabes realmente lo que significa. La combinación de los dos es muy poderosa. Si haces uno sin hacer los de lo contrario, es posible que no desarrolle la comprensión necesaria «.

En un separado ella estudia, los investigadores Jun Lou de Rice y Ting Zhu de Georgia Tech también examinan las limitaciones del grafeno en entornos del mundo real. Se sabe que los enlaces entre los átomos de carbono son los más fuertes de la naturaleza, y se deduce que una hoja de grafeno perfecta compartiría esta propiedad, pero en aplicaciones del mundo real, las hojas de grafeno no cumplen con su promesa teórica. En un primer experimento de este tipo, los dos investigadores midieron la resistencia a la fractura del grafeno que se vio empañada por pequeñas imperfecciones para simular las condiciones del mundo real y encontraron que era «sustancialmente menor» que la fuerza intrínseca del grafeno.

«Todo el mundo piensa que el enlace carbono-carbono es el enlace más fuerte de la naturaleza, por lo que el material tiene que ser muy bueno», dijo Lou. “Pero eso ya no es cierto, una vez que tienes esos defectos. Cuanto más grande sea la hoja, mayor será la probabilidad de defectos. Esto es bien conocido en la comunidad alfarera «.

El equipo de Rice realizó los experimentos y el equipo de Georgia Tech realizó simulaciones por computadora de todo el proceso de fractura. El modelado estuvo estrechamente relacionado con los experimentos, dijo Zhu.

Dado que la mayoría del grafeno tiene defectos, es probable que su fuerza efectiva sea significativamente menor que la fuerza intrínseca de una hoja perfecta de material de carbono del grosor de un átomo. Los hallazgos proporcionan una comprensión más profunda de cómo los defectos afectarán el manejo, procesamiento y fabricación de materiales, dijo Lou. También demuestra la importancia de producir láminas de grafeno hechas con estándares rigurosos, lo más libre de errores posible.

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