Grafeno: del Premio Nobel de Física 2010

El Premio Nobel de Física de 2010 fue otorgado a dos físicos del Reino Unido, Andre Geim y Konstantin Novoselov, por sus contribuciones a la investigación del grafeno. El premio de física de este año tiene varios lugares diferentes.

En primer lugar, este es el primer premio de física sobre carbono de la historia. Sabemos desde la escuela secundaria que el carbono tiene dos formas de cristal, una es diamante, que se usa en las joyas más caras, y la otra es grafito, que se usa en el lápiz más común. También sabemos que el diamante es el material natural más duro. El grafito es muy "frágil". La estructura cristalina del grafito está estratificada. Los átomos de carbono de cada capa forman una estructura hexagonal sólida y el enlace entre las capas es mucho más débil. Por lo tanto, el grafito se divide fácilmente en la dirección de la capa. Entre las sustancias comunes que tenemos, se puede decir que la "doble cara" del carbono es única.

Pero la historia solo ha comenzado. En 1985, se descubrió que el carbono tiene otras formas: 60 átomos de carbono (C60) pueden formar una pelota, como se muestra en la Figura 1. El modelo estructural del C60 es similar a una pelota de fútbol, por lo que también se le llama fútbol. El descubrimiento del C60 ganó el Premio Nobel de Química en 1996. Más tarde, la gente descubrió los llamados "nanotubos de carbono", una estructura tubular compuesta de átomos de carbono, que tiene aproximadamente 1 nanómetro de diámetro, pero puede tener varios centímetros de largo. El grafeno galardonado es una película de una sola capa de átomos de carbono, que es una capa de grafito. Aunque el carbono es el elemento más familiar y el componente principal de nuestro cuerpo, y objeto de la física durante muchos años, el trabajo sobre la estructura del carbono es la primera vez que se gana el Premio Nobel de Física.

Los premios de física 2010 fueron el primer trabajo premiado realizado en el siglo XXI (2004). Uno de los ganadores, Noosalov, fue el ganador de física más joven desde 1973. Por lo general, el Premio Nobel de Ciencia es un poco "arqueológico" por naturaleza, y sólo un puñado de trabajos pronto ganarán premios. La importancia del grafeno ha sido ampliamente reconocida desde sus inicios. Tome la revista más autorizada en física, PhysicalReviewLetters. Antes del trabajo de premiación de Gamm y otros, solo había 21 artículos sobre grafeno. Cuando se anunció el Premio Nobel en octubre de 2010, había 1.476 artículos en el artículo. Incluso antes de que se anunciara el Premio Nobel, la tasa de citas de los artículos de Noosholov ya se encontraba entre las mejores del mundo físico. Puede verse que este trabajo ha creado un nuevo campo y rápidamente ha ganado un alto grado de atención. Por tanto, este trabajo de grafeno está nominado al "ojo verde", hay que decir que es bien merecido.

El grafeno "famoso" no es de ninguna manera accidental, sino porque de hecho es un material muy mágico. En teoría, los sistemas electrónicos bidimensionales tienen muchas propiedades únicas, y la investigación del efecto Hall cuántico ha ganado dos premios Nobel. Durante muchos años, la gente ha estado buscando una plataforma experimental adecuada para sistemas electrónicos bidimensionales. El grafeno es el primer sistema bidimensional verdadero. Su red cristalina es muy regular, por lo que es un buen material experimental y puede mostrar muchos fenómenos cuánticos interesantes incluso a temperatura normal. El desarrollo del desarrollo de la investigación del grafeno también nos permite obtener otros materiales de celosía bidimensional.

Más importante aún, la masa equivalente de electrones en el grafeno es cero debido a su estructura de bandas única. Esto significa que estos electrones (estrictamente hablando, portadores equivalentes) siguen la ley de la relatividad como los fotones, aunque su velocidad de movimiento es solo unas pocas centésimas de la velocidad de la luz. Por ejemplo, tienen parámetros físicos como "polarización". Por tanto, el grafeno sigue siendo una plataforma para observar y verificar el relativismo cuántico.

Desde el punto de vista de la aplicación, el grafeno es un material electrónico muy atractivo. Dado que solo tiene una capa de átomos, su densidad electrónica y conductividad se controlan fácilmente mediante la aplicación de voltaje. Y su red cristalina es casi perfecta, por lo que los electrones se mueven muy rápido. En la actualidad, el triodo hecho de grafeno ha alcanzado una frecuencia de un billón de Hz, que es varios cientos de veces más alta que la frecuencia de reloj de las computadoras ordinarias actuales. Esta frecuencia se ha conectado al infrarrojo lejano, eliminando la brecha entre la frecuencia electrónica y la frecuencia óptica. El grafeno también tiene propiedades ópticas únicas que pueden aportar nuevas opciones tecnológicas a pantallas y células solares.

Todos conocemos la "Ley de Moore" y predecimos que el tamaño de los dispositivos semiconductores será cada vez más pequeño. Sin embargo, cuando el tamaño del dispositivo es tan pequeño como varios cientos y varias decenas de átomos, el material no es el cristal original y sus propiedades electrónicas ya no son las mismas. Por lo tanto, la gente suele predecir que la Ley de Moore se enfrentará al final. Sin embargo, la estructura atómica del grafeno es muy estable y permanece estable incluso con un solo hexágono. Por lo tanto, el grafeno tiene el potencial de producir verdaderos nanocomponentes, incluso triodos de un solo electrón. Reducir el tamaño de los componentes significa que se pueden fabricar más componentes en el mismo tamaño de chip, lo que aumenta la complejidad del chip y reduce los costos. Más importante aún, reducir el tamaño de los componentes también aumenta la velocidad y el consumo de energía, por lo tanto, es probable que el grafeno juegue un papel importante en los productos electrónicos futuros.

Químicamente, el grafeno ultrafino tiene una superficie inigualable y, por tanto, es muy reactivo. Puede reemplazar algunas de las aplicaciones actuales del grafito para proporcionar un rendimiento superior. También espera desempeñar un papel en el futuro de la tecnología energética como material para almacenar hidrógeno. La resistencia mecánica y la tenacidad del grafeno también son sorprendentes y mucho más fuertes que el acero. Por lo tanto, los materiales compuestos fabricados con él también son prometedores.

Además de la importancia del trabajo de investigación, los Premios de Física 2010 fueron los primeros en entregarse a un ganador del “IgNobelPrize”. Resulta que Gamma Laboratories tiene una tradición de "Friday Evening Project", que consiste en utilizar una décima parte del tiempo para hacer algo que es interesante pero no necesariamente fructífero, o que no es necesariamente importante. Una vez suspendió la rana en un fuerte campo magnético para demostrar el efecto diamagnético. Este divertido experimento no solo le valió el Premio Nobel de 2000, sino que también se utilizó como presentación en el aula. ¡El trabajo del grafeno no es solo de la misma persona, sino también del formulario de investigación "Friday Evening Project"!

En otras palabras, la invención del grafeno también es muy accidental. Quizás por capricho, le pidieron a un estudiante de posgrado que intentara separar mecánicamente la película atómica de una sola capa del grafito, y el resultado fracasó. Da la casualidad de que algunas personas del grupo saben cómo limpiar la superficie de grafito con cinta: la cinta puede pegar una fina capa de material sobre el grafito. Entonces pensaron, si separa repetidamente esta capa de material con cinta, ¿no puede volverse más y más delgada, y finalmente obtener solo una capa de átomos? Por supuesto, esta es una operación aleatoria, y el resultado debe ser una pila de fragmentos de espesor variable, mientras que se oculta una sola capa de grafeno.

Sin embargo, la pregunta es: ¿Cómo encontrar el producto de esta capa única? A tales escalas, la única forma de medir el espesor es la microscopía de fuerza atómica (AFM). Este microscopio escanea la superficie de la muestra con una sonda con una punta de escala atómica mientras mantiene una pequeña distancia constante de la muestra. Este movimiento de la sonda representa la curva de espesor del material. Pero debido al escaneo mecánico de precisión, este método de imagen es lento y tiene un campo de visión pequeño. Es incompetente buscar grafeno en un estilo de "pajar". Esto requiere otras técnicas microscópicas para combinar. Primero, usan un microscopio óptico. Los fragmentos de grafito muy delgados son transparentes y no son visibles en condiciones normales. Sin embargo, cuando los fragmentos se colocan sobre un sustrato de oblea de silicio recubierto con una capa de dióxido de silicio, esas películas afectan la interferencia de la luz y cambian el color de la imagen. Entonces estas películas se pueden observar con un microscopio óptico. Por supuesto, con este método solo se pueden observar películas más gruesas, muy delgadas, y solo una o varias capas de átomos siguen siendo invisibles. Esto requiere otro microscopio: un microscopio electrónico de barrido (SEM). Este tipo de microscopio electrónico puede ver películas de varios espesores, pero no puede medir con precisión el espesor de la película. Las imágenes de los dos microscopios se confirman mutuamente. Todo lo que no se puede ver con el microscopio óptico y se puede ver con el microscopio electrónico es una película muy fina. Al observar estas áreas con un microscopio de fuerza atómica, se puede encontrar una sola capa de grafeno. Se puede observar que este proceso de búsqueda requiere "operaciones conjuntas" de tres microscopios. Y esta sala de investigación tiene exactamente las condiciones para esta operación conjunta. Afortunadamente, fue solo después que el sustrato de silicio que utilizaron pasó a tener un espesor adecuado de dióxido de silicio. Si el grosor cambia un poco, no verá esos fragmentos de grafito.

Pero para ganar el Premio Nobel, la suerte por sí sola no es suficiente. Se ha hecho grafeno y no es fácil atraer el interés de la comunidad científica, porque este no es un tema candente. Efectivamente, su artículo original fue rechazado dos veces por Nature. Pero los autores no se rindieron. En poco más de un año, publicaron una serie de interesantes resultados experimentales que demuestran que el grafeno es un campo de investigación muy prometedor. Esto ha atraído a miles de físicos a dejar la tarea en cuestión para estudiar el grafeno, lo que ha provocado un rápido crecimiento en este campo.

A menudo decimos que el éxito requiere "tiempo, lugar y armonía". Para el descubrimiento del grafeno, la "hora del día" es muy desfavorable. Aunque la gente ha predicho teóricamente la existencia y varias propiedades del grafeno, nadie ha logrado crear grafeno. Incluso hay predicciones de la teoría termodinámica de que la estructura cristalina bidimensional es inestable. Entonces, solo unos pocos grupos de investigación en el mundo estaban prestando atención a este tema. Si el equipo de Gem solicita financiación para la investigación del grafeno, es casi seguro que será rechazado. Y su éxito proviene de "la ubicación": sus laboratorios tienen el equipo y la tecnología para fabricar y probar. Más importante aún, "armonía humana": ¡sus investigadores tienen una mente abierta y un entusiasmo persistente! Este ejemplo también demuestra que una buena investigación no requiere necesariamente grandes sumas de dinero y un gran equipo. El patrón de "sauces involuntarios" no está desactualizado ni siquiera en las ciencias físicas maduras. En el mundo empresarial, existe un modelo de I + D 80-20 que permite a los empleados dedicar el 20% de su tiempo a cualquier proyecto de su propio interés. El ejemplo más famoso de éxito es Google. La tradición de “Friday Night” de Gamma Laboratories es similar.

Por lo tanto, el Premio Nobel de Física de 2010 no solo reconoció un logro de investigación científica significativo, sino que también reconoció un método de investigación científica único. Creo que este premio dejará una huella única en la historia de Nobel.

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