Academia Mexicana de Ciencias
Boletín AMC/152/19
Ciudad de México, 15 de agosto de 2019

• Estudia deformaciones mecánicas que dependen del tiempo y promueve el desarrollo de nuevas áreas de ciencia en el país.

Ilustración de moléculas de grafeno. Foto: Shutterstock.

El descubrimiento del grafeno fue un parteaguas en el mundo de la física pues fue el primer material bidimensional sintetizado. Además de su bidimensionalidad, se encontró que dicho material posee excelentes propiedades electrónicas, mecánicas y térmicas. Todo lo anterior lo volvía el reemplazo ideal del silicón en la microelectrónica, pues dado su tamaño (sólo un átomo de espesor) se pensó que se podría reducir aún más el tamaño de los circuitos electrónicos.

De acuerdo con Pedro Eduardo Román Taboada, uno de los cinco ganadores de los Premios Weizmann 2018, entre las propiedades que vuelven al grafeno un material tan atractivo para aplicaciones tecnológicas destacan: sus propiedades mecánicas, térmicas y electrónicas. Hay que agregar que además el grafeno puede producirse a gran escala. Es importante mencionar que a partir del descubrimiento del grafeno toda una nueva gama de materiales bidimensionales fueron descubiertos.

“Sin embargo, la aplicación del grafeno a la microelectrónica actual no pudo implementarse directamente. Esto debido a que el grafeno es un semimetal, es decir, el grafeno no cuenta con una brecha energética en su estructura de bandas, mientras que todos los microcircuitos se basan en semiconductores (materiales con brechas en su estructura de bandas) como el silicio”, destacó.

Afortunadamente, el grafeno puede volverse un semiconductor de muchas maneras, como lo demuestra la vasta literatura en este tema. Román Taboada señaló que entre toda la gama de técnicas usadas para convertir al grafeno en semiconductor él se inclinó por estudiar las deformaciones mecánicas, pues las propiedades elásticas del grafeno son muy buenas.

La tesis

En el 2014, año en el que inició sus estudios de doctorado, había un debate acerca de la forma apropiada de describir al grafeno deformado de manera no uniforme. De ahí la importancia de buscar modelos simples de deformación que permitieran clarificar el panorama. Esa fue la motivación del trabajo.

“Se puede decir que mi tesis busca encontrar si es posible o no inducir deformaciones mecánicas no uniformes que no destruyan al grafeno y que logren llevarlo a un estado semiconductor, además de encontrar modelos sencillos que puedan ser comparados con modelos más complicados para corroborar su validez”, explicó.

Su trabajo se enfocó en encontrar qué tipo de deformaciones volvían al grafeno un semiconductor y bajo qué circunstancias podían describirse de manera analítica. “Básicamente tratamos de responder cómo es que se modifican las propiedades físicas del grafeno cuando es estirado o corrugado de manera periódica.” Entre los principales resultados, destacó, “encontramos que es posible llevar al grafeno a un estado semiconductor por medio de deformaciones mecánicas periódicas (que tienen la forma de un coseno). Dado que nos enfocamos en estudiar nanocintas de grafeno, encontramos que el tipo de terminación de la nanocinta juega un papel muy importante en las propiedades de grafeno deformado, pues resulta más fácil volver al grafeno un semiconductor si se consideran nanocintas con terminación armchair en lugar de nanocintas con terminación zigzag.”

Adicionalmente, mencionó que para continuar con el estudio del grafeno deformado decidieron (él y el equipo de trabajo) estudiar deformaciones mecánicas que dependieran del tiempo. Al hacer esto pudieron incursionar en el tema de los aislantes topológicos (los cuales son nuevos materiales que conducen electricidad en sus bordes, pero no en su interior). “La última parte de mi tesis se dedica al estudio de deformaciones mecánicas dependientes del tiempo. Resumiendo, encontramos que el grafeno deformado de esta manera puede volverse un aislante topológico bajo ciertas circunstancias”.

Los hallazgos

Pedro Eduardo Román Taboada, ganador del Premio Weizmann 2018, en la categoría de ciencias exactas. Foto: Cortesía del investigador.

Entre los principales resultados, señaló, tenemos que para ciertos tipos de deformaciones estáticas no uniformes el espectro de energía del grafeno adquiere una naturaleza fractal (un fractal es una estructura que repite su forma cuando uno toma una parte más pequeña de ella, como el brócoli, si uno ve un pedazo de brócoli y le arranca una rama se notará que es la rama es idéntica o muy parecida al brócoli más grande). Por este motivo el enfoque usual para el estudio del grafeno no puede ser aplicado.

Además, se encontró que es posible volver semiconductoras a las nanocintas de grafeno con terminación armchair usando ciertos tipos de deformaciones mecánicas (periódicas y no uniformes) sin destruir al grafeno. Por otro lado, al usar deformaciones mecánicas dependientes del tiempo, se encontró que el grafeno puede comportarse como un aislante topológico.

“El resultado más importante, para deformaciones estáticas, quizá sea el hecho de que es posible abrir una brecha energética en la estructura de bandas de una nanocinta de grafeno con terminación zigzag y armchair”, dijo.

Explicó que abrir una brecha energética es más fácil en el caso de una nanocinta de grafeno con terminación armchair por medio de la aplicación de un campo de deformación a lo largo de la dirección perpendicular a la dirección armchair de dicha nanocinta que haciendo lo mismo, pero usando una nanocinta con terminación zigzag. Mientras que para el caso de deformaciones dependientes del tiempo el resultado más importante es el hecho de que el grafeno puede volverse un aislante topológico.

Agregó que los resultados anteriores son importantes porque los casos estudiados en la tesis pueden ser resueltos analíticamente y, por tal motivo, pueden usarse para corroborar modelos más complicados de grafeno deformado. Por otro lado, al estudiar el caso en el que el grafeno se vuelve un aislante topológico, se incursionó en un tema novedoso y que ha sido poco estudiado en México. De tal suerte, se está promoviendo el desarrollo de nuevas áreas de ciencia en el país.

Elizabeth Ruiz Jaimes.