“Espero descubrir un material más interesante que el grafeno”

Entrevista con el Premio Nobel Konstantin Novosiólov sobre el presente y futuro del grafeno y sobre otros materiales bidimensionales

El grafeno apareció hace más de diez años y sus descubridores, Andre Geim y Konstantin Novosiólov, recibieron el Premio Nobel en 2010. Sin embargo, aunque este ya se usa en algunos dispositivos, por ahora no ha tenido un gran impacto en nuestra vida como muchos esperaban. ¿Cuáles son las razones y qué materiales bidimensionales nuevos han aparecido después del grafeno? N + 1, junto a colegas de Izvestia, Ria Novosti y Popular Mechanics conversó con el Premio Nobel Konstantin Novosiólov sobre estos temas en el marco de la 60ª Conferencia Científica del Instituto de Física y Tecnología de Moscú.

El grafeno en la vida diaria

N+1: Konstantin, el grafeno fue descubierto hace tiempo y usted dijo que ahora se puede comprar dispositivos en los que se usa. ¿Realmente hay tales dispositivos en la actualidad?

Tal tecnología realmente existe, pero entran en nuestra vida gradualmente. Creemos que el grafeno es un material único, pero repite más o menos el camino de todos los demás materiales, especialmente de los materiales de carbono. Sucedió lo mismo hace 50 años con fibras de carbono. Primero fueron usados ​​en implementos deportivos y en autos. Y el grafeno se aplicó por primera vez en materiales compuestos. Ahora, el grafeno se usa cada vez más como disipador de calor, abordando uno de los problemas más serios de la microelectrónica moderna. Por ejemplo, en las baterías, el grafeno se usa para disipar el calor y para mejorar las propiedades mecánicas.

Gradualmente, el grafeno comienza a usarse cada vez más en aplicaciones tecnológicas. Ahora usted puede comprar teléfonos o relojes con paneles táctiles de grafeno. Tengo varios. Yo mismo los compré en una tienda, nadie me los regaló. Una de nuestras empresas trabaja en el campo de la electrónica impresa. Nosotros imprimimos las etiquetas de identificación por radiofrecuencia (RFID, por sus siglas en inglés). Y la ex Nokia está tratando de desarrollar cámaras ópticas para el rango de infrarrojos basados en grafeno.

N+1: ¿Qué tan baratas son las tecnologías de grafeno actualmente?

Todo depende de la aplicación. Los paneles táctiles, probablemente, son más caros que los materiales basados en óxido de indio y estaño (ITO - indium tin oxide). Y las etiquetas RFID son muy baratas en comparación con las de cobre o aluminio.

Konstantin Novosiólov

Evgueny Pelevin / Servicio de prensa del Instituto de Física y Tecnología de Moscú

RIA: En la ciencia ficción se habla a menudo de armaduras de grafeno, velas solares de grafeno, construcciones. ¿Será posible realizar en el futuro construcciones de grafeno con un área de al menos un televisor?

Existen, ya los están haciendo.

RIA: ¿Y a gran escala?

También los hacen, probablemente. Pero una película del tamaño de un televisor es fácil de hacer.

RIA: ¿Incluso en condiciones industriales?

Sí, usted puede comprar una hoja de grafeno del tamaño de un metro cuadrado, no hay problema. Es una cuestión de mercado: ¿tiene demanda? Una de las compañías que trabaja con LG está tratando de utilizar el grafeno como una barrera contra la humedad. Ahora, con la ayuda de la tecnología, pueden obtener una cinta continua de grafeno de 20 cm de ancho. Con esta tecnología, la cinta simplemente se corta en la salida. Su próximo objetivo es hacer una cinta de medio metro de ancho.

RIA: Hace cinco años usted publicó uno de los primeros artículos dedicados a los transistores de grafeno. ¿Pudo crear un transistor de grafeno "limpio" sin agregar mezclas, o por ahora no es posible?

Existen transistores de grafeno, pero debido a que el grafeno no tiene una zona prohibida, no funcionan tan bien. Así que tratamos de descubrir cómo evitar este problema. Para esto hemos fabricado transistores heteroestructurales. Creo que la industria de los semiconductores está interesada en tales materiales, pero si estos serán utilizados o no, no lo sé, porque esta tecnología es muy diferente de la que se usa en los transistores tradicionales.

Por otro lado, publicamos nuestro artículo, y, literalmente, seis meses después Samsung publicó en la misma revista un artículo sobre un transistor muy similar. Pero era más simple que nuestro transistor de túnel. Nuestros dispositivos no van a funcionar sin grafeno, pero con grafeno sí funcionan, y se pueden hacer, pero la cuestión es si la tecnología está lista para usarlo.

PM: De todas las formas en que se ha usado el grafeno en estos años, ¿cuál, en su opinión, ha sido la más extraña (recientemente, por ejemplo, crearon un filtro para whisky de óxido de grafeno), y cuál es en el que usted ha pensado: rayos, es una pena que esto no lo hayamos hecho nosotros?

En general, el grafeno tiene muchos usos, pero no todas son interesantes aún. Por el momento, todos están tratando, simplemente, de reemplazar otro material con grafeno. El resultado es un poco mejor, pero solo eso. Sería mucho más interesante crear dispositivos nuevos usando todas las combinaciones de las propiedades únicas del grafeno. Hicimos, por ejemplo, lentes de contacto que pueden cambiar el enfoque. Para esto, necesitamos un material transparente, conductivo, flexible y duradero. Y precisamente esto es el grafeno, no hay otro material semejante. Por eso, tratamos de buscar aplicaciones del grafeno, que sin él, en principio, serían imposibles. Es muy fácil tomar el grafeno y ponerlo en lugar de otra cosa, pero no es tan fácil crear una nueva aplicación con él.

Izvestia: ¿Y esta tecnología con lentes ya se produce a nivel industrial o no?

No, aún no, hay que ocuparse de eso. Nosotros solo somos científicos: podemos demostrar que algo es posible. Y luego alguien debería desarrollar estas tecnologías. El desarrollo de la tecnología es tan difícil y tan largo como la investigación en laboratorio, si no más.

Izvestia:  Durante su discurso en la conferencia, usted habló sobre el uso del grafeno en la aviación militar y la creación de tecnologías sigilosas. ¿Tales tecnologías ya existen?

Los chinos están trabajando activamente en tales tecnologías. En China se encuentra el Instituto de Materiales Aeronáuticos de Pekín, que se ocupa de todos los materiales para la aviación china. Me comunico con ellos, pero no me cuentan todo. Ellos revisan nuestros materiales para la posibilidad de usarlo en tecnologías sigilosas, pero al mismo tiempo revisan sus materiales y no siempre nos dicen cuál es mejor. Tienen muy buenos desarrollos en las superaleaciones, que utilizan para las turbinas. En una parte de la turbina se colocan aleaciones de titanio, en la otra, superaleaciones. La adición de grafeno mejora en gran medida las características de tales aleaciones. En China hay rumores de que algunos aviones ya están volando con él. No lo sé. Pero es verdad que ya están empleando el grafeno, y las propiedades cambian para mejor. Nosotros hemos participado en pruebas.

Grafeno vs. nanotubos

PM: Seguramente conoce a la empresa OCSiAL en Novosibirsk (Rusia), que fabrica nanotubos de pared única en grandes cantidades. En su sitio web, ofrecen 100 gramos de nanotubos por unos 50 mil rublos. Es decir, ya han aprendido a producir bastante y barato.

No estoy seguro de que eso sea barato.

PM: Al menos, es un precio manejable. ¿Puede explicar a los lectores en qué se diferencia el grafeno de los nanotubos de carbono desde el punto de vista de su posible aplicación?

Un nanotubo es un grafeno enrollado en un tubo. Es un objeto unidimensional, y el grafeno es un objeto bidimensional. Dependiendo de la aplicación, será mejor que uses uno u otro. Por ejemplo, si se necesita hacer un transistor, entonces con la tecnología moderna primero debe obtener una superficie sólida, y de ahí cortar el transistor. Con los nanotubos esto es mucho más difícil.

Estructura de un nanotubo de carbono de pared simple
Wikimedia Commons

PM: ¿Es posible hacer las mismas etiquetas RFID no en grafeno, sino en nanotubos?

Creo que sería mucho más caro. Y no estoy seguro de que funcione igual de bien. Porque para estas etiquetas es muy importante obtener baja resistencia. Creo que con el uso de grafeno funciona mejor. Probablemente, es posible en principio, pero será más caro y no tan bueno.

PM: Existe un sueño en el que en un futuro se pueda obtener una pintura con la que pueda pintarse, por ejemplo, una casa y convertirla así en una batería solar.

Sí, estamos trabajando en proyectos de ese tipo.

PM: ¿Y qué impide, hasta el momento, crear algo así en la tecnología real?

En el laboratorio esto ya existe, pero del laboratorio a la tecnología real hay un largo camino. Hay cuestiones sobre el precio, la tecnología de su aplicación y eficiencia. Y para cada uno de estos problemas tecnológicos complejos, es necesario poner a 10 personas, para que ayuden a resolverlos en 2-3 años. Déjeme hacerle una pregunta. ¿Puede imaginar una computadora? Hay un microprocesador. Estos microprocesadores se fabrican de silicio en las fábricas. Imagine: una placa delgada entra en la fábrica, hay diferentes máquinas en las que se realizan diferentes operaciones. ¿Usted qué cree? ¿Cuánto tiempo tomará hacer un microprocesador de un placa vacía?

RIA: ¿Días? ¿Un mes?

Tres meses. De uno a tres meses. Esto es solo para hacer un microprocesador. Y esta tecnología aún necesita ser mejorada, y cada experimento toma tres meses. El desarrollo de la tecnología es un proceso muy complejo. Y la gente no entiende esto. Para las personas, la tecnología moderna es agregar un botón en Facebook. No puedo decir nada negativo sobre big data, pero de todos modos se debe comprender que esas tecnologías no nacen en un día. Son años de arduo trabajo.

PM: ¿Y usted está seguro de que esa pintura, si aparece, estará en mano del grafeno, y no en nanotubos, por ejemplo?

Por supuesto, aparecerán, pero en qué van a trabajar, no lo sé. Hoy dije que habíamos creado el Instituto de Grafeno, pero investigar en él solo grafeno no es lo ideal. Necesitamos ir más lejos. Por supuesto que espero inventar otro material, en mi vida, que sea más interesante que el grafeno. Pero, francamente, es poco probable que esto suceda. El grafeno es solo hexágonos de carbono, más simple imposible. Como regla, lo simple siempre funciona. Pero siempre hay esperanza. Por eso, no sé si, por ejemplo, habrá pinturas hechas de grafeno o de otra cosa. Aprendimos algo de este material y abrió el camino a muchos otros materiales bidimensionales. Y ahora nos enfocamos principalmente en otros materiales bidimensionales.

Materiales bidimensionales

PM: ¿Puede nombrar a los tres principales competidores del grafeno entre estos materiales bidimensionales?

Todos son diferentes, y no son competidores, se complementan entre sí. Por ejemplo, para una batería solar se necesita un material que absorba bien la luz solar. El grafeno no es así, es transparente. Por eso usamos materiales que absorben bien la luz del sol, por ejemplo, el disulfuro de molibdeno. Hablé sobre un material relativamente nuevo: el telururo de molibdeno, que queremos usar en fotónica de silicio. Tales trabajos ya existen, pero por ahora son solo experimentales. Tras ellos, la tecnología debería seguir creciendo, aunque siempre uno puede tropezar con sinsentidos. Por ejemplo, la temperatura se diferenciará de la temperatura deseada en 10 grados. Para obtener el material correcto, necesitamos 10 grados más y en producción 10 grados menos. Y no hay forma de cambiar esto.

Estructura de un cristal bidimensional de disulfuro de molibdeno
Wikimedia Commons

RIA: Por alguna razón, el disulfuro de molibdeno no ha sido bastante difundido en la prensa y no ha adquirido el estatus del grafeno. Aunque en muchos parámetros, lo supera.

Es que el grafeno, simplemente, es un material único. Es muy simple, y al mismo tiempo tiene un conjunto de propiedades únicas. Con el grafeno, usando un modelo muy simple, uno puede obtener un resultado muy bello. Pero cómo se usará ese resultado más adelante, no lo sé. Pero está demostrado de que en el grafeno se realiza una física muy simpática.

RIA: ¿Es decir que en disulfuro de molibdeno (la física) es menos simpática?

No, también hay experimentos muy hermosos allí, pero son un poco más complicados. Por ejemplo, recientemente hubo un experimento muy hermoso sobre el control del estado cuántico de un excitón. Allí, también, hay mucho que hacer. Pero esto es un poco más complicado y menos intuitivo, por lo que el público en general sabe muy poco sobre esto.

N+1: ¿Y es posible predecir, de alguna manera, qué material bidimensional presentará propiedades interesantes? ¿Y si estas propiedades están relacionadas con las propiedades de un cristal tridimensional?

A menudo están conectados, pero hay ciertas diferencias. Se puede intentar predecir las propiedades, pero la pregunta es cuán precisas serán estas predicciones. Ahora hay muchos proyectos (en inglés se llama "material genomics"), en los cuales las personas analizan los materiales con cálculos e intentan predecir sus propiedades. Actualmente existe una gran cantidad de materiales que se pueden obtener. Y es muy difícil investigarlos todos experimentalmente. Por eso nos esforzamos mucho en desarrollar una teoría.

N+1: Es decir, ¿no hay una conexión inequívoca entre las propiedades de un cristal tridimensional y una capa monoatómica?

Sí hay, y hasta cierto punto, las propiedades de los cristales bidimensionales pueden predecirse, pero no a un 100%.

Izvestia: ¿Y cómo se reduce el círculo de "sospechosos"? ¿Solo teóricamente? ¿Usted usa algún algoritmo?

Yo no me ocupo de esto, pero hay personas que lo hacen y leo sus artículos. Pienso: "Sería genial explorar, por ejemplo, ferromagnetos bidimensionales. Busquemos lo que existe ahora, y lo haremos". Es decir, los teóricos predicen, pero de sus predicciones elegimos lo que nos interesa. A veces inventamos nosotros mismos, y lo intentamos más o menos al azar.

PM: Mijaíl Katsnelson dijo que durante los 50 años de estudio teórico del grafeno, cuando el grafeno no existía, se obtuvo 10 veces menos conocimiento teórico que cinco años después de su existencia. Surge la pregunta, ¿por qué necesitamos físicos teóricos? Ellos predijeron que el grafeno no podía existir. ¿Cómo usted, por ejemplo, interactúa con teóricos?

La interacción de experimentadores y teóricos es muy importante. Hay proyectos liderados por teóricos, donde ellos nos sugieren los experimentos. Hay proyectos donde yo invento el experimento.

Casi todos nuestros proyectos se llevan a cabo en colaboración con teóricos. Algunos cálculos muy simples que yo mismo puedo hacer, por alguna razón tengo que comunicarme con teóricos, matemáticos. Por ejemplo, el problema de excitones en todos los nuevos materiales bidimensionales es bastante complicado. Para calcular todas las transiciones posibles, nos comunicamos con teóricos.

N+1:  ¿Y todos estos cristales bidimensionales son necesariamente capas monoatómicas? ¿O pueden ser una capa diatómica o triatómica? ¿En qué momento un material así pierde sus propiedades bidimensionales únicas, y el grafeno se convierte en grafito?

Esta es una pregunta constante. Una capa se comporta de manera bastante diferente a dos. Se nota mucho por la estructura electrónica. Y dos capas se comportan de manera diferente a tres. Además, tres capas se pueden componer de diferentes maneras. Se puede hacer esto, o se puede hacer lo otro. Y también se comportan de manera diferente. Dependiendo de la aplicación, a veces es necesario tener una capa, a veces dos, a veces tres, a veces cinco. Depende de la aplicación específica.

Pasteles multicapas

N+1: Usted estudia mucho estructuras heterogéneas de múltiples capas. ¿Gracias a qué tales estructuras son posibles? ¿Por qué una capa está vinculada a otra? ¿Solo se debe a las fuerzas de Van der Waals?

 Sí, es solo la fuerza de Van der Waals. Son bastante fuertes. Pero no infinitamente fuertes, por eso a veces vemos que, por ejemplo, las capas giran por sí mismas. Por un lado, esto no es muy bueno, porque estos giros a veces rompen los contactos u otra cosa. Y, por otro lado, podemos tratar de usarlo para fines útiles. Se puede imaginar este sistema como un nanomotor, al que podemos obligar a girar a micro y nanoescala. Y esto en sí mismo será interesante.

La estructura de un cristal heterogéneo compuesto de capas de diferente composición
K. S. Novosiólov et al. / Science, 2016

N+1: ¿Y tal interacción surgirá entre cualquier capa?

Necesitamos superficies atómicamente planas, y la fuerza de atracción depende de su composición química. Entre algunas capas la interacción es mejor, entre algunas es peor. Nosotros, en general, trabajamos con casos donde hay una fuerte interacción.

PM: ¿Y predecir las propiedades de un pastel de varias capas es una tarea difícil por ahora?

Sí, siempre es muy difícil entenderlo. Este sistema en sí es muy complicado. Como nos enseñaron los profesores fisico-tecnológicos, siempre necesitamos encontrar un pequeño parámetro y dejarlo a un lado. Nos corresponde determinar y describir este parámetro. Vemos si se puede producir un modelo correcto de comportamiento del sistema o no. Si no, debemos devolver el parámetro al modelo. Es un proceso complejo y reiterativo del estudio de los nuevos materiales. 

Alexánder Dubov

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