La simulació quàntica mostra el límit de la mobilitat en un paisatge desordenat de baixa dimensió

Una recent investigació sobre transport electrònic en materials de baixa dimensió (2D o 1D), com el grafè o els nanotubs de carboni, reflecteix el gran potencial d'aquests materials per revelar una comprensió més profunda de les lleis que governen el comportament emergent, a vegades sorprenent, dels electrons. Els científics han investigat materials nous com aquests, per descobrir la física de la superconductivitat topològica i els aïllants topològics. Però un dels majors reptes als quals s'enfronten els investigadors en l'estudi de materials reals és la presència d'impureses no controlades que influeixen en el transport electrònic.

Una manera d'evitar aquest problema, és estudiar els mateixos tipus de fenòmens físics en materials artificials que no tenen imperfeccions naturals. En les últimes dècades, els investigadors han utilitzat àtoms neutres que es mouen en cristalls prístins formats per llum làser per fer simulacions quàntiques per observar efectes físics que serien difícils de veure en materials electrònics reals.
Ara, els científics de la Universitat d'Illinois a Urbana-Champaign, que utilitzen una innovadora tècnica de simulació quàntica, han fet una de les primeres observacions d'un límit de mobilitat en un sistema de baixa dimensió. El professor de física, Bryce Gadway i l'estudiant de postgrau Fangzhao Alex An, van poder combinar un material virtual desordenat, en aquest cas un parell de cadenes 1D acoblades amb camps magnètics artificials per explorar aquest fenomen.
El camp magnètic artificial que s'ha dissenyat, fa que els àtoms neutres de l'experiment es comportin com electrons en camps magnètics extremadament grans, equivalents a aplicar centenars d'imants a nivell de Tesla. Es va poder variar la força del camp magnètic artificial sintonitzant les propietats dels àtoms i modificant fortament el límit de la mobilitat observada.

Llavors, què és exactament un límit de mobilitat? Es tracta d'una transició aïllant-a-conductor que depèn de l'energia que es produeix en sistemes desordenats: un règim de transport metàl·lic que sorgeix d'un aïllant especial, anomenat aïllant d'Anderson. Només dos grups han observat un avantatge de mobilitat en les 3-D. Aquest fenomen és induït per un desordre i, d'acord amb les lleis de la física de localització, un límit de mobilitat, i molt menys qualsevol tipus de comportament metàl·lic, no s'hauria de produir en materials 2D o 1D.
Aquesta observació és veritablement ressenyable: aquest tipus de comportament no s'hauria de produir en sistemes de dimensió inferior amb trastorn aleatori. Hi ha una subtilesa per adonar-se en una o dues dimensions que es basa en una mena de trastorn pseudoaleatori. Les correlacions en el trastorn dissenyat, poden permetre la transició d'un aïllant metàl·lic.

El tipus de trastorn correlacionat utilitzat té algunes propietats molt divertides. En particular, hi ha un subtil argument matemàtic que mostra que la transició d'aïllant-metàl·lic que permet és totalment independent de l'energia. Per permetre que sorgeixi un límit de mobilitat, l'ingredient addicional va ser gràcies a la creació de grans camps magnètics.
En aquesta investigació, els científics també van mostrar evidències d'un tipus d'avantguarda encara més intrigant que es va produir en absència dels camps magnètics artificials. Aquest segon tipus de límit de mobilitat es va produir a causa de les interaccions atòmic-àtom, el que va fer que els estats d'energia més alta es comportessin més fortament com un metall i els estats d'energia més baixa per comportar-se amb més força, com un aïllant.

Font: Universitat d'Illinois a Urbana-Champaign

El grafè podria ser clau per controlar l'evaporació d'aigua

Els recobriments de grafè poden oferir la capacitat de controlar el procés d'evaporació d'aigua de diverses superfícies, segons una nova investigació. L'estudi, realitzat per un equip de l'Acadèmia Xinesa de Ciències i el Centre d'Innovació Col·laborativa de Quantum Matter (Beijing, Xina), va analitzar les interaccions de molècules d'aigua amb diverses superfícies cobertes de grafè.

L'evaporació de gotes d'aigua és un fenomen omnipresent i complicat, i té un paper fonamental en la natura i la indústria. Comprenent el seu mecanisme a escala atòmica, i controlant la taxa d'evaporació racionalment, serà important per a aplicacions que inclouen la transferència de calor i el control de la temperatura corporal, però continua sent un repte important.
Els experiments, van mostrar que un recobriment de grafè controla l'evaporació de l'aigua reduint la velocitat d'evaporació en superfícies hidrofíliques i accelerant l'evaporació en les hidròfobes.

Encara és més important la troballa que el grafè és transparent per a l'evaporació. Quan una superfície hidrofílica està recoberta amb grafè, la línia de contacte de la goteta d'aigua es redueix dramàticament o s'allunya, a causa de l'ajustament en els angles humits, que provoca canvis en la velocitat d'evaporació.
Els investigadors volien comprendre la transparència en l'evaporació provocada pel grafè i descobrir la seva estructura subjacent a l'escala atòmica. Per això, es van realitzar simulacions de dinàmica molecular sobre evaporació de gotes d'aigua sobre superfícies amb o sense revestiment de grafè.
Per primera vegada, van identificar el mecanisme a escala atòmica per a esdeveniments d'evaporació induïts per substrat. Es va trobar que la molècula d'aigua forma un estat precursor a la línia de contacte abans que s'evapori.

Una altra anàlisi va mostrar que la densitat d'aigua en els estats de transició d'evaporació és més gran a la línia de contacte i, a continuació, disminueix exponencialment a mesura que s'allunya del substrat. La desorció d'aigua única a la línia de contacte domina el procés d'evaporació de les gotes. No alterar l'energia d'unió d'una única molècula d'aigua, té efectes insignificants sobre l'evaporació de la línia de contacte.
Els resultats són un descobriment important sobre l'evaporació mitjançant el grafè i també apunten a noves maneres de controlar racionalment el procés d'evaporació, per aplicacions realistes en transferència de calor.
Usant experiments complementats amb simulacions de dinàmica molecular, s'ha proporcionat una visió fascinant dels mecanismes moleculars que governen l'evaporació de gotes d'aigua en substrats recoberts amb grafè tecnològicament rellevants.
Les investigacions demostren que la humectabilitat és l'únic responsable dels canvis en la velocitat d'evaporació i, simultàniament, obren diversos temes interessants per a futures investigacions, com la incorporació d'efectes moleculars (per exemple, nanofilms precursors i fluctuacions tèrmiques) en el modelatge macroscòpic.

Font: Institut de Física

Àtoms individuals d'impureses detectables en el grafè

Un equip que inclou físics de la Universitat de Basilea ha aconseguit utilitzar un microscopi de força atòmica per obtenir imatges clares d'àtoms d'impureses individuals en cintes de grafè. Gràcies a les forces mesurades a la xarxa de carboni bidimensional del grafé, es va poder identificar el bor i el nitrogen per primera vegada, tal com informen els investigadors a la revista Science Advancements.

El grafè està format per una capa bidimensional d'àtoms de carboni disposats en una xarxa hexagonal. Els forts enllaços entre els àtoms de carboni fan que el grafè sigui extremadament estable i flexible. També és un excel·lent conductor elèctric a través del qual l'electricitat pot fluir gairebé sense pèrdua.
Les propietats distintives del grafè es poden ampliar encara més incorporant àtoms d'impureses en un procés conegut com a dopatge. Els àtoms d'impuresa produeixen canvis locals de la conducció que, per exemple, permeten que el grafè s'utilitzi com un petit transistor i permeti la construcció de circuits.

En una col·laboració entre científics de la Universitat de Basilea i l'Institut Nacional de Ciència de Materials de Tsukuba al Japó, la Universitat de Kanazawa i la Universitat Kwansei Gakuin també al Japó i la Universitat d'Aalto, a Finlàndia, els investigadors van crear i examinar específicament cintes de grafè que contenen àtoms d'impuresa.
Van reemplaçar determinats àtoms de carboni en la xarxa hexagonal amb àtoms de bor i àtoms de nitrogen utilitzant química superficial, col·locant compostos orgànics precursors adequats sobre una superfície d'or. Sota l'exposició a la calor fins a 400 °C, petites cintes de grafè formades sobre la superfície d'or dels precursors, inclosos els àtoms d'impuresa en llocs específics.

Científics de l'equip dirigit pel professor Ernst Meyer de l'Institut Suís de Nanociència i el Departament de Física de la Universitat de Basilea van examinar aquestes cintes de grafè usant microscòpia de força atòmica (AFM). Van utilitzar una punta funcionalitzada amb monòxid de carboni i van mesurar les diminutes forces que actuen entre la punta i els àtoms individuals.
Aquest mètode permet, fins i tot, detectar les minúscules diferències de forces. Observant-les, els investigadors van poder localitzar i identificar els diferents àtoms. Les forces mesurades per als àtoms de nitrogen són més grans que per a un àtom de carboni. S'han mesurat les forces més petites per als àtoms de bor de manera que les diferents forces es poden explicar per la diferent proporció de forces repulsives, que es deuen als diferents radis atòmics.

Les simulacions per ordinador van confirmar les lectures, demostrant que la tecnologia AFM és adequada per realitzar anàlisis químiques d'àtoms amb impureses en els prometedors compostos de carboni bidimensionals.

Font: Universitat de Basilea

Com optimitzar amb nanomaterials els càtodes de piles de combustible

Els nanotubs de carboni dopats amb nitrogen o els nanoribbons de grafè modificat poden ser substitucions adequades al platí per a una reducció ràpida de l'oxigen, la reacció clau en les piles de combustible que transformen l'energia química en electricitat, segons investigadors de la Universitat de Rice.

Les troballes són de simulacions per computadora dels científics de la Universitat de Rice que es van proposar com es poden millorar els nanomaterials de carboni per als càtodes de piles de combustible. El seu estudi revela els mecanismes a nivell d'àtom mitjançant els quals els nanomaterials dopats catalitzen reaccions de reducció d'oxigen (ORR).

La investigació apareix a la revista Royal Society of Chemistry Nanoscale
El físic teòric Boris Yakobson i els seus col·legues de la Universitat de Rice, estan entre molts altres, a la recerca d'una forma d'accelerar l'ORR de les piles de combustible, que es van descobrir al segle XIX, però que no es van utilitzar fins a la darrera part del XX. Des de llavors han alimentat els modes de transport que van des d'automòbils i autobusos fins a naus espacials.
Els investigadors de Rice, incloent l'autor principal i l'antic associat postdoctoral Xiaolong Zou i l'estudiant de postgrau Luqing Wang, van utilitzar simulacions informàtiques per descobrir per què els nanoribbons de grafè i els nanotubs de carboni modificats amb nitrogen i / o bor, llargament estudiats com a substitut del caríssim platí, són tan lents i com es poden millorar.

El dopatge o modificació química, els nanotubs conductors o els nanoribbons canvien les seves característiques d'unió química. Poden ser utilitzats com a càtodes en piles de combustible de membrana d'intercanvi de protons. En una pila de combustible senzilla, els ànodes extreuen combustible d'hidrogen i el separen en protons i electrons. Mentre els electrons negatius es despleguen com a corrent utilitzable, els protons positius es dibuixen cap al càtode, on es recombinen amb els electrons i l'oxigen per produir aigua.
Els models van mostrar que els nanotubs de carboni més prims amb una concentració relativament alta de nitrogen funcionarien millor, ja que els àtoms d'oxigen es connecten fàcilment amb l'àtom de carboni més proper al nitrogen. Els nanotubs tenen un avantatge sobre els nanoribbons a causa de la seva curvatura, que distorsiona els enllaços químics al voltant de la seva circumferència i condueix a una unió més fàcil, segons van trobar els investigadors.

No és complicat fer un catalitzador que no sigui massa fort ni massa feble ja que es vincula amb l'oxigen. La corba del nanotub modifica l'energia vinculant dels nanotubs, segons els investigadors, que van determinar que els nanotubs ultratils amb un radi entre 7 i 10 angstroms serien ideals. (Un angstrom és una deu mil milions d'un metre, per a la comparació, un àtom típic té aproximadament 1 angstrom de diàmetre).

També van demostrar que els nanoribbons de grafè co-dopat amb nitrogen i el boró, milloren les capacitats d'absorció d'oxigen de les cintes amb vores en zig-zag. En aquest cas, l'oxigen troba una oportunitat de doble enllaç. En primer lloc, s'adhereixen directament als llocs dopats amb càrrega positiva. En segon lloc, estan dibuixats per àtoms de carboni amb càrrega d'espín elevada, que interactúa amb els orbitals electrònics polaritzats per spins d'oxigen. Tot i que l'efecte spin millora l'adsorció, l'energia d'enquadernació continua sent feble, a més d'aconseguir un equilibri que permeti un bon rendiment catalític.
Els investigadors van mostrar els mateixos principis catalítics, però amb menys efecte, per nanoribbons.

Font: Universitat de Rice

Grafè i punts quàntics per a crear una càmera que capta l'invisible

En els últims 40 anys, la microelectrònica ha avançat increïblement gràcies a les tecnologies del silici i de l'anomenat CMOS (semiconductor d'òxid de metall complementari), donant lloc al desenvolupament de la informàtica, els telèfons intel·ligents, les càmeres digitals compactes i de baix cost, així com la majoria dels aparells electrònics dels que depenem avui dia.

No obstant això, la diversificació d'aquesta plataforma en aplicacions que poden anar més enllà del món dels microcircuits i les càmeres de llum visible s'ha vist impossibilitada principalment per la dificultat de combinar semiconductors diferents al silici amb la tecnologia CMOS. Però ara aquest obstacle ha aconseguit ser superat. Investigadors de l'ICFO (Institut de Ciències Fotòniques) han demostrat per primera vegada que es pot integrar de forma monolítica un circuit CMOS amb el grafè. El resultat és un sensor d'imatge d'alta resolució compost per centenars de milers de fotodetectors basats en grafè i punts quàntics (quantum dots).

La càmera digital creada amb el sensor s'ha desenvolupat de tal manera que és, simultàniament, molt sensible a la llum ultraviolada, visible i infraroja, una fita mai aconseguida fins ara amb els sensors d'imatge existents. Aquesta demostració d'integració monolítica de grafè amb tecnologia CMOS permet la seva utilització per a una àmplia gamma d'aplicacions optoelectròniques, com ara comunicacions de dades òptiques de baixa potència així com sistemes de detecció compactes i ultra sensibles.

L'estudi ha estat publicat a la revista científica Nature Photonics, i ha estat seleccionat com a imatge de portada. El treball va ser dut a terme per investigadors de l'ICFO dirigits pels professors ICREA (Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats) Frank Koppens  i  Gerasimos Konstantatos, en col·laboració amb l'empresa Graphenea.

Els científics van fabricar el sensor d'imatge col·locant punts quàntics coloidals de sulfur de plom (PbS) sobre grafè de tipus CVD i, posteriorment, dipositant aquest sistema híbrid damunt d'una hòstia CMOS amb les unitats o píxels del sensor d'imatge i el circuit de lectura integrat.

Un dels autors, Stijn Goossens, explica: "Produir aquest sensor d'imatge, basat en grafè-punts quàntics i tecnologia CMOS, no va suposar dur a terme cap processat complex de materials ni implementar processos de creixement laboriosos. Va resultar fàcil i barat fabricar-lo a temperatura ambient i sota condicions ambientals, cosa que significa una disminució considerable dels costos de producció. Encara més, per les seves propietats, es pot integrar fàcilment en substrats flexibles, així com en circuits integrats de tipus CMOS".

Al seu torn, el professor Konstantatos, expert en grafè i punts quàntics, assenyala "hem dissenyat els punts quàntics per estendre l'espectre infraroig proper (1100-1900nm), fins al punt que vam poder detectar la resplendor nocturna de l'atmosfera en un cel fosc i clar, la qual cosa permet visió nocturna passiva”.

Aquest treball demostra que aquesta classe de fototransistors pot ser el camí a seguir per a sensors infrarojos de baix cost, però d'alta sensibilitat, que poden operar a temperatura ambient i, per tant, pot ser d’enorme interès per a un mercat de tecnologies en l’infraroig que actualment està assedegat de tecnologies barates.

"El desenvolupament d'aquest sensor d'imatge monolític basat en tecnologia CMOS representa una fita per als sistemes d'imatges de banda ampla i hiperespectrals de baix cost i alta resolució", destaca el professor Koppens. Assegura que, en general, "la tecnologia grafè + CMOS permetrà el desenvolupament d'una gran quantitat d'aplicacions, des de la seguretat i vigilància, les càmeres de butxaca i els smartphones de baix cost, els sistemes de control d'incendis, la visió nocturna passiva així com les càmeres de vigilància nocturna, els sistemes de sensors per a automoció, els sistemes d'imatge per a medicina, la inspecció d'aliments i productes farmacèutics o fins i tot la vigilància ambiental, per anomenar-ne alguns".

Aquest projecte està actualment en període d'incubació al Launchpad de l'ICFO. L'equip està treballant amb l'equip de transferència de tecnologia de l'institut per portar aquest descobriment, juntament amb la seva cartera completa de patents d'imatges i tecnologies de detecció, al mercat.

Aquesta investigació ha estat recolzada parcialment per la iniciativa europea grafè Flagship, el Consell Europeu de Recerca, la Generalitat de Catalunya, la Fundació Cellex i el programa d'Excel·lència Severo Ochoa del Govern d'Espanya.

Font: SINC

L'últim miracle del grafè: convertir l'aigua de mar en aigua potable

Va ser aïllat per primera vegada fa ja 13 anys, però al grafè segueixen sortint-li aplicacions d'allò més diverses. L'últim miracle d'un dels materials més fins, flexibles i forts que coneixem: fer potable l'aigua del mar.

Els científics ja havien demostrat el potencial dels tamisos de grafè per separar gasos i sals grans. Els problemes apareixien en intentar tamisar les sals minerals més petites, com les que filtren les plantes dessalinitzadores per obtenir aigua potable. Si bé les membranes d'òxid de grafè aconsegueixen filtrar ions i molècules més grans, els seus forats s'inflen lleugerament en contacte amb l'aigua i deixen passar les sals més petites costat de l'aigua.

Ara un equip d'investigadors de la Universitat de Manchester ha desenvolupat unes membranes d'òxid de grafè que no s'inflen en contacte amb l'aigua i són capaces de tamisar les sals comunes. La mida dels seus diminuts porus pot controlar amb precisió fins a l'escala atòmica, el que serveix per separar la sal dissolta en aigua (així com altres ions i molècules, si s'ajusta la seva grandària al d'aquestes partícules).

Les troballes, publicades aquest dilluns a la revista Nature Nanotechnology, demostren el potencial del grafè per a la dessalinització. A mesura que el canvi climàtic redueix el proveïment d'aigua potable a les ciutats, aquesta nova tecnologia de dessalinització pot proporcionar aigua neta a milions de persones que lluiten per accedir a aquest recurs escàs.

Font: Nature Nanotechnology

Nanopartícules de carboni

Els nous materials ofereixen una plèiade de possibles aplicacions que estan canviant la vida i fan imaginar un món fascinant. Alguns d'aquests materials, són el grafè i els hidrogels. El grafè és, bàsicament, una làmina de carboni de tan sols un àtom de gruix, és a dir, el gruix és tan diminut que es podría assumir que es tracta d'un material de dues dimensions. No obstant això, les seves propietats són impressionants.

La resistència mecànica del grafè, és 300 vegades més gran que la de l'acer, i te una extraordinària lleugeresa, una làmina d'un metre quadrat pesa només 77 centèsimes d'mil·ligram.
Per fer-se una idea del lleuger que és, n'hi hauria prou un gram de grafè per a cobrir la superfície d'un camp de futbol. Aquestes propietats han fet del grafè un material molt apreciat en la indústria. Les seves aplicacions van des de l'aeronàutica fins als protectors de les pantalles dels mòbils. Però als avantatges mecàniques cal afegir un altre bon nombre de propietats associades, com la flexibilitat, conductivitat tèrmica, elèctrica i òptica, que amplien moltíssim les aplicacions possibles.

Si la làmina de grafè de grans dimensions és atractiva a escala macroscòpica, té un nombre molt variat d'aplicacions a escala molt més petita, a escala nanomètrica. Aquest és el camp en el qual investiga Ester Vázquez Fernández-Pacheco, professora a la Facultat de Ciències i Tecnologies Químiques de la UCLM, a Ciudad Real, investigadora de l'Institut Regional d'Investigació Científica Aplicada i cap del Grup de Nanoquímica MSOC.
El Grup de Nanoquímica MSOC centra els seus esforços en la recerca de formes d'obtenció i purificació de nanoestructures de carboni mitjançant tecnologies verdes. Els mètodes utilitzats permeten obtenir nanopartícules de grafè sense la utilització dels dissolvents, altament contaminants, habitualment utilitzats en la indústria. Els petitíssims trossos de grafè obtinguts, al costat d'altres materials, com els hidrogels, estan demostrant la seva utilitat en els sistemes biològics, mitjançant el disseny de materials intel·ligents, capaços de transportar i alliberar fàrmacs a l'organisme de forma controlada des de l'exterior, aprofitant les propietats elèctriques i tèrmiques d'aquests materials.

Un hidrogel és un polímer àvid per l'aigua. Els bolquers dels nadons estan carregats d'ells i demostren aquesta habilitat constantment, per descans dels pares. El grafè, en canvi, no és soluble en aigua, encara que sí pot dispersar-hi formant partícules molt petites, nanomètriques (recordem que un nanòmetre és una milionèsima d'un mil·límetre). L'interessant d'aquests comportaments sorgeix quan tots dos es combinen i es forma una partícula d'hidrogel amb partícules de grafè al seu interior.
Les nanopartícules de grafè absorbeixen molt bé les microones i responen a elles amb una elevació de temperatura. Una partícula d'hidrogel amb grafè, en ser irradiada amb microones, augmenta la seva temperatura i aquest augment pot ser útil de diverses maneres. Es pot induir un canvi en el volum al gel que podria ser emprat per alliberar un fàrmac. Així, un pacient al que potencialment li han injectat les nanopartícules, podria alliberar el fàrmac en el lloc desitjat simplement irradiant des de l'exterior amb microones la zona adequada. També es podria posar el gel en contacte amb la pell o emmagatzemat a sota ella i alliberar una substància a voluntat quan fos necessari. Això pot ser de molta utilitat en malalties com la diabetis, en què cal injectar insulina al pacient quan aquest la necessita.

A l'exemple anterior se'n  podrien afegir molts altres en què aquests materials intel·ligents: Tractament de malalties bacterianes, penetració en tumors per produir al seu interior una elevació dramàtica de temperatura que inhabiliti les cèl·lules o alliberar fàrmacs específics sense produir danys col·laterals en altres regions del cos, elaboració de capes ultra primes per al creixement cel·lular, protecció de ferides, etc.
En totes les aplicacions connectades amb el tractament de pacients cal que els materials utilitzats no interfereixin de forma negativa amb els sistemes biològics. El Grup de Nanoquímica MSOC col·labora amb altres institucions espanyoles i europees en experiments encaminats a determinar la toxicitat del grafè i els seus derivats.
Per a totes aquestes aplicacions i moltes altres que estan sorgint en aquest camp, cal comptar amb nanopartícules de carboni i l'obtenció d'aquestes amb tecnologies verdes, poc contaminants, és fonamental.

Font: CienciaEs

Nano-caligrafia en el grafé

Els científics de la Universitat de Manchester i l'Institut de Tecnologia de Karlsruhe, han demostrat un mètode per modificar químicament petites regions de grafè amb alta precisió, el que porta a la miniaturització extrema de sensors químics i biològics.

Els investigadors dirigits pel doctor Aravind Vijayaraghavan han demostrat que és possible combinar el grafè amb els patrons de molècules químiques i biològiques i de 100s de nanòmetres d'ample.
El grafè és el primer material de dues dimensions del món. És fort, transparent, flexible i també, és el material més conductor del món. Cada àtom en el grafè s'exposa al seu entorn, cosa que li permet detectar canvis en el seu entorn.

L'ús d'aquesta tecnologia d'assembla a escriure amb una ploma. Els científics van ser capaços de generar gotes químiques a la superfície del grafè en volums molt petits. Per tal d'assolir aquests patrons de química fina, els investigadors van utilitzar gotetes de productes químics de menys de 100 attolitres (10-16 L) en volum.

Aquestes tècniques són clau perquè els sensors de grafè pugin ser utilitzats en aplicacions del món real; els sensors de grafè fabricats d'aquesta manera tenen el potencial per ser utilitzats en les anàlisis de sang, reduint al mínim la quantitat que requereix un pacient per donar sang.

El doctor Vijayaraghavan explica que: "Es van utilitzar dos tipus de plomes'', una que es va submergir en la tinta reactiva per cobrir la punta, i l'altre, la tinta es va introduir en un dipòsit de manera que flueix a través d'un canal de la punta, igual que en una ploma estilogràfica. Una matriu d'aquest tipus de micro-plomes es mou sobre la superfície de grafè per lliurar les gotetes dels químics que reaccionen amb el grafè. El primer mètode es coneix com Dip-Pen Nanolitografia (DPN) i el segon que es coneix com microcanal voladís Spotting (μCS).
El doctor Michael Hirtz, co-investigador de Karlsruhe afegeix: "En modificar químicament el grafè en aquestes petites regions, podem desenvolupar sensors químics i biològics que només requereixen de quantitats de líquid molt petites per detectar diversos constituents. Això, combinat amb l'alta sensibilitat de sensors de grafè, ens porta a imaginar que en el futur podríem dur a terme una anàlisi de sang completa d'un pacient amb només una petita gota de sang, en lloc d'una xeringa plena".

Font: PHYSorg

El pentagrafè

El grafè és un al·lòtrop bidimensional de carboni fet d'hexàgons. Al febrer de 2015 el pentagrafè només estava fet de pentàgons, de manera que va ser proposat teòricament com un altre al·lòtrop bidimensional de carboni. Pel que sembla, és dinàmica, tèrmica i mecànicament estable. No obstant això, una exhaustiva recerca experimental ha estat concloent, i ha generat dubtes sobre les seves possibilitats.

Els resultats recents suggereixen que el pentagrafè i el grafè poden ser considerats com reorientacions cristal·logràfques del mateix material, en lloc d'al·lòtrops diferents. De fet, això pot ser el cas per a altres al·lòtrops de carboni teòricament proposats, com ph-grafè, que tenen una estructura penta-hexagonal. La següent figura és una transformació estructural del pentagrafè (a dalt a l'esquerra) per grafè (a baix a l'esquerra) amb dos passos exotèrmics i en sentit horari. Font: Ewels (2015).

El principal inconvenient del grafè com a material de transistor, és l'absència de separació entre la banda de conducció i valència, però el pentagrafè resol aquest problema amb un interval de banda intrínseca tan gran com 3,25 eV. Es compon íntegrament de pentàgons de carboni, que s'assembla a un terra de rajoles pentagonal; recordar que en el grafè, tots els àtoms de carboni són sp 2, i en el diamant tots són sp 3. Les simulacions prediuen una alta estabilitat tèrmica del pentagrafè fins i tot a temperatures tan altes com 1000 K.

La síntesi del pentagrafè, desencadenarà un considerable interès en un gran nombre d'aplicacions pràctiques. Per a la fabricació de pentagrafè, Shunhong Zhang, de la Universitat de Beijing (la Xina) i els seus col·legues van proposar la exfoliació del T12-carboni, un altre al·lòtrop tetragonal, però en tres dimensions amb 12 àtoms per cel·la 5. No obstant això, els esforços experimentals han estat concloents; el pentagrafè és energèticament metastable en comparació amb el grafè.
Recentment s'han introduit un conjunt de criteris per avaluar teòricament, si al·lòtrops de carboni proposats es poden aïllar de forma experimental. Ho ha fet Sir Harold W. Kroto (1939-2016), de la Universitat de l'Estat de Florida (EUA) conjuntament amb diversos col·legues. Els al·lòtrops estables han d'ocupar els potencials forats profunds per aïllar l'entorn energètic, la gran zona d'atracció evita l'embut cap a formes estructurals més estables. L'aplicació d'aquests criteris per pentagrafè, demostra amb l'ajuda de càlculs de densitat funcional, que no serà experimentalment assolible. De fet, el pentagrafè és de 0,761 eV per àtom menys estable que el grafè. Per tant, es pot transformar directament a grafè per mitjà d'una seqüència de rotacions.
La següent figura, es una reforma de tres pentàgons adjacents (a) en dos hexàgons adjacents (D) amb un (5,7) -defecte (f) a la ruta de la transformació estructural pentagrafè de grafè. Font: Cranford (2016).

L'aparició d'un material (grafè) d'una altra manera metastable (pentagrafè) és un nou paradigma en els nanomaterials. La transició del pentagrafè de grafè, s'ha estudiat detalladament per mitjà de la dinàmica completa atomística molecular (MD) de Steven W. Cranford, de la Northeastern University, Boston, MA, EUA.

Durant la fase de transformació del pentagrafè en grafè, s'observen formes intermèdies estables amb una barreja de pentàgons i hexàgons. El pas bàsic és la reforma de tres pentàgons adjacents (10 àtoms de carboni) en els dos hexàgons adjacents, acompanyats d'un (5,7) - defecte. En aquest procés s'allibera energia, però el pentagrafè no es fractura. Per tant, aquesta transformació estructural es propaga a través del full 2D mitjançant la repetició del pas bàsic. El procés acaba quan el pentagrafè original és efectivament grafè. Des d'aquesta perspectiva, el pentagrafè pot ser considerat com un grafè extremadament "defectuós", és a dir, tots dos materials són reorientacions cristal·logràfiques de la mateixa manera al·lotròpica.

Font: mappingingnosrance

Un sensor ultrasensible utilitzant grafè N-dopat

Un equip internacional d'investigadors que treballen a Penn State (Universitat de Pennsylvania), han desenvolupat un sensor químic altament sensible basat en l'espectroscòpia de Raman i l'ús de grafè dopat amb nitrogen com a substrat.

En aquest cas, el dopatge es refereix a la introducció d'àtoms de nitrogen en l'estructura de carboni del grafè. Aquesta tècnica pot detectar petites quantitats de molècules en una solució a concentracions molt baixes, al voltant de 10.000 vegades més diluïda del que es pot veure per l'ull nu.

L'espectroscòpia de Raman, és una tècnica d'identificació adoptada àmpliament que s'utilitza en la química, la ciència dels materials i la indústria farmacèutica per detectar les vibracions internes úniques de diverses molècules. Quan una llum làser s'irradia en vidres o molècules, es dispersa en colors. Aquesta llum dispersada es pot detectar en forma d'un espectre de Raman, que serveix gairebé com una empremta digital per a cada sistema.

Bàsicament, diferents colors en l'espectre visible estan associats a diferents energies, és a dir, és com si cada molècula tingués una emissió de llum de color en particular, de vegades de color groc, de vegades verd. Aquest color s'associa amb una energia en concret.
L'equip va triar tres tipus de molècules de colorant fluorescent per als seus experiments. Els colorants fluorescents, que s'utilitzen freqüentment com a marcadors en experiments biològics, són particularment difícils de detectar en l'espectroscòpia de Raman, a causa de què la fluorescència tendeix a netejar el senyal. No obstant això, quan s'afegeix el colorant al substrat o grafè N-dopat, la fotoluminescència s'apaga.

Per si sol, el senyal de Raman és tan feble que molts mètodes utilitzats necessiten millorar el senyal. Una tècnica de millora recentment desenvolupada, utilitza el grafè primitiu com un substrat, que pot millorar el senyal de Raman en diversos ordres de magnitud. En un article publicat a la revista Science Advances, el professor Terrones i els seus col·legues van mostrar que l'addició d'àtoms de nitrogen en el grafè original millora encara més la sensibilitat i, sobretot, van donar una explicació teòrica de com el grafè N-dopat produeix una millora.
Mitjançant el control de dopatge del nitrogen, es pot canviar l'escletxa d'energia del grafè, i aquest canvi crea un efecte de ressonància que millora significativament les formes de les vibracions de la molècula.

Es tracta del fonament de la investigació, però és difícil de quantificar la millora, ja que serà diferent per a cada material, segons el color de la llum. A causa de la inèrcia química del grafè i la biocompatibilitat, l'equip espera que la nova tècnica sigui eficaç en la detecció de traces de molècules orgàniques. Hi ha optimisme amb la possibilitat de combinar la tècnica amb espectròmetres de Raman portàtils, que permetran fer mesures a llocs remots per detectar, per exemple, virus perillosos.
Els tints fluorescents que van estudiar, faran que sigui ràpid i fàcil de veure la presència de compostos dins de les cèl·lules biològiques. A causa de que la tècnica és senzilla, només cal submergir el substrat de grafè en una solució durant un curt període de temps, que permetrà crear una biblioteca sencera de l'espectre de Raman de molècules específiques

Font: PHYSorg

Imatges fetes d'electrons relativistes, atrapats en punts quàntics de grafè

Un equip d'investigadors de la Universitat de Califòrnia, el MIT, el Laboratori Nacional Lawrence Berkeley i l'Institut Nacional de Ciències dels Materials del Japó han creat imatges d'electrons relativistes atrapats en punts quàntics grafè.

En el seu article publicat a la revista Nature Physics l'equip descriu com van arribar a aquesta gesta i on planegen portar el seu treball en el futur.
Com que les úniques propietats del grafè continuen desenvolupant-se, els científics busquen noves formes d'aprofitar-los i fer-ne ús. Un d'aquests usos podria ser el de controlar els electrons per permetre el seu ús en dispositius nano-escala, el que també podria conduir inadvertidament a una comprensió més profunda de fermions de Dirac. En aquest nou esforç, els investigadors han fet progressos en aquesta zona mitjançant l'elaboració d'un mitjà per capturar i mantenir els electrons i per crear imatges del resultat.

L'obtenció d'imatges de formes d'ona d'electrons, fins ara ha estat particularment difícil, pràcticament tots els mètodes existents han donat com a resultat massa defectes. Per aconseguir al voltant d'aquest tipus de problemes, els investigadors van prendre un altre enfocament per capturar els electrons. Ells van crear primeres unions pn circulars mitjançant l'enviament de tensió a través de la punta d'un microscopi d'efecte túnel a una mostra de grafè. Alhora, també aplica tensió a un bloc de silici per sota de la peça de grafè, que es mantenen separades per una capa de silici-òxid i un floc de nitrur de bor. Fent, d'aquesta manera, que els defectes causats en el nitrur de bor per ionitzar, resultin en càrrecs que migren al grafè.

Per crear imatges d'aquests càrrecs, els investigadors van col·locar una punta d'efecte túnel microscopi just per sobre de la superfície del punt quàntic, el que va permetre mesurar l'efecte túnel actual de moviment de la punta a diferents llocs permesos per prendre múltiples mesuraments, que quan es pren en conjunt van permetre la creació una imatge.
Amb el nou mètode, l'equip suggereix que podria ser utilitzat com a base per als sistemes que són més complicats, com ara aquells amb múltiples punts quàntics en desenvolupament. Ells juntament planegen investigar l'ús de la seva tècnica amb mostres de grafè bicapa, que contenen molts més portadors de càrrega de Dirac per veure si reflecteixen quan xoquen amb la barrera d'unió pn en la forma esperada.

Font: PHYSOrg

Fotodetectors de grafè per accelerar les comunicacions òptiques

El macroprojecte europeu grafè Flagship, ha aconseguit integrar el grafè per crear fotodetectors que funcionen en les longituds d'ona de les telecomunicacions, la qual cosa facilitarà i accelerarà les comunicacions òptiques, amb baix consum d'energia.

S'ha fet un pas important cap a la integració del grafè en la fotònica de silici, els investigadors del macroprojecte (eminentment europeu) grafè Flagship han publicat un article que mostra com pot proporcionar el grafè una solució simple per a la fotodetecció de silici en les longituds d'ona de les telecomunicacions. A la revista Nano Letters, la investigació és una col·laboració entre la Universitat de Cambridge (Regne Unit), la Universitat Hebrea de Jerusalem (Israel) i la Universitat John Hopkins (Baltimore, EUA). 

La missió del grafè Flagship, és portar el grafè fora dels laboratoris acadèmics, fins a la indústria i la societat. Per això el projecte se centra en problemes reals, com les comunicacions òptiques. Aquestes són cada vegada més importants, ja que tenen el potencial de resoldre un dels majors problemes de la nostra era de la informació: el consum d'energia. En un futur pròxim, els majors consumidors de tràfic de dades seran les comunicacions màquina a màquina i Internet de les Coses (IoT). Per desenvolupar l'IoT i el nivell d'informació que requereix, la fotònica de silici actual té un problema: necessita deu vegades més energia de la que podem proporcionar. Per tant, si volem que una nora era millorada d'Internet, cal trobar noves solucions tecnològiques d'alta eficiència energètica. 

Aquesta és la raó per la qual la comunicació òptica basada en el grafè és tan important. En els últims anys, les comunicacions òptiques han augmentat la seva viabilitat mitjançant interconnexions electròniques estàndard basades en metall. El fotodetector de silici utilitzat en les comunicacions òptiques actuals, té un problema important quan es tracta de la detecció de dades en el rang de freqüències properes a l'infraroig, que és l'interval usat per a les telecomunicacions. La indústria de les telecomunicacions ha superat aquest problema mitjançant la integració d'absorbents de germani en els dispositius fotònics de silici estàndard. Amb aquest procés s'ha aconseguit que els dispositius funcionin plenament en els xips. No obstant això, el procés és complex.


El nou mètode 
Al nou article, el grafè s'interconnecta amb el silici en el xip per fer fotodetectors de barrera Schottky d'alta responsivitat (la quantitat d'electrons que és capaç de generar en relació amb els fotons rebuts; dit d'una altra manera, és el corrent elèctric que es lliura a la sortida en relació amb la potència òptica d'entrada). 

La seva alta capacitat de resposta és comparable a la dels detectors de silici amb germani que s'utilitzen actualment a la fotònica de silici. El professor Andrea Ferrari, del Cambridge grafè Centre, i cap de Ciència i tecnologia de grafè Flagship, assenyala en la nota de premsa oficial que el grafè pot vèncer a la tecnologia fotònica de silici actual en termes de consum d'energia. 

Hi ha la intenció de transferir 4x28 GBps en el 2018. Empreses com Ericsson i Alcatel-Lucent s'han unit al projecte per ajudar a desenvolupar-lo, ja que s'ha demostrat el potencial pel que fa al detector, però també s'ha de produir un modulador basat en grafè per tenir un sistema complet, amb baix consum d'energia. 
És un gran repte i una gran oportunitat per a Europa, ja que hi ha un alt valor afegit en els dispositius que farà rendible fabricar-los a Europa.

Font: Tendéncias de la Telecomunicación

La humectació i adhesió del grafé

Investigadors de la Universitat d'Illinois, Urbana-Champaign han demostrat un dopatge induït per humectació sintonitzable i adhesió del grafè, revelant noves i úniques oportunitats per a materials de recobriment avançat i transductor (dispositiu o aparell que transforma una magnitud física en una altra magnitud física).
L'estudi suggereix per primera vegada que la modulació induïda pel dopatge de la densitat de portadors de càrrega en el grafè influeix en la seva capacitat d'humectació i adhesió per tant, aquest treball, investiga aquest nou fenomen que és exclusiu del grafè i d'altres materials potencialment 2D, en les investigacions teòriques i experimentals complementaries.
El grafè, és òpticament transparent i posseeix propietats elèctriques i mecàniques superiors, pot revolucionar els camps de recobriments de superfícies i pantalles electrohumectants, segons els investigadors. La humectabilitat d'un material (és a dir, la interacció amb l'aigua) és típicament constant en absència d'influència externa i es classifica com hidrofílic hidròfob.
Depenent de l'aplicació específica, es requereix una elecció entre el material ja sigui hidròfob o hidròfil. Per a les pantalles d'electrohumectació, per exemple, les característiques hidròfiles de material de pantalla s'han millorat amb l'ajuda d'un corrent elèctric extern constant.

"El que fa que el grafè sigui especial, és que a diferència dels materials a granel convencionals, mostra característiques d'humectació superficial sintonitzables a causa d'un canvi en la seva densitat d'electrons, o pel dopatge. Els equips d'investigació, han descobert que mentre que el grafè es comporta típicament com un material hidrofòbic (a causa de la presència de contaminació transmesa per l'aire), la seva hidrofobicitat es pot canviar fàcilment pel canvi de densitat electrònica.

L'estudi demostra per primera vegada que el grafè sintonitzable humectabilitat-commutable te un comportament hidròfob i hidròfil segons la seva densitat d'electrons, que canvia pels polímers i metalls (també conegut com a dopatge) sota de la superfície carregada.

Aquesta troballa aclareix anteriors vincles poc clars entre la transferència de càrrega a nivell quàntic i la humectació de la superfície macroscòpica de grafè. Aquesta troballa obre noves portes sobre les possibilitats per a recobriment de superfícies sintonitzables sense subministrament de corrent elèctric extern continu, el que es traduirà en un estalvi d'energia.

També es van investigant altres propietats, estretament relacionades amb l'adherència de superfícies. S'observen canvis en la densitat d'electrons de grafè, això condueix a un canvi en l'adhesió, el ​​que determina com el grafè pot interactuar amb altres molècules hidròfobes i hidròfiles, que és important per a la indústria química i els biosensors basats en el grafè.


Font: PHYS.org

Noves tècniques de fabricació de xips per a ordinadors, flexibles increïblement prims

Només cal fer una ullada als mainframes dels anys 1950 i 1960 per entendre la rapidesa amb què s'han miniaturitzat els ordinadors i equips electrònics, però encara es poden fer més petits, segons una nova investigació. Els científics han fet un nou enfocament de fabricació de xips que, diuen, podria fer que els xips d'ordinadors fossin molt més primes i flexibles en el futur.

Desenvolupat per un equip del Massachusetts Institute of Technology (MIT), es tracta de la primera tècnica de fabricació de xips on diferents materials es dipositen a la mateixa capa. Els xips d'ordinador actuals, en canvi, es construeixen a partir de capes (molt fines) apilades una damunt de l'altra, amb els patrons precisos. Els investigadors diuen que han refinat el prou procés com per ser capaços de construir xips que continguin tots els components necessaris per produir un ordinador de propòsit general en el mateix circuit.
La metodologia és universal per a molts tipus d'estructures, això ofereix un enorme potencial amb nombrosos materials candidats per al disseny de circuits ultra-prims.
Les capes de material són només d'1-3 àtoms de gruix, i es va triar el grafè com un dels materials utilitzats.  De fet, aquest estrany material ja s'ha utilitzat en diferents innovacions i experiments i, la seva primesa i la força, el fan perfecte per utilitzar en l'electrònica de capa fina.

De fet, el nou procés pot barrejar qualsevol material que combini elements del grup 6 de la taula periòdica (incloent crom, molibdè i tungstè) i elements del grup 16 (incloent sofre, seleni i tel·luri). Com que molts d'aquests compostos són semiconductors, que són la base del disseny de transistors, pot resultar molt útil en capes molt primes de l'electrònica.

En les proves que executa l'equip de MIT, una capa de grafè es diposita sobre un substrat de silici amb buits gravats segons el material que cal omplir. Aquest segon material, el disulfur de molibdè, s'aplica usant una barra sòlida de material conegut com PTES. A mesura que el PTES passa sobre el xip, les seves molècules causen una reacció amb el silici exposat i es forma una capa de disulfur de molibdè. El mateix procés es pot utilitzar per combinar diversos materials diferents de la mateixa manera.

Mentre que per la ciència és difícil de fer aquest conjunt, les aplicacions possibles són simples: amb electrònica més prima, més flexible s'obtenen noves formes que permetran establir nous nivells de portabilitat. El següent pas serà utilitzar la tecnologia per tractar de crear processadors amb transistor-tunel, que utilitzen un efecte mecànic quàntic per bloquejar una càrrega o permetre que hi passi.
El treball ha estat publicat a la revista Advanced Materials.

Font: Science-Alert