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Física

El giro del grafeno

Un nanoscopio capta los efectos producidos al desalinear una de dos láminas superpuestas de este material

Arriba, representación de la sonda y de la nanoantena del instrumento sobre un sistema desalineado de láminas de grafeno

Cassiano Rabelo

A principios de 2018, en un par de artículos que aparecieron publicados simultáneamente en la revista Nature, el grupo de investigación del físico español Pablo Jarillo-Herrero demostró empíricamente que al superponer dos láminas de grafeno, unas estructuras peculiares de un átomo de espesor que se asemejan a una cadena de colmenas de carbono interconectadas, y al girar muy sutilmente una de las láminas con respecto a la otra, ello podía generar dos efectos diametralmente opuestos que dependen solamente de la densidad de los electrones presentes en el sistema. Para ciertos valores de ese parámetro, el material se comportaba como un aislante e impedía el paso de una corriente eléctrica. Sin embargo, si además de desalinear una de las capas de grafeno en un giro hasta un ángulo de 1,1 grado, el equipo de investigadores del Massachusetts Institute of Technology (MIT), de Estados Unidos, aumentaba levemente la cantidad de electrones, las láminas pasaban a comportarse como un superconductor y la corriente eléctrica fluía sin ninguna resistencia a través del material.

Los experimentos se llevaron a cabo a temperaturas extremadamente bajas, a -271 grados Celsius, muy cerca del cero absoluto, pero las evidencias de la superconductividad fueron suficientes como para reavivar un campo de la ciencia que a finales de la década de 2000 despuntaba en forma teórica y hasta ahora no había generado nada importante en un laboratorio: la twistrónica, es decir, el estudio de los efectos producidos por el hecho de girar una de las láminas de un sistema conformado por dos o más capas de grafeno o de otros materiales con solo dos dimensiones, tales como el sulfuro de molibdeno (MoS2) y el nitruro de boro (BN). A mediados de febrero de este año, un equipo coordinado por investigadores de la Universidad Federal de Minas Gerais (UFMG) presentó un dispositivo óptico que puede ser fundamental para entender el funcionamiento de la twistrónica.

En un artículo que ganó la portada de la revista Nature, en la edición que salió al público el 18 de ese mes, el grupo que lidera el físico Ado Jório describió el funcionamiento del nanoscopio, un instrumento que produce imágenes a escala atómica de lo que ocurre en el interior de estructuras tales como un par de láminas de grafeno deliberadamente desalineadas. “Con el nanoscopio, podemos ver dónde se encuentran los estados vibracionales de las hojas de grafeno rotadas y tratar de entender sus propiedades electrónicas locales”, explica el investigador de la UFMG. “No se trata solamente de un equipo que produce imágenes de alta resolución, sino de una herramienta útil para entender la twistrónica”.

El trabajo está firmado por 13 investigadores y estudiantes  de posgrado de la UFMG, otros dos colegas brasileños –uno de la Universidad Federal de Bahía (UFBA) y otro del Instituto Nacional de Metrología, Calidad y Tecnología (Inmetro), de Brasilia– y ocho coautores de instituciones de Japón, Bélgica y Estados Unidos. El estudio incluye los resultados de las mediciones efectuadas con el nanoscopio en dos láminas de grafeno superpuestas, una de las cuales fue rotada sutilmente. Al igual que en los experimentos del equipo de Jarillo-Herrero, del MIT, la placa ligeramente desalineada se giró en varios ángulos de alrededor de 1,1 grados, un valor que la comunidad académica apodó como el ángulo mágico.

Leo Drumond/Nitro Los científicos de la UFMG prueban el nanoscopioLeo Drumond/Nitro

Hasta ahora se han fabricado cuatro nanoscopios. Dos están en la UFMG, uno en la Universidad Federal de Ceará (UFC) y un cuarto en el Inmetro. Ahora mismo se están ensamblando dos unidades del prototipo precomercial del dispositivo, que deberían estar listas a mediados de este año. Con miras a un posible mercado para la venta del aparato a laboratorios de investigación y empresas, se han solicitado nueve patentes relacionadas con el nanoscopio en Brasil, dos de ellas también en el extranjero. Los derechos de producción comercial del dispositivo, que serán compartidos por la UFMG y las entidades que financiaron las investigaciones, probablemente serán transferidos a una pequeña empresa que nació del trabajo del equipo de Jório y hoy en día coordinan tres exalumnos de posgrado de la universidad de Minas Gerais, la spin-off  bautizada como Fábrica de Nanossoluções (FabNS).

“Cuando arrancamos, en 2018, alrededor del 70 % de los componentes del nanoscopio se importaba y el 30 % era de acá”, comenta Cassiano Rabelo, doctor en ingeniería eléctrica, otro de los coautores del estudio y uno de los socios de FabNS. “Hoy en día, probablemente sea al revés. Pero lo más importante es el conocimiento que tenemos sobre la construcción del dispositivo”. Jório estima que un nanoscopio podría venderse por 250.000 euros, alrededor de 1,6 millones de reales, una vez que el producto cuente con la aprobación de clientes clave. “Es seguro que el aparato todavía deberá mejorarse y la información generada por los primeros compradores será muy útil para perfeccionar el nanoscopio”, pondera Jório.

El desarrollo específico del dispositivo comercial comenzó en 2018, pero la iniciativa tecnológica sacó partido de las inversiones realizadas por el Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq) desde mediados de la década de 2000 en investigaciones en los campos de la nanotecnología y el grafeno que llevó a cabo el grupo de la UFMG. La financiación de esta versión del equipo contó con el apoyo de la Compañía de Desarrollo de Minas Gerais (Codemge), una empresa pública que solventó la construcción de una planta piloto de grafeno en el estado. El proyecto también se benefició del acuerdo firmado con dos unidades de la Empresa Brasileña de Investigación e Innovación Industrial (Embrapii): la ubicada en el Departamento de Ciencias de la Computación de la UFMG, que diseñó el software de control y análisis que utiliza el nanoscopio, y el Senai-Cimatec, de la ciudad de Salvador, que desarrolló partes del hardware.

En los sistemas formados por capas sucesivas de materiales bidimensionales, como son estos con dos o más láminas de grafeno, un leve giro del orden de 1,1 grados es capaz de producir cambios radicales en las propiedades de estas estructuras, especialmente las electrónicas, y dar lugar a la superconductividad. Esta desviación de una de las láminas de grafeno superpuestas genera imágenes dentro de un patrón de interferencia que la física, la matemática y las artes visuales denominan como sistema muaré, que está definido por franjas claras y oscuras, similar a la ilustración de las láminas de grafeno superpuestas en la página que abre este reportaje. En la impresión gráfica, se genera una figura de color mediante la superposición perfecta de cuatro capas de tonos distintos (negro, amarillo, cian y magenta). Si una de estas capas se desplaza un poco con respecto a las demás, la imagen queda fuera de registro y surge lo que se conoce como patrón de muaré. Lo que en las artes gráficas es un error puede que sea un éxito o, al menos, un campo de estudio fascinante de la twistrónica.

La propiedad intelectual del nanoscopio concebido en la UFMG está protegida por nueve patentes

El desalineado de una de las láminas de grafeno en la medida adecuada para que aparezcan nuevas propiedades no es un proceso trivial. “Esta es una de las partes más difíciles de nuestro trabajo”, comenta el físico Andreij Gadelha, primer autor del artículo de la revista Nature, que concluyó su doctorado en la UFMG en 2019. Se requiere cierta destreza manual para acertar con el ángulo mágico. Los investigadores utilizan controles ópticos que requieren literalmente una mano humana para lograr el ángulo de desplazamiento deseado. “Tardé un año en aprender a dominar la técnica”, relata Gadelha. Sin embargo, los sistemas con capas de materiales bidimensionales a veces desbaratan espontáneamente esa mínima rotación y sus hojas vuelven a yuxtaponerse perfectamente, poniendo fin al ángulo mágico.

No existe una explicación consensuada de por qué el desplazamiento de una de las capas de las estructuras bidimensionales altera las características del material. En el caso de la superconductividad, se especula que las interacciones entre los electrones y los modos de vibración interna, asociados a fenómenos cuánticos que aún no se entienden demasiado, cambian significativamente debido a esa modificación de la arquitectura entre las capas de los materiales bidimensionales. “Una de las explicaciones para los efectos twistrónicos hace referencia a la teoría de la correlación electrónica”, explica el físico Rodrigo Capaz, de la Universidad Federal de Río de Janeiro (UFRJ), quien desde el mes de octubre pasado trabaja temporalmente en el Centro Nacional de Investigación en Energía y Materiales (CNPEM), en Campinas, con el apoyo de una beca de la FAPESP para investigadores visitantes. “Según ese concepto, los electrones de la muestra perderían su comportamiento individual y pasarían a actuar como una entidad colectiva”. Capaz ha publicado artículos donde describe simulaciones efectuadas con hasta cuatro láminas de grafeno apiladas, donde dos de ellas se encuentran rotadas.

El nanoscopio es una versión potenciada y con mayor resolución de un espectrómetro Raman asociado a un microscopio de barrido (escaneo) por sonda, que se utiliza para generar imágenes a nivel atómico. Puede “escrutar” estructuras tan diminutas como 10 nanómetros, donde caben unos 50 a 70 átomos de carbono según la molécula y la fase (estado de la materia) en la que se encuentren. “Nuestro dispositivo tiene una eficiencia ente 10 y 100 veces mayor que otros equipos comerciales disponibles en el mercado”, dice Jório. La espectroscopía Raman es una técnica no destructiva en la que se emplea la luz para realizar análisis fisicoquímicos de un compuesto. Su base analítica deriva de las interacciones de la luz con las vibraciones moleculares de un material.

Concretamente, la técnica funciona del siguiente modo: se ilumina una muestra con una fuente de luz láser y se observa el patrón de dispersión de la luz que incidió sobre el objeto de estudio. La mayor parte de la radiación dispersa tendrá la misma frecuencia que la luz emitida. Sin embargo, una pequeña parte exhibirá diferentes longitudes de onda (colores). A partir de las características de esta porción diferenciada de luz dispersa, pueden inferirse ciertas propiedades del material, tales como su estructura, fase e interacciones moleculares. El indio Chandrasekhara Venkata Raman (1888-1970) ganó el Premio Nobel de Física en 1930 por haber descubierto este efecto de dispersión de la luz (de ahí el nombre de la técnica).

Cassiano Rabelo Las propiedades de otros materiales 2D, como en el caso de las hojas de trióxido de molibdeno del dibujo de al lado, también se ven alteradas por la rotación de una de sus capasCassiano Rabelo

El nanoscopio comienza su trabajo alumbrando un área circular de aproximadamente un micrón, el equivalente a mil nanómetros, de diámetro. A continuación, por medio de una nanoantena con una punta de 10 nanómetros de diámetro, el dispositivo realiza una especie de escaneo de esa zona, 100 veces más pequeña que la iluminada inicialmente. Este barrido de la superficie de la muestra registra las fuerzas de Van der Waals, un tipo de interacción débil entre átomos y moléculas, y a la luz difundida localmente, y permite reconstruir, a partir de estas mediciones, una imagen del material. La resolución máxima de la técnica viene determinada por el tamaño de la punta de la nanoantena. El uso de la nanoantena, que tiene forma piramidal y fue desarrollada en la UFMG y en el Inmetro, es el elemento distintivo del equipo. Sin ella no sería posible llegar a la resolución final alcanzada. Esto se debe a que la resolución máxima de los microscopios ópticos convencionales es, debido a las limitaciones físicas del fenómeno de difracción de la luz, de unos 500 nanómetros.

El grafeno, descubierto en 2004 por Andre Geim y Konstantin Novoselov, dos físicos rusos de la Universidad de Manchester, en el Reino Unido que, por este logro, ganarían el Premio Nobel en 2010, es uno de los materiales más simples y sorprendentes que se conocen. Es, al mismo tiempo, liviano, flexible y extremadamente resistente desde el punto de vista mecánico. También es un buen conductor térmico y de la electricidad. Se han comprobado experimentalmente propiedades inesperadas en las diferentes formas en que se presenta el grafeno, puro o en combinación con otros elementos o compuestos químicos. Lo que llama la atención de la twistrónica de las láminas de grafeno y otros materiales bidimensionales que se pueden apilar y girar es la ausencia de la necesidad de promover cambios químicos para conseguir resultados sorprendentes, como la superconductividad, por ejemplo. Para ello, aparentemente basta con rotar correctamente una de las capas.

Las bases de lo que sería la twistrónica se remontan a la segunda mitad de la década pasada. En 2007, el físico teórico brasileño Antônio Castro Neto, actualmente en la Universidad Nacional de Singapur, sugirió que comprimir dos láminas de grafeno ligeramente desalineadas podría generar nuevas propiedades electrónicas. En 2011, Allan MacDonald, de la Universidad de Texas, en Estados Unidos, propuso que podían producirse cambios electrónicos significativos en dos láminas de grafeno si una de ellas se giraba aproximadamente 1,1 grados, el ángulo mágico de giro (twist). El sector no tuvo un desarrollo muy rápido hasta que, siete años después, uno de sus antiguos alumnos de posgrado, el español Pablo Jarillo-Herrero, registró la superconductividad en experimentos con láminas de grafeno giradas según el ángulo mágico de giro.

“Los trabajos de Jarillo-Herrero significaron un nuevo auge para el área”, comenta el físico teórico Dario Bahamon, del Centro de Investigaciones Avanzadas en Grafeno, Nanomateriales y Nanotecnologías (MackGraphe), de la Universidade Presbiteriana Mackenzie, de São Paulo, apoyado por la FAPESP. Este año, Bahamon publicó junto a colegas de la Universidad Autónoma de Madrid, su primer estudio con láminas de grafeno apiladas, de las cuales una, estaba rotada y alineada con el ángulo mágico. “Simulamos cuál sería la respuesta magnética en esa situación”. Si además de despertar el interés de los teóricos, los físicos experimentales siguen concentrándose en sus laboratorios en las muestras de láminas de grafeno giradas, es posible que surja un pequeño mercado de consumidores potencialmente interesados en un nanoscopio. Al menos este es el deseo de Ado Jório y sus colegas de la UFMG. “He recibido muchas invitaciones para dictar conferencias tras la publicación del artículo en la revista Nature. Existe un gran interés por conocer mejor el dispositivo”, dice Jório.

Proyecto
Resolución atómica en la microscopía de fuerza atómica (nº 20/06257-7); Modalidad Ayuda de Investigación – Investigador Visitante – Brasil; Investigador responsable Adalberto Fazio (CNPEM); Beneficiario Rodrigo Capaz (UFRJ); Inversión R$ 194.320

Artículos científicos
GADELHA, A. C. et al. Localization of lattice dynamics in low-angle twisted bilayer graphene. Nature. v. 590. 18 feb. 2021.
CAO, Y. et al. Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices. Nature. v. 556. 5 abr. 2018.

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