{"id":397578,"date":"2021-07-05T15:11:35","date_gmt":"2021-07-05T18:11:35","guid":{"rendered":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/?p=397578"},"modified":"2021-07-05T16:28:42","modified_gmt":"2021-07-05T19:28:42","slug":"el-giro-del-grafeno","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/el-giro-del-grafeno\/","title":{"rendered":"El giro del grafeno"},"content":{"rendered":"

A principios de 2018, en un par de art\u00edculos que aparecieron publicados simult\u00e1neamente en la revista Nature<\/em>, el grupo de investigaci\u00f3n del f\u00edsico espa\u00f1ol Pablo Jarillo-Herrero demostr\u00f3 emp\u00edricamente que al superponer dos l\u00e1minas de grafeno, unas estructuras peculiares de un \u00e1tomo de espesor que se asemejan a una cadena de colmenas de carbono interconectadas, y al girar muy sutilmente una de las l\u00e1minas con respecto a la otra, ello pod\u00eda generar dos efectos diametralmente opuestos que dependen solamente de la densidad de los electrones presentes en el sistema. Para ciertos valores de ese par\u00e1metro, el material se comportaba como un aislante e imped\u00eda el paso de una corriente el\u00e9ctrica. Sin embargo, si adem\u00e1s de desalinear una de las capas de grafeno en un giro hasta un \u00e1ngulo de 1,1 grado, el equipo de investigadores del Massachusetts Institute of Technology (MIT), de Estados Unidos, aumentaba levemente la cantidad de electrones, las l\u00e1minas pasaban a comportarse como un superconductor y la corriente el\u00e9ctrica flu\u00eda\u00a0sin ninguna resistencia a trav\u00e9s del material.<\/p>\n

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 d\u00e9cada de 2000 despuntaba en forma te\u00f3rica y hasta ahora no hab\u00eda generado nada importante en un laboratorio: la twistr\u00f3nica, es decir, el estudio de los efectos producidos por el hecho de girar una de las l\u00e1minas de un sistema conformado por dos o m\u00e1s capas de grafeno o de otros materiales con solo dos dimensiones, tales como el sulfuro de molibdeno (MoS2<\/sub>) y el nitruro de boro (BN). A mediados de febrero de este a\u00f1o, un equipo coordinado por investigadores de la Universidad Federal de Minas Gerais (UFMG) present\u00f3 un dispositivo \u00f3ptico que puede ser fundamental para entender el funcionamiento de la twistr\u00f3nica.<\/p>\n

En un art\u00edculo que gan\u00f3 la portada de la revista Nature<\/em>, en la edici\u00f3n que sali\u00f3 al p\u00fablico el 18 de ese mes, el grupo que lidera el f\u00edsico Ado J\u00f3rio describi\u00f3 el funcionamiento del nanoscopio, un instrumento que produce im\u00e1genes a escala at\u00f3mica de lo que ocurre en el interior de estructuras tales como un par de l\u00e1minas de grafeno deliberadamente desalineadas. \u201cCon el nanoscopio, podemos ver d\u00f3nde se encuentran los estados vibracionales de las hojas de grafeno rotadas y tratar de entender sus propiedades electr\u00f3nicas locales\u201d, explica el investigador de la UFMG. \u201cNo se trata solamente de un equipo que produce im\u00e1genes de alta resoluci\u00f3n, sino de una herramienta \u00fatil para entender la twistr\u00f3nica\u201d.<\/p>\n

El trabajo est\u00e1 firmado por 13 investigadores y estudiantes\u00a0 de posgrado de la UFMG, otros dos colegas brasile\u00f1os \u2013uno de la Universidad Federal de Bah\u00eda (UFBA) y otro del Instituto Nacional de Metrolog\u00eda, Calidad y Tecnolog\u00eda (Inmetro), de Brasilia\u2013 y ocho coautores de instituciones de Jap\u00f3n, B\u00e9lgica y Estados Unidos. El estudio incluye los resultados de las mediciones efectuadas con el nanoscopio en dos l\u00e1minas 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 gir\u00f3 en varios \u00e1ngulos de alrededor de 1,1 grados, un valor que la comunidad acad\u00e9mica apod\u00f3 como el \u00e1ngulo m\u00e1gico.<\/p>\n

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Leo Drumond\/Nitro<\/span><\/a> Los cient\u00edficos de la UFMG prueban el nanoscopioLeo Drumond\/Nitro<\/span><\/p><\/div>\n

Hasta ahora se han fabricado cuatro nanoscopios. Dos est\u00e1n en la UFMG, uno en la Universidad Federal de Cear\u00e1 (UFC) y un cuarto en el Inmetro. Ahora mismo se est\u00e1n ensamblando dos unidades del prototipo precomercial del dispositivo, que deber\u00edan estar listas a mediados de este a\u00f1o. Con miras a un posible mercado para la venta del aparato a laboratorios de investigaci\u00f3n y empresas, se han solicitado nueve patentes relacionadas con el nanoscopio en Brasil, dos de ellas tambi\u00e9n en el extranjero. Los derechos de producci\u00f3n comercial del dispositivo, que ser\u00e1n compartidos por la UFMG y las entidades que financiaron las investigaciones, probablemente ser\u00e1n transferidos a una peque\u00f1a empresa que naci\u00f3 del trabajo del equipo de J\u00f3rio y hoy en d\u00eda coordinan tres exalumnos de posgrado de la universidad de Minas Gerais, la spin-off<\/em> \u00a0bautizada como F\u00e1brica de Nanossolu\u00e7\u00f5es (FabNS).<\/p>\n

\u201cCuando arrancamos, en 2018, alrededor del 70 % de los componentes del nanoscopio se importaba y el 30 % era de ac\u00e1\u201d, comenta Cassiano Rabelo, doctor en ingenier\u00eda el\u00e9ctrica, otro de los coautores del estudio y uno de los socios de FabNS. \u201cHoy en d\u00eda, probablemente sea al rev\u00e9s. Pero lo m\u00e1s importante es el conocimiento que tenemos sobre la construcci\u00f3n del dispositivo\u201d. J\u00f3rio estima que un nanoscopio podr\u00eda venderse por 250.000 euros, alrededor de 1,6 millones de reales, una vez que el producto cuente con la aprobaci\u00f3n de clientes clave. \u201cEs seguro que el aparato todav\u00eda deber\u00e1 mejorarse y la informaci\u00f3n generada por los primeros compradores ser\u00e1 muy \u00fatil para perfeccionar el nanoscopio\u201d, pondera J\u00f3rio.<\/p>\n

El desarrollo espec\u00edfico del dispositivo comercial comenz\u00f3 en 2018, pero la iniciativa tecnol\u00f3gica sac\u00f3 partido de las inversiones realizadas por el Consejo Nacional de Desarrollo Cient\u00edfico y Tecnol\u00f3gico (CNPq) desde mediados de la d\u00e9cada de 2000 en investigaciones en los campos de la nanotecnolog\u00eda y el grafeno que llev\u00f3 a cabo el grupo de la UFMG. La financiaci\u00f3n de esta versi\u00f3n del equipo cont\u00f3 con el apoyo de la Compa\u00f1\u00eda de Desarrollo de Minas Gerais (Codemge), una empresa p\u00fablica que solvent\u00f3 la construcci\u00f3n de una planta piloto de grafeno en el estado. El proyecto tambi\u00e9n se benefici\u00f3 del acuerdo firmado con dos unidades de la Empresa Brasile\u00f1a de Investigaci\u00f3n e Innovaci\u00f3n Industrial (Embrapii): la ubicada en el Departamento de Ciencias de la Computaci\u00f3n de la UFMG, que dise\u00f1\u00f3 el software<\/em> de control y an\u00e1lisis que utiliza el nanoscopio, y el Senai-Cimatec, de la ciudad de Salvador, que desarroll\u00f3 partes del hardware<\/em>.<\/p>\n

En los sistemas formados por capas sucesivas de materiales bidimensionales, como son estos con dos o m\u00e1s l\u00e1minas 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 electr\u00f3nicas, y dar lugar a la superconductividad. Esta desviaci\u00f3n de una de las l\u00e1minas de grafeno superpuestas genera im\u00e1genes dentro de un patr\u00f3n de interferencia que la f\u00edsica, la matem\u00e1tica y las artes visuales denominan como sistema muar\u00e9, que est\u00e1 definido por franjas claras y oscuras, similar a la ilustraci\u00f3n de las l\u00e1minas de grafeno superpuestas en la p\u00e1gina que abre este reportaje. En la impresi\u00f3n gr\u00e1fica, se genera una figura de color mediante la superposici\u00f3n 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 dem\u00e1s, la imagen queda fuera de registro y surge lo que se conoce como patr\u00f3n de muar\u00e9. Lo que en las artes gr\u00e1ficas es un error puede que sea un \u00e9xito o, al menos, un campo de estudio fascinante de la twistr\u00f3nica.<\/p>\n

La propiedad intelectual del nanoscopio concebido en la UFMG est\u00e1 protegida por nueve patentes<\/p><\/blockquote>\n

El desalineado de una de las l\u00e1minas de grafeno en la medida adecuada para que aparezcan nuevas propiedades no es un proceso trivial. \u201cEsta es una de las partes m\u00e1s dif\u00edciles de nuestro trabajo\u201d, comenta el f\u00edsico Andreij Gadelha, primer autor del art\u00edculo de la revista Nature<\/em>, que concluy\u00f3 su doctorado en la UFMG en 2019. Se requiere cierta destreza manual para acertar con el \u00e1ngulo m\u00e1gico. Los investigadores utilizan controles \u00f3pticos que requieren literalmente una mano humana para lograr el \u00e1ngulo de desplazamiento deseado. \u201cTard\u00e9 un a\u00f1o en aprender a dominar la t\u00e9cnica\u201d, relata Gadelha. Sin embargo, los sistemas con capas de materiales bidimensionales a veces desbaratan espont\u00e1neamente esa m\u00ednima rotaci\u00f3n y sus hojas vuelven a yuxtaponerse perfectamente, poniendo fin al \u00e1ngulo m\u00e1gico.<\/p>\n

No existe una explicaci\u00f3n consensuada de por qu\u00e9 el desplazamiento de una de las capas de las estructuras bidimensionales altera las caracter\u00edsticas del material. En el caso de la superconductividad, se especula que las interacciones entre los electrones y los modos de vibraci\u00f3n interna, asociados a fen\u00f3menos cu\u00e1nticos que a\u00fan no se entienden demasiado, cambian significativamente debido a esa modificaci\u00f3n de la arquitectura entre las capas de los materiales bidimensionales. \u201cUna de las explicaciones para los efectos twistr\u00f3nicos hace referencia a la teor\u00eda de la correlaci\u00f3n electr\u00f3nica\u201d, explica el f\u00edsico Rodrigo Capaz, de la Universidad Federal de R\u00edo de Janeiro (UFRJ), quien desde el mes de octubre pasado trabaja temporalmente en el Centro Nacional de Investigaci\u00f3n en Energ\u00eda y Materiales (CNPEM), en Campinas, con el apoyo de una beca de la FAPESP para investigadores visitantes. \u201cSeg\u00fan ese concepto, los electrones de la muestra perder\u00edan su comportamiento individual y pasar\u00edan a actuar como una entidad colectiva\u201d. Capaz ha publicado art\u00edculos donde describe simulaciones efectuadas con hasta cuatro l\u00e1minas de grafeno apiladas, donde dos de ellas se encuentran rotadas.<\/p>\n

El nanoscopio es una versi\u00f3n potenciada y con mayor resoluci\u00f3n de un espectr\u00f3metro Raman asociado a un microscopio de barrido (escaneo) por sonda, que se utiliza para generar im\u00e1genes a nivel at\u00f3mico. Puede \u201cescrutar\u201d estructuras tan diminutas como 10 nan\u00f3metros, donde caben unos 50 a 70 \u00e1tomos de carbono seg\u00fan la mol\u00e9cula y la fase (estado de la materia) en la que se encuentren. \u201cNuestro dispositivo tiene una eficiencia ente 10 y 100 veces mayor que otros equipos comerciales disponibles en el mercado\u201d, dice J\u00f3rio. La espectroscop\u00eda Raman es una t\u00e9cnica no destructiva en la que se emplea la luz para realizar an\u00e1lisis fisicoqu\u00edmicos de un compuesto. Su base anal\u00edtica deriva de las interacciones de la luz con las vibraciones moleculares de un material.<\/p>\n

Concretamente, la t\u00e9cnica funciona del siguiente modo: se ilumina una muestra con una fuente de luz l\u00e1ser y se observa el patr\u00f3n de dispersi\u00f3n de la luz que incidi\u00f3 sobre el objeto de estudio. La mayor parte de la radiaci\u00f3n dispersa tendr\u00e1 la misma frecuencia que la luz emitida. Sin embargo, una peque\u00f1a parte exhibir\u00e1 diferentes longitudes de onda (colores). A partir de las caracter\u00edsticas de esta porci\u00f3n 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) gan\u00f3 el Premio Nobel de F\u00edsica en 1930 por haber descubierto este efecto de dispersi\u00f3n de la luz (de ah\u00ed el nombre de la t\u00e9cnica).<\/p>\n

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Cassiano Rabelo<\/span><\/a> Las propiedades de otros materiales 2D, como en el caso de las hojas de tri\u00f3xido de molibdeno del dibujo de al lado, tambi\u00e9n se ven alteradas por la rotaci\u00f3n de una de sus capasCassiano Rabelo<\/span><\/p><\/div>\n

El nanoscopio comienza su trabajo alumbrando un \u00e1rea circular de aproximadamente un micr\u00f3n, el equivalente a mil nan\u00f3metros, de di\u00e1metro. A continuaci\u00f3n, por medio de una nanoantena con una punta de 10 nan\u00f3metros de di\u00e1metro, el dispositivo realiza una especie de escaneo de esa zona, 100 veces m\u00e1s peque\u00f1a que la iluminada inicialmente. Este barrido de la superficie de la muestra registra las fuerzas de Van der Waals, un tipo de interacci\u00f3n d\u00e9bil entre \u00e1tomos y mol\u00e9culas, y a la luz difundida localmente, y permite reconstruir, a partir de estas mediciones, una imagen del material. La resoluci\u00f3n m\u00e1xima de la t\u00e9cnica viene determinada por el tama\u00f1o 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 ser\u00eda posible llegar a la resoluci\u00f3n final alcanzada. Esto se debe a que la resoluci\u00f3n m\u00e1xima de los microscopios \u00f3pticos convencionales es, debido a las limitaciones f\u00edsicas del fen\u00f3meno de difracci\u00f3n de la luz, de unos 500 nan\u00f3metros.<\/p>\n

El grafeno, descubierto en 2004 por Andre Geim y Konstantin Novoselov, dos f\u00edsicos rusos de la Universidad de Manchester, en el Reino Unido que, por este logro, ganar\u00edan el Premio Nobel en 2010, es uno de los materiales m\u00e1s simples y sorprendentes que se conocen. Es, al mismo tiempo, liviano, flexible y extremadamente resistente desde el punto de vista mec\u00e1nico. Tambi\u00e9n es un buen conductor t\u00e9rmico y de la electricidad. Se han comprobado experimentalmente propiedades inesperadas en las diferentes formas en que se presenta el grafeno, puro o en combinaci\u00f3n con otros elementos o compuestos qu\u00edmicos. Lo que llama la atenci\u00f3n de la twistr\u00f3nica de las l\u00e1minas de grafeno y otros materiales bidimensionales que se pueden apilar y girar es la ausencia de la necesidad de promover cambios qu\u00edmicos para conseguir resultados sorprendentes, como la superconductividad, por ejemplo. Para ello, aparentemente basta con rotar correctamente una de las capas.<\/p>\n

Las bases de lo que ser\u00eda la twistr\u00f3nica se remontan a la segunda mitad de la d\u00e9cada pasada. En 2007, el f\u00edsico te\u00f3rico brasile\u00f1o Ant\u00f4nio Castro Neto, actualmente en la Universidad Nacional de Singapur, sugiri\u00f3 que comprimir dos l\u00e1minas de grafeno ligeramente desalineadas podr\u00eda generar nuevas propiedades electr\u00f3nicas. En 2011, Allan MacDonald, de la Universidad de Texas, en Estados Unidos, propuso que pod\u00edan producirse cambios electr\u00f3nicos significativos en dos l\u00e1minas de grafeno si una de ellas se giraba aproximadamente 1,1 grados, el \u00e1ngulo m\u00e1gico de giro (twist<\/em>). El sector no tuvo un desarrollo muy r\u00e1pido hasta que, siete a\u00f1os despu\u00e9s, uno de sus antiguos alumnos de posgrado, el espa\u00f1ol Pablo Jarillo-Herrero, registr\u00f3 la superconductividad en experimentos con l\u00e1minas de grafeno giradas seg\u00fan el \u00e1ngulo m\u00e1gico de giro.<\/p>\n

\u201cLos trabajos de Jarillo-Herrero significaron un nuevo auge para el \u00e1rea\u201d, comenta el f\u00edsico te\u00f3rico Dario Bahamon, del Centro de Investigaciones Avanzadas en Grafeno, Nanomateriales y Nanotecnolog\u00edas (MackGraphe), de la Universidade Presbiteriana Mackenzie, de S\u00e3o Paulo, apoyado por la FAPESP. Este a\u00f1o, Bahamon public\u00f3 junto a colegas de la Universidad Aut\u00f3noma de Madrid, su primer estudio con l\u00e1minas de grafeno apiladas, de las cuales una, estaba rotada y alineada con el \u00e1ngulo m\u00e1gico. \u201cSimulamos cu\u00e1l ser\u00eda la respuesta magn\u00e9tica en esa situaci\u00f3n\u201d. Si adem\u00e1s de despertar el inter\u00e9s de los te\u00f3ricos, los f\u00edsicos experimentales siguen concentr\u00e1ndose en sus laboratorios en las muestras de l\u00e1minas de grafeno giradas, es posible que surja un peque\u00f1o mercado de consumidores potencialmente interesados en un nanoscopio. Al menos este es el deseo de Ado J\u00f3rio y sus colegas de la UFMG. \u201cHe recibido muchas invitaciones para dictar conferencias tras la publicaci\u00f3n del art\u00edculo en la revista Nature<\/em>. Existe un gran inter\u00e9s por conocer mejor el dispositivo\u201d, dice J\u00f3rio.<\/p>\n

Proyecto<\/strong>
\nResoluci\u00f3n at\u00f3mica en la microscop\u00eda de fuerza at\u00f3mica (n\u00ba 20\/06257-7<\/a>); Modalidad<\/strong> Ayuda de Investigaci\u00f3n \u2013 Investigador Visitante \u2013 Brasil; Investigador responsable<\/strong> Adalberto Fazio (CNPEM); Beneficiario <\/strong>Rodrigo Capaz (UFRJ); Inversi\u00f3n<\/strong> R$ 194.320<\/p>\n

Art\u00edculos cient\u00edficos<\/strong>
\nGADELHA, A. C. et al.<\/em> Localization of lattice dynamics in low-angle twisted bilayer graphene<\/a>. Nature.<\/strong> v. 590. 18 feb. 2021.
\nCAO, Y. et al.<\/em> Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices<\/a>. Nature.<\/strong> v. 556. 5 abr. 2018.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"Un aparato brasile\u00f1o registra el sorprendente efecto de las hojas de grafeno desalineadas","protected":false},"author":13,"featured_media":399712,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"_exactmetrics_skip_tracking":false,"_exactmetrics_sitenote_active":false,"_exactmetrics_sitenote_note":"","_exactmetrics_sitenote_category":0,"footnotes":""},"categories":[181],"tags":[304],"coauthors":[101],"class_list":["post-397578","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-ciencia-es","tag-fisica-es"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/397578","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/users\/13"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=397578"}],"version-history":[{"count":5,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/397578\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":399835,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/397578\/revisions\/399835"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/media\/399712"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=397578"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=397578"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=397578"},{"taxonomy":"author","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/coauthors?post=397578"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}