Ciencia de materiales
El efecto acordeón del grafeno impulsa el futuro de la tecnología portátil
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Hace apenas unas dos décadas se descubrió el grafeno. En tan corto período, este “material milagroso” se ha vuelto integral para la electrónica y la tecnología de semiconductores, el almacenamiento de energía, la gestión térmica, la ciencia de materiales y otras industrias.
Desde que los profesores Kostya Novoselov y Andre Geim de la Universidad de Manchester aislaron y caracterizaron el grafeno en 2004, por lo que recibieron el Premio Nobel de Física en 2010, el material ha permanecido como uno de los campos de investigación más emocionantes en electrónica.
El grafeno es un material bidimensional (2D) que consiste en una lámina extremadamente delgada de una sola capa de átomos de carbono. Muestra propiedades notables, incluyendo su ligereza, muy alta conductividad eléctrica y gran resistencia mecánica.
Ahora, los investigadores han descubierto una nueva propiedad del grafeno usando un método único.
El efecto acordeón: hacer que el grafeno sea muy extensible
Dirigido por Jani Kotakoski, el equipo de físicos de la Universidad de Viena ha hecho que el grafeno, por primera vez, sea sustancialmente más extensible al manipularlo como un acordeón. Esta nueva propiedad se reveló en un entorno de medición limpio y sin aire.
Las ondulaciones en el grafeno lo hacen extensible, allanando el camino para su uso en dispositivos portátiles, donde los materiales deben doblarse y moverse con el cuerpo mientras siguen funcionando de manera fiable.
Publicado en la revista Physical Review Letters1, el estudio se realizó en colaboración con la Universidad Técnica de Viena y fue financiado por el Fondo Austriaco de Ciencia (FWF).
El equipo de investigadores llevó a cabo experimentos que aclararon que la extrema rigidez del grafeno se debe a los átomos del material dispuestos en forma de panal; por lo tanto, eliminar algunos de los átomos junto con sus enlaces reduce su rigidez.
Los estudios científicos han reportado contradicciones; tanto una ligera reducción como un aumento significativo.
El estudio más reciente dejó esto muy claro gracias al uso de dispositivos avanzados, que compartían el mismo entorno limpio y sin aire. Según Katokoshi:
“Este sistema único que hemos desarrollado en la Universidad de Viena nos permite examinar materiales 2D sin interferencias.”
El entorno limpio y sin aire permite que las muestras se transporten entre los diferentes dispositivos sin exponerlas al aire ambiente.
“Por primera vez se ha llevado a cabo este tipo de experimento con el grafeno completamente aislado del aire ambiente y de las partículas extrañas que contiene. Sin esta separación, esas partículas se depositarían rápidamente en la superficie, afectando el procedimiento experimental y las mediciones.”
– El primer autor del estudio, Wael Joudi
Este enfoque en la limpieza de la superficie del material resultó en la revelación del efecto acordeón asociado a la rigidez del grafeno.
Eliminar dos átomos vecinos ya provoca una protuberancia notable del material inicialmente plano. Varias de estas protuberancias juntas conducen a una corrugación del material.
“Puedes imaginarlo como un acordeón. Cuando se separa, el material ondulado se aplana, lo que requiere mucho menos fuerza que estirar el material plano y, por lo tanto, se vuelve más extensible.”
– Joudi
La formación de ondas y la subsecuente extensibilidad han sido confirmadas por las simulaciones realizadas por Florian Libisch y Rika Saskia Windisch, físicos teóricos de la Universidad Técnica de Viena.
El estudio reportó observar que la resistencia del material a deformarse elásticamente disminuyó de 286 a 158 N/m. La disminución es “significativamente mayor” que no solo lo predicho por la mayoría de los estudios, sino también en contraste con algunas mediciones presentadas, debido a las corrugaciones producidas por la tensión local en vacantes con al menos dos átomos faltantes.
Los experimentos realizados por el equipo demostraron “que el efecto opuesto puede medirse cuando la contaminación de la superficie no se elimina antes de la ingeniería de defectos”.
Así, las partículas extrañas en la superficie del material suprimen este efecto e incluso crean un resultado opuesto. En particular, la influencia de estas partículas hizo que el grafeno pareciera aún más rígido, lo que aclara las contradicciones reportadas por experimentos anteriores. Según Joudi:
“Esto muestra la importancia del entorno de medición al trabajar con materiales 2D. Los resultados abren una vía para regular la rigidez del grafeno y, por lo tanto, allanan el camino para aplicaciones potenciales.”
Empujando los límites del grafeno con descubrimientos de vanguardia
La tecnología portátil es una industria en auge, proyectada a superar los 150 mil millones de dólares antes de que termine la década.
Un componente clave de los dispositivos portátiles como relojes inteligentes, anillos, gafas, bandas de muñeca, tatuajes inteligentes, joyería, textiles, vendajes, mascarillas y reguladores de glucosa en tiempo real son los sensores, que facilitan la detección de biométricos, recopilan datos y luego se adaptan a los requerimientos del cuerpo.
El rápido desarrollo de dispositivos eléctricos flexibles y perceptibles ha llevado a sensores portátiles basados en grafeno, notables por su gran potencial para hacer que las instalaciones de salud sean más accesibles y mejorar la calidad de las actividades de detección.
A diferencia de los semiconductores tradicionales, que son rígidos y tienen propiedades optoelectrónicas limitadas, y de los metales, que pueden ser costosos, tóxicos y experimentar degradación bajo tensiones mecánicas, las propiedades inherentes del grafeno lo hacen altamente adecuado para construir dispositivos portátiles de bajo costo y multifuncionales.
El estudio más reciente nos ha mostrado la increíble capacidad del material en estos dispositivos gracias al aumento dramático de su extensibilidad. Pero no es la primera vez; a lo largo de los años, muchos estudios han investigado el papel del grafeno en portátiles por diversas razones y han realizado numerosos descubrimientos al respecto.
Sensor de deformación portátil basado en grafeno
El año pasado, los investigadores desarrollaron2 un sensor de deformación portátil usando grafeno que puede detectar y transmitir habla silenciosa.
El collar “inteligente” construido por investigadores de la Universidad de Cambridge captura micromovimientos en la garganta, que son detectados por el sensor de deformación como una señal eléctrica y luego alimentados a modelos de software para su procesamiento y reconocimiento de voz. Incluso puede captar palabras pronunciadas en silencio y transmitirlas.
El dispositivo tiene una estructura distinta, con grietas ordenadas y exhaustivas en textiles recubiertos de grafeno, lo que mejora significativamente la sensibilidad. La capa de grafeno estructurada se aplicó sobre un sensor de deformación textil integrado.
El método de fabricación de la tecnología también es simple, escalable, de bajo costo y biocompatible. El dispositivo es adaptable a un uso prolongado y puede soportar más de 10 000 ciclos de estiramiento‑liberación manteniendo una funcionalidad eléctrica estable y fiable.
Al responder dinámicamente a los micromovimientos de la garganta, puede capturar señales de habla ricas en información, que se procesan mediante una red neuronal, con una precisión récord del 95,25 % en la decodificación del habla.
Según los investigadores, el dispositivo tiene el potencial de redefinir el campo de la interfaz de habla silenciosa (SSI), que implica soluciones de vanguardia para permitir la comunicación verbal sin vocalización.
Combinando grafeno con seda para electrónica flexible
En otro estudio, investigadores del Departamento de Energía del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) desarrollaron una capa 2D uniforme de “fibroinas” o fragmentos de proteína de seda sobre grafeno.
El uso de proteína de seda en electrónica de diseño no es nuevo, pero está limitado porque las fibras de seda forman un enredo desordenado. De ahí la incorporación del grafeno.
Seda‑sobre‑grafeno podría crear un transistor sensible y ajustable muy buscado para sensores de salud y portátiles. Incluso puede servir como pieza crucial en “memristores” que se usan en redes neuronales y permiten que las computadoras imiten el funcionamiento del cerebro humano.
La seda ha sido objeto de mucha investigación como medio para modular señales electrónicas, pero lograr control no es fácil. Por ello, el equipo de PNNL controló cuidadosamente las condiciones de reacción añadiendo individualmente fibras de seda al sistema acuoso que creó una capa 2D altamente organizada de proteínas empaquetadas en láminas β paralelas.
Este es solo el primer paso en el recubrimiento controlado de seda sobre componentes electrónicos funcionales, con investigaciones futuras enfocadas en mejorar la estabilidad y conductividad de los circuitos integrados con seda.
Un implante de “tatuaje” de grafeno para tratar latidos irregulares
Mientras tanto, investigadores de la Universidad de Texas en Austin (UT) y de la Universidad Northwestern desarrollaron el primer implante cardíaco usando grafeno para tratar la arritmia cardíaca.
Estos trastornos ocurren cuando el corazón late demasiado lento o demasiado rápido, y en muchos casos pueden conducir a accidente cerebrovascular, insuficiencia cardíaca e incluso muerte súbita. Para tratar la arritmia, los médicos suelen usar marcapasos implantables que detectan latidos irregulares y utilizan estimulación eléctrica para corregir el ritmo.
Estos dispositivos requieren materiales duros y rígidos que no son mecánicamente compatibles con el cuerpo y, por lo tanto, son difíciles de fijar a la superficie del corazón. Pueden causar incomodidad temporal, dañar tejidos blandos, restringir movimientos naturales e inducir complicaciones.
A diferencia de estos, el nuevo implante biocompatible creado es un “tatuaje” de grafeno, que en apariencia es similar a un tatuaje temporal. Es más delgado que un solo cabello, pero funciona como un marcapasos clásico.
El nuevo dispositivo delgado se adhiere suavemente al corazón para tanto detectar como tratar latidos irregulares. Es lo suficientemente flexible para adaptarse a los delicados contornos del corazón y lo suficientemente fuerte para soportar los movimientos dinámicos de un corazón que late.
“Por razones de biocompatibilidad, el grafeno es particularmente atractivo. El carbono es la base de la vida, por lo que es un material seguro que ya se utiliza en diferentes aplicaciones clínicas. Además, es flexible y blando, lo que funciona bien como interfaz entre la electrónica y un órgano blando y mecánicamente activo.”
– Autor principal Igor Efimov
Para encapsular el tatuaje de grafeno y lograr que se adhiera a la superficie de un corazón que late, el grafeno se encapsuló dentro de una membrana elástica de silicona con un agujero para acceder al electrodo de grafeno. Luego se colocó una cinta de oro de 10 micrones de espesor sobre la capa encapsulante como conexión entre el grafeno y la electrónica externa utilizada para medir y estimular el corazón.
El grosor total resultante del dispositivo fue de aproximadamente 100 micrómetros, y mantuvo estabilidad durante 60 días, comparable a la duración de los marcapasos temporales.
Para probar el dispositivo, los investigadores lo implantaron en una rata y descubrieron que puede detectar con éxito ritmos cardíacos irregulares y luego proporcionar estimulación eléctrica mediante una serie de pulsos sin afectar los movimientos naturales del corazón.
Cabe destacar que la tecnología es ópticamente transparente, lo que significa que los investigadores pueden usar una fuente externa de luz óptica para registrar y estimular el corazón a través del dispositivo. Esto ofrece un enfoque novedoso para identificar y tratar enfermedades cardíacas y crea nuevas oportunidades para la optogenética.
Incluso el grafeno imperfecto tiene grandes beneficios
Hace menos de dos años, investigadores de la Universidad Técnica de Viena realmente desarrollaron un modelo computacional de estructuras realistas de grafeno, que mostró que las excelentes propiedades electrónicas del grafeno son muy estables. Esto significa que incluso piezas de grafeno no tan perfectas pueden usarse para aplicaciones tecnológicas.
Así, la propagación de corriente eléctrica del grafeno se calcula a escala atómica en una pieza realmente pequeña. El profesor Florian Libisch del Instituto de Física Teórica de la TU Wien explicó en ese momento que los electrones tienen varias formas diferentes de moverse a través del material, y no solo eso, pueden tomar varios caminos al mismo tiempo, los cuales pueden superponerse de distintas maneras.
Los caminos se cancelan entre sí en valores de energía muy específicos, en los que la probabilidad de que los electrones atraviesen la pieza de grafeno es extremadamente baja y la corriente eléctrica es mínima, lo que se denomina “interferencia destructiva”.
La disminución dramática del flujo de corriente en valores de energía muy específicos es “un efecto altamente deseable tecnológicamente”, que puede usarse para procesar información a escala diminuta, al igual que los componentes electrónicos en los chips de computadora, y para el desarrollo de nuevos sensores cuánticos.
No es tan simple, sin embargo, ya que el tamaño y la forma de la pieza de grafeno no siempre son los mismos. Otros factores como átomos no deseados, átomos temblorosos y la gran cantidad de interacciones entre varios electrones, que son muy difíciles de calcular, deben tenerse en cuenta para “describir el material grafeno de manera verdaderamente realista”.
Por lo tanto, los investigadores combinaron sus años de experiencia en describir con precisión diferentes efectos en materiales en modelos computacionales para desarrollar un modelo integral que incluye todas las fuentes de error y efectos de perturbación relevantes que existen en los grafos. Esto les permitió demostrar que los efectos deseados son visibles incluso cuando existen fuentes de error.
El estudio ha sido importante al demostrar el potencial de usar efectos cuánticos en grafeno de manera controlada.
Convertir el grafeno en diminutos imanes
En medio de todo esto, expertos alemanes añadieron otro aspecto a las diversas propiedades del grafeno que mostró el potencial del material en interruptores magnéticos y dispositivos de almacenamiento.
Investigadores de la Universidad de Duisburg‑Essen (UDE) realizaron experimentos en el Helmholtz‑Zentrum Dresden‑Rossendorf (HZDR), donde dispararon pulsos cortos de terahercios (THz) a diminutos discos del material, que brevemente los convirtieron en imanes muy fuertes. Este descubrimiento podría ser útil para desarrollar futuros interruptores magnéticos y dispositivos de almacenamiento.
Lo que los científicos hicieron aquí fue utilizar métodos de semiconductores existentes para colocar miles de discos de grafeno del tamaño de micrómetros (μm) en un pequeño chip, que luego se sometió a pulsos cortos de terahercios, el tipo de radiación que se sitúa entre la microondas y el infrarrojo.
Para la fuente de luz, usaron un láser de electrones libres FELBE en el HZDR que puede producir pulsos de terahercios ultra‑intensos.
Además de los discos de grafeno del tamaño de micrómetros que se convierten en electroimanes, el equipo incluso generó campos magnéticos en el rango de 0,5 Tesla (TSLA ), aproximadamente 10 000 veces el campo magnético de la Tierra, que solo duró diez picosegundos o una cienmilésima de milmillonésima de segundo.
Para lograr este éxito, sin embargo, los investigadores tuvieron que polarizar los destellos de terahercios de una manera particular. Aquí, ópticas especializadas alteraron la dirección de la oscilación de la radiación para que se moviera helicoidalmente a través del espacio.
Cuando los destellos polarizados circularmente inciden sobre los diminutos discos, los electrones libres en ellos comienzan a girar, lo que básicamente convierte los discos en pequeños electroimanes.
El proceso simple y altamente eficiente, según los investigadores, podría usarse en experimentos científicos para obtener una comprensión más detallada de las propiedades de los materiales. Notablemente, el campo magnético permaneció unipolar, lo que lo hace beneficioso para ciertos experimentos.
En el futuro, estos diminutos imanes podrían incluso encontrar aplicación en tecnología de almacenamiento magnético y espintrónica.
Invertir en grafeno
Una empresa que destaca en el sector del grafeno es CVD Equipment Corporation (CVV ). La empresa diseña y fabrica sistemas utilizados en deposición química de vapor, una técnica clave para producir grafeno de alta calidad. Y a medida que las industrias continúan explorando aplicaciones reales del grafeno, especialmente en electrónica y ciencia de materiales, el enfoque especializado de CVD podría darle una ventaja estratégica a medida que la demanda escala.
CVD Equipment Corporation (CVV )
La empresa estadounidense CVD Equipment desarrolla sistemas de deposición química de vapor (CVD), que se utilizan para crear materiales avanzados como el grafeno, así como recubrimientos empleados en energía, aeroespacial y otras industrias.
También ofrece I+D de grafeno y equipos de producción especializados para producir grafeno de alta calidad a escala.
La compañía opera a través de dos segmentos. El primero es CVD Equipment, que diseña y fabrica equipos de transporte de vapor físico, deposición química de vapor y procesos térmicos. El segundo es Stainless Design Concepts (SDC), cuyo enfoque está en sistemas de control de entrega de gases y productos químicos de ultra alta pureza.
CVV Gráfico de precios
En cuanto al desempeño del mercado de la acción CVD, al momento de escribir, cotiza a $2.84, con una caída del 34 % en lo que va del año. Con eso, ha alcanzado una capitalización de mercado de $20 millones mientras tiene un EPS (TTM) de -0.28 y un P/E (TTM) de -10.43.
En cuanto a las finanzas de la empresa, CVD reportó ingresos de $26.9 millones para el año completo 2024, un aumento del 11.5 % interanual. Esto se debió principalmente a un incremento en los ingresos de contratos aeroespaciales en curso, el segmento SDC y los $0.8 millones de ventas finales del segmento MesoScribe, que cerró sus operaciones el año pasado.
El margen de beneficio bruto de CVD Equipment subió un 2.6 % a 23.6 % en 2024. La pérdida operativa del período fue de $2.4 millones, y la pérdida neta fue de $1.9 millones, o $0.28 por acción básica y diluida.
El año pasado, la compañía también vio un aumento del 8.9 % en la reserva de nuevos pedidos, que alcanzó $28.1 millones, mientras que el backlog al final del año fue de $19.4 millones.
“Durante 2024 seguimos viendo una recuperación continua de nuestro mercado aeroespacial y de defensa,” dijo el CEO Manny Lakios, al tiempo que señaló que el mercado de carburo de silicio sigue “desafiante debido a la sobrecapacidad y la caída global de los precios de los obleas.”
Últimas noticias sobre CVD Equipment Corporation
Conclusión
Conocido por ser ligero, flexible, resistente y poseer alta conductividad eléctrica, el grafeno ha sido investigado y utilizado extensamente para aplicaciones en los sectores de energía, electrónica y salud.
Como señalamos anteriormente, varios desarrollos emocionantes, como collares de habla silenciosa y tatuajes de monitorización cardíaca, están expandiendo constantemente el mundo del grafeno. Ahora, el último descubrimiento del efecto acordeón en el grafeno añade otra propiedad: mayor extensibilidad, lo que muestra la compatibilidad del material mágico con los dispositivos portátiles.
Combinado con sus superiores propiedades eléctricas, mecánicas y biocompatibles, el grafeno es un material altamente prometedor para impulsar la próxima generación de wearables inteligentes.
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Estudios referenciados:
1. Joudi, W., Windisch, R. S., Trentino, A., Propst, D., Madsen, J., Susi, T., Mangler, C., Mustonen, K., Libisch, F., & Kotakoski, J. (2025). **Ablandamiento mecánico dominado por corrugación en grafeno con defectos de ingeniería**. Physical Review Letters, 134(16), 166102. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.166102
2. Tang, C., Xu, M., Yi, W., Zhang, Y., Wang, J., Li, H., & Zhao, Y. (2024). **Sensores de deformación textiles ultrasensibles redefinen interfaces de habla silenciosa portátiles con alta eficiencia de aprendizaje automático**. NPJ Flexible Electronics, 8, 27. https://doi.org/10.1038/s41528-024-00315-1
