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La mayoría de nuestros dispositivos electrónicos se enfrentan a un problema que sufrimos todos: se calientan al usarlos exhaustivamente y pierden energía, lo que provoca que disminuya su eficiencia. En el mercado hay varias opciones para contrarrestar esta desventaja como los ventiladores para computadoras e incluso existen aplicaciones móviles que regulan la temperatura de un teléfono inteligente. Pero ¿qué pasaría si hubiera un material tan ligero como un átomo y tan fuerte como el acero que evitara estos problemas?

Ese podría ser el grafeno. El grafeno posee una altísima movilidad electrónica sin pérdida de energía, una característica que les valió el Premio Nobel de Física a los físicos rusos André Geim y Konstantin Novoselov, en el 2010. Está constituido apenas por una capa de átomos de carbono extraídos del grafito, y debe mucho sus propiedades a la matriz de donde está siendo extraída.

Un grupo de la Universidad de Leipzig en Alemania, liderados por los profesores Pablo Esquinazi y Ana Melba Champi de la Universidade Federal do ABC en São Paulo, Brasil, reportaron por primera vez una posible superconductividad más allá de la temperatura ambiente en muestras de grafito natural de la Minas de Brasil. Este trabajo está publicado en la revista New Journal of Physics (2016) con el título: "Identification of a possible superconducting transition above room temperature in natural graphite crystals".

Ana Champi, graduada en física por la Universidad Nacional Mayor de San Marcos en Perú, visitó el IFUNAM el 26 de enero para ofrecer un seminario sobre sus avances en materiales de grafeno y grafito que desarrolla en su laboratorio y en colaboración con el grupo de Leipzig.

Sabemos ya que el grafeno es el material más ligero del mundo por tener sólo un átomo de espesor en su estado puro y que es incluso más fuerte que el acero. Pero entre todas las posibles virtudes del material, hay una menos conocida y que ha sido el objeto de estudio de diversos grupos de investigación especialmente en el último año: la superconductividad, la capacidad de un elemento para conducir la electricidad sin perder energía, y rechazando un campo o flujo magnético.

Desde la confirmación del efecto de la superconductividad, se han descubierto muchos materiales superconductores pero la mayoría tienen limitaciones técnicas: algunos son dependientes de tecnología cara y otros no son tan viables para fabricar materiales que ayuden a la vida del humano. La maravilla de tener grafeno superconductor es que se podría usar en aplicaciones tecnológicas inmediatas.

El asunto clave es que este grafeno necesitaría funcionar a temperaturas mayores a las del ambiente. Solo así superaría a los materiales superconductores actuales que solo funcionan a muy bajas temperaturas.

En busca del superconductor a temperatura ambiente

En 2016, el equipo de Neil Ashcroft, físico de la Universidad de Cornell, Nueva York, descubrió que el hidruro de azufre es un material superconductor a 203 grados Kelvin, un gran avance en el terreno de la superconductividad. Esos 2013 grados Kelvin equivalen a -70.15 grados centígrados, una temperatura aún lejos de la temperatura ambiente.

En enero de este año hubo un avance increíble. Un equipo de científicos de Cambridge, Inglaterra, publicó en

Nature Communications un artículo en el que reportan superconductividad en el grafeno a 293 grados kelvin, casi 20 grados centígrados.

Lo increíble del trabajo en el que participa Ana Champi es que esta investigación apunta a que la superconductividad puede llegar entre 350 y 390°K, con grafeno natural, también conocido como grafito otorombico, extraído de las minas de Brasil. Esto equivale a lograr entre 76°C y 116°C, que están por arriba de la temperatura ambiente. De confirmarlo, sería superior al descubrimiento de Nel Ashcroft con el hidruro de azufre, e incluso al reportado con grafeno por los británicos.

A pesar de que es posible obtener el grafeno de manera artificial a partir de técnicas como CVD, según el trabajo mencionado se encontró la posible superconductividad únicamente dentro del grafito natural. “Los grafitos naturales son las matrices para obtener el grafeno, material con el cual estoy trabajando desde hace mas de 8 años en Brasil”, dice la investigadora a Noticias IFUNAM.

El experimento

Estas hojuelas de grafito natural responden al diamagnetismo completo, que sucede cuando cualquier polo de un material no es atraído por un imán, sino repelido y queda suspendido en el aire, esto a temperatura ambiente. En una visita que la investigadora hizo a la Universidad de Leipzig, conoció al grupo de especialistas en magnetotransporte y con experiencia en materiales de grafito. Y tras dos años de medidas, finalmente lograron obtener los resultados reportados sobre la posible fase supercondutora en las muestras de Champi.

La investigadora trabaja con materiales de grafeno en la UFABC desde 2009 a partir del grafito mediante la técnica de exfoliación micro mecánica para separar las hojas de grafeno del grafito. Utiliza la técnica de espectroscopia Raman, un proceso de espectroscopia vibracional que sirve para explorar ampliamente las propiedades optoelectrónicas (ópticas sensibles a la radiación y potencia del láser) en estos materiales incorporando nanopartículas metálicas y ferromagnéticas.

“Las nanopartículas son utilizadas para dopar los grafenos y bicapas de grafeno. Al hacerlo, conseguimos potenciar una posible aplicación electrónica”, comenta la investigadora.

Las aplicaciones comerciales que podría tener el grafeno superconductor son infinitas. Existen más de 7,000 patentes registradas sobre grafeno, afirma Champi, algunas por Samsung, Nokia, Grapenea con material para Philips, Intel, IBM y Canon. Con su completa manipulación, podrían existir teléfonos inteligentes flexibles, baterías de super duración, automóviles sin combustible y sensores de fotografía ultra luminosos.

Mientras ese futuro increíble llega, Ana Champi continúa su investigación sobre grafeno que promete grandes resultados en los avances sobre materiales grafénicos en los próximos años en colaboración con investigadores de la Universidad de Leipzig en Alemania y ahora también con los investigadores del Instituto de Física de la UNAM, Dwight Acosta y Laura Serkovich.