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Las películas de grafito pueden proteger los dispositivos electrónicos de la radiación electromagnética (EM), pero las técnicas actuales para su fabricación requieren varias horas y temperaturas de procesamiento de alrededor de 3000 °C. Un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional de Ciencia de Materiales de Shenyang, perteneciente a la Academia China de Ciencias, ha demostrado un método alternativo para fabricar películas de grafito de alta calidad en tan solo unos segundos, enfriando rápidamente tiras calientes de lámina de níquel en etanol. La velocidad de crecimiento de estas películas es más de dos órdenes de magnitud superior a la de los métodos existentes, y su conductividad eléctrica y resistencia mecánica son comparables a las de las películas fabricadas mediante deposición química de vapor (CVD).
Todos los dispositivos electrónicos generan radiación electromagnética. A medida que los dispositivos se vuelven más pequeños y operan a frecuencias cada vez más altas, aumenta el potencial de interferencia electromagnética (EMI), lo que puede afectar negativamente el rendimiento del dispositivo, así como el de los sistemas electrónicos cercanos.
El grafito, un alótropo del carbono formado por capas de grafeno unidas por fuerzas de van der Waals, posee notables propiedades eléctricas, térmicas y mecánicas que lo convierten en un eficaz blindaje contra la interferencia electromagnética (EMI). Sin embargo, para que tenga una alta conductividad eléctrica, debe presentarse en forma de película muy delgada, lo cual es importante para las aplicaciones prácticas de EMI, ya que permite que el material refleje y absorba las ondas electromagnéticas al interactuar con los portadores de carga en su interior.
Actualmente, los principales métodos para fabricar películas de grafito implican la pirólisis a alta temperatura de polímeros aromáticos o el apilamiento capa a capa de óxido de grafeno (GO) o nanohojas de grafeno. Ambos procesos requieren altas temperaturas, alrededor de 3000 °C, y tiempos de procesamiento de una hora. En la deposición química en fase vapor (CVD), las temperaturas requeridas son más bajas (entre 700 y 1300 °C), pero se necesitan varias horas para fabricar películas de espesor nanométrico, incluso en vacío.
Un equipo liderado por Wencai Ren ha logrado producir una película de grafito de alta calidad, de decenas de nanómetros de espesor, en cuestión de segundos, calentando una lámina de níquel a 1200 °C en atmósfera de argón y sumergiéndola rápidamente en etanol a 0 °C. Los átomos de carbono producidos por la descomposición del etanol se difunden y disuelven en el níquel gracias a la alta solubilidad del carbono en este metal (0,4 % en peso a 1200 °C). Dado que esta solubilidad disminuye considerablemente a bajas temperaturas, los átomos de carbono se segregan y precipitan de la superficie del níquel durante el enfriamiento, formando una película de grafito gruesa. Los investigadores señalan que la excelente actividad catalítica del níquel también favorece la formación de grafito altamente cristalino.
Mediante una combinación de microscopía de transmisión de alta resolución, difracción de rayos X y espectroscopia Raman, Ren y sus colegas descubrieron que el grafito que produjeron era altamente cristalino en grandes áreas, presentaba una estructura bien estratificada y no contenía defectos visibles. La conductividad electrónica de la película alcanzó los 2,6 x 10⁵ S/m, similar a la de películas cultivadas mediante CVD o técnicas de alta temperatura y al prensado de películas de GO/grafeno.
Para probar la capacidad del material para bloquear la radiación electromagnética, el equipo transfirió películas con una superficie de 600 mm² a sustratos de tereftalato de polietileno (PET). A continuación, midieron la eficacia de apantallamiento electromagnético (EMI SE) de la película en la banda X, entre 8,2 y 12,4 GHz. Obtuvieron una EMI SE superior a 14,92 dB para una película de aproximadamente 77 nm de espesor. Este valor aumenta a más de 20 dB (el valor mínimo requerido para aplicaciones comerciales) en toda la banda X al apilar más películas. De hecho, una película compuesta por cinco capas de grafito apiladas (con un espesor total de unos 385 nm) presenta una EMI SE de aproximadamente 28 dB, lo que significa que el material puede bloquear el 99,84 % de la radiación incidente. En total, el equipo midió un apantallamiento electromagnético de 481 000 dB/cm²/g en toda la banda X, superando a todos los materiales sintéticos reportados anteriormente.
Los investigadores afirman que, según su conocimiento, su película de grafito es la más delgada entre los materiales de apantallamiento reportados, con un rendimiento de apantallamiento EMI que cumple con los requisitos para aplicaciones comerciales. Sus propiedades mecánicas también son favorables. La resistencia a la fractura del material, de aproximadamente 110 MPa (obtenida a partir de las curvas de tensión-deformación del material colocado sobre un soporte de policarbonato), es superior a la de las películas de grafito cultivadas mediante otros métodos. La película también es flexible y puede doblarse 1000 veces con un radio de curvatura de 5 mm sin perder sus propiedades de apantallamiento EMI. Además, es térmicamente estable hasta 550 °C. El equipo cree que estas y otras propiedades permiten su uso como material de apantallamiento EMI ultradelgado, ligero, flexible y eficaz para aplicaciones en diversos campos, incluyendo el aeroespacial, la electrónica y la optoelectrónica.
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Fecha de publicación: 7 de mayo de 2020