Seguramente usted posee algún dispositivo microelectromecánico, y probablemente sean docenas de ellos. En el mundo moderno, estos dispositivos están por todas partes. Conforman los acelerómetros de los teléfonos inteligentes, los micrófonos de los ordenadores portátiles y los microespejos de los proyectores digitales, entre otros.

Generalmente miden unos pocos micrómetros, es decir son pequeños para cualquier estándar. Pero científicos e ingenieros quieren que sean aún más pequeños y, si es posible, entren en la escala nanométrica. Con este diminuto tamaño, estas máquinas podrían actuar como interruptores en los dispositivos de memoria y lógica, lo que aumentaría la posibilidad de tener dispositivos de procesamiento de datos más potentes y eficientes.

Estas micromáquinas generalmente están dentro de los chips de silicio. Pero a medida que estos disminuyen su tamaño, los interruptores se vuelven menos eficientes porque pierden corriente cuando están apagados. Los interruptores de grafeno, que son fáciles de crear a escala nanométrica y relativamente sencillos de incorporar en chips de silicio convencionales son una opción mejor. Además, no pierden corriente cuando están apagados.

Pero hay un problema. Cuando el grafeno entra en contacto con el silicio, tiende a pegarse a él rápidamente. Imagine un interruptor que consiste en una barra de grafeno flexible que forma un circuito cuando la barra toca un electrodo de silicio. Si la barra se pega al electrodo, no se puede volver a apagar.

Este problema se conoce como fricción estática. Y a pesar de la importante inversión financiera en la investigación del grafeno que han realizado los gobiernos de todo el mundo, nadie ha descubierto una buena manera de resolverlo. Pero esto acaba de cambiar gracias al trabajo del investigador del Instituto Superior de Ciencia y Tecnología de Japón Kulothungan Jothiramalingam y sus colegas. El equipo ha logrado crear dispositivos nanoelectromecánicos basados ​​en grafeno que pueden actuar como interruptores e incluso como puertas lógicas.

Su método es sencillo. Cubren un chip de silicio con grafeno nanocristalino, que se pega rápidamente a la superficie. Luego lo cubren con una capa de hidrógeno silsesquioxano, que actúa como una resistencia y se puede modelar en varias formas. Por encima de todo esto colocan otra capa de grafeno.

El truco consiste en tallar la capa superior de grafeno en forma de barra anclada a electrodos por sus dos extremos. Luego, solo hay que retirar la capa de hidrógeno silsesquioxano que hay bajo la barra de grafeno para dejarla suspendida sobre ella.

Doblar esta barra es fácil. Una diferencia de potencial entre las capas crea una fuerza que dobla la barra hacia el chip. Cuando toca esta superficie inferior, forma un circuito, un proceso que se puede explotar para el almacenamiento de datos y lógica.

Así se crea el interruptor. Y como las dos superficies que entran en contacto son de grafeno, no hay fricción. Basta con desactivar la diferencia de potencial para liberar la barra para que regrese a su posición original.

Jothiramalingam y sus compañeros utilizaron este método para crear una variedad de prototipos de nano-interruptores, que incluyen interruptores simples y una matriz. Afirman que los dispositivos funcionan bien con tensión de solo 1,5 voltios y que cuando están apagados pierden muy poca corriente porque las barras de grafeno están bien aisladas por otras capas conductoras.

Pero existen algunos desafíos. Por ejemplo, la forma y el tamaño del haz de grafeno y su distancia desde la capa inferior deben optimizarse para lograr un cambio seguro. Pero esto debería poder resolverse fácilmente mediante ingeniería. Una vez solucionado, será posible crear dispositivos más complejos. El equipo ha diseñado una gama de interruptores más complejos que incluyen una puerta lógica AND y un interruptor de tres terminales en los que colocan tres capas de grafeno una encima de la otra, separadas por una capa aislante de hidrógeno silsesquioxano.

Se trata un trabajo interesante con potencial de hacer que los dispositivos nanoelectromecánicos sean aún más pequeños gracias a la promesa del maravilloso material que es el grafeno.

Ref: arxiv.org/abs/1901.07754: Stacking of Nanocrystalline Graphene for Nano-ElectroMechanical (NEM) Actuator Applications