Una molécula puede comportarse como el componente más pequeño de un sistema electrónico. Con esa premisa, la investigación en el campo de la electrónica molecular se ha afanado en desarrollar en los últimos años nuevas aproximaciones que acerquen el ansiado objetivo de conseguir que las moléculas puedan ser usadas como componentes electrónicos dotados de lógica.

«La idea es fascinante: almacenar y leer información en una sola molécula», explica Nacho Pascual, Profesor Ikerbasque y líder del grupo de Nanoimagen de nanoGUNE. «Hace mucho que sabemos cómo sintetizar las moléculas, pero hasta ahora nunca habíamos podido conectarlas a un circuito», confiesa. Para lograrlo, los científicos crearon ‘tiras de grafeno’ con el propósito de utilizarlas como cables eléctricos, desarrollando también un método a medida que permitiera establecer contacto con la molécula de forma precisa y en lugares predefinidos.

«Descubrimos que el contacto con la molécula influye de manera crucial en cómo se comporta el dispositivo molecular», afirma Jingcheng Li, primer autor del artículo. «Por ello, hemos tenido que recurrir al uso de tecnologías de precisión atómica a la hora de dar el paso de la conexión».

En lo que respecta al proceso de creación de la molécula, los investigadores han empleado en esta ocasión un método químico basado en reacciones guiadas sobre una superficie metálica. «La creación del dispositivo molecular en sí es simple», explica el líder del equipo del CiQUS, Diego Peña: «diseñamos y sintetizamos los componentes moleculares por separado, dotándolos de extremos ‘de tipo adhesivo’ en los puntos donde estaba previsto realizar las conexiones; a partir de ahí, la naturaleza hace el resto del trabajo por nosotros», bromea.

Para ilustrar el proceso, los científicos han recurrido a la metáfora de un «LEGO molecular». En palabras del propio Pascual, «estamos consiguiendo usar las leyes de la naturaleza para ensamblar moléculas en nanoestructuras más complejas», asegura.

Los autores demostraron el funcionamiento del nuevo dispositivo molecular utilizando la Microscopía de Efecto Túnel (STM), un método muy avanzado para la visualización de átomos y moléculas que permite medir su comportamiento. Con esta herramienta, los autores del trabajo pudieron comprobar en qué condiciones la información magnética almacenada en la molécula sobrevivía a la conexión, lo que abre una nueva vía en el desarrollo de nuevos materiales para una electrónica más eficiente.

El trabajo se ha realizado en el marco del consorcio español de investigación colaborativa FunMolDev (Functional Molecular Devices), financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad de España, el Gobierno de la Comunidad Autónoma Vasca, la Xunta de Galicia y la Unión Europea.

CIC nanoGUNE, BerriUP —aceleradora de startups en Donostia— y Graphenea —primera startup de nanoGUNE dedicada a la producción y comercialización de grafeno— hemos firmado un convenio de colaboración para impulsar propuestas relacionadas con la investigación en grafeno. Para ello, lanzamos, por primera vez, la convocatoria denominada Global Graphene Call con el fin de desarrollar ideas empresariales relacionadas con el grafeno.

Los participantes deberán presentar proyectos propios y legítimos, y para participar será necesario registrar el proyecto de forma completa en el formulario habilitado al efecto. El plazo para enviar los proyectos comienza el 24 de febrero de 2020 y finaliza el 12 de abril 2020, ambos inclusive.

Los finalistas seleccionados podrán disfrutar de un programa de aceleración personalizado en la sede de BerriUp entre junio y agosto 2020, así como disponer del material de Graphenea y hacer uso de equipamiento científico de nanoGUNE.

En la primera convocatoria del año 2020 hubo 35 proyectos registrados y la empresa ganadora fue holandesa, demostrando el corte internacional de la convovatoria. Estos resultados han animado a lanzar esta nueva convocatoria en 2022, ahora con la contribución también de Fomento San Sebastián.

El grupo de Nanodispositivos de CIC nanoGUNE, junto con el personal investigador de la Universidad Charles de Praga y el centro CFM (CSIC-UPV/EHU) de San Sebastián, ha diseñado un nuevo material complejo con propiedades emergentes en el campo de la espintrónica.

El centro vasco de investigación en nanociencia, CIC nanoGUNE, junto con BerriUp —la aceleradora de startups número uno en España según el Financial Times—, Graphenea —la primera sta

Repsol y el Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial (CDTI), organismo dependiente del Ministerio de Economía y Competitividad, han firmado un acuerdo con la empresa Graphenea mediante el cual ambas entidades invierten, conjuntamente, un millón de euros en el capital de esta empresa tecnológica. 

Graphenea es una start-up que ha desarrollado una innovadora tecnología para la producción de grafeno de alta calidad cuyos productos suministra a 40 países y a multinacionales como Nokia, Philips o Sigma-Aldrich, entre otras. Se trata de una compañía fundada en 2010, en San Sebastián, por un grupo de inversores privados y el centro de investigación CIC nanoGUNE.

Esta co-inversión, realizada en el marco del programa INNVIERTE, dentro del ámbito de las nuevas energías, reforzará su capacidad tecnológica, apoyará su crecimiento empresarial y además, le permitirá mantener su liderazgo internacional dentro del emergente sector de la producción de grafeno. En este sentido, los fondos serán utilizados para acelerar el plan de negocio de la compañía hacia la industrialización.

El grafeno es un nuevo nanomaterial formado por una sola capa de átomos de carbono que posee extraordinarias propiedades ópticas, eléctricas, térmicas y mecánicas. Ello hace que sea muy utilizado en el desarrollo de nuevas tecnologías disruptivas de almacenamiento y generación de energía. Concretamente, en este ámbito, sus productos son empleados para el desarrollo de baterías, supercondensadores, células solares y dispositivos de gestión térmica. Además, sus materiales también son utilizados como aditivos de polímeros y resinas.

El año pasado, el mercado mundial de grafeno facturó 6,6 millones de euros. Los analistas estiman que en 2018 la facturación superará los 73 millones de euros. 

Investigadores de nanoGUNE, en colaboración con el ICFO y Graphenea, proponen una plataforma tecnológica basada en antenas metálicas que permiten atrapar y controlar la luz en grafeno, un material de un solo átomo de espesor. Los experimentos muestran que la luz guiada en el grafeno, extremadamente confinada al mismo, puede ser dirigida y curvada, siguiendo los principios fundamentales de la óptica convencional. Por tanto, el trabajo, publicado ayer en la prestigiosa revista científica Science, abre nuevas oportunidades para el desarrollo de dispositivos y circuitos fotónicos más pequeños y más rápidos.

Los circuitos y dispositivos ópticos podrían realizar el procesamiento de señales y la computación mucho más rápidamente. "Sin embargo, aunque la luz es muy rápida, necesita demasiado espacio", explica Rainer Hillenbrand, profesor Ikerbasque en nanoGUNE y la UPV/EHU. De hecho, la propagación de la luz necesita al menos el espacio de la mitad de su longitud de onda, que es mucho más grande que los componentes electrónicos básicos de última generación en nuestros ordenadores. Por esa razón, surge el desafío de comprimir la luz y controlar su propagación en la nanoescala a través de un material dado.

El asombroso grafeno, material de una sola capa de átomos de carbono con propiedades extraordinarias, puede ser la solución. La longitud de onda de la luz capturada por una capa de grafeno puede ser reducida considerablemente, en un factor de 10 a 100, en comparación con la luz que se propaga en el espacio libre. Como consecuencia, esta luz que se propaga a lo largo de la capa de grafeno —llamada plasmón del grafeno— requiere mucho menos espacio.

Sin embargo, la transformación de manera eficiente de la luz en plasmones del grafeno y su manipulación con un dispositivo compacto es todo un reto tecnológico. Un equipo de investigadores de nanoGUNE, ICFO y Graphenea —miembros del Grafene Flagship de la UE— demuestra ahora que el concepto de antena comúnmente utilizado para las ondas de radio podría ser una solución prometedora. El equipo muestra que una barra de metal de tamaño nanométrico colocada sobre el grafeno puede captar luz infrarroja (actúando como una antena para la luz) y transformarla en plasmones del grafeno, de forma análoga a una antena de radio que convierte las ondas de radio en ondas electromagnéticas en un cable metálico.

"Presentamos una plataforma tecnológica versátil, basada en antenas ópticas resonantes, para el lanzamiento y el control de la propagación de plasmones del grafeno, lo que representa un paso esencial para el desarrollo de circuitos plasmónicos con grafeno", comenta el líder del equipo, Rainer Hillenbrand. Pablo Alonso-González, quien llevó a cabo los experimentos en nanoGUNE, destaca algunas de las ventajas que ofrece el dispositivo de antena: "La excitación de los plasmones del grafeno es puramente óptica, el dispositivo es compacto y la fase y los frentes de onda de los plasmones se pueden controlar directamente mediante la adaptación de la geometría de las antenas. Esto es esencial para el desarrollo de aplicaciones ópticas basadas en el enfoque y guiado de luz".

Representación gráfica de la refracción de los plasmones del grafeno - puesta en marcha por una antena de oro minúsculo - al pasar por un prisma de un solo átomo de espesor (nanoGUNE).

El equipo de investigación también realizó estudios teóricos. Alexey Nikitin, Ikerbasque Fellow en nanoGUNE y autor de los cálculos, explica que "de acuerdo a la teoría, la operación de nuestro dispositivo es muy eficiente, y todas las futuras aplicaciones tecnológicas dependerán, esencialmente, de las limitaciones en la fabricación y la calidad del grafeno".

Basándose en los cálculos de Nikitin, el grupo de Nanodispositivos de nanoGUNE, liderado por los investigadores Ikerbasque Luis Hueso y Félix Casanova, fabricó nanoantenas de oro sobre grafeno proporcionado por Graphenea. Posteriormente, el grupo de Nanoóptica utilizó el microscopio de campo cercano NEASPEC para visualizar cómo los plasmones del grafeno se ponen en marcha y se propagan a lo largo de la capa de grafeno. En las imágenes, los investigadores vieron que, efectivamente, las ondas sobre el grafeno se propagan lejos de la antena, de la misma forma que se propagan las olas en una superficie de agua cuando se lanza una piedra a la misma.

Con el fin de probar si la propagación de luz a lo largo de una capa de carbono de un solo átomo de grosor sigue las leyes de la óptica convencional, los investigadores diseñaron distintos experimentos para enfocar y refractar la luz. Para el experimento de enfoque, curvaron la antena. Las imágenes resultantes mostraron que los plasmones del grafeno se concentran a una cierta distancia de la antena, como cuando un haz de luz se focaliza con una lente o espejo cóncavo. 

El grupo también observó que los plasmones del grafeno se refractan (cambian de dirección) cuando pasan a través de una doble capa de grafeno en forma de prisma, de forma análoga a como se flexiona un haz de luz al pasar a través de un prisma de cristal. "La principal diferencia es que el prisma de grafeno es de solo dos átomos de espesor. Es el prisma óptico refractor más delgado que se conoce", dice Rainer Hillenbrand. Curiosamente, los plasmones del grafeno cambian de dirección porque la conductividad es mayor en el prisma de dos átomos de espesor que en la capa de un solo átomo que lo rodea. En el futuro, tales cambios de conductividad en el grafeno podrían ser establecidos por medios electrónicos simples, lo que permitiría un control altamente eficiente de la refracción, entre otros, para aplicaciones de guiado de luz.

En definitiva, los experimentos muestran que los principios fundamentales y más importantes de la óptica convencional también se aplican a los plasmones del grafeno, es decir, a luz extremadamente comprimida que  se propaga a lo largo de una sola capa de átomos de carbono. Los futuros desarrollos basados en estos resultados podrían conducir a circuitos y dispositivos ópticos extremadamente miniaturizados que podrían ser útilizados en aplicaciones de detección y computación.

Publicación original

P. Alonso-González1, A.Y. Nikitin1,5, F. Golmar1,2, A. Centeno3, A. Pesquera3, S. Vélez1, J. Chen1, G. Navickaite4, F. Koppens4<, A. Zurutuza3, F. Casanova 1,5, L.E. Hueso 1,5 and R. Hillenbrand 1,5. “Controlling grapheme plasmons with resonant metal antennas and spatial conductivity patterns” Science (2014), DOI: 10.1126/science.1253202

• CIC nanoGUNE, 20018 Donostia-San Sebastián, Spain.
• I.N.T.I-CONICET and ECyT-UNSAM, San Martín, Bs. As., Argentina.
• Graphenea SA, 20018 Donostia-San Sebastián, Spain.
• ICFO-Institut de Ciéncies Fotoniques, Mediterranean Technology Park, 08860 Casteldefells, Barcelona, Spain.
• IKERBASQUE, Basque Foundation for Science, 48011 Bilbao, Spain.

Tras la firma del “acta de independencia” de Graphenea, ambas partes reconocen que se han cumplido las expectativas suscitadas cinco años atrás, que la colaboración mutua ha sido excelente, y que Graphenea tiene ante sí un largo y próspero camino. Lógicamente, la colaboración no cesará: Graphenea proseguirá con la producción y comercialización de grafeno, y nanoGUNE continuará con sus investigaciones relativas a las propiedades electrónicas y ópticas de ese nanomaterial.

Hace dos años, José María Pitarke, director general de nanoGUNE, señalaba que la creación de Graphenea fue “el resultado de una apuesta de altísimo riesgo”, pero que, pese a todo, se habían superado las expectativas. Los datos actuales así lo corroboran: Graphenea vende sus productos en cerca de 50 países, cuenta con una plantilla de doce profesionales, y su facturación alcanzó casi el millón de euros en 2014. 

El grafeno, un material con futuro

Las previsiones son alentadoras, ya que la producción de grafeno está estrechamente ligada al desarrollo de la nanotecnología, un mundo que no ha hecho más que comenzar y que tiene un enorme potencial. Sectores como la aeronáutica, la medicina, la energía, la electrónica…, empresas como Philips, Nokia, Nissan…, numerosos centros de investigación y universidades ya están utilizando el grafeno, y se espera que muchos más lo hagan en el futuro.

Este material, que además de ser extremadamente fino (un átomo de espesor), ligero (una lámina de un m² pesa 0,77 miligramos) y fuerte (unas 200 veces más robusto que el acero) cuenta con una extraordinaria conductividad eléctrica y térmica, permitirá fabricar aviones menos pesados y más resistentes, bombillas más eficientes, baterías mejores y mucho más duraderas, papel electrónico…, y jugará un papel muy importante en la electrónica y la medicina del futuro. Según Pitarke, los avances en nanociencia y nanotecnología representan el eje del desarrollo tecnológico actual, en el que el grafeno ocupa un lugar destacado.

La creación de Graphenea no fue un hecho aislado, sino fruto de la estrategia de nanoGUNE de promoción de una industria vasca posibilitada por la nanotecnología. Coincidiendo con el lanzamiento de Graphenea, nanoGUNE inauguró el año 2010 una nanoincubadora (nanoHabia), con el fin de incubar proyectos empresariales en el ámbito de la nanotecnología. “La misión de nanoGUNE es la investigación de excelencia, apostando así por la competitividad empresarial y el crecimiento económico del País Vasco. Para alcanzar dicho objetivo, uno de nuestros retos es crear nuevas empresas”, señalaba el director de nanoGUNE hace cinco años. Así han surgido, además de Graphenea, Simune  (enero de 2014), que ofrece servicios de simulación a escala atómica, Ctech-nano (julio de 2014), la cual explota la capacidad y experiencia de nanoGUNE en la deposición de capas atómicas con el objetivo de ofrecer servicios personalizados y herramientas específicas en el ámbito de los nanorrecubrimientos, y Evolgene (septiembre de 2014), cuyo objetivo está relacionado con la reconstrucción de enzimas ancestrales ultraeficientes de aplicación en diversos sectores industriales. 

El grupo de Nanodispositivos de nanoGUNE es uno de los nueve socios del proyecto. Contribuirá con la fabricación y testeo de transistores con la tinta semiconductora aportada por otros colaboradores del consorcio. NanoGUNE se encargará también de la miniaturización de los dispositivos, teniendo en mente posibles aplicaciones electrónicas, como la electrónica portable. Para ello, recibirá 297.600€ para un periodo de 3 años.

La empresa Graphenea, creada en 2010 por nanoGUNE junto a un grupo de inversores privados, también participará en el proyecto. El equipo de investigación colaborativo se completará con seis socios europeos más: Centro Algoritmi de la Universidade do Minho (Braga, Portugal); el instituto ICMol de la Universitat de Valencia; la Technische Universität München (Munich, Alemania); la Katholieke Universiteit Leuven (Lovaina, Belgica); la Universität Wien (Viena, Austria); y University of Nottingham (Reino Unido).

Los proyectos FET-OPEN (Future and Emerging Technologies) de la Unión Europea apoyan líneas de investigación en fases iniciales, líneas basadas en ideas sobre las que puedan surgir nuevas tecnologías. Así, la iniciativa de la UE anima a científicos e ingenieros de múltiples disciplinas a cooperar en proyectos de investigación que promuevan avances científicos. Es destacable, también, que el programa europeo FET-OPEN (Future and Emerging Technologies) es una convocatoria muy competitiva, pues de los 643 proyectos presentados solo 24 han sido financiados (3,7%) en toda Europa.

Patentes

El desarrollo de tintas semiconductoras a partir de materiales bidimensionales con diferentes propiedades representará, según el coordinador del proyecto Aurelio Mateo-Alonso, “un importante avance en el campo de nuevos materiales para la próxima generación de aparatos electrónicos ultrafinos, como transistores, LEDs, células solares, fotodetectores…”. Los investigadores auguran, además, la presentación de patentes, dadas las posibilidades tecnológicas de 2D-INK y de la participación de una empresa privada.

La radiación en el rango de frecuencias de los terahercios (THz) atrae un gran interés científico debido a su enorme potencial en las comunicaciones inalámbricas de próxima generación o en la obtención de imágenes no destructivas. Sin embargo, la generación, detección y control de la radiación de terahercios se enfrenta a numerosos desafíos tecnológicos. En particular, debido a las longitudes de onda relativamente largas (de 30 a 300 mm) de esta radiación, se requieren soluciones alternativas que permitan la integración de los dispositivos a la nanoescala.

En los últimos años, los plasmones de grafeno se han convertido en una plataforma muy prometedora para comprimir la radiación de terahercios. Se basa en la interacción de la luz con las oscilaciones colectivas de los electrones en el grafeno, dando lugar a las ondas electromagnéticas conocidas como plasmones. Los plasmones de grafeno se propagan con una longitud de onda extremadamente reducida y son capaces de concentrar campos eléctricos en dimensiones por debajo de la longitud de onda, al mismo tiempo que sus propiedades pueden ser controladas eléctricamente.

Ahora, investigadores del CIC nanoGUNE (San Sebastián, España), en colaboración con ICFO (Barcelona, España), IIT (Genova, Italia), Columbia University (Nueva York, Estados Unidos), Radboud University (Nijmegen, Paises Bajos), NIM (Tsukuba, Japón) y la empresa Neaspec (Martinsried, Alemania) han visualizado por primera vez plasmones a frecuencias de terahercios fuertemente comprimidos y confinados en un fotodetector basado en el grafeno. Para observar los plasmones, los investigadores registraron un mapa a la nanoescala de la fotocorriente en el detector mediante la exploración de la superficie con una punta metálica puntiaguda. La punta hizo la función de enfocar la iluminación incidente de THz a un tamaño de aproximadamente sólo 50 nm, que es aproximadamente 2000 veces menor que su longitud de onda. Esta nueva técnica de imagen, llamada nanoscopía de fotocorriente en terahercios, abre un nuevo horizonte para la caracterización de las propiedades optoelectrónicas de dispositivos trabajando en el rango espectral de los terahercios..

El equipo registró imágenes de la fotocorriente del detector de grafeno, mientras que este era iluminado con radiación de THz de alrededor de 100 m de longitud de onda. Las imágenes de fotocorriente mostraban oscilaciones que revelaban la propagación de plasmones de terahercios con una longitud de onda 50 veces más corta.

“"Al principio estábamos muy sorprendidos por lo extremadamente corta que era la longitud de onda del plasmón, ya que los plasmones de grafeno a frecuencias de terahercios están normalmente mucho menos comprimidos", dice el antiguo investigador del CIC nanoGUNE Pablo Alonso González, ahora en la Universidad de Oviedo, y primer autor del trabajo. "Logramos resolver el rompecabezas mediante estudios teóricos, que demostraron que los plasmones se acoplan al metal que se encuentra por debajo del grafeno", continúa. "Este acoplamiento conduce a una compresión adicional de los plasmones y a un confinamiento extremo del campo, que podría abrir una nueva vía hacia detectores más sensibles y compactos", añade Rainer Hillenbrand, Ikerbasque Research Professor y líder del Grupo de Nanoóptica del CIC nanoGUNE quien dirigió la investigación. Los plasmones también muestran una dispersión lineal - lo que significa que su energía es proporcional a su momento - lo que podría ser beneficioso para las tecnologías de la información y la comunicación. El equipo también analizó el tiempo de vida de los plasmones a frecuencias de terahercios, lo que demostró que la pérdida de energía de los plasmones de THz está determinado por las impurezas en el grafeno.

La nanoscopía de fotocorriente en terahercios se basa en el fuerte efecto fototermoeléctrico en el grafeno, que transforma el calor generado por los campos de THz, incluido el de los plasmones, en una corriente. En el futuro, este potente efecto termoeléctrico podría también aplicarse para la detección de plasmones en circuitos integrados basados en el grafeno. La técnica de nanoscopía de fotocorriente en terahercios podría encontrar otras potenciales aplicaciones más allá de la obtención de imágenes de plasmones, como por ejemplo, para estudiar en la nanoescala las propiedades optoelectrónicas de nuevos materiales 2D, de los gases de electrones 2D clásicos o de nanoestructuras semiconductoras.

En la inauguración de la nueva sede de Graphenea han estado presentes el diputado general de Gipuzkoa, Markel Olano, el alcalde de Donostia-San Sebastián, Eneko Goia, el director de la compañía, Jesús de la Fuente y el director de nanoGUNE, José M. Pitarke, entre otros distinguidos invitados.

Graphenea se funda en el año 2010 en el marco de una iniciativa conjunta de nanoGUNE con un grupo de inversores privados con el propósito de fabricar y comercializar obleas de grafeno de alta calidad y de desarrollar tecnologías basadas en este material. En la actualidad la compañía afincada en Donostia es líder mundial en el sector, con un 14% de la cuota de mercado global. Su facturación alcanza los dos millones de euros en un mercado con un gran potencial de crecimiento.

Las nuevas instalaciones han requerido una inversión de tres millones de euros, e incluyen una sala blanca y una planta piloto de óxido de grafeno que puede producir hasta una tonelada de este material al año. En Graphenea trabajan en la actualidad 25 personas, en su mayoría mujeres.