es.wedoany.com Noticia: Investigadores de la Universidad de Arizona (University of Arizona) han descubierto que, al integrar nanorribonas de grafeno en dispositivos semiconductores y exponerlas a radiación gamma, estas pueden funcionar como sensores avanzados de radiación para reactores de fusión y aplicaciones en el espacio profundo. Los resultados se han publicado en la revista ACS Applied Materials & Interfaces.
El equipo de investigación integró nanorribonas de grafeno (GNRs) en dispositivos semiconductores y probó su respuesta a la radiación gamma. Los resultados experimentales mostraron que estas nanorribonas pueden operar en entornos extremos como reactores de fusión y exploración del espacio profundo, donde la intensa radiación supone un desafío para los sensores de silicio existentes. Los investigadores señalaron que monitorear de cerca la degradación de materiales ayuda a mantener el funcionamiento confiable de sistemas críticos en estos entornos. El investigador principal, Zafer Mutlu, profesor asistente de Ciencia e Ingeniería de Materiales en la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Arizona, indicó que los dispositivos sobrevivieron y respondieron tras la exposición a la radiación, pero sus propiedades eléctricas cambiaron significativamente.
En aplicaciones de energía de fusión, los sensores basados en GNR podrían ayudar a desarrollar una fuente de energía de fusión limpia y casi ilimitada al mejorar la forma en que los ingenieros monitorean el estado de la primera pared de los reactores nucleares. La primera pared es la barrera más interna que separa el combustible sobrecalentado de la estructura del reactor, y se degrada gradualmente bajo una intensa radiación, requiriendo inspecciones y reemplazos periódicos. Actualmente, cuando los ingenieros rastrean este daño, los sensores de silicio existentes no pueden sobrevivir dentro de la primera pared y deben colocarse fuera de la barrera, dependiendo únicamente de mediciones indirectas e inspecciones físicas tras las paradas, lo que resulta costoso y consume mucho tiempo.
Los experimentos de exposición a rayos gamma mostraron que la estructura atómica de las nanorribonas permaneció intacta, mientras se generaba una respuesta eléctrica intensa y medible. Este hallazgo sugiere que los sensores basados en GNR podrían diseñarse para operar más cerca del núcleo del reactor que los dispositivos electrónicos actuales, reduciendo así las paradas por inspección y mantenimiento, y aumentando el tiempo de operación de las plantas de fusión.
Este es el primer estudio sobre la respuesta de las nanorribonas de grafeno a la radiación gamma. Anteriormente, las GNRs ya habían sido ampliamente investigadas por su tamaño microscópico y excelente durabilidad para impulsar la tecnología de chips más allá de los límites del silicio. Hace varios años, investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (Pacific Northwest National Laboratory, PNNL) del Departamento de Energía de EE. UU. agregaron grafeno al cobre de grado eléctrico y descubrieron que reducía el coeficiente de temperatura de la resistencia del metal sin disminuir su conductividad a temperatura ambiente. También se ha descubierto que el grafeno mejora el rendimiento de las baterías de iones de litio, aumentando la densidad energética y mejorando el rendimiento cíclico.
En el estudio de la Universidad de Arizona, el equipo liderado por Mutlu sintetizó las nanorribonas a nivel molecular y luego las integró en dispositivos semiconductores comunes. Utilizaron una técnica de fabricación emergente para crear nanorribonas de aproximadamente nueve átomos de ancho, un átomo de espesor y unos 45 nanómetros de largo, decenas de miles de veces más finas que un cabello humano. Mutlu explicó que estas diminutas nanorribonas siguen las leyes de la física cuántica en lugar de la física clásica. Sin radiación, la corriente fluye a través de las GNRs de manera definida. Las mediciones de los investigadores mostraron que la radiación gamma que atraviesa el aire circundante genera moléculas reactivas que modifican los bordes de las nanorribonas sin alterar su estructura general. A esta escala, los efectos cuánticos amplifican el impacto de cambios mínimos en la transmisión de señales eléctricas.
Los investigadores creen que estos cambios desencadenan un efecto cuántico conocido como localización de Anderson (Anderson localization), que atrapa los electrones portadores de carga, reduciendo drásticamente la corriente y generando así una señal medible de exposición a la radiación, lo que podría proporcionar datos más precisos para los planes de mantenimiento de reactores.
Los investigadores de la Universidad de Arizona están colaborando con socios industriales para escalar esta tecnología clave y llevar la energía de fusión a la red eléctrica. Los investigadores también consideran que los sensores GNR podrían proporcionar datos sobre el estado de salud de sistemas espaciales, incluidos satélites de comunicaciones, satélites de observación terrestre y sondas de espacio profundo, identificando signos tempranos de desgaste relacionado con la radiación antes de que ocurran fallos, lo cual es crucial para mantener la fiabilidad de infraestructuras espaciales críticas.
Mutlu y sus colaboradores planean probar los mismos dispositivos bajo diferentes dosis de radiación y explorar GNRs de distintos tamaños. Mutlu cree que el método de síntesis utilizado en el estudio permitirá a los investigadores diseñar materiales a nivel atómico y molecular, logrando diferentes sensibilidades mediante la personalización de nuevas nanorribonas. Este nivel de control es esencial para futuros sistemas espaciales que operen durante largos períodos bajo exposición continua a la radiación, ya que puede respaldar tanto chips semiconductores resistentes a la radiación como sensores que rastreen el rendimiento del sistema a lo largo del tiempo.
