Aplicaciones potenciales del grafeno

El grafeno se ha investigado para la ingeniería de tejidos. Se ha utilizado como agente de refuerzo para mejorar las propiedades mecánicas de los nanocompuestos poliméricos biodegradables para aplicaciones de ingeniería de tejido óseo. ^{[ 8 ]} La dispersión de un bajo  porcentaje en peso de grafeno (≈0,02 % en peso) aumentó las propiedades mecánicas de compresión y flexión de los nanocompuestos poliméricos. ^{[ 9 ]} La adición de nanopartículas de grafeno en la matriz polimérica conduce a mejoras en la densidad de reticulación del nanocompuesto y una mejor transferencia de carga de la matriz polimérica al nanomaterial subyacente, aumentando así las propiedades mecánicas.

Se han diseñado soluciones de grafeno funcionalizado y disperso en surfactantes como agentes de contraste para resonancia magnética (RM) en el torrente sanguíneo . ^{[ 10 ]} Además, las nanopartículas de grafeno que incorporan yodo y manganeso han servido como agentes de contraste multimodales para RM y tomografía computarizada (TC). ^{[ 11 ]} Las micro y nanopartículas de grafeno han servido como agentes de contraste para tomografía fotoacústica y termoacústica. ^{[ 12 ]} También se ha informado que el grafeno absorbe eficazmente las células cancerosas, lo que permite el diseño de agentes de administración de fármacos para la terapia del cáncer. ^{[ 13 ]} Las nanopartículas de grafeno de diversas morfologías, como nanocintas de grafeno, nanoplaquetas de grafeno y nanocebollas de grafeno, no son tóxicas a bajas concentraciones y no alteran la diferenciación de células madre, lo que sugiere que pueden ser seguras para su uso en aplicaciones biomédicas. ^{[ 14 ]}

Se ha informado que el grafeno ha mejorado la PCR al aumentar el rendimiento del producto de ADN . ^{[ 15 ]} Los experimentos revelaron que la conductividad térmica del grafeno podría ser el factor principal detrás de este resultado. El grafeno produce un producto de ADN equivalente al del control positivo con una reducción de hasta el 65 % en los ciclos de PCR.

La química modificable del grafeno, su gran superficie por unidad de volumen, su espesor atómico y su estructura molecularmente controlable hacen que las láminas de grafeno funcionalizadas con anticuerpos sean excelentes candidatas para dispositivos de detección y diagnóstico de mamíferos y microorganismos. ^{[ 16 ]} El grafeno es tan delgado que el agua tiene una transparencia de humectación casi perfecta , una propiedad importante, especialmente en el desarrollo de aplicaciones de biosensores. ^{[ 17 ]} Esto significa que un sensor recubierto de grafeno tiene tanto contacto con un sistema acuoso como un sensor sin recubrimiento, a la vez que permanece protegido mecánicamente de su entorno.

Integración de grafeno (espesor deLas capas de 0,34  nm ) como nanoelectrodos en un nanoporo ^{[ 18 ]} pueden potencialmente resolver un cuello de botella para la secuenciación de ADN de molécula única basada en nanoporos .

El 20 de noviembre de 2013, la Fundación Bill y Melinda Gates otorgó 100 000 dólares "para desarrollar nuevos materiales compuestos elásticos para condones que contengan nanomateriales como el grafeno". ^{[ 19 ]}

En 2014, se anunciaron microarreglos de sensores médicos implantables, flexibles y transparentes (desde el infrarrojo hasta el ultravioleta) basados ​​en grafeno, que permiten visualizar el tejido cerebral oculto por los implantes. La transparencia óptica fue superior al 90 %. Entre las aplicaciones demostradas se incluyen la activación optogenética de áreas corticales focales, la obtención de imágenes in vivo de la vasculatura cortical mediante microscopía de fluorescencia y la tomografía de coherencia óptica 3D. ^{[ 20 ] [ 21 ]}

Investigadores de la Universidad de Monash descubrieron que una lámina de óxido de grafeno puede transformarse espontáneamente en gotas de cristal líquido —como un polímero— simplemente colocando el material en una solución y manipulando el pH. Las gotas de grafeno cambian su estructura en presencia de un campo magnético externo. Este hallazgo plantea la posibilidad de transportar un fármaco en gotas de grafeno y liberarlo al alcanzar el tejido objetivo, modificando la forma de las gotas mediante un campo magnético. Otra posible aplicación es la detección de enfermedades si se descubre que el grafeno cambia de forma en presencia de ciertos marcadores de enfermedades, como toxinas . ^{[ 22 ] [ 23 ]}

Se demostró que una "alfombra voladora" de grafeno administra dos fármacos anticancerígenos de forma secuencial a las células tumorales pulmonares ( células A549 ) en un modelo de ratón. La doxorrubicina (DOX) se incorpora a la lámina de grafeno, mientras que las moléculas del ligando inductor de apoptosis relacionado con el factor de necrosis tumoral ( TRAIL ) se unen a la nanoestructura mediante cadenas peptídicas cortas . Inyectadas por vía intravenosa, las tiras de grafeno con el fármaco se concentran preferentemente en las células cancerosas debido a la fuga de los vasos sanguíneos alrededor del tumor. Los receptores de la membrana celular cancerosa se unen al TRAIL y las enzimas de la superficie celular escinden el péptido, liberando así el fármaco en la superficie celular. Sin el voluminoso TRAIL, las tiras de grafeno con la DOX incorporada son engullidas por las células. El entorno ácido intracelular promueve la liberación de la DOX del grafeno. El TRAIL en la superficie celular desencadena la apoptosis, mientras que la DOX ataca el núcleo. Estos dos fármacos actúan sinérgicamente y se ha demostrado que son más eficaces que cualquiera de ellos por separado. ^{[ 24 ] [ 25 ]}

El desarrollo de la nanotecnología y la biología molecular ha proporcionado la mejora de nanomateriales con propiedades específicas que ahora pueden superar las debilidades de los procedimientos tradicionales de diagnóstico y tratamiento de enfermedades. ^{[ 26 ]} En los últimos años, se ha dedicado más atención al diseño y desarrollo de nuevos métodos para lograr la liberación sostenida de diversos fármacos. Dado que cada fármaco tiene un nivel plasmático por encima del cual es tóxico y por debajo del cual es ineficaz, y en la administración convencional de fármacos, la concentración del fármaco en la sangre aumenta rápidamente y luego disminuye, el objetivo principal de un sistema de administración de fármacos (DDS) ideal es mantener el fármaco dentro de un rango terapéutico deseado después de una dosis única, y/o dirigir el fármaco a una región específica mientras se reducen simultáneamente los niveles sistémicos del fármaco. ^{[ 27 ] [ 28 ]} Los materiales basados ​​en grafeno, como el óxido de grafeno (GO), tienen un potencial considerable para varias aplicaciones biológicas, incluido el desarrollo de un nuevo sistema de liberación de fármacos. Los GO son una abundancia de grupos funcionales como hidroxilo, epoxi y carboxilo en su superficie basal y bordes que también pueden usarse para inmovilizar o cargar diversas biomoléculas para aplicaciones biomédicas. Por otro lado, los biopolímeros se han usado frecuentemente como materias primas para diseñar formulaciones de liberación de fármacos debido a sus excelentes propiedades, tales como no toxicidad, biocompatibilidad, biodegradabilidad y sensibilidad ambiental, etc. Las terapias con proteínas poseen ventajas sobre los enfoques de moléculas pequeñas, incluyendo alta especificidad de objetivo y bajos efectos fuera del objetivo con procesos biológicos normales. La albúmina sérica humana (HSA) es una de las proteínas sanguíneas más abundantes. Sirve como proteína transportadora para varios ligandos endógenos y exógenos, así como para varias moléculas de fármacos. Las nanopartículas de HSA han sido durante mucho tiempo el centro de atención en la industria farmacéutica debido a su capacidad de unirse a varias moléculas de fármacos, alta estabilidad de almacenamiento y aplicación in vivo, no toxicidad y antigenicidad, biodegradabilidad, reproducibilidad, escalado del proceso de producción y un mejor control sobre las propiedades de liberación. Además, se pueden incorporar cantidades significativas de fármacos a la matriz de partículas debido a la gran cantidad de sitios de unión de fármacos en la molécula de albúmina. ^{[ 29 ]} Por lo tanto, la combinación de HSA-NPs y GO-NSs podría ser útil para reducir la citotoxicidad de GO-NSs y mejorar la carga de fármacos y la liberación sostenida de fármacos en la terapia contra el cáncer.

Investigadores demostraron un biomicrorobot (o citobot) a nanoescala fabricado recubriendo una célula de endospora viva con puntos cuánticos de grafeno. El dispositivo funcionó como sensor de humedad. ^{[ 30 ]}

En 2014 se anunció un producto para medir la glucosa en sangre basado en grafeno. ^{[ 31 ] [ 32 ]}

Los biosensores FRET basados ​​en grafeno pueden detectar ADN y el desenrollamiento del ADN utilizando diferentes sondas. ^{[ 33 ]}

Investigadores de la Universidad de Binghamton han desarrollado una metodología para utilizar el grafeno como tampón de la ADN polimerasa para facilitar la manipulación directa de nucleótidos . ^{[ 34 ]}

Se han construido transistores de grafeno controlados tanto químicamente como mediante voltaje.

Los transistores basados ​​en grafeno podrían ser mucho más delgados que los dispositivos de silicio modernos, lo que permitiría configuraciones más rápidas y pequeñas. ^{[ 36 ]}

El grafeno exhibe una respuesta pronunciada a campos eléctricos externos perpendiculares, lo que potencialmente permite la formación de transistores de efecto de campo (FET), pero la ausencia de una banda prohibida limita fundamentalmente su relación de conductancia de encendido/apagado a menos de ~30 a temperatura ambiente. ^{[ 37 ]} Un artículo de 2006 propuso un FET planar totalmente de grafeno con compuertas laterales. ^{[ 38 ]} Sus dispositivos mostraron cambios del 2% a temperaturas criogénicas. El primer FET con compuerta superior (relación de encendido/apagado <2) se demostró en 2007. ^{[ 39 ]} Las nanocintas de grafeno podrían demostrar ser capaces de reemplazar al silicio como semiconductor. ^{[ 40 ]}

En 2006 se concedió una patente para la electrónica basada en grafeno. ^{[ 41 ]} En 2008, investigadores del Laboratorio Lincoln del MIT produjeron cientos de transistores en un solo chip ^{[ 42 ]} y en 2009, se produjeron transistores de muy alta frecuencia en los Laboratorios de Investigación Hughes . ^{[ 43 ]}

Un artículo de 2008 demostró un efecto de conmutación basado en la modificación química reversible de la capa de grafeno que proporciona una relación de encendido/apagado superior a seis órdenes de magnitud. Estos interruptores reversibles podrían emplearse potencialmente en memorias no volátiles. ^{[ 44 ]} IBM anunció en diciembre de 2008 transistores de grafeno que operan a frecuencias de GHz. ^{[ 45 ]}

En 2009, los investigadores demostraron cuatro tipos diferentes de compuertas lógicas , cada una compuesta por un único transistor de grafeno. ^{[ 46 ]} En mayo de 2009, un transistor de tipo n complementó los transistores de grafeno de tipo p anteriores. ^{[ 47 ] [ 48 ]} Se demostró un circuito integrado de grafeno funcional: un inversor complementario que consta de un transistor de tipo p y uno de tipo n. ^{[ 49 ]} Sin embargo, este inversor sufría de una baja ganancia de voltaje. Típicamente, la amplitud de la señal de salida es aproximadamente 40 veces menor que la de la señal de entrada. Además, ninguno de estos circuitos operaba a frecuencias superiores a 25  kHz.

En el mismo año, simulaciones numéricas de enlace fuerte ^{[ 50 ]} demostraron que la brecha de banda inducida en transistores de efecto de campo de bicapa de grafeno no es suficientemente grande para transistores de alto rendimiento para aplicaciones digitales, pero puede ser suficiente para aplicaciones de voltaje ultrabajo, cuando se explota una arquitectura de transistor de efecto de campo de túnel. ^{[ 51 ]}

En febrero de 2010, los investigadores anunciaron transistores de grafeno con una tasa de encendido/apagado de 100 gigahercios, superando con creces las tasas anteriores y la velocidad de los transistores de silicio con una longitud de puerta igual.Los dispositivos de 240  nm se fabricaron con equipos convencionales de fabricación de silicio. ^{[ 52 ] [ 53 ] [ 54 ]} Según un informe de enero de 2010, ^{[ 55 ]} el grafeno se cultivó epitaxialmente sobre SiC en una cantidad y con una calidad adecuadas para la producción en masa de circuitos integrados. A altas temperaturas, se pudo medir el efecto Hall cuántico . IBM construyó "procesadores" utilizando  transistores de 100 GHz en láminas de grafeno de 2 pulgadas (51 mm) . ^{[ 56 ]} 

En junio de 2011, investigadores de IBM anunciaron el primer circuito integrado a escala de oblea basado en grafeno, un mezclador de radio de banda ancha. ^{[ 57 ]} El circuito manejaba frecuencias de hasta 10  GHz. Su rendimiento no se vio afectado por temperaturas de hasta 127  °C. En noviembre, los investigadores utilizaron impresión 3D ( fabricación aditiva ) para fabricar dispositivos. ^{[ 58 ]}

En 2013, investigadores demostraron la alta movilidad del grafeno en un detector que permite una selectividad de frecuencia de banda ancha que abarca desde la región de THz hasta la IR (0,76–33  THz) ^{[ 59 ].} Otro grupo creó un transistor de velocidad de terahercios con características biestables, lo que significa que el dispositivo puede conmutar espontáneamente entre dos estados electrónicos. El dispositivo consta de dos capas de grafeno separadas por una capa aislante de nitruro de boro de unas pocas capas atómicas de espesor. Los electrones se mueven a través de esta barrera por tunelización cuántica . Estos nuevos transistores exhiben conductancia diferencial negativa, por lo que la misma corriente eléctrica fluye a dos voltajes aplicados diferentes. ^{[ 60 ].}  En junio, se describió un circuito oscilador de anillo de 8 transistores a 1,28 GHz. ^{[ 61 ].}

La resistencia diferencial negativa observada experimentalmente en transistores de efecto de campo de grafeno de diseño convencional permite la construcción de arquitecturas computacionales no booleanas viables. Esta resistencia diferencial negativa, observada bajo ciertos esquemas de polarización, es una propiedad intrínseca del grafeno derivada de su estructura de bandas simétrica. Los resultados representan un cambio conceptual en la investigación del grafeno e indican una vía alternativa para su aplicación en el procesamiento de información. ^{[ 62 ]}

En 2013, investigadores crearon transistores impresos en plástico flexible que operan a 25  gigahercios, frecuencia suficiente para circuitos de comunicaciones y que pueden fabricarse a gran escala. Primero, fabricaron estructuras sin grafeno (los electrodos y las compuertas) sobre láminas de plástico. Posteriormente, cultivaron grandes láminas de grafeno sobre metal, las despegaron y las transfirieron al plástico. Finalmente, recubrieron la lámina con una capa impermeable. Los dispositivos funcionan después de sumergirlos en agua y son lo suficientemente flexibles como para poder doblarse. ^{[ 63 ]}

En 2015, investigadores diseñaron un interruptor digital perforando una lámina de grafeno con nanotubos de nitruro de boro que exhibió una relación de conmutación de ^10⁵ a un voltaje de encendido de 0,5 V. La teoría del funcional de la densidad sugirió que el comportamiento provenía del desajuste de la densidad de estados . ^{[ 64 ]}

La alta conductividad eléctrica y la alta transparencia óptica del grafeno lo convierten en un candidato idóneo para electrodos conductores transparentes, necesarios para aplicaciones como pantallas táctiles , pantallas de cristal líquido , células fotovoltaicas inorgánicas, ^{[ 69 ] [ 70 ]} células fotovoltaicas orgánicas y diodos orgánicos emisores de luz . En particular, la resistencia mecánica y la flexibilidad del grafeno son ventajosas en comparación con el óxido de indio y estaño , que es frágil. Las películas de grafeno pueden depositarse a partir de una solución sobre grandes áreas. ^{[ 71 ] [ 72 ] [ 73 ]}

Se produjeron películas de grafeno de pocas capas, de gran superficie, continuas, transparentes y altamente conductoras mediante deposición química de vapor y se utilizaron como ánodos para su aplicación en dispositivos fotovoltaicos . Se demostró una eficiencia de conversión de potencia (PCE) de hasta el 1,7 %, que representa el 55,2 % de la PCE de un dispositivo de control basado en óxido de indio y estaño. Sin embargo, la principal desventaja de este método de fabricación reside en la deficiente adhesión al sustrato, lo que conlleva una baja estabilidad cíclica y una alta resistividad en los electrodos. ^{[ 74 ]}

Se han demostrado diodos orgánicos emisores de luz (OLED) con ánodos de grafeno. El dispositivo se formó mediante grafeno procesado en solución sobre un sustrato de cuarzo. El rendimiento electrónico y óptico de los dispositivos basados ​​en grafeno es similar al de los dispositivos fabricados con óxido de indio y estaño . ^{[ 75 ]} En 2017 se produjeron electrodos OLED mediante CVD sobre un sustrato de cobre. ^{[ 76 ]}

Se demostró un dispositivo basado en carbono llamado celda electroquímica emisora ​​de luz (LEC) con grafeno derivado químicamente como cátodo y el polímero conductor poli(3,4-etilendioxitiofeno) (PEDOT) como ánodo. ^{[ 77 ]} A diferencia de sus predecesores, este dispositivo contiene solo electrodos basados ​​en carbono, sin metal.

En 2014 se presentó un prototipo de pantalla flexible basada en grafeno. ^{[ 78 ]}

En 2016, investigadores demostraron una pantalla que utilizaba modulación por interferometría para controlar los colores, denominada "dispositivo de globo de grafeno", fabricada en silicio con cavidades circulares de 10 μm cubiertas por dos láminas de grafeno. El grado de curvatura de las láminas sobre cada cavidad define el color emitido. El dispositivo aprovecha el fenómeno conocido como anillos de Newton , creado por la interferencia entre las ondas de luz que rebotan en el fondo de la cavidad y el material (transparente). Al aumentar la distancia entre el silicio y la membrana, aumentaba la longitud de onda de la luz. Este enfoque se utiliza en pantallas de lectores electrónicos a color y relojes inteligentes, como el Qualcomm Toq . Estos utilizan materiales de silicio en lugar de grafeno. El grafeno reduce los requisitos de energía. ^{[ 79 ]}

En 2009, investigadores construyeron multiplicadores de frecuencia de grafeno experimentales que toman una señal de entrada de una frecuencia determinada y emiten una señal a un múltiplo de esa frecuencia. ^{[ 80 ] [ 81 ] [ 82 ]}

El grafeno interactúa fuertemente con los fotones, con el potencial de crear una banda prohibida directa. Esto resulta prometedor para dispositivos optoelectrónicos y nanofotónicos . La interacción con la luz surge debido a la singularidad de Van Hove . El grafeno presenta diferentes escalas de tiempo en respuesta a la interacción con fotones, que van desde femtosegundos (ultrarrápido) hasta picosegundos. Entre sus posibles usos se incluyen películas transparentes, pantallas táctiles y emisores de luz, o como dispositivo plasmónico que confina la luz y altera las longitudes de onda. ^{[ 83 ]}

Debido a su altísima movilidad electrónica, el grafeno puede utilizarse para la producción de sensores de efecto Hall de alta sensibilidad . ^{[ 84 ]} Una posible aplicación de estos sensores está relacionada con transformadores de corriente continua para aplicaciones especiales. En abril de 2015 se presentaron nuevos sensores de efecto Hall de sensibilidad récord. Estos sensores son dos veces mejores que los sensores existentes basados ​​en silicio. ^{[ 85 ]}

Los puntos cuánticos de grafeno (GQDs) mantienen todas sus dimensiones por debajo de 10  nm. Su tamaño y la cristalografía de sus bordes determinan sus propiedades eléctricas, magnéticas, ópticas y químicas. Los GQDs pueden producirse mediante nanotomía de grafito ^{[ 86 ]} o mediante rutas ascendentes basadas en soluciones ( reacciones de Diels-Alder, ciclotrimerización y/o ciclodeshidrogenación ). ^{[ 87 ]} Los GQDs con estructura controlada pueden incorporarse en aplicaciones de electrónica, optoelectrónica y electromagnetismo. El confinamiento cuántico puede crearse modificando el ancho de las nanocintas de grafeno (GNRs) en puntos específicos a lo largo de la cinta. ^{[ 65 ] [ 88 ]} Se estudia como catalizador para pilas de combustible. ^{[ 89 ]}

Un polímero semiconductor ( poli(3-hexiltiofeno) ^{[ 90 ]} colocado sobre una monocapa de grafeno conduce la carga eléctrica verticalmente mejor que sobre una capa delgada de silicio. Una  película de polímero de 50 nm de espesor condujo la carga aproximadamente 50 veces mejor que una  película de 10 nm de espesor, posiblemente porque la primera consiste en un mosaico de cristalitos orientados de manera variable que forman una vía continua de cristales interconectados. En una película delgada o sobre silicio, ^{[ 90 ]} los cristalitos en forma de placa están orientados paralelamente a la capa de grafeno. Entre sus aplicaciones se incluyen las células solares. ^{[ 91 ]}

El grafeno de gran superficie, creado mediante deposición química de vapor (CVD) y depositado sobre un sustrato de SiO2, puede preservar el espín electrónico durante un período prolongado y transmitirlo. La espintrónica varía el espín electrónico en lugar del flujo de corriente. La señal de espín se conserva en canales de grafeno de hasta 16 micrómetros de longitud durante un nanosegundo. El transporte y la precesión de espín puro se extienden a lo largo de canales de 16 μm con una vida útil del espín de 1,2 ns y una longitud de difusión de espín de ≈6 μm a temperatura ambiente. ^{[ 92 ]}

La espintrónica se utiliza en discos duros para el almacenamiento de datos y en memorias magnéticas de acceso aleatorio . El espín electrónico suele ser efímero y frágil, pero la información basada en espín en los dispositivos actuales solo necesita recorrer unos pocos nanómetros. Sin embargo, en los procesadores, la información debe atravesar varias decenas de micrómetros con espines alineados. El grafeno es el único candidato conocido para este comportamiento. ^{[ 92 ]}

En 2012, Vorbeck Materials comenzó a distribuir el dispositivo de embalaje antirrobo Siren , que utiliza su circuito Vor-Ink basado en grafeno para reemplazar la antena metálica y el cableado externo de un chip RFID . Este fue el primer producto comercial del mundo basado en grafeno. ^{[ 93 ] [ 94 ]}

Cuando se ajusta el nivel de Fermi del grafeno, se puede cambiar su absorción óptica. En 2011, los investigadores informaron sobre el primer modulador óptico basado en grafeno. Operando a1,2  GHz sin controlador de temperatura, este modulador tiene un ancho de banda amplio (de 1,3 a 1,6  μm) y una huella pequeña (~25  μm ² ). ^{[ 95 ]}

Recientemente se ha demostrado un modulador Mach-Zehnder basado en una guía de ondas híbrida de grafeno-silicio, capaz de procesar señales prácticamente sin chirp. ^{[ 96 ]} Se obtiene una extinción de hasta 34,7  dB y un parámetro de chirp mínimo de -0,006. Su pérdida de inserción es de aproximadamente -1,37  dB.

Una hiperlente es una lente de superresolución en tiempo real que puede transformar ondas evanescentes en ondas propagantes y, por lo tanto, romper el límite de difracción. En 2016, una hiperlente basada en grafeno laminar dieléctrico y nitruro de boro hexagonal (h-BN) puede superar los diseños metálicos. Basándose en sus propiedades anisotrópicas, se verificaron numéricamente hiperlentes planas y cilíndricas con grafeno laminar a 1200 THz y h-BN laminar a 1400 THz, respectivamente. ^{[ 97 ]} En 2016, una microlente de grafeno de 1 nm de espesor puede obtener imágenes de objetos del tamaño de una sola bacteria. La lente se creó rociando una lámina de solución de óxido de grafeno y luego moldeándola con un rayo láser. Puede resolver objetos tan pequeños como 200 nanómetros y ver en el infrarrojo cercano. Rompe el límite de difracción y logra una distancia focal menor a la mitad de la longitud de onda de la luz. Entre las posibles aplicaciones se incluyen la termografía para teléfonos móviles, endoscopios , nanosatélites y chips fotónicos en supercomputadoras y distribución de banda ancha ultrarrápida. ^{[ 98 ]}

El grafeno reacciona al espectro infrarrojo a temperatura ambiente, aunque con una sensibilidad entre 100 y 1000 veces menor de lo necesario para aplicaciones prácticas. Sin embargo, dos capas de grafeno separadas por un aislante permiten que un campo eléctrico producido por los huecos dejados por los electrones fotoliberados en una capa afecte a una corriente que circula por la otra. El proceso genera poco calor, lo que lo hace adecuado para su uso en óptica de visión nocturna. La estructura tipo sándwich es lo suficientemente delgada como para integrarse en dispositivos portátiles, ordenadores montados en gafas e incluso lentes de contacto . ^{[ 99 ]}

Se ha demostrado que una heteroestructura de grafeno/silicio tipo n presenta un comportamiento rectificador fuerte y una alta fotorrespuesta. Mediante la introducción de una fina capa de óxido interfacial, la corriente oscura de la heteroestructura de grafeno/n-Si se ha reducido en dos órdenes de magnitud a polarización cero. A temperatura ambiente, el fotodetector de grafeno/n-Si con óxido interfacial presenta una detectividad específica de hasta 5,77 × 10¹³ ^cm  Hz¹ ^{/² W²} en la longitud de onda pico de 890  nm en vacío. Además, los fotodetectores de heteroestructura de grafeno/n-Si mejorados poseen una alta responsividad de 0,73 A W⁻¹ ^y una alta relación de fotocorriente a corriente oscura de ≈10⁷. Estos resultados demuestran que la heteroestructura de grafeno/Si con óxido interfacial es prometedora para el desarrollo de fotodetectores de alta detectividad. ^{[ 100 ]} Recientemente, se presentó un fotodetector Schottky de grafeno/silicio con una velocidad de respuesta récord (< 25 ns) en el rango de longitud de onda de 350  nm a 1100 nm. ^{[ 101 ]} Los fotodetectores exhiben una excelente estabilidad a largo plazo, incluso almacenados en el aire durante más de 2 años. Estos resultados no solo impulsan el desarrollo de fotodetectores de alto rendimiento basados ​​en la unión Schottky de grafeno/silicio, sino que también tienen importantes implicaciones para la producción en masa de dispositivos de matriz de fotodetectores basados ​​en grafeno para monitoreo ambiental rentable, imágenes médicas, comunicaciones en espacio libre, seguimiento inteligente fotoeléctrico e integración con circuitos CMOS para aplicaciones emergentes de interés de las cosas, etc. 

El grafeno no se oxida en el aire ni en fluidos biológicos, lo que lo convierte en un material atractivo para su uso como biosensor . ^{[ 149 ]} Un circuito de grafeno puede configurarse como un biosensor de efecto de campo aplicando moléculas de captura biológica y capas de bloqueo al grafeno, y luego controlando la diferencia de voltaje entre el grafeno y el líquido que contiene la muestra biológica de prueba. De los diversos tipos de sensores de grafeno que se pueden fabricar, los biosensores fueron los primeros en estar disponibles para la venta. ^{[ 150 ]}

Las propiedades electrónicas de las heteroestructuras de grafeno/h-BN pueden modularse cambiando las distancias entre capas mediante la aplicación de presión externa, lo que permite la posible realización de sensores de presión de espesor atómico. En 2011, los investigadores propusieron un sensor de presión en el plano que consiste en grafeno intercalado entre nitruro de boro hexagonal y un sensor de presión de túnel que consiste en h-BN intercalado entre grafeno. ^{[ 151 ]} La corriente varía en 3 órdenes de magnitud a medida que la presión aumenta de 0 a 5  nN/nm ² . Esta estructura es insensible al número de capas de h-BN que la envuelven, lo que simplifica el control del proceso. Debido a que el h-BN y el grafeno son inertes a altas temperaturas, el dispositivo podría soportar sensores de presión ultrafinos para aplicaciones en condiciones extremas.

En 2016, los investigadores demostraron un sensor de presión biocompatible hecho de la mezcla de láminas de grafeno con polisilicona reticulada (presente en la plastilina ). ^{[ 152 ]}

Los sistemas nanoelectromecánicos (NEMS) pueden diseñarse y caracterizarse mediante la comprensión de la interacción y el acoplamiento entre los dominios de energía mecánica, eléctrica y de van der Waals. El límite mecánico cuántico, regido por la relación de incertidumbre de Heisenberg, determina la precisión máxima de los sistemas nanomecánicos. La compresión cuántica puede mejorar la precisión al reducir las fluctuaciones cuánticas en una amplitud deseada de las dos amplitudes en cuadratura. Los NEMS tradicionales difícilmente logran la compresión cuántica debido a sus limitaciones de espesor. Se ha propuesto un esquema para obtener estados cuánticos comprimidos mediante estructuras NEMS de grafeno experimentales típicas, aprovechando su espesor a escala atómica. ^{[ 153 ]}

Teóricamente, el grafeno constituye un excelente sensor debido a su estructura bidimensional. El hecho de que todo su volumen esté expuesto al entorno circundante lo hace muy eficiente para detectar moléculas adsorbidas . Sin embargo, al igual que los nanotubos de carbono, el grafeno carece de enlaces colgantes en su superficie. Las moléculas gaseosas no se adsorben fácilmente en las superficies de grafeno, por lo que intrínsecamente este material es insensible. ^{[ 154 ]} La sensibilidad de los sensores químicos de gas de grafeno puede mejorarse drásticamente mediante la funcionalización, por ejemplo, recubriendo la película con una fina capa de ciertos polímeros. Esta fina capa de polímero actúa como un concentrador que absorbe las moléculas gaseosas. La absorción de moléculas introduce un cambio local en la resistencia eléctrica de los sensores de grafeno. Si bien este efecto se produce en otros materiales, el grafeno es superior debido a su alta conductividad eléctrica (incluso con pocos portadores presentes) y su bajo nivel de ruido, lo que permite detectar este cambio en la resistencia. ^{[ 155 ]}

Las simulaciones basadas en la teoría del funcional de la densidad predicen que depositar ciertos adátomos sobre el grafeno puede hacerlo piezoeléctricamente sensible a un campo eléctrico aplicado en la dirección perpendicular al plano. Este tipo de piezoelectricidad localizada es similar en magnitud a la de los materiales piezoeléctricos a granel y convierte al grafeno en un candidato para el control y la detección en dispositivos a nanoescala. ^{[ 156 ]}

Impulsado por la demanda de dispositivos portátiles, el grafeno ha demostrado ser un material prometedor para posibles aplicaciones en sensores de deformación flexibles y de alta sensibilidad. Se propone un método ecológico y rentable para fabricar películas ultrafinas de grafeno de gran superficie para sensores de deformación flexibles de alta sensibilidad. Las películas de grafeno ensambladas se obtienen rápidamente en la interfaz líquido/aire mediante el efecto Marangoni y su área puede ampliarse. Estos sensores de deformación basados ​​en grafeno exhiben una sensibilidad extremadamente alta con un factor de calibración de 1037 a una deformación del 2 %, lo que representa el valor más alto para plaquetas de grafeno a esta pequeña deformación hasta la fecha. ^{[ 157 ]}

Las bandas elásticas con infusión de grafeno ("bandas G") pueden utilizarse como sensores corporales económicos. Estas bandas permanecen flexibles y pueden usarse como sensores para medir la respiración, la frecuencia cardíaca o el movimiento. Trajes ligeros con sensores para pacientes vulnerables podrían permitir la monitorización remota de movimientos sutiles. Estos sensores muestranIncrementos de 10 × 10 ⁴ veces en la resistencia y el trabajo a deformaciones superiores al 800 %. Se observaron factores de calibración de hasta 35. Dichos sensores pueden funcionar a frecuencias de vibración de al menos 160 Hz . A 60  Hz, se pueden monitorizar deformaciones de al menos el 6 % a velocidades de deformación superiores a 6000 %/s. ^{[ 158 ]}

En 2015, investigadores anunciaron un sensor magnético basado en grafeno 100 veces más sensible que un dispositivo equivalente basado en silicio (7000 voltios por amperio-tesla). El sustrato del sensor era nitruro de boro hexagonal . Los sensores se basaban en el efecto Hall , en el que un campo magnético induce una fuerza de Lorentz sobre los portadores de carga eléctrica en movimiento, lo que produce una deflexión y un voltaje Hall medible. En el peor de los casos, el grafeno se ajustaba aproximadamente al mejor diseño de silicio. En el mejor de los casos, el grafeno requería menores requisitos de corriente y potencia. ^{[ 159 ]}

El óxido de grafeno no es tóxico ni biodegradable. Su superficie está cubierta de grupos epoxi, hidroxilo y carboxilo que interactúan con cationes y aniones. Es soluble en agua y forma suspensiones coloidales estables en otros líquidos debido a su anfifilicidad (capacidad de mezclarse con agua o aceite). Disperso en líquidos, presenta una excelente capacidad de sorción . Puede eliminar cobre, cobalto, cadmio , arseniato y disolventes orgánicos .

Las investigaciones sugieren que los filtros de grafeno podrían superar a otras técnicas de desalinización por un margen significativo. ^{[ 160 ]}

En 2021, los investigadores descubrieron que una espuma de grafeno reutilizable podía filtrar eficientemente el uranio (y posiblemente otros metales pesados ​​como el plomo, el mercurio y el cadmio) del agua a una tasa de 4 gramos de uranio por gramo de grafeno. ^{[ 161 ]}

En lugar de permitir la permeación, también es necesario bloquearla. Las barreras de permeación de gases son importantes para casi todas las aplicaciones, desde alimentos, productos farmacéuticos, dispositivos médicos, dispositivos electrónicos inorgánicos y orgánicos, etc., hasta el envasado. Prolonga la vida útil del producto y permite mantener pequeño el grosor total de los dispositivos. Al ser atómicamente delgado y sin defectos, el grafeno es impermeable a todos los gases. En particular, se ha demostrado que las capas ultrafinas de barrera de permeación de humedad basadas en grafeno son importantes para los FET orgánicos y los OLED. ^{[ 162 ] [ 163 ]} Se están estudiando las aplicaciones de barrera de grafeno en ciencias biológicas.

En 2021, los investigadores informaron que un velo de grafeno aplicado reversiblemente mediante deposición química de vapor fue capaz de preservar los colores en objetos de arte (70%). ^{[ 164 ] [ 165 ]}

En 2016, investigadores desarrollaron un prototipo de sistema de deshielo que incorporaba nanocintas de grafeno con nanotubos de carbono desplegados en un compuesto de epoxi  /grafeno. En pruebas de laboratorio, el borde de ataque de una pala de rotor de helicóptero se recubrió con el compuesto, protegido por una funda metálica. Al aplicar una corriente eléctrica, el compuesto se calentó a más de 93 °C (200  °F), derritiendo una capa de hielo de 1  cm (0,4  pulgadas) de espesor con temperaturas ambiente de -20  °C (-4  °F). ^{[ 166 ]}

En 2014, investigadores de la Universidad de Australia Occidental descubrieron que los fragmentos de grafeno de tamaño nanométrico pueden acelerar la velocidad de las reacciones químicas . ^{[ 167 ]} En 2015, los investigadores anunciaron un catalizador a escala atómica hecho de grafeno dopado con nitrógeno y aumentado con pequeñas cantidades de cobalto cuyo voltaje de inicio era comparable al de los catalizadores de platino. ^{[ 168 ] [ 169 ]} En 2016, se informó sobre complejos de hierro-nitrógeno incrustados en grafeno como otra forma de catalizador. Se afirmó que el nuevo material se acercaba a la eficiencia de los catalizadores de platino. El enfoque eliminó la necesidad de nanopartículas de hierro menos eficientes. ^{[ 170 ]}

La alta conductividad térmica del grafeno sugiere que podría utilizarse como aditivo en refrigerantes. Investigaciones preliminares demostraron que un 5 % de grafeno en volumen puede aumentar la conductividad térmica de un fluido base en un 86 %. ^{[ 171 ]} Otra aplicación derivada de la mayor conductividad térmica del grafeno se encontró en la PCR. ^{[ 15 ]}

Los científicos descubrieron que el grafeno como lubricante funciona mejor que el grafito , utilizado tradicionalmente . Una capa de grafeno de un átomo de espesor, colocada entre una bola y un disco de acero, duró 6500 ciclos. Los lubricantes convencionales duraron 1000 ciclos. ^{[ 172 ]}

Una nanoantena plasmónica (GPN) basada en grafeno puede operar eficientemente en longitudes de onda de radio milimétricas. La longitud de onda de los polaritones de plasmón superficial para una frecuencia dada es varios cientos de veces menor que la longitud de onda de las ondas electromagnéticas que se propagan libremente a la misma frecuencia. Estas diferencias de velocidad y tamaño permiten que las antenas eficientes basadas en grafeno sean mucho más pequeñas que las alternativas convencionales. Estas últimas operan a frecuencias entre 100 y 1000 veces mayores que las GPN, produciendo entre 0,01 y 0,001 veces más fotones. ^{[ 173 ]}

Una onda electromagnética (EM) dirigida verticalmente sobre una superficie de grafeno excita el grafeno, provocando oscilaciones que interactúan con las del dieléctrico sobre el que está montado, formando así polaritones de plasmón superficial (SPP). Cuando la antena entra en resonancia (un número entero de longitudes de onda de SPP se ajusta a las dimensiones físicas del grafeno), el acoplamiento SPP/EM aumenta considerablemente, transfiriendo energía de manera eficiente entre ambos. ^{[ 173 ]}

Una antena de matriz en fase de 100 μm de diámetro podría producir haces de 300 GHz con un diámetro de tan solo unos pocos grados, en lugar de la radiación de 180 grados de una antena metálica convencional de ese tamaño. Entre sus posibles aplicaciones se incluyen el polvo inteligente , las redes inalámbricas de terabits de baja potencia ^{[ 173 ]} y la fotónica ^{[ 174 ] .}   

Una nanoantena de varilla de oro capturó y transformó energía electromagnética en plasmones de grafeno, de forma análoga a como una antena de radio convierte ondas de radio en ondas electromagnéticas en un cable metálico. Los frentes de onda de los plasmones se pueden controlar directamente ajustando la geometría de la antena. Las ondas se enfocaron (curvando la antena) y se refractaron (mediante una bicapa de grafeno en forma de prisma, ya que la conductividad en el prisma de dos átomos de espesor es mayor que en la capa circundante de un átomo de espesor). ^{[ 174 ]}

La nanoantena plasmónica de metal-grafeno se compuso insertando unos pocos nanómetros de óxido entre una nanobarra de oro dipolar y la monocapa de grafeno. ^{[ 175 ]} La capa de óxido utilizada aquí puede reducir el efecto de tunelización cuántica entre el grafeno y la antena metálica. Al ajustar el potencial químico de la capa de grafeno mediante una arquitectura de transistor de efecto de campo, se logra el acoplamiento de modos en fase y fuera de fase entre la plasmónica del grafeno y la plasmónica del metal. ^{[ 175 ]} Las propiedades sintonizables de la nanoantena plasmónica de metal-grafeno se pueden activar y desactivar modificando el voltaje de puerta electrostático en el grafeno.

El grafeno alberga un modo de superficie plasmónico, ^{[ 176 ]} observado recientemente mediante técnicas de microscopía óptica infrarroja de campo cercano ^{[ 177 ] [ 178 ]} y espectroscopía infrarroja ^{[ 179 ]} Las aplicaciones potenciales se encuentran en las frecuencias de terahercios a infrarrojo medio, ^{[ 180 ]} tales como moduladores de luz de terahercios e infrarrojo medio, filtros pasivos de terahercios, fotodetectores de infrarrojo medio y biosensores. ^{[ 181 ] [ 182 ]}

Las capas apiladas de grafeno sobre un sustrato de cuarzo aumentaron la absorción de ondas milimétricas (de radio) en un 90 % en  el ancho de banda de 125 a 165 GHz, extendiéndose a frecuencias de microondas y terahercios bajos, sin dejar de ser transparentes a la luz visible. Por ejemplo, el grafeno podría utilizarse como recubrimiento para edificios o ventanas para bloquear las ondas de radio. La absorción es el resultado de resonadores Fabry-Perot acoplados entre sí , representados por cada sustrato de grafeno-cuarzo. Se utilizó un proceso repetido de transferencia y grabado para controlar la resistividad superficial. ^{[ 183 ] [ 184 ]}

El óxido de grafeno puede reducirse y oxidarse reversiblemente mediante estímulo eléctrico. Se ha demostrado que la reducción y oxidación controladas en dispositivos de dos terminales que contienen películas multicapa de óxido de grafeno dan como resultado una conmutación entre óxido de grafeno parcialmente reducido y grafeno, un proceso que modifica las propiedades electrónicas y ópticas. La oxidación y la reducción están relacionadas con la conmutación resistiva. ^{[ 185 ]}

Las propiedades del grafeno lo sugieren como material de referencia para la caracterización de materiales electroconductores y transparentes. Una capa de grafeno absorbe el 2,3 % de la luz roja. ^{[ 186 ]}

Esta propiedad se utilizó para definir la conductividad de transparencia que combina la resistencia superficial y la transparencia . Este parámetro se utilizó para comparar materiales sin utilizar dos parámetros independientes. ^{[ 187 ]}

Investigadores demostraron un aerogel a base de óxido de grafeno que podía reducir el ruido hasta en 16 decibelios. El aerogel pesaba 2,1 kilogramos por metro cúbico (0,13 lb/ pie³) . Un absorbente de sonido convencional de poliuretano de poliéster podría pesar 32 kilogramos por metro cúbico (2,0 lb/ pie³) . Una posible aplicación es la reducción de los niveles de ruido en las cabinas de los aviones. ^{[ 188 ] [ 189 ]}    

El bajo peso del grafeno proporciona una respuesta de frecuencia relativamente buena , lo que sugiere su uso en altavoces y micrófonos electrostáticos. ^{[ 190 ]} En 2015 se demostró un micrófono y un altavoz ultrasónicos que podían operar en frecuencias de 20  Hz a 500  kHz. El altavoz operaba con una eficiencia declarada del 99 % con una respuesta de frecuencia plana en todo el rango audible. Una aplicación era como sustituto de la radio para comunicaciones de larga distancia, dada la capacidad del sonido para penetrar el acero y el agua, a diferencia de las ondas de radio. ^{[ 191 ] [ 192 ]}

La resistencia, rigidez y ligereza del grafeno lo hicieron idóneo para su uso con fibra de carbono . El grafeno se ha utilizado como agente de refuerzo para mejorar las propiedades mecánicas de nanocompuestos poliméricos biodegradables para la ingeniería de tejido óseo. ^{[ 193 ]}

También se ha utilizado como agente de refuerzo en el hormigón . ^{[ 194 ]}

En 2011, los investigadores informaron que una arquitectura de grafeno multicapa funcionalizada, alineada verticalmente y tridimensional puede ser un enfoque para materiales de interfaz térmica (TIM) basados ​​en grafeno con conductividad térmica superior y resistencia térmica interfacial ultrabaja entre el grafeno y el metal. ^{[ 195 ]}

Los compuestos de grafeno-metal pueden utilizarse en materiales de interfaz térmica. ^{[ 196 ]}

La adición de una capa de grafeno a cada lado de una película de cobre aumentó las propiedades de conducción de calor del metal hasta en un 24 %. Esto sugiere la posibilidad de utilizarlas para interconexiones de semiconductores en chips de computadora. La mejora es el resultado de cambios en la nano y microestructura del cobre, no de la acción independiente del grafeno como canal adicional de conducción de calor. La deposición química en fase vapor a alta temperatura estimula el crecimiento del tamaño de grano en las películas de cobre. Los granos de mayor tamaño mejoran la conducción de calor. La mejora en la conducción de calor fue más pronunciada en películas de cobre más delgadas, lo cual es útil a medida que las interconexiones de cobre se reducen. ^{[ 197 ]}

La unión de grafeno funcionalizado con moléculas de silano aumenta su conductividad térmica ( κ ) entre un 15 % y un 56 % con respecto a la densidad numérica de moléculas. Esto se debe a una mayor conducción de calor en el plano, resultado del aumento simultáneo de la resistencia térmica entre el grafeno y el sustrato, lo que limita la dispersión de fonones transversales . La capacidad de disipación de calor se duplica. ^{[ 198 ]}

Sin embargo, los desajustes en el límite entre cristales adyacentes horizontalmente reducen la transferencia de calor en un factor de 10. ^{[ 199 ]}