la unión de investigación y experimentación Son esenciales para los descubrimientos y el progreso científicos. Muchos resultados se quedan sólo en teoría por falta de capacidad -la mayoría de las veces por falta de medios o de tiempo- para traducirlos a la realidad en el laboratorio y aplicarlos diariamente. Por ello, el éxito y la unión de las investigaciones del físico canadiense Allan H. MacDonaldde la Universidad de Texas y trabaja en el laboratorio de español Pablo Jarrillo Herreroinvestigador del Instituto Tecnológico de Massachusetts, merece un Premio Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento en la categoría de Ciencias Básicas.

Su unión y sus descubrimientos sobre el llamado “ángulo mágico” le permite transformar y controlar el comportamiento de nuevos materiales. El “trabajo pionero” de los dos investigadores, en palabras del jurado, permitió comprobar teóricamente y comprobar experimentalmente un nuevo campo, hoy conocido como twistrónicaque permite obtener superconductividad, magnetismo y otras propiedades mediante la rotación de nuevos materiales bidimensionales como el grafeno.

Una investigación profética

EL fascinación de Allan MacDonald74 años, para el materiales bidimensionales y sus extraordinarias propiedades físicas aparecieron una década después de completar sus estudios de física. En 1988 el investigador realizó una estancia en el Instituto Max Planck de Alemania aprendiendo de Klaus von Klitzing, quien unos años antes, en 1985, había recibido el Premio Nobel de Física en 1985. En aquel momento, en el laboratorio del prestigioso físico alemán se intentaba crear materiales que permitieran estudiar más a fondo fenómenos como el superconductividad.

“Tuvieron la idea de fabricar materiales artificiales y manipularlos como quisieran, pero resultó que con los métodos disponibles en ese momento no podían lograr el control suficiente, la estructura necesaria para observar los efectos más interesantes”, dijo el propio ganador, en una entrevista tras la entrega de premios.

Este conocimiento de la manipulación de nuevos materiales guió la carrera científica de MacDonald hacia el estudio. Comportamientos inusuales de láminas de grafeno superpuestas. y, posteriormente, otros materiales también formados por capas muy finas, buscando abrir caminos a un nuevo mundo de propiedades con potenciales aplicaciones tecnológicas.

Aunque la investigación de MacDonald es puramente teórica, ha centrado su carrera en encontrar resultados transferibles a la vida real y reconoce la gran importancia de la sinergia entre lo teórico y lo experimental en el estudio de los materiales: «En el campo de la Twistrónica, existe una relación constante entre teoría y experimento que recuerda a la del huevo y la gallina. La teoria es muy importante para los investigadores experimentales porque proporciona información sobre fenómenos que vale la pena comprobar. Y la experiencia es una guía fundamental para encontrar una manera de comprender las propiedades observadas.

1,1º, el ángulo mágico

MacDonald esperado en 2011 una propiedad inesperada del grafenoun material compuesto por una capa de carbono de sólo un átomo de espesor. Los resultados predicen que al rotar una capa de grafeno sobre otra en un ángulo muy preciso, los electrones (que en los materiales convencionales se mueven a miles de kilómetros por segundo) se ralentizarían hasta quedar casi inmóviles. Esta desaceleración radical abrió la puerta a enormes cambios en el comportamiento del grafeno, posibilidades casi inimaginables para MacDonald cuando publicó sus resultados en la revista Actas de la Academia Nacional de Ciencias. El investigador galardonado llamó en el ángulo de 1,1º entre las capas de grafeno “ángulo mágico”.

Un español en el laboratorio

Sin embargo, este descubrimiento no tuvo un gran impacto inmediato, y hubo que esperar a comprobarlo en laboratorio para apreciar su valor real. «La comunidad no estaría tan interesada en mi área de investigación si no hubiera un programa de experimentos que hiciera realidad esta visión original», dice MacDonald, quien insiste en que los logros de su compañero son «casi ciencia ficción».

Esperante a, el español Pablo Jarillo-Herrero ya se había interesado por la posibilidad de rotar capas de grafeno una encima de otra en ángulos específicos porque era algo que “nunca había sido posible hacer en la historia de la física, Era un territorio inexplorado. y, por tanto, tenía que conducir a algo interesante.

Pero el investigador no sabía cómo hacerlo en el laboratorio. Durante años pudo superponer capas de este material tan fino, pero no elegir el ángulo entre ellas. Finalmente, logró idear una forma de controlar este ángulo y haciéndolo cada vez más pequeño hasta alcanzar el valor “mágico” de 1,1º, y fue entonces cuando comprobó el extraordinario comportamiento que tenía en el grafeno.

De la teoría… finalmente a la práctica

Pablo Jarillo-Herrero, nacido en Valencia en 1976 y desde 2008 catedrático de Física en el Instituto Tecnológico de Massachusetts, explica: «Fue una gran sorpresa porque la técnica que utilizamos, que era conceptualmente sencilla, era difícil de implementar en el laboratorio. Tomamos una hoja, como si fuera plástico de cocina transparente, pero hecho de un material cien mil veces más fino que un cabello. Lo dividimos en dos trozos y, sin provocar pliegues, colocamos los trozos uno encima del otro para que quedaran perfectamente orientados”, explica el investigador.

En dos artículos publicados en Nature en 2018, Jarillo-Herrero descubrió que El ángulo mágico del grafeno se convierte en aislante o superconductory también es posible modificar su comportamiento con una precisión nunca antes vista. Su aportación se convirtió en la más citada del año en todos los campos del conocimiento, no sólo en Nature sino en todas las revistas de su grupo editorial. La técnica que han desarrollado hoy permite superponer capas de materiales bidimensionales en cualquier ángulo elegido, dando lugar a todo tipo de nuevas propiedades físicas.

Grafeno: la piedra filosofal al revés

Según los ganadores, el impacto de este descubrimiento apenas está comenzando. Al rotar capas de materiales bidimensionales una encima de otra en diferentes ángulos, «podemos hacer realidad todos los comportamientos existentes de la materia».: no sólo aislantes y superconductores, sino también magnetismo y muchos otros comportamientos complejos”, explica Jarillo-Herrero.

Hasta ahora, explica, eran necesarios distintos elementos de la tabla periódica para observar todo este abanico de propiedades, mientras que el grafeno permite verlos todos en uno: el carbono. Este elemento se convierte en una “piedra filosofal invertida”, explica el investigador, ya que, en lugar de convertir cualquier material en oro, es el grafeno el que adopta el comportamiento de cualquier otro material.

Sin embargo, para aplicar todo este conocimiento a aplicaciones industriales, un primer paso esencial será diseñar mejores formas de fabricar capas de grafeno con orientaciones predefinidas. El proceso actual es tan artesanal que se necesitan semanas, incluso meses, para generar tan solo uno de estos dispositivos, y que quienes se dedican a ello son “como monjes medievales haciendo un manuscrito”, según Jarillo-Herrero. «No tenemos una imprenta que nos permita fabricar miles y millones de dispositivos idénticos a la vez, y conseguir uno requerirá mucha investigación de ingeniería básica, por la que ya existe cierto interés en la comunidad».

Los futuros avances que permitan comprender mejor cómo se generan los diferentes comportamientos de la materia a partir del grafeno ayudarán a diseñar nuevos materiales con propiedades sin precedentes. «Uno de los aplicaciones muy probablemente, dice MacDonald, se trata de un Nuevo tipo de dispositivos que controlan la transferencia de información. entre ordenadores y cables de fibra óptica.

«Se trata de una tecnología muy prometedora y estos materiales son los mejores candidatos para lograr el control eléctrico de las propiedades ópticas». Así, una «imprenta» de láminas de grafeno rotadas en diferentes ángulos permitirá verificar la utilidad esperada de estos materiales para tecnologías cuánticas como la informática o los sensores, y ciertos tipos de inteligencia artificial, con un coste energético muy inferior al actualmente disponible».

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