Las nanorilas de grafeno sobreviven a la radiación gamma, revelando posibles sensores para reactores de fusión

Un avance en la ciencia de los materiales ha surgido de la Universidad de Arizona, donde los investigadores han descubierto que los nanoribones de grafeno (GNR) pueden soportar la exposición a la radiación gamma manteniendo su integridad estructural y respondiendo eléctricamente. Este hallazgo abre la puerta al uso de estos nanomateriales como sensores potenciales en entornos de alta radiación como reactores de fusión y misiones espaciales profundas. La investigación fue detallada en una publicación reciente en ACS Applied Materials & Interfaces.

El estudio, dirigido por Zafer Mutlu, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Arizona College of Engineering, involucró la integración de GNRs en dispositivos semiconductores y sometiéndolos a radiación gamma. Según los hallazgos, las nanoribbons sobrevivieron a la exposición y continuaron respondiendo eléctricamente, aunque su rendimiento cambió significativamente. Mutlu explicó que este cambio en el rendimiento es precisamente el tipo de reacción deseada de un sensor. La capacidad de los GNRs para mantener su estructura atómica mientras exhiben una respuesta eléctrica detectable sugiere su utilidad potencial en el monitoreo en tiempo real en condiciones duras.

La energía de fusión, a menudo aclamada como una fuente de energía casi ilimitada y limpia, enfrenta varios obstáculos tecnológicos, incluida la necesidad de métodos confiables para monitorear el estado de la primera pared de un reactor. Este componente, que separa el plasma sobrecalentado de la estructura del reactor, se deteriora con el tiempo debido a la radiación intensa. Los sensores actuales basados en silicio no pueden sobrevivir dentro de este entorno, lo que requiere una colocación externa y depender de mediciones indirectas o inspecciones posteriores al cierre.

El uso de sensores basados en GNR podría permitir un monitoreo más directo y continuo, reduciendo potencialmente la frecuencia de costosos cierres y extendiendo los períodos operativos de las centrales de fusión. El equipo de investigación fabricó los GNR desde el nivel molecular utilizando técnicas avanzadas desarrolladas por Mutlu. Estas cintas fueron diseñadas para tener exactamente nueve átomos de ancho, un átomo de espesor y aproximadamente 45 nanómetros de largo, mucho más delgados que un cabello humano. Debido a sus dimensiones microscópicas, las cintas exhiben un comportamiento regido por la mecánica cuántica en lugar de la física clásica. Sin radiación, la corriente fluye a través de los GNR de una manera predecible.

Sin embargo, cuando se exponen a la radiación gamma, las moléculas reactivas generadas en el aire circundante interactúan con los bordes de las cintas, alterando ligeramente sus propiedades sin afectar su estructura general. Estas sutiles alteraciones a nivel cuántico conducen a un fenómeno conocido como localización de Anderson, donde los electrones portadores de carga quedan atrapados, lo que resulta en una fuerte reducción de la conductividad eléctrica. Los investigadores creen que este efecto podría aprovecharse para crear sensores altamente sensibles capaces de detectar incluso cambios menores en los niveles de radiación.

Más allá de sus aplicaciones potenciales en la energía de fusión, los GNR se están explorando por su papel en el avance de las tecnologías electrónicas. Sus propiedades únicas, incluida la resistencia excepcional y la estabilidad térmica, los posicionan como alternativas viables a los semiconductores tradicionales como el silicio. A medida que la tecnología de chips se acerca a sus límites físicos, materiales como los GNR podrían permitir dispositivos de computación más rápidos y eficientes, desde teléfonos inteligentes hasta sistemas de inteligencia artificial.

Esto incluye no solo reactores nucleares, sino también naves espaciales que navegan por el cosmos, donde la radiación representa una amenaza constante para la electrónica a bordo. La capacidad de desplegar sensores duraderos y sensibles en tales condiciones podría mejorar la seguridad y la confiabilidad en múltiples sectores. Se necesitan más estudios para refinar la integración de GNR en diseños de sensores prácticos y para evaluar su rendimiento a largo plazo bajo exposición sostenida a la radiación. Los investigadores son optimistas de que la exploración continua de estos nanomateriales dará lugar a innovaciones que aborden algunos de los desafíos más apremiantes tanto en la producción de energía como en la exploración espacial.