Hacia una nueva generación de sensores basados en grafeno

El grafeno (consistente en una capa bidimensional de átomos de carbono) y otros materiales 2D están llamados a protagonizar la siguiente generación de dispositivos electrónicos avanzados, debido fundamentalmente a las particularidades que su carácter estrictamente 2D le confieren en cuanto a sus propiedades electrónicas, ópticas o mecánicas. Es un material transparente y conductor con altísima movilidad electrónica y por tanto con un potencial extraordinario para su aplicación en pantallas táctiles o electrodos en paneles solares. Es además posible sintonizar su conductividad de una forma directa mediante la manipulación de la densidad de portadores de carga (electrones-huecos), ideal para el desarrollo de nuevos dispositivos electrónicos de alta precisión para aplicaciones variadas como microrrobótica y automoción. Finalmente, su compatibilidad con otros materiales de muy distinta naturaleza convierte al grafeno en un componente versátil para el desarrollo de biosensores.

Galeria FVillacorta

Nuestro grupo en el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC) está realizando estudios fundamentales en grafeno y óxido de grafeno explorando nuevas posibilidades en el diseño y fabricación de materiales híbridos para su implementación en dispositivos avanzados de detección, como pantallas táctiles, sensores de posición/movimiento de alta precisión, biosensores (para detección de biomarcadores, ADN, bacterias,…) y sensores de gases.

Como primeros resultados, se han estudiado los mecanismos de reducción de películas de óxido de grafeno de 2-10 monocapas y los cambios en la estructura y apilamiento que ocurren durante estos procesos, así como la evolución de las propiedades mecánicas mostrando la relevancia de los enlaces de hidrógeno existentes entre copos de óxido de grafeno.

La combinación de grafeno con nanoestructuras de metales y óxidos permite desarrollar una funcionalidad extra en materiales híbridos grafeno/nanoestructuras, proporcionando un mayor conocimiento de dichos materiales con visos a su posterior implementación. Un ejemplo es el estudio del dopaje eficiente y sintonizado (de ~8 electrones promedio por nanopartícula) y la amplificación de la señal de detección Raman (surface enhanced Raman spectroscopy, SERS) mediante la incorporación controlada de nanopartículas ultra-pequeñas de plata (~4 nm) sobre la superficie de grafeno monocapa, en el límite de muy bajas concentraciones y tamaño de partícula ultrapequeño.

Por otra parte, se están explorando novedosas estrategias en la fabricación de diferentes arquitecturas de sustratos SERS que combinan diferentes procesos de amplificación de la señal Raman en plataformas híbridas, como el material transparente grafeno/nanoislas de rutenio (el control de la morfología modula la resonancia plasmónica y es por tanto de gran interés para aplicaciones SERS en el ultravioleta), o microburbujas (con una intensificación de la señal Raman del grafeno hasta un factor 70, que puede llegar factores de amplificación de hasta 11000) y óxidos intercalados entre el grafeno y sustratos metálicos. El conjunto de estos resultados allanan el camino para el diseño y fabricación de plataformas biocompatibles basadas en grafeno extremadamente sensibles para la detección de biomoléculas.

Referencias:

Díez-Betriu, F.J. Mompeán, C. Munuera, J. Rubio-Zuazo, R. Menéndez, G. R. Castro and A. de Andrés, Carbon 80, 40-49 (2014).

R.J. Jiménez Riobóo, E. Climent-Pascual, X. Díez-Betriu, F. Jiménez-Villacorta, C. Prieto and A. de Andrés, J. Mater Chem C 3, 4868-4875 (2015).

Jiménez-Villacorta, E. Climent-Pascual, R. Ramirez-Jiménez, J. Sanchez-Marcos, C. Prieto, A. de Andrés, Nanoscale (under review, 2015).

Ramírez-Jíménez, L. Álvarez-Fraga, F. Jiménez-Villacorta, E. Climent-Pascual, C. Prieto and A. de Andrés, ACS Nano (submitted).

Félix Jiménez-Villacorta, E. Climent-Pascual, L. Álvarez-Fraga, X.A. Pujol, R. Ramírez-Jiménez, R. Jiménez-Rioboo, C. Prieto and A. de Andrés, Materiales para Tecnologías de la Información, Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid – Consejo Superior de Investigaciones Científicas (ICMM-CSIC)