Investigadores de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL), en Suiza, han desarrollado un condensador de grafeno ajustable que podría aumentar significativamente la velocidad y la eficiencia de los sistemas de comunicación inalámbrica. El sistema, que funciona a frecuencias muy elevadas, con unos resultados sin precedentes, podría llegar a revolucionar el Internet de las cosas.
Hay muchos tipos de comunicaciones inalámbricas: teléfonos móviles con conectividad 4G o 5G, dispositivos GPS y ordenadores conectados a través de Bluetooth, sensores portátiles, etc.; y todas ellas funcionan en diferentes bandas de frecuencia. Para trabajar con múltiples plataformas, los dispositivos conectados tienen que ser compatibles con una amplia gama de frecuencias sin ganar un volumen excesivo debido al hardware.
Actualmente, la mayoría de los sistemas inalámbricos portátiles están equipados con circuitos reconfigurables que pueden ajustar su antena para transmitir y recibir datos en las distintas bandas de frecuencia. El problema es que las tecnologías disponibles hoy en día, como los MEMS y los MOS, que utilizan silicona o metales, no funcionan bien a altas frecuencias. Y ahí es precisamente donde los datos pueden viajar mucho más rápido.
Por eso el descubrimiento de los investigadores de la EPFL es tan interesante, porque permite que los circuitos operen en ambas frecuencias bajas y altas; y con una eficiencia sin precedentes.
La nueva solución de grafeno, desarrollada en el Laboratorio de dispositivos nanoelectrónicos, está diseñada para reemplazar a los condensadores ajustables, presentes en todos los dispositivos inalámbricos. El dispositivo «reconfigura» los circuitos a diferentes frecuencias para que puedan funcionar en una amplia gama de bandas de frecuencia. Además, satisface otras necesidades que no cubren los condensadores MEMS ni los MOS:
- Un buen rendimiento a altas frecuencias
- Un tamaño diminuto (alrededor de unos 0,05 cm).
- Y la capacidad de poder ajustarlo con unos niveles bajos de energía.
Además, el condensador de grafeno desarrollado por los investigadores de la EPFL:
- Es compatible con los circuitos tradicionales
- Consume muy poca energía
- Y por encima de los 2,1 Ghz supera, fácilmente, a sus competidores.
«El área de la superficie de un sistema MEMS convencional tendría que ser mil veces mayor para alcanzar su valor de capacitancia», señaló Clara Moldovan, autora principal del estudio.
Cómo funciona el condensador de grafeno
Fuente: EPFL
El descubrimiento de los investigadores de la EPFL está basado en una estructura de sándwich inteligente.
“Cuando se descubrió el grafeno, hace más de 10 años, causó un verdadero revuelo”, señaló Moldovan. “Fue considerado un material milagroso, debido a que es muy buen conductor eléctrico y térmico, además de ser flexible, ligero, transparente y resistente. Sin embargo, los investigadores descubrieron que era difícil de integrar en los sistemas electrónicos, debido a que su grosor atómico le confiere una elevada resistencia efectiva».
La estructura en forma de sándwich aprovecha el hecho de que un gas bidimensional de electrones en un pozo cuántico puede comportarse como una capacitancia cuántica. Esto se debe a que sigue el principio de exclusión de Pauli, según el cual se necesita una cierta cantidad de energía para llenar un pozo cuántico con electrones. La capacitancia cuántica se puede medir fácilmente en las capas de grafeno de un solo átomo y su principal ventaja es que es ajustable variando la densidad de carga en el grafeno con un voltaje muy bajo.
«Aplicando un voltaje, podemos ajustar nuestros condensadores a una frecuencia determinada, del mismo modo que se ajusta una radio para sintonizar diferentes estaciones”, señaló Moldovan.
Principales ventajas y aplicaciones del nuevo condensador de grafeno
Además de las ventajas ya mencionadas, el nuevo condensador puede ser rígido o flexible, lo que aumenta considerablemente sus posibles aplicaciones.
- Al funcionar a frecuencias elevadas, mejorará el flujo de datos entre los dispositivos conectados
- Podría prolongar la vida útil de las baterías
- Dará lugar a dispositivos cada vez más compactos
- En su estado flexible, se podría utilizar fácilmente en sensores colocados en la ropa o directamente en el cuerpo humano.
A pesar de todo esto, según los investigadores de la EPFL, el grafeno no reemplazará al silicio como se ha dicho una y otra vez en los últimos años, sino que la tecnología definitiva será un híbrido que combine el grafeno con tecnologías avanzadas de silicio.
El motivo es que, en el ámbito de la electrónica, el grafeno es más eficaz cuando se combina con bloques funcionales de silicio.
De lo que no parece haber ninguna duda, según los resultados de la investigación, es de que la incorporación del grafeno podría revolucionar las comunicaciones inalámbricas y, con ello, el Internet de las cosas y las ciudades inteligentes.
La investigación se ha publicado en la revista especializada Nanoletters.
Fuente: EPFL
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