Los investigadores de la Universidad de Arizona integraron nanoribbons de grafeno, conocidos como GNR, en dispositivos semiconductores y los expusieron a radiación gamma. Los resultados demuestran que estos materiales mantienen su estructura atómica intacta tras la exposición a radiación, mientras que su rendimiento eléctrico cambia de manera dramática y medible, según explicó Zafer Mutlu, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales en la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Arizona.

"Los dispositivos sobreviven a la exposición y aún responden, pero su rendimiento eléctrico cambia dramáticamente. Ese es exactamente el comportamiento que queremos de un sensor", dijo Mutlu, investigador principal del proyecto.

El descubrimiento aborda un problema fundamental en la tecnología de fusión nuclear. Los reactores de fusión funcionan mediante el confinamiento de combustible superCalentado dentro de una barrera interna llamada primera pared, que separa el plasma del combustible de la estructura del reactor. Esta barrera se degrada gradualmente bajo la intensa radiación, requiriendo inspecciones periódicas y reemplazo. Los ingenieros actualmente monitorean este daño utilizando sensores basados en silicio, pero estos no pueden sobrevivir dentro de la primera pared. En su lugar, deben colocarse fuera de la barrera, lo que obliga a los operadores a depender de mediciones indirectas durante la operación e inspecciones físicas después del apagamiento del reactor.

Los nanoribbons de grafeno podrían cambiar esta situación. Debido a que la exposición a radiación gamma dejó intacto el marco atómico de los ribbons mientras producía una respuesta eléctrica fuerte y medible, los investigadores sugieren que los sensores basados en GNR podrían eventualmente ser diseñados para operar más cerca del núcleo del reactor de lo que pueden hacerlo los componentes electrónicos actuales. Esto reduciría potencialmente los costosos paros para inspección y mantenimiento, aumentando significativamente el tiempo que las plantas de energía de fusión pueden permanecer en operación.

El estudio investigó la respuesta estructural y electrónica de nanoribbons de grafeno atomicamente precisos a la irradiación gamma. Los investigadores sintetizaron nanoribbons armchair de nueve átomos de ancho (9-AGNRs) mediante un enfoque de síntesis de abajo hacia arriba en superficie, los integraron en transistores de efecto de campo (FETs) y los caracterizaron antes y después de la exposición utilizando espectroscopia Raman y mediciones de transporte eléctrico.

La espectroscopia Raman indicó la preservación de la estructura de red primaria del GNR, acompañada de cambios espectrales sutiles que sugieren oxidación inducida por irradiación o perturbaciones locales de la red. Mutlu reveló que los minúsculos ribbons se comportan de acuerdo con las reglas de la física cuántica en lugar de la física clásica. En ausencia de radiación, la corriente fluye de manera bien definida a través de los GNRs. Las mediciones de los investigadores indican que la radiación gamma que pasa a través del aire circundante produce moléculas reactivas que alteran sutilmente los bordes del ribbon sin cambiar su estructura general.

A esta escala, los efectos cuánticos amplifican el impacto de pequeños cambios en el transporte de señal eléctrica a través del material. Los investigadores proponen que los cambios desencadenan un efecto cuántico llamado localización de Anderson, que atrapa los electrones portadores de carga en su lugar y reduce drásticamente la corriente, produciendo la señal de exposición a radiación que podría proporcionar datos más precisos para la planificación del mantenimiento del reactor.

Las implicaciones de este descubrimiento se extienden más allá de los reactores de fusión terrestres. Los sensores basados en GNR también podrían ser utilizados en el espacio profundo, donde la radiación intensa desafía las tecnologías existentes y el monitoreo cercano del deterioro de materiales podría ayudar a mantener los sistemas críticos funcionando de manera confiable.

El hallazgo representa un avance significativo hacia la viabilidad comercial de la energía de fusión como fuente de energía limpia y prácticamente ilimitada. Al mejorar cómo los ingenieros monitorean la condición de la primera pared del reactor, los sensores basados en nanoribbons de grafeno podrían eliminar uno de los obstáculos clave para llevar la energía de fusión a la red eléctrica.