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Jorge Bravo, 34

Ha ideado un 'grafeno fotónico' para láseres ultraeficientes y almacenamiento de energía solar

Universidad Autónoma de Madrid

Jorge Bravo

En algunas áreas de la física, la transición entre un hallazgo teórico, su demostración empírica y la llegada de sus aplicaciones al mercado puede llevar décadas, requerir grandes esfuerzos técnicos y económicos, e incluso no llegar a materializarse jamás. Este es un panorama “desesperante” para investigadores como el español Jorge Bravo, un físico "impaciente", acostumbrado a sumergirse en la ciencia fundamental y volver rápidamente a la superficie con una solución práctica que suponga "un camino totalmente diferente a lo que se ha intentado hasta ese momento".

Por suerte para este joven, su campo de especialidad, la tecnología fotónica, es ideal para ajustar el ritmo entre la academia y la industria de consumo. Según Bravo, "aquí es posible tener una idea de física fundamental pura y traducirla en unos meses a un dispositivo que se pueda vender".

Licenciado y doctor por la Universidad Autónoma de Madrid (España), Bravo trabajó cuatro años en el Laboratorio de Investigación en Electrónica del MIT (Estados Unidos), saltando de un lado a otro de esta frontera entre física fundamental y aplicada. Tal y como explica, esto le ha permitido crear soluciones innovadoras para retos que estaban estancados desde el punto de vista de la ingeniería, o para los que la comunidad científica solo había sido capaz de proponer mejoras "incrementales".

No sorprende, por tanto, que su trabajo más reciente -de vuelta en España con un contrato Ramón y Cajal, pero aún en estrecha colaboración con el MIT- tenga en el punto de mira al último "material prodigio" de la física: el grafeno, esa forma de carbono compuesta por una sola lámina de átomos de este elemento.

Para construir dispositivos que aprovechen las características del grafeno, que tanta expectación ha despertado dentro y fuera del mundo científico, Bravo y sus colaboradores del MIT han decidido diseñar una imitación de esta sustancia utilizando tecnología fotónica. En este grafeno fotónico, que ha sido presentado recientemente en la revista científica PNAS, el equipo de Bravo logra que los fotones tengan las mismas propiedades de propagación que los electrones en el grafeno gracias a la estructura y naturaleza de las capas que lo conforman.

Este joven innovador y su equipo están ya usando dicho ingenio para diseñar dispositivos LED de alta eficiencia capaces de iluminar grandes áreas y sistemas de captación y almacenamiento de energía fotovoltaica. Sin embargo, según explica, la creación de un material que les sirviera, a continuación, para crear dispositivos "de gran área" como estos, no estaba exenta de dificultades: "Al hacer áreas grandes hay muchos estados a los que la luz se puede acoplar y esto estropea los dispositivos", resume.

Aprovechando la dispersión de Dirac

Estos estados fotónicos de los que habla el joven dependen de la llamada estructura de bandas, la característica que gobierna la propagación de la luz en un material fotónico. "Cuanto mayor sea el área del dispositivo que quieres crear, mayor será el número de estados fotónicos disponibles, y más fácil será que haya interferencias entre ellos y el sistema deje de funcionar, por ello, no existen láseres de la superficie de una habitación, por ejemplo", explica Bravo.

A nivel fundamental, hay dos propiedades que caracterizan el grafeno electrónico y que el equipo de Bravo ha logrado copiar en su imitación fotónica. La primera es, precisamente, la forma de su estructura de bandas; la segunda, el hecho de que en el grafeno, los electrones se propagan en un solo plano, ya que en él solo existe una capa de átomos.

Como su objetivo final era crear dispositivos que necesitaran poca potencia de alimentación y tuvieran un área grande Bravo necesitaba que, a medida que aumentara la superficie, el número de estados que hubiera en el sistema creciera muy lentamente. Para ello, este investigador decidió aprovechar un concepto de física fundamental llamado relación de dispersión de Dirac. Bravo explica: "La lentitud en la aparición de estados debida a la relación de dispersión de Dirac hace que puedas tener una gran área y solo un estado en que la luz se puede acoplar". 

Para que esta lentitud se manifestara, el equipo construyó su material de manera que tuviera una estructura de bandas muy concreta, a través del uso de una lámina de germanio con una red hexagonal de orificios que presenta esta dispersión de Dirac. Por otro lado, para lograr confinar la propagación de la luz a un solo plano -la segunda de las propiedades del grafeno electrónico que querían copiar- hicieron que la lámina de germanio quedara atrapada en una especie de sándwich, en el que se colocaron unos bloques de silicio amorfo (también agujereados periódicamente) por encima y por debajo de ella para evitar que la luz se propagase en otra dirección diferente al plano. Integrados en el germanio, se incluyeron también varios puntos cuánticos que actuarían como emisores de luz.

De esta forma, el material obtenido no solo logra imitar las propiedades del grafeno, sino que "se puede fabricar fácilmente y es escalable y sintonizable", explica el investigador. Gracias a ello, las primeras aplicaciones prácticas, protegidas bajo patente, ya están en camino. La más avanzada de ellas, que Bravo está fabricando en colaboración con el MIT y los Laboratorios Nacionales de Singapur, es un nuevo tipo de LED que permite emitir luz sobre grandes áreas con muy poca potencia de alimentación.

Gracias a estos nuevos láseres en los que la alimentación necesaria es mucho más pequeña, se abre la posibilidad de usar luz solar para generar luz láser cuya energía pueda ser almacenada. Según explica Bravo, la luz del sol que incide sobre este material -del que sería factible fabricar grandes superficies- podría almacenarse más fácilmente al salir convertida en luz láser que tiene una sola frecuencia. Según Bravo, "esto permite inducir reacciones químicas que almacenen la energía, y la reacción inversa, que la devuelva cuando haga falta".

El equipo de Bravo está actualmente ampliando sus conocimientos de química fotovoltaica para seguir explorando esta vía que podría dar lugar a un sistema eficiente que realmente fuera capaz de almacenar energía solar.

Según el líder del grupo de Optoelectrónica del Instituto de Ciencias Fotónicas y  miembro del jurado de los premios MIT Technology Review Innovadores menores de 35 España Valerio Pruneri, Bravo es "uno de los investigadores españoles más prometedores en su campo" y ha introducido conceptos "muy innovadores" en el campo de interacción de luz con materiales nanoestructurados que podrían tener un importante impacto en la industria. - Elena Zafra

Ganadores de Innovadores menores de 35 España 2013

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juanrosco

1 Comentario

  • 982 Días Hace
  • 15/12/2013

grafeno

interesante artículo, te felicito, os felicito.
Innovador abordaje del problema.
Me he dado cuenta de que al poner dos planchas, con  perforaciones hexagonales, en paralelo, vistas a distancia, se comportan como lentes de aumento considerables. podría ser que eso mismo se pudiera hacer en la escala nanométrica con el grafeno, lo que tendría múltiples aplicaciones.
tal vez con la propiedad de que con el impacto de un número determinado de fotones sobre la primera plancha produjera un factor multiplicativo de impactos sobre la segunda, de esta sobre una tercera, etc.
Bueno, espero que todo os vaya muy bien, porque con ello nos irá muy bien a todos.

Respuesta

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