Después de tres años de tramitación académicos del Departamento de Física obtuvieron una de las diez patentes concedidas a nuestra Universidad

Ranking de Propiedad Intelectual elaborado por INAPI ubica a la Casa de Estudios dentro de los 3 más destacados a nivel nacional.

Los investigadores de nuestro Departamento de Física, Patricio Häberle y Christian Orellana, fueron quienes obtuvieron una de las patentes otorgadas este año por su “Método y Sistema para producir grafeno”.  La propuesta es una variante novedosa respecto de los  métodos  actualmente en uso para sintetizar este novedoso material.
Pero qué significa y para qué sirve, nos cuentan Patricio y Christian un poco más sobre esta nueva patente registrada para la Universidad.

-¿En qué consiste esto?

-La patente de invención se refiere a un nuevo método de crecimiento de grafeno basado en la deposición de vapores químicos  (CVD). Esta patente de invención se ha incorporado al programa  PCT (Patent Cooperation Treaty) lo cual  implica  que puede protegerse no sólo en Chile, sino también a nivel  mundial.

El grafeno es un material bidimensional, está formado por una mono capa de átomos de carbono, que se ordenan formando una estructura tipo panal de abeja. Fue aislado por primera vez en el año 2004 y los que primero midieron sus propiedades obtuvieron el premio Nobel de Física en el 2010. Desde entonces ha llamado enormemente la atención por sus excepcionales propiedades físicas. Por ejemplo,  es un material muy liviano y a la vez resistente y flexible, es un muy buen conductor del calor, superando incluso al diamante.  Los portadores de carga en él, se mueven 100 veces más rápido de lo que lo hacen en silicio, ello hace interesante al grafeno para aplicaciones en microelectrónica. A diferencia de otros buenos conductores de corriente eléctrica, es también prácticamente trasparente a la luz visible, lo que abre nuevas posibilidades para su uso en optoelectrónica.

-¿Cuál es su aplicación?

-Aplicando los principios de nuestra invención, se pueden diseñar sistemas de crecimiento de grafeno por CVD de tamaño muy reducido, ya que en este caso no se necesitan de voluminosos sistemas de vacío, reduciendo así ostensiblemente el costo.  La síntesis se logra en un número reducido de pasos,  haciendo muy sencilla su automatización y, por lo tanto, no se requiere de personal especializado para supervisar su formación. Por otro lado, se reducen los costos de insumos,  ya que no se  necesita adicionar hidrógeno gaseoso en ninguna parte del proceso, como es el caso usual en la síntesis de grafeno. Esta característica contribuye además a la seguridad del dispositivo propuesto.

-¿Cómo nació la idea?

-La tecnología nace de los resultados de la tesis doctoral de Cristian Orellana, en temas de física de la materia condensada, relacionados al estudio de métodos alternativos de crecimiento de grafeno para posibles aplicaciones en procesos mineros. El financiamiento para este trabajo provino del programa FONDEF a través del proyecto N° D11I1226.

El nuevo método opera en condiciones de cámara abierta, y a diferencia de los métodos tradicionales de síntesis, se realiza en una sóla etapa.  Esto es, la reducción del sustrato de cobre ocurre como parte del proceso de crecimiento.  La configuración del sistema es simplemente dos láminas de cobre paralelas contenidas en una cámara de vidrio y separadas entre sí por unos pocos milímetros. En ellas se descompone el metano (CH4), cuando las láminas son calentadas vía inducción electromagnética a una temperatura cercana a los 1000 °C. De las especies producidas en la descomposición del metano, el hidrógeno aumenta su concentración relativa, en la zona entre las láminas, debido al fenómeno de termo-difusión o efecto Soret. Este efecto, hace que las especies más livianas se concentren en las zonas más calientes. De esta forma, el hidrógeno, subproducto de la descomposición del metano, se encuentra en cantidades suficientes para reducir el óxido de la superficie del cobre e inhibir la acción nociva para la síntesis de las especies oxidativas.  Es así que  se logra  el crecimiento de grafeno, sobre las caras internas de estas láminas de cobre.  Esperamos que esta innovación se transforme en una alternativa barata y sencilla para la producción de grafeno a nivel industrial.

-¿Cuánto tiempo les tomó?

-No  fue un tiempo corto, después de obtener los resultados experimentales de la tesis doctoral, que tomó cerca de tres años, observamos el potencial del nuevo método. Realizamos una primera  búsqueda del estado del arte y posteriormente efectuamos una declaración de invención en la oficina de transferencia tecnológica (OTTL) de la universidad. Un perito estudió la declaración, analizando el grado de novedad e impacto de la tecnología propuesta. Finalmente, después de algunos meses, se redactó un informe recomendando patentar la tecnología.

Posteriormente se procedió a redactar la solicitud formal de patente, la cual fue enviada a INAPI (Instituto Nacional de Propiedad Industrial) en julio del 2016.  INAPI inicia su propia investigación, realizando nuevas búsquedas.  La patente fue finalmente concedida en el año 2019.

-¿Qué implicancia tiene?

-Especular sobre las implicancias de esta tecnología en este instante, es un poco prematuro,  sin embargo podemos adelantar  que es posible construir sistemas de CVD de bajo  costo y  fácil uso.  Con ello  se reduce la barrera de entrada de muchos centros de investigación para poder iniciar estudios de las diversas aplicaciones del grafeno.  La Figura 1 muestra varias imágenes relativas a la invención.

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Figura1.   a) Esquema  de la invención  WO 2018/014143 AL.  b) Diagrama  del prototipo construído (C. Orellana et al, AIP Advances 7(8):085301, 2017, doi:10.1063/1.4985751).  c) Concepción artística de como se vería el nuevo sistema de síntesis en su versión de sobremesa.

Christian Orellana Gómez

Dr. en  Física de  la Universidad Técnica Federico Santa maría, su área de investigación es física de materia condensada experimental específicamente en la síntesis de grafeno. Ha publicado artículos en revistas internacionales y tiene patentes concedidas como solicitadas.  Ejerce  la  docencia universitaria y está  vinculado a la investigación en los laboratorios de la UTFSM.

Patricio Häberle Tapia

Dr. en Física de la Universidad de Pennsylvania, profesor del departamento de Física desde el año 1989. Su área de especialización es Física de materia condensada experimental. Ha sido director de proyectos de investigación básica, de ciencia aplicada y de desarrollo de programas de doctorado en Física en el país.