Dirigida por Pilar Marín Palacios y María del Carmen Horrillo Güemes
Esta tesis doctoral presenta una investigación en detalle sobre materiales basados en grafeno (GBMs) y materiales magnéticos amorfos, centrándose en su producción, caracterización y posibles aplicaciones en el apantallamiento electromagnético y la detección de gases.
El estudio incluye el desarrollo de materiales y sus aplicaciones dentro del campo de la física del estado sólido. Lo hace explorando, con un enfoque eminentemente experimental, cuatro líneas de investigación principales: la producción de GBMs, el uso de GBMs y materiales magnéticos amorfos en aplicaciones de apantallamiento electromagnético, el uso de GBMs en sensores químico-resistivos de gases, y el uso de materiales magnéticos amorfos en sensores de gas basados en la resonancia magnetoelástica.
La investigación empieza explorando métodos escalables para la producción de GBMs, ya que, para los materiales magnéticos amorfos, la producción industrial ya está consolidada. Se presentan los GBMs y sus actuales métodos de producción, incluyendo sus ventajas y limitaciones, se estudia sistemáticamente la técnica de molienda de bolas utilizando grafito como precursor. Tras probar diferentes molinos de bolas y parámetros de molienda, la técnica se postula como prometedora para una producción a gran escala. De hecho, a partir de uno de los procesos de molienda se obtuvo grafeno mesoporoso de pocas capas (FLMG), una aglomeración de dominios de grafeno de pocas capas formando una estructura mesoporosa.
Aunque este método de producción de FLMG resulta ser económicamente viable, respetuoso con el medio ambiente y adecuado para la producción a escala industrial, la viabilidad comercial de este material está limitada por sus posibles aplicaciones. En este sentido, primero se investigó el uso de FLMG para aplicaciones de apantallamiento electromagnético.
Los materiales magnéticos amorfos, en particular los micróhilos magnéticos amorfos (MW), tienen una reputación bien afianzada como materiales de apantallamiento electromagnético (ESMs). Sin embargo, estos materiales están potencialmente limitados por su alta densidad relacionada con su composición metálica de base hierro. El uso combinado de FLMG y MW - ya sea por sustitución o adición -, resultó en ESMs con un rendimiento excepcional y parámetros de apantallamiento ajustables. Es más, la investigación sugiere un efecto sinérgico entre FLMG y MW que mejora el rendimiento más allá de lo que se esperaría a partir de sus componentes por separado.
También se investigó la aplicación de FLMG en sensores de gases para el control de la calidad del aire en general y la detección de NO2 en particular. El dispositivo sensor basado en FLMG mostró un buen rendimiento con la capacidad de detectar NO2 en bajas concentraciones (25 ppb), por debajo del umbral de toxicidad humana, de manera rápida y fiable. Además, una limitación tradicional de los sensores basados en grafeno, esto es, la lenta desorción del analito que conduce a una disminución del rendimiento durante la operación del sensor se abordó mediante irradiación UV. Gracias a una colaboración internacional, se estudiaron en profundidad los efectos de la irradiación UV en un grafeno multicapa crecido mediante CVD. Se encontró que, ajustando los parámetros de irradiación, pueden obtenerse una desorción rápida y completa y una mejora general del rendimiento en sensores de gas basados en grafeno.
Por último y no menos importante, también se ha investigado el uso de materiales magnéticos amorfos en aplicaciones de detección de gases. A partir del efecto magnetoelástico, es posible desarrollar un sensor sin contacto físico y sin fuentes de alimentación integradas, lo que lo hace particularmente interesante para aplicaciones biomédicas. A partir de un nuevo sistema capaz de monitorizar la resonancia magnetoelástica en tiempo real se desarrolló un sensor operado remotamente capaz de detectar diferentes biomarcadores relacionados con el diagnostico de enfermedades por análisis del aliento y, lo que es más importante, capaz de monitorizar la respiración real de una manera rápida y reproducible. Esta investigación también presenta y explora diferentes estrategias para mejorar el rendimiento de estos sensores.
En resumen, esta tesis se enfoca en las aplicaciones de apantallamiento electromagnético y detección de gases, y en ese contexto, realiza un estudio crítico del estado actual del arte, desarrolla materiales y técnicas, y presenta métodos innovadores para superar las limitaciones actuales. La calidad y novedad de esta tesis de doctorado están respaldadas por una serie de patentes (2) y publicaciones científicas (5) incluidas en los capítulos de la tesis.
