domingo 29.03.2020
UN NUEVO MATERIAL

El mundo del grafeno

En los últimos nueve años el grafeno ha ido ganando la atención de científicos, investigadores y diseñadores e incluso ha salido de ese ámbito para aparecer en los medios de comunicación; en este artículo voy a hablar de lo que es y el porqué de esa atención, empezando con un poco de historia.

Familia del grafeno
Familia del grafeno

Estamos tan acostumbrados a los lápices y parecen objetos tan sencillos que se podría pensar que llevan mucho tiempo con nosotros. Sin embargo, ninguna de las antiguas civilizaciones llegó a conocerlos. Para la Humanidad el grafito, que forma la mina de los lápices, es casi un recién llegado: fue en el siglo XVI cuando los ingleses encontraran un primer yacimiento de grafito puro y entonces pensaron que era plomo. De hecho todavía hoy se llama lead, plomo en inglés, a la mina de los lápices. Rápidamente se descubrió la utilidad del nuevo material para escribir y su popularidad se extendió por todo el mundo; se le dio el nombre de grafito a partir de la palabra griega que quiere decir escribir. No fue hasta finales del siglo XVIII, cuando el químico sueco Carl Scheele, más conocido por haber descubierto el oxígeno, halló que el grafito en realidad era carbono.

El grafeno es 200 veces más fuerte que el acero, según el profesor James Hone, de la universidad de Columbia, en Nueva York.

Posteriormente se comprobó que el grafito estaba formado por varias capas de átomos de carbono y cada capa es lo que llamamos grafeno; aunque el enlace y la estructura químicas se conocieron en la década de 1930´s y la estructura electrónica de bandas en 1949, obtener grafeno resultó complicado pues había que separar las capas y que el espesor de cada una es muy pequeño, el de un átomo de carbono; es también muy ligero, menos de 8 gramos de grafeno bastarían para cubrir la superficie de un campo de fútbol.

En 1990, físicos de la universidad de Aachen en Alemania consiguieron películas de grafeno tan delgadas que se podía ver a través de ellas; diez años más tarde el espesor se había podido reducir a unas pocas decenas y en 2004 Andrei Geim, Konstantin Novoselov y su equipo de la universidad de Manchester “fabricaron” grafeno, gracias a lo cual los dos científicos de origen ruso recibieron el Nobel de Física en 2010.

Cuando se consiguió separar el grafeno se vio que los átomos estaban dispuestos  hexagonalmente, es decir, en forma de panal de abeja o de tela de gallinero, en un plano. Esta estructura bidimensional (2D) iba a proporcionar unas propiedades que estimularon la curiosidad por este nuevo material: en primer lugar, puede enrollarse para formar nanotubos de una sola dimensión o apilarse en tres dimensiones como grafito, en segundo lugar, es el material más resistente que se conoce, 200 veces más fuerte que el acero, según el profesor James Hone, de la universidad de Columbia, en Nueva York citado por Steve Mirsky, en noviembre de 2011. Por último, aunque no menos importante, el grafeno es también el material que mejor conduce la electricidad.

Todavía ha habido poco tiempo -el grafeno “nació” en 2004-, para que se haya conseguido alguna aplicación práctica del grafeno, pero sus propiedades le convierten en candidato a formar parte de nuevos materiales ultra resistentes, pantallas flexibles, más ligeras y delgadas, transistores más rápidos, baterías de carga rápida y circuitos electrónicos más compactos.

El poco espesor, mayor rapidez de los electrones y poca generación de calor del grafeno permitirá que los circuitos sean más compactos, extendiendo así la vigencia de la ley Moore formulada en 1975 por Gordon Moore según la cual cada 18 meses se duplicaría la complejidad de los circuitos integrados y que hasta el presente se ha cumplido pero que parecía próxima a expirar.

Otras áreas en las que se están considerando aplicaciones son Medio ambiente y Medicina por sus propiedades antibacterianas .

Asimismo, la utilidad del grafeno para hacer avanzar el conocimiento en el área de la física de pequeñas partículas y para una mejor comprensión de las complicadas relaciones entre la mecánica cuántica y la teoría relativista está apareciendo cada vez con mayor claridad.

Pero ese futuro no carece de obstáculos y el primero es su disponibilidad: fabricarlo es caro, probablemente sea el material más caro que existe, un cm2 cuesta entre 10 y 50€, y hasta ahora sólo se ha fabricado en pequeñas cantidades, aunque se está inviertiendo mucho en esta investigación. Es un área en el que España parece estar bien posicionada, industrialmente, con varias compañías que fabrican grafeno y en la investigación, donde el pasado mes de julio, miembros del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) patentaron un sistema para obtenerlo a partir del coque, que se obtiene destilando carbón bituminoso, en vez de a partir del grafito.

En palabras de A. Geim y P. Kim el  grafeno ha llevado la mecánica cuántica al laboratorio.

Dadas sus peculiaridades no sorprende que Ahmed Zewail, premio Nobel de Química en 1999, y su  equipo del California Institute of technology (Instituto de tecnología de California), que habían desarrollado el microscopio de cuatro dimensiones, eligiera el grafeno como objeto de estudio. El microscopio de cuatro dimensiones (4D) es capaz de obtener imágenes de procesos en una escala muy pequeña con intervalos de tiempo muy precisos y cortos, de femtosegundos; un femtosegundo son 10-15 segundos, la milbillonésima parte de un segundo.

Se hizo un experimento consistente en lanzar pulsos de laser contra cristales de grafito de unas pocas capas de átomos de espesor y producir una “película” a partir de las imágenes tomadas de las oscilaciones de las capas, que se producían con frecuencias de 10 a 100 gigahercios, 1010 a 1011 ciclos por segundo. Inicialmente, las imágenes reflejaban un movimiento caótico pero pronto se convirtió en un movimiento con oscilaciones regulares, similar al de la superficie de un tambor cuando se golpea. Mostraron que el material era más resistente a la deformación en un plano de átomos de carbón que a la separación de sus capas. La explicación dada fue que los enlaces de los hexágonos de carbón son más fuertes que los de una capa o plano con otra. Pudieron medir también la pérdida de energía en los choques de los electrones, que proporciona información sobre el tipo de enlace que tienen los átomos y comprobaron que el enlace era similar al del diamante en la fase de compresión y al del grafeno en la de expansión. Esto ocurría también aunque el número de capas de átomos fuera pequeño.

Por su parte, A. Geim, citado anteriormente, que trabaja actualmente en la universidad de Manchester,  y Phillip Kim, de la universidad de Columbia, destacan dos características exclusivas del grafeno: la primera es su gran calidad, resultado de la pureza del carbono y de su estructura en rejilla que se traducen en que no se ha visto que falte ningún átomo ni que se encuentren fuera de la posición que les corresponde: los enlaces entre los átomos son fuertes y al mismo tiempo lo suficientemente  flexibles como para permitir que el plano se doble sin romperse cuando se le aplica una fuerza. La segunda es que sus electrones se mueven por la estructura más deprisa de lo que lo hacen en metales y materiales semiconductores, como si tuvieran menos masa. Su velocidad, aunque 300 veces inferior a la de la luz es lo suficientemente alta como para que la mecánica cuántica no le sea de aplicación. Las leyes que se le aplican son las de la mecánica cuántica relativista, quantum electrodynamics (QED)  como es llamada en inglés, que hasta ahora se creía que sólo era aplicable en aceleradores de partículas y agujeros negros. Eso ha permitido probar una de las predicciones más extrañas de la QED en el laboratorio: el efecto túnel. En la física clásica, si una partícula de poca energía se encuentra con una barrera de potencial no la puede atravesar y se queda a un lado de la barrera; en la mecánica cuántica un electrón actúa como una onda que se mueve en el espacio y que viene a representar la probabilidad de encontrar el electrón en un punto concreto del espacio y el tiempo; cuando el electrón se encuentra con una barrera de potencial alto hay una probabilidad entre 0 y 100% de que aparezca al otro lado de la barrera, lo que se conoce como el efecto túnel; cuando una onda de electrón de alta energía se mueve en el grafeno y llega a una barrera de potencial alto la QED predice que la onda del electrón se encontrará al otro lado de la barrera con el 100% de probabilidad. El que el grafeno sea tan buen conductor de electricidad parece confirmar esa predicción.

La ventaja de esa característica del grafeno es que en palabras de A. Geim y P. Kim el  grafeno ha llevado la mecánica cuántica al laboratorio.

El mundo del grafeno
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