El grafeno es un cristal compuesto por una sola capa
plana de átomos de carbono que se colocan en los vértices de una red de panal
de abeja, como las mallas de los gallineros tradicionales.
¿Qué tiene de
especial?: ¡Una sola capa! Es decir, es un material de espesor atómico. Para
hacernos una idea de lo que esto significa, digamos que una hoja de papel
normal o un cabello humano tienen aproximadamente un millón de capas atómicas.
Ningún material puede ser más fino.
2 ¿Cómo se obtiene?
La síntesis que dio lugar al premio Nobel de física
2010 se realizó por exfoliación a partir del grafito. Esta forma del carbono
está compuesta de capas monoatómicas unidas entre sí muy débilmente. Usando el
ahora famoso método "del papel cello", Kostya Novoselov y André Geim
de la Universidad de Manchester fueron capaces de aislar una sola capa de
grafito. También consiguieron identificarla, extraerla del adhesivo,
depositarla sobre un sustrato, poner contactos y demostrar inequívocamente que
habían obtenido grafeno.
El tamaño típico
lineal de las muestras empezó siendo de micrometros (milésimas de milímetro) y
alcanza el milímetro en la actualidad. Si bien es cierto que cualquier humilde
laboratorio puede sintetizar grafeno (también lo hay en los trazos de la
escritura del lápiz y en la comida carbonizada que se pega a la sartén), su
manipulación requiere un nivel alto de experiencia experimental en el ámbito de
la nanotecnología (un nanometro es una milésima de micra).
Hoy en día se obtiene
grafeno de mayores dimensiones con métodos más convencionales. Mediante la
deposición química de grafito vaporizado (los átomos de carbono evaporados
calentando grafito a 1.000 grados centígrados se van depositando espontáneamente
sobre ciertos metales como el cobre, en una red hexagonal) se obtienen metros
cuadrados pero con muchos defectos y a veces más de una capa. Por sublimación
del silicio en el carburo de silicio se obtienen muestras de cientos de micras.
3 ¿Por qué tanta emoción?
Tres aspectos:
3.1. Conceptual.
a) Se pensaba que no
podían exisitir cristales bidimensionales. Aparte de algunos teoremas que
niegan la existencia de dichos cristales (en condiciones ideales), la
experiencia era que a la naturaleza no le gustan las dos dimensiones. La
construcción sistemática de hidrocarburos planos añadiendo átomo a átomo al
cristal siempre da lugar, a partir de un número crítico de átomos, a una
reorganización espontánea de los átomos para llenar un espacio tridimensional.
La exfoliación de materiales hechos de capas como el grafito también fallaba al
bajar de un número crítico de capas. ¿Cómo se las apaña el grafeno no solo para
existir sino para ser muy estable e inmune a ataques ambientales químicos o térmicos?
La clave está en la naturaleza de los enlaces covalentes que unen entre sí los
átomos de carbono, mucho más fuertes que la energía térmica que desestabiliza
otros compuestos bidimensionales. La geometría especial de la red de panal de
abeja es también clave para la mayoría de las propiedades del material.
b) Comportamiento
relativista de los portadores de carga. Las partículas elementales que
constituyen los materiales viven en cautividad. Sus comportamientos difieren,
en general de sus compañeras libres. En particular, los electrones responsables
de la conductividad eléctrica en los metales clásicos (aluminio, cobre) se ven
casi atrapados en la jaula de los iones lo que dificulta sus movimientos y la
relación entre la energía y el momento es diferente de la de sus compañeros
libres. También su masa "efectiva" es mayor. En resumen, se mueven
siguiendo las leyes de la mecánica cuántica no relativista. Recordemos que la
mecánica relativista (clásica o cuántica) se aplica a las partículas que van a
velocidades próximas a la de la luz. La sorpresa del grafeno es que sus
electrones, aunque se mueven casi tan despacio como los de los otros metales,
(1/300 veces la velocidad de la luz), por la estructura de la jaula en que
viven, han perdido su masa y por tanto no se pueden describir con la mecánica
clásica. Lo que es más sorprendente es que también desafían el paradigma de la
mecánica relativista. Las partículas sin masa se han de mover a la velocidad de
la luz. Este comportamiento fascinante, bajo el punto de vista científico, está
también en el origen de muchas de las propiedades físicas especiales.
3.2. Propiedades físicas inesperadas.
El grafeno, debido a
su espesor y a las peculiaridades de la red de panal de abeja, tiene una serie
de comportamientos denominados "superlativos" por sus descubridores.
Además de generar una auténtica revolución en la física del estado sólido,
estas propiedades son la clave para generar aplicaciones. Las más relevantes
son:
a) Electrónicas: la
calidad de un conductor se mide a menudo en términos de algo llamado
"movilidad". También es importante la intensidad de corriente que
puede soportar un conductor - sin quemarse-.
La movilidad depende mucho de la temperatura. El grafeno compite en
ligera inferioridad con los mejores componentes electrónicos - semiconductores
clásicos como el arseniuro de galio - a muy bajas temperaturas pero es
imbatible a temperatura ambiente. Esto hace en particular que se haya podido
observar por primera vez un fenómeno de física cuántica (efecto Hall cuántico)
a temperatura ambiente. También se observa cómo los electrones de grafeno son
capaces de "atravesar barreras" de manera cuántica (paradoja de
Klein).
b) Morfológicas:
aunque en los primeros tiempos del grafeno llamaron la atención sus propiedades
electrónicas, pronto se vio que las propiedades mecánicas del material son
posiblemente más espectaculares. En particular en este ámbito se encuentran los
siguientes "superlativos":
- Fuerte: aguanta la tracción sin romperse. Es uno
de los materiales más resistentes conocido, 200 veces más que el acero. Es
también más duro que el diamante.
- Elástico: se puede deformar hasta un 20% volviendo
a la situación original. En comparación, el acero se puede deformar
aproximadamente un 0.25%.
- Impermeable: ni siquiera el helio es capaz de atraverar
una membrana de grafeno.
c) De especial
interés es la particular interrelación que se da en el grafeno entre las dos
propiedades anteriores: las deformaciones elásticas afectan a las propiedades
electrónicas de manera muy particular: se acoplan a los electrones igual que
los fotones (campos gauge). De nuevo aquí aparece una física propia de las
partículas elementales: las deformaciones de la red actúan de manera parecida a
un campo magnético ficticio. Esta propiedad permite detectar deformaciones de
la red con experimentos de difracción de electrones.
3.3. Aplicaciones.
Muchas de las
aplicaciones más o menos inmediatas del grafeno están heredadas del grafito que
era ya uno de los materiales más útiles conocidos -junto con la fibra de
carbono o el carbono amorfo-. Algunas de las aplicaciones más prometedoras ya
en curso utilizan el grafeno en combinación con tecnologías estándar para
mejorar las propiedades de otros materiales. En particular es un excelente
aislante térmico, muy buen lubricante, y se puede usar para dar rigidez a otras
estructuras sin aumentar el peso o el tamaño. Sus propiedades electrónicas lo
hacen útil en células fotovoltaicas, baterías, antenas. Las propiedades fotoelectrónicas pueden
permitir el diseño de ventanas inteligentes que se oscurezcan según la
intensidad de la luz, o pinturas que iluminen una habitación de manera
uniforme, etc. Pero, como siempre que aparece algo nuevo, las aplicaciones que
utilicen al máximo el potencial del material están aún por llegar. Entre las
propuestas más llamativas en diverso grado de realización están:
a) Biomedicina: se ha comprobado que el óxido de
grafeno rodea a las bacterias y perfora sus membranas impidiéndoles sobrevivir.
Recubrir los instrumentos de quirófano con este óxido limitaría la necesidad de
antibióticos en las operaciones. La unión de material biocompatible y muy buen conductor ha dado
lugar a propuestas de electrodos basados en grafeno para implantar en el
cerebro y ayudar al control motriz de
personas con daños cerebrales.
b) Membrana: las membranas de óxido de grafeno
bloquean de manera perfecta el paso de líquidos y gases. En Manchester se
investiga en procesos de filtrado de aguas y desalinización de interés especial
para el tercer mundo.
c) Sensores: Las propiedades del grafeno como
membrana y su capacidad de deformarse ante el impacto de moléculas individuales
permiten diseñar sensores de tamaño micrométrico capaces de detectar gases
nocivos a nivel molecular.
4 ¿Algo ya en el mercado?
Quizás la aplicación más inmediata ya en curso está
en su uso en pantallas táctiles flexibles. Las pantallas actuales están basadas
en un cristal bañado en un óxido de indio-estaño, una sustancia transparente y
conductora de tipo cerámico. El indio es un elemento escaso y muy caro, y los
dispositivos se rompen con facilidad. El óxido de grafeno permite fabricar
pantallas ligeras, elásticas e irrompibles a precios competitivos. El primer
prototipo se realizó en septiembre de 2014 en un consorcio entre la Universidad
de Cambridge y la empresa inglesa "Plastic Logic" y hay rumores de
que una empresa china (Moxi) ha producido ya un teléfono enrollable como un
reloj (ganando la carrera a Samsung). El anuncio es que van a poner a la venta
en este año 2016 unos 100.000 ejemplares en el mercado chino a un precio
aproximado de 700 euros. Los dispositivos pesan 200 g. Si no es ahora, será más
tarde.
En el mercado hay
también varios productos que integran el grafeno en su fabricación desde
raquetas de tenis y esquíes (HEAD) ruedas de bicicletas de carreras (Vittoria)
y de coches (Qingdao Sentury Tire), cascos para ciclistas (Catlike), etc. [1]
5 Unificación de varias ramas de la
física.
A principios del siglo XX la física conoció dos
grandes revoluciones: La relatividad general y la mecánica cuántica. En
aquéllos años, los físicos eran físicos sin apellidos: Feynman, Landau, Wigner,
Einstein, Dirac, trabajaron en problemas que hoy estarían clasificados en
compartimentos estancos como teoría cuántica de campos, relatividad, física
estadística, materia condensada. Debido a sus propiedades físicas, el grafeno
constituye un ejemplo de unificación de ramas diversas de la física con el
enriquecimiento que esto supone para el avance conceptual. Es una membrana
(materiales blandos), rígida y elástica (teoría de elasticidad), impermeable
(física-química), electrónica (ingeniería física) y relativista (teoría
cuántica de campos). Además las corrugaciones que presentan las muestras se
pueden modelizar con técnicas de teoría cuántica de campos en espacios curvos
como las utilizadas en cosmología y "astropartículas".
6 Futuro
La síntesis del grafeno ha abierto la puerta a la de
otros materiales bidimensionales. Aparte de la síntesis de los materiales de la
misma columna que el carbono en la tabla periódica (fosforeno, siliceno,
germaneno) se han sintetizado materiales compuestos bidimensionales con
propiedades complementarias a las del grafeno.
De particular interés son los llamados dicalcogenuros y el nitruro de
boro. Apilando capas de distintos materiales se obtienen sólidos
tridimensionales (llamados materiales de Van der Waals) funcionalizados para
que tengan las propiedades deseadas. Inspirados en la física del grafeno, se
han identificado recientemente materiales con propiedades electrónicas
parecidas (sus portadores son también partículas sin masa) en tres dimensiones
espaciales, los llamados fermiones de Weyl. [2]
Terminaremos con una
advertencia y una recomendación: Saber más sobre el grafeno es fácil. Internet
está plagado de información (sobre todo en inglés) de índole variada. Algunas
páginas contienen exageraciones atractivas - y a veces incorrectas - sobre las
futuras aplicaciones. El grupo de Manchester mantiene una página de divulgación
actualizada y fiable donde acudir en caso de duda. [3]
Notas:
[1] (Esta información
está sacada de la página http://www.graphene-info.com/graphene-products).
[2] (Un artículo de
divulgación excelente sobre estos materiales aparecerá en breve (2016/2017) en
la Revista de la Real Sociedad de Física).
[3] (Grupo de
Manchester http://www.graphene.manchester.ac.uk).
María
A. H. Vozmediano
Doctora en Física
Investigador Científico en el Instituto de Ciencia
de Materiales de Madrid
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