domingo, 6 de noviembre de 2022

Grafeno - María A. H. Vozmediano

¿Qué es el grafeno y por qué nos importa?
(Por María A. H. Vozmediano)

(Noviembre 2016)


1          ¿Qué es exactamente?

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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