Grafè, un nou material

2011/07/01 Hueso, Luis - CIC nanoGUNEko nanogailuen taldearen burua Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Materialak
• Teknologia
• Fisika

Imaginem per un moment l'objecte més prim de la nostra vida. Quin pot ser? Amb una resposta ràpida podem dir que es tracta d'un full de paper o d'una fulla d'afaitar. Però reduir al nostre dia a dia és molt, perquè fora d'ell sí que hi ha un material cent mil vegades més fi que un full de paper, que només té el gruix d'un àtom. Un únic àtom. Literalment, res pot ser més prim que això. Aquest sorprenent material és el grafè, format per una única capa d'àtoms de carboni amb una estructura hexagonal en forma de cel·les d'abella.

Els àtoms de carboni són components d'un gran nombre de materials; els més coneguts són el diamant (on els àtoms formen una xarxa tetragonal formant un aïllant transparent d'alt valor) i el grafit (on diverses capes de cel·les formen un compost opac i conductor, com el dolor dels llapis).

En 2004, André Geim i Konstantin Novoselov, dos investigadors de la Universitat de Manchester al Regne Unit, van descobrir que les capes de grafit podien separar-se mitjançant un mètode senzill i econòmic: el paper adhesiu. Una vegada pegat i deixat anar l'adhesiu, van aconseguir separar les capes del grafit fins a aconseguir una superfície d'una única capa d'àtoms assentada sobre un substrat. Després de les exhaustives comprovacions experimentals amb tècniques de microscòpia, -fins i tot les més escèptiques van reconèixer la novetat del material oposat-, es va obrir la porta d'un món ple de possibilitats i potser d'aplicacions.

Immediatament es va comprovar que els electrons es movien en aquest material d'una manera que mai s'havia observat fins llavors. Aquest comportament no s'explicava de manera convencional, sinó mitjançant equacions extretes directament de la física de partícules de gran energia. De sobte, a més de trobar un nou material, la ciència que el descriu era nova. Els electrons es desplacen a gran velocitat en el grafè, més ràpid que en altres materials. Amb aquesta característica semblava que s'obria la via per a produir transistors (base de qualsevol dispositiu electrònic, com l'ordinador) més ràpids i de menor consum.

No obstant això, el grafè també presenta problemes intrínsecs que limiten les aplicacions electròniques. El semiconductor del buit de banda ( band gap ) és pràcticament nul, la qual cosa pot limitar les aplicacions en transistors convencionals. A més, cal no oblidar que el silici, gràcies a les seves excel·lents propietats químiques i físiques, ha deixat fora de la competència a tots els competidors que han sorgit en els últims 50 anys, alhora que la indústria electrònica ha realitzat una enorme inversió financera en silici, de la qual es disposa d'un coneixement acumulat durant anys. Perquè la indústria comenci a utilitzar un nou material, és imprescindible esperar un bon rendiment econòmic (i molt major que l'anterior).

No obstant això, i malgrat els límits, si tornem a tenir en compte l'alta velocitat dels electrons, el grafè podria tenir una determinada fossa d'aplicació en electrònica d'alta freqüència, on altres materials semiconductors no funcionen correctament. Algunes multinacionals, com IBM, estan estudiant aquesta línia de treball i ja hem començat a veure els primers resultats d'aquesta recerca.

A més de ser impactant per si mateix l'ús del grafè per a aplicacions de radiofreqüència, no hem d'oblidar que el material és relativament transparent (recordem que la majoria dels materials metàl·lics són opacs) i per tant interessant per a aplicacions òptiques. Per exemple, en les cèl·lules solars o en els díodes orgànics emissors de llum (FEU OLOR) que actualment estan en qualsevol part, és imprescindible que un elèctrode permeti el pas de la llum i, al mateix temps, el corrent elèctric. És difícil que el grafè competeixi amb els òxids d'elèctrodes --d'alta transparència i molt estables - en aplicacions òptiques que requereixen una gran lluminositat, com les pantalles de televisió. No obstant això, les pantalles flexibles o portàtils poden ser el camp d'aplicació del grafè, a causa de la unió entre la transparència del material i la resistència mecànica.

Per a treure algunes d'aquestes idees plenes d'esperança dels laboratoris de recerca i tenir una aplicació comercial és necessari produir grafè en quantitats molt elevades i amb control de qualitat. És clar que una aplicació industrial no pot dependre d'un material produït a mà i amb cinta adhesiva i que no superi diversos centenars de micròmetres quadrats. Afortunadament, existeixen altres mètodes per a crear olatas de grafè de gran qualitat. En concret, el mètode que consisteix en la deposició des de la fase vapor ha permès fixar les capes de grafè en diversos metalls, la qual cosa pot reproduir-se a major escala i a baix cost --relatiu-. Crec que quan el mètode s'optimitza totalment, serà una font de materials d'alta qualitat per al seu ús industrial.

Amb els pròxims al grafè, els nanotubos de carboni i els fullerenos, succeirà amb el grafè? Serà un material que només interessi als científics i que no arribi a la indústria ni als consumidors? Serà el premi Nobel atorgat als investigadors sis anys després del descobriment del fenomen de la cinta adhesiva el límit superior de la glòria del grafè?

Sempre és difícil predir el futur, però crec que estem davant un material que influirà en la nostra vida a través de dispositius electrònics completament nous. Quan es produeixen importants descobriments científics d'aquest tipus, es tendeix a bufar, però és possible que en pocs anys puguem veure les aplicacions reals del grafè en dispositius electrònics. Més enllà d'aquest límit, somiar pot ser fàcil, però el grafè és tan excitant des de tants aspectes que somiar amb ell és inevitable.