Grafeno, un nuevo material

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

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Imaginemos por un momento el objeto más delgado de nuestra vida. ¿Cuál puede ser? Con una respuesta rápida podemos decir que se trata de una hoja de papel o de una hoja de afeitar. Pero reducir a nuestro día a día es mucho, porque fuera de él sí hay un material cien mil veces más fino que una hoja de papel, que sólo tiene el espesor de un átomo. Un único átomo. Literalmente, nada puede ser más delgado que eso. Este sorprendente material es el grafeno, formado por una única capa de átomos de carbono con una estructura hexagonal en forma de celdas de abeja.

Los átomos de carbono son componentes de un gran número de materiales; los más conocidos son el diamante (donde los átomos forman una red tetragonal formando un aislante transparente de alto valor) y el grafito (donde varias capas de celdillas forman un compuesto opaco y conductor, como el dolor de los lápices).

En 2004, André Geim y Konstantin Novoselov, dos investigadores de la Universidad de Manchester en el Reino Unido, descubrieron que las capas de grafito podían separarse mediante un método sencillo y económico: el papel adhesivo. Una vez pegado y soltado el adhesivo, consiguieron separar las capas del grafito hasta conseguir una superficie de una única capa de átomos asentada sobre un sustrato. Tras las exhaustivas comprobaciones experimentales con técnicas de microscopía, -incluso las más escépticas reconocieron la novedad del material encontrado-, se abrió la puerta de un mundo lleno de posibilidades y quizás de aplicaciones.

Inmediatamente se comprobó que los electrones se movían en este material de una manera que nunca se había observado hasta entonces. Este comportamiento no se explicaba de forma convencional, sino mediante ecuaciones extraídas directamente de la física de partículas de gran energía. De repente, además de encontrar un nuevo material, la ciencia que lo describe era nueva. Los electrones se desplazan a gran velocidad en el grafeno, más rápido que en otros materiales. Con esta característica parecía que se abría la vía para producir transistores (base de cualquier dispositivo electrónico, como el ordenador) más rápidos y de menor consumo.

Sin embargo, el grafeno también presenta problemas intrínsecos que limitan las aplicaciones electrónicas. El semiconductor del hueco de banda ( band gap ) es prácticamente nulo, lo que puede limitar las aplicaciones en transistores convencionales. Además, no hay que olvidar que el silicio, gracias a sus excelentes propiedades químicas y físicas, ha dejado fuera de la competencia a todos los competidores que han surgido en los últimos 50 años, a la vez que la industria electrónica ha realizado una enorme inversión financiera en silicio, de la que se dispone de un conocimiento acumulado durante años. Para que la industria empiece a utilizar un nuevo material, es imprescindible esperar un buen rendimiento económico (y mucho mayor que el anterior).

Sin embargo, y a pesar de los límites, si volvemos a tener en cuenta la alta velocidad de los electrones, el grafeno podría tener una determinada fosa de aplicación en electrónica de alta frecuencia, donde otros materiales semiconductores no funcionan correctamente. Algunas multinacionales, como IBM, están estudiando esta línea de trabajo y ya hemos empezado a ver los primeros resultados de esta investigación.

Además de ser impactante por sí mismo el uso del grafeno para aplicaciones de radiofrecuencia, no debemos olvidar que el material es relativamente transparente (recordemos que la mayoría de los materiales metálicos son opacos) y por tanto interesante para aplicaciones ópticas. Por ejemplo, en las células solares o en los diodos orgánicos emisores de luz (OLED) que actualmente están en cualquier parte, es imprescindible que un electrodo permita el paso de la luz y, al mismo tiempo, la corriente eléctrica. Es difícil que el grafeno compita con los óxidos de electrodos --de alta transparencia y muy estables - en aplicaciones ópticas que requieren una gran luminosidad, como las pantallas de televisión. Sin embargo, las pantallas flexibles o portátiles pueden ser el campo de aplicación del grafeno, debido a la unión entre la transparencia del material y la resistencia mecánica.

Para sacar algunas de estas ideas llenas de esperanza de los laboratorios de investigación y tener una aplicación comercial es necesario producir grafeno en cantidades muy elevadas y con control de calidad. Está claro que una aplicación industrial no puede depender de un material producido a mano y con cinta adhesiva y que no supere varios cientos de micrómetros cuadrados. Afortunadamente, existen otros métodos para crear olatas de grafeno de gran calidad. En concreto, el método que consiste en la deposición desde la fase vapor ha permitido fijar las capas de grafeno en varios metales, lo que puede reproducirse a mayor escala y a bajo coste --relativo-. Creo que cuando el método se optimiza totalmente, será una fuente de materiales de alta calidad para su uso industrial.

Con los cercanos al grafeno, los nanotubos de carbono y los fullerenos, ¿sucederá con el grafeno? ¿Será un material que sólo interese a los científicos y que no llegue a la industria ni a los consumidores? ¿Será el premio Nobel otorgado a los investigadores seis años después del descubrimiento del fenómeno de la cinta adhesiva el límite superior de la gloria del grafeno?

Siempre es difícil predecir el futuro, pero creo que estamos ante un material que va a influir en nuestra vida a través de dispositivos electrónicos completamente nuevos. Cuando se producen importantes descubrimientos científicos de este tipo, se tiende a soplar, pero es posible que en pocos años podamos ver las aplicaciones reales del grafeno en dispositivos electrónicos. Más allá de ese límite, soñar puede ser fácil, pero el grafeno es tan excitante desde tantos aspectos que soñar con él es inevitable.