Grafeno, un novo material

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

• Materialak
• Teknologia
• Fisika

Imaxinemos por un momento o obxecto máis delgado da nosa vida. Cal pode ser? Cunha resposta rápida podemos dicir que se trata dunha folla de papel ou dunha folla de afeitar. Pero reducir ao noso día a día é moito, porque fóra del si hai un material cen mil veces máis fino que una folla de papel, que só ten o espesor dun átomo. Un único átomo. Literalmente, nada pode ser máis delgado que iso. Este sorprendente material é o grafeno, formado por unha única capa de átomos de carbono cunha estrutura hexagonal en forma de celas de abella.

Os átomos de carbono son compoñentes dun gran número de materiais; os máis coñecidos son o diamante (onde os átomos forman una rede tetragonal formando un illante transparente de alto valor) e o grafito (onde varias capas de celdillas forman un composto opaco e condutor, como a dor dos lapis).

En 2004, André Geim e Konstantin Novoselov, dous investigadores da Universidade de Manchester no Reino Unido, descubriron que as capas de grafito podían separarse mediante un método sinxelo e económico: o papel adhesivo. Una vez pegado e soltado o adhesivo, conseguiron separar as capas do grafito até conseguir una superficie dunha única capa de átomos asentada sobre un substrato. Tras as exhaustivas comprobacións experimentais con técnicas de microscopía, -incluso as máis escépticas recoñeceron a novidade do material atopado-, abriuse a porta dun mundo cheo de posibilidades e quizais de aplicacións.

Inmediatamente comprobouse que os electróns se movían neste material dunha maneira que nunca se observou até entón. Este comportamento non se explicaba de forma convencional, senón mediante ecuacións extraídas directamente da física de partículas de gran enerxía. De súpeto, ademais de atopar un novo material, a ciencia que o describe era nova. Os electróns desprázanse a gran velocidade no grafeno, máis rápido que noutros materiais. Con esta característica parecía que se abría a vía paira producir transistores (base de calquera dispositivo electrónico, como o computador) máis rápidos e de menor consumo.

Con todo, o grafeno tamén presenta problemas intrínsecos que limitan as aplicacións electrónicas. O semiconductor do oco de banda ( band gap ) é practicamente nulo, o que pode limitar as aplicacións en transistores convencionais. Ademais, non hai que esquecer que o silicio, grazas ás súas excelentes propiedades químicas e físicas, deixou fóra da competencia a todos os competidores que xurdiron nos últimos 50 anos, á vez que a industria electrónica ha realizado una enorme investimento financeiro en silicio, da que se dispón dun coñecemento acumulado durante anos. Para que a industria empece a utilizar un novo material, é imprescindible esperar un bo rendemento económico (e moito maior que o anterior).

Con todo, e a pesar dos límites, se volvemos ter en conta a alta velocidade dos electróns, o grafeno podería ter una determinada fosa de aplicación en electrónica de alta frecuencia, onde outros materiais semiconductores non funcionan correctamente. Algunhas multinacionais, como IBM, están a estudar esta liña de traballo e xa empezamos a ver os primeiros resultados desta investigación.

Ademais de ser impactante en por si o uso do grafeno paira aplicacións de radiofrecuencia, non debemos esquecer que o material é relativamente transparente (lembremos que a maioría dos materiais metálicos son opacos) e por tanto interesante paira aplicacións ópticas. Por exemplo, nas células solares ou nos diodos orgánicos emisores de luz (CHEIRADE) que actualmente están en calquera parte, é imprescindible que un electrodo permita o paso da luz e, ao mesmo tempo, a corrente eléctrica. É difícil que o grafeno compita cos óxidos de electrodos --de alta transparencia e moi estables - en aplicacións ópticas que requiren una gran luminosidade, como as pantallas de televisión. Con todo, as pantallas flexibles ou portátiles poden ser o campo de aplicación do grafeno, debido á unión entre a transparencia do material e a resistencia mecánica.

Paira sacar algunhas destas ideas cheas de esperanza dos laboratorios de investigación e ter una aplicación comercial é necesario producir grafeno en cantidades moi elevadas e con control de calidade. Está claro que una aplicación industrial non pode depender dun material producido a man e con cinta adhesiva e que non supere varios centos de micrómetros cadrados. Afortunadamente, existen outros métodos paira crear olatas de grafeno de gran calidade. En concreto, o método que consiste na deposición desde a fase vapor permitiu fixar as capas de grafeno en varios metais, o que pode reproducirse a maior escala e a baixo custo --relativo-. Creo que cando o método optimízase totalmente, será una fonte de materiais de alta calidade paira o seu uso industrial.

Cos próximos ao grafeno, os nanotubos de carbono e os fullerenos, sucederá co grafeno? Será un material que só interese aos científicos e que non chegue á industria nin aos consumidores? Será o premio Nobel outorgado aos investigadores seis anos despois do descubrimento do fenómeno da cinta adhesiva o límite superior da gloria do grafeno?

Sempre é difícil predicir o futuro, pero creo que estamos ante un material que vai influír na nosa vida a través de dispositivos electrónicos completamente novos. Cando se producen importantes descubrimentos científicos deste tipo, téndese a soprar, pero é posible que en poucos anos poidamos ver as aplicacións reais do grafeno en dispositivos electrónicos. Máis aló dese límite, soñar pode ser fácil, pero o grafeno é tan excitante desde tantos aspectos que soñar con el é inevitable.