Una excursió per la plana de carboni
2009/01/01 Roa Zubia, Guillermo - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria
El grafit s'utilitza per a fer mal en els arcs. De fet, el llapis deixa una línia negra sobre el paper, ja que allibera petits fragments del grafit juntament amb altres components. Aquestes parts no són fragments complets de grafit, sinó grups de plans atòmics. Això es deu al fet que la unió entre els àtoms de carboni presents en el mateix pla és molt fort, mentre que la unió entre plans és molt feble.
No és possible separar un d'aquests plans amb un llapis, però si es pogués dividir el resultat seria el grafè, una de les estrelles de la ciència dels materials actuals. Andre Geim i Philip Kim van ser els físics estatunidencs de la Universitat de Columbia els que van aïllar per primera vegada en 2004. En realitat, els físics van aprofitar la idea del llapis. I continuen aprofitant aquesta idea.
Alguna cosa semblança es fa; en lloc de passar el llapis per sobre del paper, freguen un tros de grafit microscòpic contra una làmina de silici. Això tampoc allibera un únic pla dels àtoms de carboni, sinó una fracció d'aproximadament 100 plans de gruix. A partir d'aquest moment utilitzen cinta adhesiva. Peguen per les dues cares al tros petit que han aconseguit i tiren a mà. Fent això una vegada i una altra, acaben obtenint fragments d'un solo pla. Obtenció de grafè. No és un procés molt tecnològic. La Universitat de Columbia ha pagat 10 dòlars per aquesta labor a un becari.
Electrons lliures
En aïllar un pla únic, els físics s'enlluernen. Els àtoms d'aquest pla ja no han de compartir electrons amb els àtoms d'un altre pla, la qual cosa canvia radicalment la situació. En l'estat format per dos plans, alguns electrons es movien lliurement per la ranura entre els dos plans, però no gaire ràpidament. El corrent elèctric es generava fàcilment, però amb certa resistència. En l'estat d'un solo pla, per contra, els electrons es mouen ràpidament sobre el pla –i per sota–, pràcticament sense obstacles.
Es mouen molt més ràpid que en un metall. Alguns físics afirmen que arriben a moure's 400 vegades més lentament que la velocitat de la llum; si això és cert, la velocitat és molt ràpida, destacable per l'efecte de la relativitat. Encara que la dada no és exacte, són electrons molt ràpids.
Això fa pensar que el grafè és un gran conductor elèctric com un metall. La veritat és que en alguns casos pot comportar-se com un metall, però en general és un semiconductor i molt bon semiconductor.
Explicat de forma molt senzilla, en un material, quant menor és la temperatura, menys vibren els nuclis dels àtoms. I són menys obstacles per als electrons en moviment, el corrent elèctric. Per tant, els conductors condueixen millor electricitat en fred que si s'escalfen. No obstant això, en el grafè a penes hi ha diferències i té les mateixes propietats elèctriques que en fred a temperatura ambient.
I a més, les seves dimensions són molt petites (gruix d'un àtom, longitud i amplària de tants àtoms com es desitgi), la qual cosa sembla un material apropiat per a l'elaboració de transistors nanoscópicos. Molts experts consideren que en algun moment té moltes possibilitats de ser substitut del silici.
Té altres propietats elèctriques especials. Per exemple, sovint destaquen l'efecte quàntic Hall, que apareix en el grafè a temperatura ambient i no en altres materials. Aquest efecte està relacionat amb la interacció entre el material i els camps magnètics i pot tenir rellevància en aplicacions electròniques del grafè.
Fabricació en sèrie
Per descomptat, el grafè serà útil en la indústria de la microelectrònica si, entre altres coses, s'inventa una tècnica de fabricació en sèrie. El mètode de la cinta adhesiva és útil per a les necessitats d'un laboratori de recerca, però no per a l'obtenció de grans quantitats.
Existeixen diverses propostes per a la producció en massa del grafè. Recentment, per exemple, experts de la Universitat UCLA de Califòrnia han desenvolupat una tècnica. La idea és senzilla: oxidar el grafit i després reduir-lo. Aparentment es tracta de dues reaccions químiques oposades, per la qual cosa la lògica indica que una vegada produïdes ambdues es recuperaria el grafit inicial. Perquè no passa això. L'oxidació consisteix en la inserció d'àtoms d'oxigen entre els plans del grafit i l'alliberament de làmines de grafè després de la seva reducció. Segons els investigadors, a més, l'aconseguit és un grafè de molt alta conductivitat.
Un altre avantatge d'aquesta tècnica és que el grafè oxidat resultant de la primera reacció presenta unes propietats molt interessants ja que el seu comportament elèctric depèn de la quantitat d'oxigen que ha rebut el material. En definitiva, a més del grafè, els derivats del grafè són materials nous d'interès.
La més dura del món
La conductivitat elèctrica no és l'única propietat que busquen els físics. A més, es demanen altres mil característiques a un nou material. I també des d'aquest punt de vista, el grafè és un material únic.
És el material més dur del món, més dur que el propi diamant. De fet, en la Universitat de Columbia, on ha pagat als becaris per a l'extracció manual de grafè, han mesurat la duresa del grafè i per a això han hagut d'utilitzar el propi diamant. Un forat en una superfície de silici és cobert per una molècula perfecta de grafè. I aquesta molècula perfecta és empesa amb una punta de diamant molt afilada, de dalt a baix, fins que el grafè es trenca.
Els investigadors van explicar el resultat de l'experiment mitjançant una comparació. Imagineu que el forat de la superfície de silici és com una tassa de cafè. Es tapa amb un plàstic i s'intenta perforar amb un llapis tallant. L'objectiu de l'experiment és mesurar la força necessària per a perforar el plàstic. La substitució del plàstic pel grafè, malgrat el pes d'un cotxe sobre el llapis, no donaria lloc ni a la distorsió d'aquest.
Més encara
A més de resistent, fi i excel·lent conductor elèctric, el grafè condueix molt bé la calor. Això era sospitós des del principi, ja que els nanotubos també transmeten molt bé la calor i, en definitiva, és el mateix material. No obstant això, ha estat molt difícil de mesurar, ja que no és fàcil posar en contacte les làmines de grafè amb un escalfador. Finalment, alguns físics de la Universitat de Califòrnia-Riverside han aconseguit escalfar el grafè amb un làser i han mesurat una conductivitat sorprenent, un 50% superior als nanotubos i 10 vegades major que el coure i altres metalls.
D'altra banda, posseeix les propietats òptiques adequades per a la realització de pantalles de cristall líquid, per exemple. Es poden utilitzar dues làmines de grafè per a intercalar un altre material i fabricar un cristall líquid. Com el grafè té un gruix d'un sol àtom, es poden construir pantalles molt fines.
Apps
Són moltes les coses que es poden fer amb el grafè (sobretot si, com hem dit, aconsegueixen fabricar-lo en sèrie). Però encara no s'han desenvolupat totes aquestes aplicacions. I per això, el nou món del grafè és només un somni. Però només han passat quatre anys des que l'equip del físic Geim van aïllar per primera vegada el grafè. Trigarà a demostrar les capacitats reals del grafè.
No obstant això, els científics estan disposats a provar noves aplicacions. I no sols físics, un dels exemples més sorprenents és la lectura de la seqüència de la molècula d'ADN. Es tracta de fer passar la cadena d'ADN per una ranura entre dues làmines de grafè i generar un corrent elèctric en el grafè. El corrent elèctric salta a les bases d'ADN mitjançant un efecte túnel, però cada base necessita una quantitat d'energia determinada perquè es produeixi aquest efecte túnel.
Això significa que depenent de l'energia que necessita el grafè per a saltar el corrent d'una làmina a la molècula d'ADN i d'aquí a la segona làmina, es pot conèixer la base pròxima del grafè. Amb aquest mètode, i desplaçant la molècula d'ADN en la ranura, es pot conèixer la seqüència de bases de l'ADN. I, segons els experts, la utilització del grafè permet llegir les seqüències més ràpid que altres mètodes.
Les idees de possibles aplicacions s'estan multiplicant ràpidament. Per això els físics creuen que el grafè suposarà una revolució. I el millor és que no és un material nou, era aquí, amagat en el grafit. Només faltava l'extracció. I ara hem arrencat el grafè. A veure què fem a partir d'ara.
Gai honi buruzko eduki gehiago
Elhuyarrek garatutako teknologia
