Una excursión por la llanura de carbono

2009/01/01 Roa Zubia, Guillermo - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

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(Foto: G. Roa)

El grafito se utiliza para hacer daño en los arcos. De hecho, el lápiz deja una línea negra sobre el papel, ya que libera pequeños fragmentos del grafito junto con otros componentes. Estas partes no son fragmentos completos de grafito, sino grupos de planos atómicos. Esto se debe a que la unión entre los átomos de carbono presentes en el mismo plano es muy fuerte, mientras que la unión entre planos es muy débil.

No es posible separar uno de estos planos con un lápiz, pero si se pudiera dividir el resultado sería el grafeno, una de las estrellas de la ciencia de los materiales actuales. Andre Geim y Philip Kim fueron los físicos estadounidenses de la Universidad de Columbia los que aislaron por primera vez en 2004. En realidad, los físicos aprovecharon la idea del lápiz. Y siguen aprovechando esta idea.

Algo parecido se hace; en lugar de pasar el lápiz por encima del papel, frotan un trozo de grafito microscópico contra una lámina de silicio. Esto tampoco libera un único plano de los átomos de carbono, sino una fracción de aproximadamente 100 planos de espesor. A partir de ese momento utilizan cinta adhesiva. Pegan por las dos caras al trozo pequeño que han conseguido y tiran a mano. Haciendo esto una y otra vez, terminan obteniendo fragmentos de un solo plano. Obtención de grafeno. No es un proceso muy tecnológico. La Universidad de Columbia ha pagado 10 dólares por esta labor a un becario.

Electrones libres

Al aislar un plano único, los físicos se deslumbran. Los átomos de este plano ya no deben compartir electrones con los átomos de otro plano, lo que cambia radicalmente la situación. En el estado formado por dos planos, algunos electrones se movían libremente por la ranura entre los dos planos, pero no muy rápidamente. La corriente eléctrica se generaba fácilmente, pero con cierta resistencia. En el estado de un solo plano, por el contrario, los electrones se mueven rápidamente sobre el plano –y por debajo–, prácticamente sin obstáculos.

Se mueven mucho más rápido que en un metal. Algunos físicos afirman que llegan a moverse 400 veces más lentamente que la velocidad de la luz; si eso es cierto, la velocidad es muy rápida, destacable por el efecto de la relatividad. Aunque el dato no es exacto, son electrones muy rápidos.

En la estructura del grafito, los átomos se ordenan por planos. Cada uno de estos planos es el grafeno.

G. Roa

Esto hace pensar que el grafeno es un gran conductor eléctrico como un metal. La verdad es que en algunos casos puede comportarse como un metal, pero en general es un semiconductor y muy buen semiconductor.

Explicado de forma muy sencilla, en un material, cuanto menor es la temperatura, menos vibran los núcleos de los átomos. Y son menos obstáculos para los electrones en movimiento, la corriente eléctrica. Por tanto, los conductores conducen mejor electricidad en frío que si se calientan. Sin embargo, en el grafeno apenas hay diferencias y tiene las mismas propiedades eléctricas que en frío a temperatura ambiente.

Y además, sus dimensiones son muy pequeñas (espesor de un átomo, longitud y anchura de tantos átomos como se desee), lo que parece un material apropiado para la elaboración de transistores nanoscópicos. Muchos expertos consideran que en algún momento tiene muchas posibilidades de ser sustituto del silicio.

Tiene otras propiedades eléctricas especiales. Por ejemplo, a menudo destacan el efecto cuántico Hall, que aparece en el grafeno a temperatura ambiente y no en otros materiales. Este efecto está relacionado con la interacción entre el material y los campos magnéticos y puede tener relevancia en aplicaciones electrónicas del grafeno.

Fabricación en serie

Por supuesto, el grafeno será útil en la industria de la microelectrónica si, entre otras cosas, se inventa una técnica de fabricación en serie. El método de la cinta adhesiva es útil para las necesidades de un laboratorio de investigación, pero no para la obtención de grandes cantidades.

Uno de los componentes del dolor de lápiz es el grafito. Al escribir se sueltan las partes de este grafito y se quedan sobre el papel. Son fragmentos de miles de planos atómicos. Si escribimos con un lápiz a escala nanoscópica, quizá los planos se sueltarían individualmente, es decir, se liberaría el grafeno.

G. Roa

Existen diversas propuestas para la producción en masa del grafeno. Recientemente, por ejemplo, expertos de la Universidad UCLA de California han desarrollado una técnica. La idea es sencilla: oxidar el grafito y después reducirlo. Aparentemente se trata de dos reacciones químicas opuestas, por lo que la lógica indica que una vez producidas ambas se recuperaría el grafito inicial. Pues no pasa eso. La oxidación consiste en la inserción de átomos de oxígeno entre los planos del grafito y la liberación de láminas de grafeno tras su reducción. Según los investigadores, además, lo conseguido es un grafeno de muy alta conductividad.

Otra ventaja de esta técnica es que el grafeno oxidado resultante de la primera reacción presenta unas propiedades muy interesantes ya que su comportamiento eléctrico depende de la cantidad de oxígeno que ha recibido el material. En definitiva, además del grafeno, los derivados del grafeno son materiales novedosos de interés.

La más dura del mundo

La conductividad eléctrica no es la única propiedad que buscan los físicos. Además, se piden otras mil características a un nuevo material. Y también desde este punto de vista, el grafeno es un material único.

Es el material más duro del mundo, más duro que el propio diamante. De hecho, en la Universidad de Columbia, donde ha pagado a los becarios para la extracción manual de grafeno, han medido la dureza del grafeno y para ello han tenido que utilizar el propio diamante. Un agujero en una superficie de silicio es cubierto por una molécula perfecta de grafeno. Y esa molécula perfecta es empujada con una punta de diamante muy afilada, de arriba abajo, hasta que el grafeno se rompe.

Los nanotubos son un grafeno redondeado en forma cilíndrica.

G. Hutchison

Los investigadores explicaron el resultado del experimento mediante una comparación. Imaginad que el agujero de la superficie de silicio es como una taza de café. Se tapa con un plástico y se intenta perforar con un lápiz cortante. El objetivo del experimento es medir la fuerza necesaria para perforar el plástico. La sustitución del plástico por el grafeno, a pesar del peso de un coche sobre el lápiz, no daría lugar ni a la distorsión del mismo.

Más aún

Además de resistente, fino y excelente conductor eléctrico, el grafeno conduce muy bien el calor. Esto era sospechoso desde el principio, ya que los nanotubos también transmiten muy bien el calor y, en definitiva, es el mismo material. Sin embargo, ha sido muy difícil de medir, ya que no es fácil poner en contacto las láminas de grafeno con un calentador. Finalmente, algunos físicos de la Universidad de California-Riverside han conseguido calentar el grafeno con un láser y han medido una conductividad sorprendente, un 50% superior a los nanotubos y 10 veces mayor que el cobre y otros metales.

Por otra parte, posee las propiedades ópticas adecuadas para la realización de pantallas de cristal líquido, por ejemplo. Se pueden utilizar dos láminas de grafeno para intercalar otro material y fabricar un cristal líquido. Como el grafeno tiene un espesor de un solo átomo, se pueden construir pantallas muy finas.

Apps

Son muchas las cosas que se pueden hacer con el grafeno (sobre todo si, como hemos dicho, consiguen fabricarlo en serie). Pero todavía no se han desarrollado todas estas aplicaciones. Y por eso, el nuevo mundo del grafeno es sólo un sueño. Pero sólo han pasado cuatro años desde que el equipo del físico Geim aislaron por primera vez el grafeno. Tardará en demostrar las capacidades reales del grafeno.

La estructura atómica del carbón es el grafito, es decir, una gran acumulación de láminas de grafeno. De hecho, el carbón ensucia las planchas por su facilidad de liberación.

De archivo; R. Gefangenen

Sin embargo, los científicos están dispuestos a probar nuevas aplicaciones. Y no sólo físicos, uno de los ejemplos más sorprendentes es la lectura de la secuencia de la molécula de ADN. Se trata de hacer pasar la cadena de ADN por una ranura entre dos láminas de grafeno y generar una corriente eléctrica en el grafeno. La corriente eléctrica salta a las bases de ADN mediante un efecto túnel, pero cada base necesita una cantidad de energía determinada para que se produzca este efecto túnel.

Esto significa que dependiendo de la energía que necesita el grafeno para saltar la corriente de una lámina a la molécula de ADN y de ahí a la segunda lámina, se puede conocer la base próxima del grafeno. Con este método, y desplazando la molécula de ADN en la ranura, se puede conocer la secuencia de bases del ADN. Y, según los expertos, la utilización del grafeno permite leer las secuencias más rápido que otros métodos.

Las ideas de posibles aplicaciones se están multiplicando rápidamente. Por eso los físicos creen que el grafeno va a suponer una revolución. Y lo mejor es que no es un material nuevo, estaba ahí, escondido en el grafito. Sólo faltaba la extracción. Y ahora hemos arrancado el grafeno. A ver qué hacemos a partir de ahora.

Gran esperanza, grafeno

De vez en cuando, el descubrimiento de un material nuevo, impresionante, revolucionario, agita el mundo de los investigadores. Nada más pasar la fiebre, la realidad práctica nos muestra, desgraciadamente, que las aplicaciones del material son escasas. Los óxidos superconductores, los fulgurantes y los nanotubos de carbono han pasado por delante de nosotros. Las revoluciones se convierten en revueltas. Aplicaciones, materiales que todavía nos cautivan.

Enrique Ortega. Físico DIPC

R. Ortega

Ahora nos toca el turno del grafeno. Aunque hemos dejado escapar otros materiales maravillosos, daremos al grafeno una oportunidad en nuestro laboratorio de Nanofísica. Para nosotros, para los experimentales, caminar flores no da buenos resultados. Cada material necesita un entorno apropiado, una aproximación experimental propia. Y eso no cambia de un día para otro: se necesita tiempo y dinero (mucho! ). Afortunadamente, el grafeno nos ha atrapado con todos los medios para mantener una investigación competitiva: el grafeno se compone de láminas finas, se puede obtener in situ (en vacío) y las características electrónicas son, en definitiva, la clave del comportamiento físico del grafeno. Estamos dispuestos a investigar las características electrónicas de una fina lámina de grafeno. ¡A ver qué encontramos!