Una excursión pola chaira de carbono

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

• Materialak
• Fisika

(Foto: G. Roia)

O grafito utilízase paira facer dano nos arcos. De feito, o lapis deixa una liña negra sobre o papel, xa que libera pequenos fragmentos do grafito xunto con outros compoñentes. Estas partes non son fragmentos completos de grafito, senón grupos de planos atómicos. Isto débese a que a unión entre os átomos de carbono presentes no mesmo plano é moi forte, mentres que a unión entre planos é moi débil.

Non é posible separar un destes planos cun lapis, pero si puidésese dividir o resultado sería o grafeno, una das estrelas da ciencia dos materiais actuais. Andre Geim e Philip Kim foron os físicos estadounidenses da Universidade de Columbia os que illaron por primeira vez en 2004. En realidade, os físicos aproveitaron a idea do lapis. E seguen aproveitando esta idea.

Algo parecido faise; en lugar de pasar o lapis por encima do papel, fregan un anaco de grafito microscópico contra unha lámina de silicio. Isto tampouco libera un único plano dos átomos de carbono, senón una fracción de aproximadamente 100 planos de espesor. A partir dese momento utilizan cinta adhesiva. Pegan polas dúas caras ao anaco pequeno que conseguiron e tiran a man. Facendo isto unha e outra vez, terminan obtendo fragmentos dun só plano. Obtención de grafeno. Non é un proceso moi tecnolóxico. A Universidade de Columbia pagou 10 dólares por este labor a un bolseiro.

Electróns libres

Ao illar un plano único, os físicos céganse. Os átomos deste plano xa non deben compartir electróns cos átomos doutro plano, o que cambia radicalmente a situación. No estado formado por dous planos, algúns electróns movíanse libremente pola ranura entre os dous planos, pero non moi rapidamente. A corrente eléctrica xerábase facilmente, pero con certa resistencia. No estado dun só plano, pola contra, os electróns móvense rapidamente sobre o plano –e por baixo–, practicamente sen obstáculos.

Móvense moito máis rápido que nun metal. Algúns físicos afirman que chegan a moverse 400 veces máis lentamente que a velocidade da luz; se iso é certo, a velocidade é moi rápida, destacable polo efecto da relatividad. Aínda que o dato non é exacto, son electróns moi rápidos.

Na estrutura do grafito, os átomos ordénanse por planos. Cada un destes planos é o grafeno.

G. Roia

Isto fai pensar que o grafeno é un gran condutor eléctrico como un metal. A verdade é que nalgúns casos pode comportarse como un metal, pero en xeral é un semiconductor e moi bo semiconductor.

Explicado de forma moi sinxela, nun material, canto menor é a temperatura, menos vibran os núcleos dos átomos. E son menos obstáculos paira os electróns en movemento, a corrente eléctrica. Por tanto, os condutores conducen mellor electricidade en frío que si se quentan. Con todo, no grafeno apenas hai diferenzas e ten as mesmas propiedades eléctricas que en frío a temperatura ambiente.

E ademais, as súas dimensións son moi pequenas (espesor dun átomo, lonxitude e anchura de tantos átomos como se desexe), o que parece un material apropiado paira a elaboración de transistores nanoscópicos. Moitos expertos consideran que nalgún momento ten moitas posibilidades de ser substituto do silicio.

Ten outras propiedades eléctricas especiais. Por exemplo, a miúdo destacan o efecto cuántico Hall, que aparece no grafeno a temperatura ambiente e non noutros materiais. Este efecto está relacionado coa interacción entre o material e os campos magnéticos e pode ter relevancia en aplicacións electrónicas do grafeno.

Fabricación en serie

Por suposto, o grafeno será útil na industria da microelectrónica si, entre outras cousas, invéntase una técnica de fabricación en serie. O método da cinta adhesiva é útil paira as necesidades dun laboratorio de investigación, pero non paira a obtención de grandes cantidades.

Uno dos compoñentes da dor de lapis é o grafito. Ao escribir sóltanse as partes de leste grafito e quedan sobre o papel. Son fragmentos de miles de planos atómicos. Se escribimos cun lapis a escala nanoscópica, quizá os planos se sueltarían individualmente, é dicir, liberaríase o grafeno.

G. Roia

Existen diversas propostas paira a produción en masa do grafeno. Recentemente, por exemplo, expertos da Universidade UCLA de California desenvolveron una técnica. A idea é sinxela: oxidar o grafito e despois reducilo. Aparentemente trátase de dúas reaccións químicas opostas, polo que a lóxica indica que una vez producidas ambas se recuperaría o grafito inicial. Pois non pasa iso. A oxidación consiste na inserción de átomos de osíxeno entre os planos do grafito e a liberación de láminas de grafeno tras a súa redución. Segundo os investigadores, ademais, o conseguido é un grafeno de moi alta conductividad.

Outra vantaxe desta técnica é que o grafeno oxidado resultante da primeira reacción presenta unhas propiedades moi interesantes xa que o seu comportamento eléctrico depende da cantidade de osíxeno que recibiu o material. En definitiva, ademais do grafeno, os derivados do grafeno son materiais novos de interese.

A máis dura do mundo

A conductividad eléctrica non é a única propiedade que buscan os físicos. Ademais, pídense outras mil características a un novo material. E tamén desde este punto de vista, o grafeno é un material único.

É o material máis duro do mundo, máis duro que o propio diamante. De feito, na Universidade de Columbia, onde pagou aos bolseiros paira a extracción manual de grafeno, mediron a dureza do grafeno e paira iso tiveron que utilizar o propio diamante. Un buraco nunha superficie de silicio é cuberto por unha molécula perfecta de grafeno. E esa molécula perfecta é empuxada cunha punta de diamante moi afiada, de arriba abaixo, ata que o grafeno rompe.

Os nanotubos son un grafeno redondeado en forma cilíndrica.

G. Hutchison

Os investigadores explicaron o resultado do experimento mediante unha comparación. Imaxinade que o buraco da superficie de silicio é como una cunca de café. Tápase cun plástico e téntase perforar cun lapis cortante. O obxectivo do experimento é medir a forza necesaria paira perforar o plástico. A substitución do plástico polo grafeno, a pesar do peso dun coche sobre o lapis, non daría lugar nin á distorsión do mesmo.

Máis aínda

Ademais de resistente, fino e excelente condutor eléctrico, o grafeno conduce moi ben a calor. Isto era sospeitoso desde o principio, xa que os nanotubos tamén transmiten moi ben a calor e, en definitiva, é o mesmo material. Con todo, foi moi difícil de medir, xa que non é fácil pór en contacto as láminas de grafeno cun quentador. Finalmente, algúns físicos da Universidade de California-Riverside conseguiron quentar o grafeno cun láser e mediron una conductividad sorprendente, un 50% superior aos nanotubos e 10 veces maior que o cobre e outros metais.

Por outra banda, posúe as propiedades ópticas adecuadas paira a realización de pantallas de cristal líquido, por exemplo. Pódense utilizar dúas láminas de grafeno paira intercalar outro material e fabricar un cristal líquido. Como o grafeno ten un espesor dun só átomo, pódense construír pantallas moi finas.

Apps

Son moitas as cousas que se poden facer co grafeno (sobre todo si, como dixemos, conseguen fabricalo en serie). Pero aínda non se desenvolveron todas estas aplicacións. E por iso, o novo mundo do grafeno é só un soño. Pero só pasaron catro anos desde que o equipo do físico Geim illaron por primeira vez o grafeno. Tardará en demostrar as capacidades reais do grafeno.

A estrutura atómica do carbón é o grafito, é dicir, una gran acumulación de láminas de grafeno. De feito, o carbón ensucia os ferros pola súa facilidade de liberación.

De arquivo; R. Gefangenen

Con todo, os científicos están dispostos a probar novas aplicacións. E non só físicos, uno dos exemplos máis sorprendentes é a lectura da secuencia da molécula de ADN. Trátase de facer pasar a cadea de ADN por unha ranura entre dúas láminas de grafeno e xerar una corrente eléctrica no grafeno. A corrente eléctrica salta ás bases de ADN mediante un efecto túnel, pero cada base necesita una cantidade de enerxía determinada para que se produza este efecto túnel.

Isto significa que dependendo da enerxía que necesita o grafeno para saltar a corrente dunha lámina á molécula de ADN e de aí á segunda lámina, pódese coñecer a base próxima do grafeno. Con este método, e desprazando a molécula de ADN na ranura, pódese coñecer a secuencia de bases do ADN. E, segundo os expertos, a utilización do grafeno permite ler as secuencias máis rápido que outros métodos.

As ideas de posibles aplicacións están a multiplicarse rapidamente. Por iso os físicos creen que o grafeno vai supor una revolución. E o mellor é que non é un material novo, estaba aí, escondido no grafito. Só faltaba a extracción. E agora arrincamos o grafeno. A ver que facemos a partir de agora.

Gran esperanza, grafeno

De cando en vez, o descubrimento dun material novo, impresionante, revolucionario, axita o mundo dos investigadores. Nada máis pasar a febre, a realidade práctica móstranos, desgraciadamente, que as aplicacións do material son escasas. Os óxidos superconductores, os fulgurantes e os nanotubos de carbono pasaron por diante de nós. As revolucións convértense en revoltas. Aplicacións, materiais que aínda nos cativan.

Enrique Ortega. Físico DIPC

R. Ortega

Agora tócanos a quenda do grafeno. Aínda que deixamos escapar outros materiais marabillosos, daremos ao grafeno una oportunidade no noso laboratorio de Nanofísica. Paira nós, paira os experimentais, camiñar flores non dá bos resultados. Cada material necesita unha contorna apropiada, una aproximación experimental propia. E iso non cambia dun día paira outro: necesítase tempo e diñeiro (moito! ). Afortunadamente, o grafeno atrapounos con todos os medios paira manter una investigación competitiva: o grafeno componse de láminas finas, pódese obter in situ (en baleiro) e as características electrónicas son, en definitiva, a clave do comportamento físico do grafeno. Estamos dispostos a investigar as características electrónicas dunha fina lámina de grafeno. A ver que atopamos!