El Grafeno

Introducción

El Premio Nobel de Física de 2010 fue otorgado a Andre Geim y Konstantin Novoselov por sus revolucionarios descubrimientos sobre el material bidimensional grafeno.

El nombre proviene de GRAFITO + ENO. En realidad, la estructura del grafito puede considerarse como una pila de un gran número de láminas de grafeno superpuestas. Los enlaces entre las distintas capas de grafeno apiladas se debe a fuerzas de Van der Waals e interacciones entre los orbitales π de los átomos de carbono.

En el grafeno, la longitud de los enlaces carbono-carbono es de aproximadamente 1,42 Å. Es el componente estructural básico de todos los demás elementos grafíticos incluyendo el grafito, los nanotubos de carbono y los fulerenos. Esta estructura también se puede considerar como una molécula aromática extremadamente extensa en las dos direcciones del espacio, es decir, sería el caso límite de una familia de moléculas planas de hidrocarburos aromáticos policíclicos llamada grafenos.

El grafeno tiene los átomos en un solo plano, sin un solo átomo fuera de lugar, en una hoja de un átomo de espesor. Una lámina de 1 m2 pesa tan sólo 0.77 miligramos. Extremadamente fuerte, 200 veces más que el acero, y sin embargo flexible. Es un cristal único, sin límites de grano, transparente a todo tipo de luz. Su densidad es tal que ni siquiera los átomos de gas helio, los más pequeños que existen, podrían atravesarlo. No podemos predecir el impacto del grafeno, será grande sin dudas, pero no inmediato. Se trata de convertir un material maravilloso en un producto de ingeniería, y eso no es fácil de lograr.

Por ahora, se sabe que el grafeno podría utilizarse como componente de los circuitos integrados. Se estima que la principal aplicación del grafeno sería reemplazar al silicio en muchos transistores y microprocesadores. La IBM ya anunció que había construido microprocesadores y transistores con grafeno.

Resumen

Comencemos por la composición. El grafeno está formado por átomos de carbono. Podría decirse que el carbono es el elemento químico más fascinante de la tabla periódica. Es la base de toda forma de vida sobre la Tierra; es el material base de los diamantes y también de los lápices. Ante esta diversidad de aplicaciones, es muy probable que todavía queden por descubrir multitud de usos -por ello, la gente ha empezado a soñar.

Siempre se creyó que estas láminas de grafito no se podían producir de manera aislada. Este hecho, sin embargo, sorprendió cuando en 2004 Novoselov, Geim y sus colaboradores mostraron no sólo que era posible aislar una de dichas láminas de grafito, sino que, además, eran estables. Cada una de estas láminas aisladas es lo que se conoce como grafeno.

El hecho es que la estructura es magnífica: el grafeno es el primer material cristalino en dos dimensiones y presenta propiedades únicas que lo hacen interesante tanto para la Ciencia básica como para multitud de aplicaciones. Así, entre otras propiedades fascinantes, es el material más resistente conocido, al mismo tiempo que es flexible como la goma, es transparente, conduce la electricidad mejor que el silicio, conduce el calor mejor que el cobre, resiste el calor mejor que el diamante, permite experimentos físicos que, de otro modo, precisarían de aceleradores de partículas de kilómetros de longitud.

Así, hoy en día, a pesar de que el término grafeno puede no significar demasiado para la persona común, los expertos creen firmemente que sus extraordinarias propiedades mecánicas y eléctricas influirán en las generaciones venideras como lo hicieran la televisión, la bomba atómica y el chip de silicio décadas después de que los científicos que los estudiaron recibieran el Premio Nobel.

Antecedentes históricos

El repentino aumento del interés científico por el grafeno puede dar la impresión de que se trata de un material nuevo. En realidad se le conoce y se le ha descrito desde hace más de medio siglo. El enlace químico y su estructura se describieron durante la década de 1930. Philip Russell Wallace calculó por primera vez en 1949 la estructura electrónica de bandas. Al grafeno se le prestó poca atención durante décadas al pensarse que era un material inestable termodinámicamente ya que se pensaba que las fluctuaciones térmicas destruirían el orden. Por lo tanto se entiende la revolución que significó que Novoselov y Geim consiguiesen aislar el grafeno a temperatura ambiente. La palabra grafeno se adoptó oficialmente en 1994, después de haber sido designada” mono capa de grafito”.

Además, muchas nano estructuras recientemente descubiertas, como los nanotubos de carbono, están relacionadas con el grafeno. Tradicionalmente, a estos nanotubos se les ha descrito como “hojas de grafeno enrolladas sobre sí mismas”.

En 2004, el físico Andre Geim, de la Universidad de Manchester, buscaba una nueva línea de investigación para un estudiante de doctorado que acababa de llegar. No siempre es fácil tener a mano un tema nuevo. Konstantin Novoselov, que así se llamaba el recién llegado, iba a aparecer en su oficina en cualquier momento y no sabía qué ofrecerle. Entonces tuvo una idea. Otro de sus estudiantes estaba investigando el grafito. Para el estudio de este material, es necesario que su superficie esté lo más pulida y limpia posible. Y para esto, en estos laboratorios de alta tecnología se usa un método bastante simple, se pega un pedazo de cinta adhesiva sobre la muestra y se despega con fuerza. De esta manera se arrancan las capas más superficiales, que suelen estar dañadas y contaminadas, y se analiza el grafito restante. Las cintas usadas para el pulido se tiran sin más. Sin embargo, en un giro genial, a Andre se le ocurrió mirar en las cintas, la de los restos pegados, y proponerle a Novoselov el estudio de las capas de grafito que normalmente se desechan. Lo que ninguno de los dos se imaginaba es que, entre los cientos de residuos pegados a la cinta, algunos serían mono capas cristalinas de grafito, o sea, grafeno, cuyas propiedades revolucionarían la física de los materiales.

El grupo de Manchester consiguió medidas de transporte electrónico a través de grafeno. Con estos resultados viajaron a Estados Unidos y los presentaron en la reunión anual más famosa de físicos de la materia condensada, el March Meeting. Sabían que tenían unos resultados nuevos y con potencial en el mundo de las aplicaciones tecnológicas, pero no se imaginaban que sus resultados guardaban aún más sorpresas, esta vez de carácter fundamental y filosófico.

Casualmente, en 2005, un importante profesor español y experto en grafito disfrutaba de un año sabático en la Universidad de Boston. Francisco Paco Guinea, del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, y otros

...