Geim y Kostya Novoselov y el grafeno

 

En el año 2010 Andre Geim y Kostya Novoselov recibieron el Premio Nobel de Física por el descubrimiento de un extraordinario material: el grafeno. Obtenido por primera vez en 2004, el grafeno está formado por una sola capa cuyo espesor es tal que un solo gramo bastaría para cubrir un campo de fútbol. (Mie, 03 Oct 2012)

Su carácter de lámina finísima hace del grafeno el material del futuro, ya que a su condición de ser el mejor conductor de la electricidad conocido, añade su flexibilidad (puede doblarse y enrollarse), su transparencia, su resistencia (mayor que la del acero) y el hecho de que sus residuos no dañen el medioambiente. Al descubrimiento del grafeno se sumó en enero de 2011 el del grafano, mecánicamente semejante al anterior pero con propiedades aislantes extraordinarias.


La primera aplicación de los nuevos materiales ha sido un circuito integrado diseñado por IBM en 2011, un importante ejemplo dentro del campo de sus inagotables usos futuros, que irán desde las primeras células orgánicas fotovoltaicas (desarrolladas ya por la Universidad del Sur de California) hasta las previsibles aplicaciones a la arquitectura, especialmente en el ámbito de los materiales aislantes, como envolventes transparentes de edificios, finas como el papel pero capaces de aislar de manera adecuada. 

El Nobel de Física de 2010 es para Andre Geim y Kostya Novoselov, pero bien se puede decir que es para el grafeno. Ellos descubrieron cómo el carbono se presenta de un modo en el que se convierte en el material del futuro. Lo más tangible e inmediato que notaremos es que resolverá los problemaspara alcanzar la llamada conectividad total: que no puedes cargar todo el día con el PC, que tu teléfono tiene la pantalla demasiado pequeña y que la velocidad del procesador no siempre tiene la alegría que quisieras (sobre todo en las conexiones 3G).

Soluciones: tener un portátil de grafeno, un material capaz de convertirse en monitor (porque es transparente) y procesador (diez veces más rápido que el de silicio) a la vez, que se enrolla y se pliega, que es tan irrompible como el diamante ¡y que tiene un solo átomo de grosor! ¿Otro “vaporware”, como llaman a las falsas promesas? No. Samsung, con la ayuda de la Universidad Sungkyunkwa, de Corea del Norte, sacará el año que viene las primeras pantallas enrollables, táctiles y con circuitos invisibles (mira los prototipos en estas páginas).

Los procesadores, que podrían alcanzar una velocidad de cientos de gigaherzios (en silicio, el máximo –no comercial– es de 100 GHz, aunque el PC de tu casa es de 3, como mucho) tardarán un poco más. ¿Por qué? Porque el grafeno es demasiado buen conductor y deja pasar todos los electrones, sin más. El silicio, en cambio, es un semiconductor; es decir, admite que se le “diga” cuándo transmitir corriente y encender los millones de transistores que forman el procesador, y cuándo no. Francisco Guinea, profesor de investigación del Instituto de Ciencia de los Materiales de Madrid (CSIC), ha publicado en Science, junto a tres universidades estadounidenses, cómo variar la conductividad del grafeno deformándolo: “Si aprendemos a guiar los electrones a un lugar concreto, podremos fabricar circuitos. Es la gran diferencia con el silicio: a este le hacen falta contactos metálicos entre las partes del circuito. Pero con el grafeno se puede hacer todo de una sola pieza. Es un avance considerable”. De paso, se aprenderá a doblar las pantallas sin que sufra el funcionamiento.
Así que toda la investigación se centra ahora en aprender a dirigir electrones, y de un modo que pueda reproducir la industria. Porque prototipos de transistores de 100 GHz (IBM, en febrero de 2010) y hasta 300 (la Universidad de California en Los Ángeles, hace pocas semanas) ya hay. Pero no se comercializan, son joyas de laboratorio. El español Tomás Palacios, profesor de Ingeniería Eléctrica y Computación del todopoderoso Massachusetts Institute of Technology (MIT) habla de “controlar la conductividad del grafeno usando dos capas de este material, una encima de otra, y en una orientación determinada”. Así se logra abrir y cerrar el paso de corriente a placer, “y se pueden fabricar excelentes transistores (o interruptores) con él; eso permite su uso en numerosas aplicaciones, incluyendo microprocesadores y células solares”, explica. Y un último método es el llamado “dopaje químico”: añades una sustancia (hidrógeno, oxígeno...) que convierta la plancha de grafeno en aislante (que no conduzca), y quitas esas sustancias solo de las “rutas” por las que quieras que circule la corriente.

Aparte de enrollado, sensible

Pero Palacios y su equipo están trabajando en otras aplicaciones innovadoras: “Ya que el grafeno está formado por una única capa de espesor, los transistores son muy sensibles a cualquier molécula que se deposite en su superficie. Por eso, es un material idóneo para fabricar sensores químicos y biológicos, de ADN, por ejemplo”. Y continúa: “Mi grupo de investigación acaba de fabricar un sensor para detectar hidrógeno, y estamos trabajando en otros detectores de explosivos y células biológicas”. ¿Más? “También estamos diseñando detectores de infrarrojos que permitan la fabricación de cámaras de visión nocturna con una resolución mucho mejor que la de las actuales”, nos cuenta este jefe de investigadores de solo 30 años.
Otra fuente de alegrías va a estar en su capacidad de multiplicar la señal que sea: para entendernos, que cualquier conexión, inalámbrica o no, llegue con toda su potencia a los dispositivos que reciban datos de ella, porque tendrán una especie de “repetidor”. Algunos de estos inventos combinarán la “sensibilidad” del grafeno con la “habilidad” del silicio. Porque todos coinciden en que el material que dio nombre a Silicon Valley lleva 40 años de ventaja en cuanto a industrialización e investigación; así que puede ser un buen complemento del grafeno, más que un competidor.

Cómo forrarse con celofán
Lo curioso es que este nuevo material está por casi todas partes, pero “empaquetado” de un modo en que no se comporta de forma tan espectacular: teníamos carbón (carbono con estructura amorfa), diamantes (estructura cristalina) y grafito (una forma que agrupa láminas de átomos). Pero no teníamos grafeno. Hasta que, en 2004, Andre Geim y Kostya Novoselov, de la Universidad de Manchester (Reino Unido), separaron una sola de esas láminas del modo menos científico jamás visto. Por eso, no es de extrañar que hayan recibido el Nobel de Física 2010.
En su laboratorio, para estudiar el grafito, se pegaba celo sobre la muestra y se arrancaba para quitar las capas superficiales, llenas de impurezas. Pero a Geim se le ocurrió un día mirar esos desechos, y descubrió que algunas veces lograba arrancar separadamente una de las capas de un átomo de grosor que forman el grafito. O sea, obtenía grafeno. Así que Novoselov y él fundaron Graphene Industries y ya no se dedican a conducir electrones en la Universidad, sino coches caros por la calle, que es más divertido.

Hay que ver cómo es

Sí, porque su éxito reside en cómo es, no en lo que es. ¿Y qué es? El grafeno es tan carbono puro como el carbón, el grafito y el diamante. Pero la forma en la que están “ordenados” los átomos cambia enormemente sus propiedades. En el grafeno, los átomos de carbono están dispuestos en forma plana (bidimensional), en orden de panal de abeja. Eso lo convierte en un excelente conductor (eléctrico y térmico), se vuelve casi irrompible, y más flexible que el plástico más deformable.

Y sabe hacer más cosas

Análisis. Tomás Palacios (MIT) quiere “combinar sensores químicos hechos con grafeno, con microprocesadores de silicio, capaces de analizar a tiempo real los resultados de los sensores”. Así es como las pruebas de ADN y tests genéticos (para embarazadas, delitos...) van a ser más sencillos y precisos.

Células solares. El grafeno no solo transmite bien la electricidad, sino que tiene una buenísima conductividad térmica. Así que las placas solares –que aún tardarán unos años– serán mucho más eficientes.

Chalecos antibala. Hoy son sobre todo de poliparafenileno tereftalamida (Kevlar), mezclado con metales ligeros. Pero son pesados, gruesos y poco flexibles. El grafeno, en cambio, es muy fino, y duro como el diamante.
Para ver las características del grafenopincha la imagen:

• http://es.wikipedia.org/wiki/Grafeno