El grafeno

El último MWC ha puesto de moda el grafeno y se han empezado a ver las ilimitadas aplicaciones y ventajas que tiene este material. Pero, ¿qué es el grafeno?

Unos de los inventos geniales que hemos utilizado hasta la fecha han sido el lápiz y la goma de borrar. El lápiz, formado por una pequeña funda de madera con un alma de una cosa de color grisáceo, es una herramienta que pronto descubrimos que nos permitía hacer un trazo, escribir una palabra o hacer un dibujo; una herramienta con la que, con mucha facilidad, podíamos escribir nuestros pensamientos o dibujar nuestra imaginación. Y recordamos poderlo hacer sin miedo a equivocarnos ya que podíamos borrar cualquier error y volver a escribir sobre la misma hoja de papel: sin manchas, sin tachaduras, casi sin que se notara la corrección…

De pequeños nos preguntábamos ¿qué era eso que hacía que pudieran escribir con tanta facilidad, pudiéramos borrarlo -hacerlo desaparecer!- y continuar escribiendo como si nada hubiera pasado? Y cuando se terminaba la mina que salía por la punta, cogíamos una maquinita para hacer punta y sacamos otro trozo de punta, afilada, para continuar trabajando.

Todos hemos tenido un lápiz en las manos, todos hemos constatado el hechizo que nos produce escribir con un lápiz, y seguramente todos no paramos hasta romper, por primera vez, la madera protectora del “alma” del lápiz para contemplar con los dedos lo que nos permitía plasmar con tanta facilidad nuestra imaginación. Con un cuchillo bien afilado abrimos -de arriba abajo- la madera y apareció -con mucha suerte entera- la “mina” fina, delgada, débil, que se rompía con facilidad si no teníamos cuidado y que nos ensució de negro los dedos mientras la manipulábamos: tuvimos la primera experiencia con un material desconocido para nosotros: el grafito.

De mayores, cuando comenzamos a estudiar física y química, aprendimos que la base de toda la vida conocida en la tierra es un elemento químico llamado carbono, elemento sólido, no metálico, tetravalente, base de la química orgánica: todas las formas de vida que se conocen están formadas de moléculas compuestas de carbono. En el mismo cuerpo humano el carbono es el segundo elemento más abundante después del oxígeno.

El carbono se presenta en la Naturaleza bajo dos formas alotrópicas puras (un mismo elemento que tiene estructuras químicas diferentes): el diamante (del griego adámas, inalterable) y el grafito (del griego graphein, escribir). Y cuál fue nuestra sorpresa cuando supimos que la “mina” del lápiz es de grafito. Nuestra pregunta surgió inmediata: ¿cómo es posible que un elemento pueda presentarse bajo dos formas tan diferentes y opuestas como diamante, el mineral más duro y transparente, y grafito, el más blando y de color negro?

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Éste es el preámbulo para hablar del grafeno, material que fue preparado e identificado como una capa aislada constituyente del grafito. La estructura del grafito hace muchos años que es conocida y desde hacía mucho tiempo los científicos intentaban aislar las capas constituyentes que, cada una de ellas, es como una tela de gallinero sobrepuesta una sobre otra por débiles fuerzas. Muchos esfuerzos se habían hecho en los campos químico y micromecánico y habían llegado a conseguir muestras de 10-12 capas, pero nunca se había llegado a aislar una capa sola.

En 2004 Andre K. Geim -un holandés nacido en Rusia- y Konstantin Novoselov -de nacionalidad rusa y británica- profesores en la Universidad de Manchester, lograron, con una técnica rudimentaria (como todos los grandes descubrimientos), preparar e identificar una capa constituyente del grafito del grosor de un átomo: había nacido el grafeno. ¿Y cómo lo hicieron? Hicieron una raya con un lápiz en un papel y encima pusieron cinta adhesiva. La arrancaron y ésta la cubrieron con otro trozo de cinta adhesiva, separaron los dos trozos de cinta y repitieron el proceso unas treinta veces hasta que el microscopio les indicó que el residuo tenía una sola capa: había obtenido el grafeno.

¿Y qué tiene de especial el grafeno? Pues, como dice el doctor Josep Castells: por primera vez en la historia de la humanidad, se disponía de un objeto, de una realidad material que es un objeto bidimensional. En este mundo todo lo demás son tridimensionales y no parece probable que en mucho tiempo, la humanidad disponga de ninguna otra realidad bidimensional. Tan importante es el evento que en 2010 sus descubridores recibieron el Premio Nobel de Física. El grafeno es una forma de carbono de un espesor de un átomo, y esa forma plana tiene unas propiedades tan excepcionales que su aplicación en el mundo tecnológico de hoy nos hará cambiar muchas de nuestras maneras de funcionar. Su estructura es como una tela de gallinero o como una colmena de abejas.

Las características físicas del grafeno son realmente espectaculares.

  1. es el material más delgado (3M de hojas de grafeno, una sobre otra, hacen un espesor de 1mm)
  2. tiene el área superficial más grande (2630m2 / g)
  3. es el material más fuerte jamás medido (300 veces más fuerte que el acero): haría falta un elefante, reposando sobre un lápiz, para atravesar un pañuelo de cuello hecho de grafeno
  4. es el más rígido o duro (más que el diamante)
  5. es el cristal más “estirable” y plegable (20% de elasticidad)
  6. tiene el récord de conductividad térmica (superior a la del diamante)
  7. tiene la más alta densidad de corriente a temperatura ambiente (1M de veces la del Cu)
  8. es completamente impermeable (no lo atraviesan ni los átomos de He)
  9. tiene la movilidad intrínseca más alta (100 veces la del Si)
  10. conduce la electricidad en el límite of no electrones (esto es para los entendidos)
  11. es el portador de carga más ligero (masa cero en reposo)
  12. tiene el paso medio libre más largo a temperatura ambiente (intervalo del orden de la micra)
  13. genera electricidad cuando le incide la luz
  14. es capaz de autorrepararse si se produce un agujero en su estructura

Muchas de estas cosas probablemente no las entenderemos nunca, pero este hallazgo supera las teorías de la relatividad y la mecànina cuántica. Se mueve en la teoría de la electrodinámica cuántica (QED, quantum electrodinamics).

El grafeno es un material completamente nuevo y con unas posibilidades de aplicaciones sin límite a todo el entorno del hombre. Esto hará que se creen nuevos materiales y aparezca una electrónica innovadora. Podemos empezar a hablar de la Edad del Grafeno como de la Edad de Piedra, la del Hierro o la del Cobre. Si ya hace tiempo que hemos pasado de la ciencia ficción a la realidad, ahora con el grafeno podemos empezar a hablar de la regeneración celular y de la conquista de la galaxia. Nuestra vida ordinaria, el hogar…, todo cambiará.

Junto con la impresión en 3D el grafeno es uno de los descubrimientos más extraordinarios de los últimos tiempos. Lo hace patente las inversiones en investigación y aplicaciones que se están haciendo en todo el mundo y las patentes que ya se han registrado. La Comisión Europea anunció, en 2013, que invertiría 2000M de euros en dos líneas de investigación: el Proyecto Cerebro Humano y el Proyecto Grafeno. En este último tendrá un papel relevante Catalunya ya que una de las nueve instituciones que participan es el Institut Català de Nanotecnologia (ICN), ubicado en el campus de la UAB.

En cuanto a las patentes Apple, Samsung y Google están acumulando una gran cantidad de patentes. Asia y los USA se han adelantado a esta industria: China tiene 5000 patentes, Corea 4250, los USA 3560, Japón 1580. Europa… sólo 100! Ha comenzado una carrera que no se sabe como acabará.

Pero ya ha salido el grafeno low cost, una patente española, del CSIC, que para abaratar los costes obtiene el grafeno del carbón de coque y no del grafito, ya que así lo consiguen con temperaturas de 1000ºC (en vez de los 2800ºC necesarios con grafito) y sólo en tres pasos: oxidar el coque, exfoliar el óxido de grafeno y reducción térmica. Además los materiales intermedios sirven para química fina, catálisis y biomedicina.

Lástima que Steve Jobs ya no esté entre nosotros para deleitarnos con una de sus maravillosas aplicaciones.

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One comment

  1. 1

    Pues pronto tendremos verdaderos trajes indestructibles, celulares del grueso de una hoja de papel, y aviones de pasajeros que solo pesen unos cuantos kilos. ¿O quizás platillos voladores?

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