Grafeno: un material innovador

Tan fuerte como el acero, tan rápido como la luz, elástico, mejor conductor que cualquier metal y con un espesor equivalente a sólo un átomo de carbono… ¿Cómo se obtuvo un material tan sorprendente como el grafeno? ¿Qué es? ¿Qué posibilidades nos brinda para la tecnología y la investigación científica?  Un artículo de Jesús Alberto Jaimes.

Jesús Alberto Jaimes Arriaga

Una vez más, el carbono nos sorprende

El pasado 2010 les fue concedido el Premio Nobel de Física a Andrei K. Geim y a Konstantin S. Novoselov, por sus trabajos acerca del material de dos dimensiones conocido como grafeno, compuesto únicamente por una capa atómica de carbono. Este material abre nuevas posibilidades dentro del campo de las ciencias debido a que presenta propiedades tanto particulares como sorprendentes.

Carbono polifacético

Entre los elementos de la tabla periódica, sin duda alguna, el carbono tiene un lugar preponderante, ya que es la base de los compuestos que conforman la vida en la Tierra. El carbono se presenta en diferentes formas alotrópicas, o «apariencias», la más común es el grafito, material con el que se fabrican los lápices. Otra apariencia metaestable del carbono, es decir, estable bajo condiciones muy específicas, es el diamante. Si nos vamos a niveles mucho más pequeños, encontraremos al fulereno. Este material podemos imaginarlo como un balón de futbol formado por hexágonos y pentágonos en el que cada vértice está ocupado por un átomo de carbono.

Aislando el grafeno

La estructura del grafito está compuesta por capas de átomos de carbono dispuestas de forma hexagonal, de manera muy similar a un panal de abejas. Esto ya se conocía desde la década de los sesenta, pero aislar una de dichas capas para poder efectuar mediciones de sus propiedades suponía una enorme dificultad. Resolver esto y, de paso, descubrir un material conocido ahora como grafeno les valió a Andrei y a Konstantin ser galardonados con el Premio Nobel de Física.

El método utilizado para aislar el grafeno fue muy sencillo. Contrariamente a lo que uno pudiera pensar, consiste básicamente en una exfoliación del grafito para obtener capas muy delgadas, hasta conseguir una única capa del espesor de un átomo de carbono. El trazo de un lápiz en una hoja de papel está formado por millones de capas de grafeno que se encuentra débilmente unidas y, por ende, son fáciles de separar. Lo que hicieron Andrei y Konstantin fue separar capas de grafito usando cinta adhesiva en repetidas ocasiones, haciendo dichas capas cada vez más delgadas. El siguiente paso fue encontrar capas de grafeno (tan delgadas como el espesor de un átomo de carbono) dentro de las capas de grafito que habían obtenido. Su segunda gran idea fue tomar estas capas y unirlas a una placa de silicio oxidado, un material de trabajo en la industria de los semiconductores, para que, finalmente, pudieran ser estudiadas.

¿Por qué es tan peculiar el grafeno?

El grafeno presenta dos rasgos que lo destacan de entre todos los materiales y que repercuten fuertemente en sus propiedades eléctricas. El primero de ellos es su composición casi perfecta, libre de errores, la cual se debe a que los átomos de carbono se encuentran fuertemente unidos entre sí, además de ser lo suficientemente flexibles como para permitir que la red pueda ser estirada hasta un 20 % más de su tamaño original. En el grafeno, los electrones pueden viajar distancias largas sin ser perturbados, a diferencia de otros materiales conductores, como los metales, en los que los rebotes de los electrones de un lado a otro van disminuyendo su conductividad eléctrica.

El otro rasgo distintivo del grafeno es que sus electrones se comportan como partículas de luz: fotones (los cuales carecen de masa y en el vacío pueden viajar a una velocidad de 300 millones de metros por segundo). Comparativamente, los electrones en el grafeno se desplazan a una velocidad de un millón de metros por segundo. Esto abre un sinfín de posibilidades para el estudio de fenómenos a escala pequeña, con las consecuentes ventajas que ello conlleve.

Por si esto fuera poco, el grafeno presenta otras propiedades muy interesantes: es mucho más fuerte que el acero y a la vez elástico, puede ser utilizado como un conductor flexible y su conductividad térmica es mayor a la de la plata (siendo ésta la que tiene el valor más alto entre todos los metales).

Posibles aplicaciones

Debido a las propiedades tan particulares que presenta el grafeno, el número de sus posibles aplicaciones es grande. En última instancia, se trata de un conductor delgado, mecánicamente muy fuerte, transparente y flexible. Su conductividad puede ser modificada dentro de un amplio rango con relativa facilidad. La movilidad del grafeno es muy alta, lo que hace que el material sea interesante para usos electrónicos. Puesto que el grafeno es un conductor transparente, puede ser utilizado en pantallas táctiles, paneles de luz y celdas solares, donde reemplazaría materiales muy costosos y frágiles. Otras de sus potenciales aplicaciones son como material electrónico flexible y como sensor de gas. También se pueden construir materiales compuestos basados en grafeno muy fuertes y ligeros, los cuales serían muy atractivos para su uso en satélites y aeronaves.

Con el desarrollo de este nuevo material se abren nuevas posibilidades tanto académicas como tecnológicas. Por el momento es el primer material de dos dimensiones con propiedades únicas, lo cual lo hace muy interesante en diversos aspectos. Este gran avance científico fue hecho por Andrei, Konstantin y todo su grupo de trabajo, y la prueba irrefutable de su importancia es el hecho de que estos científicos fueran galardonados con el Premio Nobel de Física.

Bibliografía

The Nobel Prize in Physics 2010. Information for the public, Scientific Background on the Nobel Prize in Physics 2010: Graphene, compiled by the Class of Physics of the Royal Swedish Academy of Sciences. The Royal Swedish Academy of Sciences, 2010.

_____________

Jesús Alberto Jaimes Arriaga (Ciudad de México, 1988) estudia la maestría en Ciencias Químicas en la UNAM. Dentro de sus principales intereses se encuentra la divulgación científica además de que la escritura es una de sus más fervientes pasiones.