Artículos sobre ciencia y tecnología de Mauricio-José Schwarz publicados originalmente en El Correo y otros diarios del Grupo Vocento

febrero 14, 2014

El grafeno: una maravilla en su lápiz

Tiene sólo un átomo de espesor, está formado por uno de los elementos más comunes del universo y aún no tiene diez años de edad... pero tiene el potencial de cambiar profundamente nuestras vidas.

Un trozo de grafito (arriba), un transistor de grafeno (abajo) y
el dispensador de cinta adhesiva de Andre Gein con el cual
se logró aislar el grafeno en 2004. (Foto D.P. de Gabriel
Hildebrand, Museo del Nobel, vía Wikimedia Commons)
No pasa un mes sin que las noticias científicas traigan nuevas posibles aplicaciones del grafeno, una forma de carbono aislada en 2004 por Andre Geim y Konstantin Novoselov en la Universidad de Manchester, Inglaterra.

El grafeno es más fuerte que el diamante, es uno de los mejores conductores del calor conocidos, conduce la electricidad 20 veces mejor que el cobre y tiene otras muchas propiedades singulares.

El carbono es la base de toda la vida, y uno de los elementos más sorprendentes, gracias a su enorme capacidad de unirse con muchos otros elementos y consigo mismo, formando millones de compuestos, entre ellos las proteínas que nos forman, las vitaminas, las hormonas, las enzimas o el ADN que transmite la información genética de generación en generación. Somos esencialmente carbono.

Los átomos de carbono se pueden unir entre sí de muy distintas formas. En estructuras irregulares es el carbón común, llamado carbono amorfo. Cuando forma una estructura en la cual cada átomo está unido a otros cuatro formando tetraedros que a su vez componen una sólida red tridimensional, es el diamante, el mineral natural más duro que existe

Hay otras formas en que se pueden unir los átomos de carbono. Los fulerenos son formaciones esféricas similares a las estructuras geodésicas creadas por Buckminster Fuller (de ahí su nombre). Los nanotubos son largos cilindros formados por una red hexagonal de un átomo de espesor, o la nanoespuma de carbono.

Y la forma más conocida y común del carbono es el grafito, que conocemos principalmente por nuestros lápices. Al escribir vamos depositando carbono en el papel. El grafito está formado por capas de una estructura regular en forma de malla hexagonal, como las utilizadas comúnmente en las jaulas de aves de corral donde cada átomo está unido a otros tres.

El grafeno es una capa de grafito de un solo átomo de espesor que había sido propuesta como una posibilidad teórica en 1947. En 1984 había especulaciones teóricas sobre la enorme conductividad eléctrica que tendría de existir. Y en 1987 se utilizó por primera vez la palabra “grafeno”.

Obtener una capa de grafito individual era un desafío tecnológico enorme, y varios grupos de investigadores empezaron a intentarlo desde la década de 1970. Además, nadie sabía si realmente se podría conseguir esa capa o resultaría totalmente inestable y se colapsaría de inmediato en alguna de los otras formas como nanotubos o fulerenos.

Según relatan Geim y Novoselov, empleaban distintos procedimientos tecnológicamente complejos para tratar de separar una capa de una muestra de grafito, con resultados poco alentadores: las más delgadas tenían unos 10.000 átomos de espesor. En el laboratorio, utilizaban cinta adhesiva común y corriente para limpiar las superficies de las muestras de grafito que utilizaban en sus experimentos. Un colega ucraniano, Oleg Shklyarevskii señaló que las escamas de grafito que quedaban en la cinta adhesiva parecían más finas que las obtenidas con procedimientos de laboratorio. Geim y Novoselov empezaron a utilizar la cinta adhesiva para obtener grafeno, algo que consiguieron en 2003, publicando sus resultados en 2004.

El grafeno no era inestable, era estable y resultaba un material extremadamente fuerte. Y, como habían propuesto los teóricos, tenía una enorme capacidad de conducción de cargas debido a un efecto cuántico llamado “de Hall”. Esa fue la primera característica del nuevo material, que era además prácticamente transparente.

En realidad, como se ha visto después, cada vez que escribimos con un lápiz de grafito producimos un poco de grafeno... los trazos oscuros implican que hay muchas capas de grafito, los más claros nos dicen que hay menos capas y, por allí ocultas, hasy algunas escamas de este material. Pero entonces no se sabía.

Desde su descubrimiento, la exploración de las posibilidades del grafeno lo han convertido en uno de los materiales más rápidamente desarrollados de la historia, lo cual además promovió que en 2010, sólo seis años después de que su logro, Andre Geim y Konstantin Novoselov fueron galardonados con el Premio Nobel de Física.

Las peculiaridades del grafeno lo hacen un material con gran promesa en muy distintas aplicaciones. En 2008 se presentó el más pequeño transistor creado hasta la fecha, de grafeno, con un átomo de espesor y 10 átomos de ancho. Estos transistores, que sustituirían a los de silicio habituales en nuestros ordenadores, permitirían microprocesadores mucho más rápidos, que usen menos energía y despidan mucho menos calor. Al ser casi totalmente transparente (más del 97%) y muy flexible, sería ideal para hacer con él pantallas táctiles para nuestros dispositivos digitales, en lugar del óxido de estaño e indio que se utiliza en la actualidad.

Su transparencia y conductividad también lo convierten en un excelente candidato para utilizarse en paneles solares más eficientes y económicos, algo indispensable para que la energía solar se convierta en una opción más viable como energía limpia y sustentable.

Una de las aplicaciones inesperadas del grafeno es que ayuda a mejorar la producción de ADN que se realiza mediante el procedimiento llamado RCP, y que es el que se utiliza para multiplicar una pequeñísima muestra de ADN para poderla analizar, labor de gran relevancia en áreas como la paleontología y la criminalística. También se está explorando su utilización en los procesos de secuenciación genética, con la posibilidad de hacerlos más rápidos y menos costosos.

Utilizado como filtro, el grafeno guarda una gran promesa para diversos procedimientos industriales, ya que deja pasar el vapor de agua pero no otros líquidos y gases, lo que puede ser útil en procesos de destilado o desalinización de agua.

Con el entusiasmo por aprovechar el grafeno en muchas aplicaciones más como sensores o sistemas de control térmico, y buscando aplicaciones para otras características singulares como el cambio en el campo magnético que exhibe el grafeno cuando se le somete a tensión, es muy posible que en poco tiempo empecemos a encontrar el grafeno en nuestra vida diaria.

Fuera de los lápices, claro.

Grafeno sex

Una de las iniciativas de la Fundación de Bill y Melinda Gates es la creación de condones más fáciles de usar y más finos, para promover su uso con fines de prevención de enfermedades de transmisión sexual y de control de la natalidad. A fines de 2013, la fundación concedió unos 75.000 euros a un equipo de científicos de Manchester para que desarrollen un nuevo diseño de condones que utilizan grafeno mezclado con látex.