Grafeno. "El supermaterial"

Hace ahora siete años se descubrió el grafeno (se aisló por primera vez). Del grafito, el mismo de las minas de los lápices salió, casi por casualidad, una fina lámina (tan delgada que tiene un átomo de espesor) con la ayuda de una vulgar cinta aislante. 

Sin embargo, la ciencia no entiende de casualidades, así que el material se caracterizó, se vieron sus propiedades y aplicaciones: fibra óptica, ordenadores decenas de veces más rápidos, paneles solares o sensores de todo tipo son algunas de las posibilidades que ofrece de este material fino, resistente, flexible, transparente y superconductor por citar algunos de sus prodigios. Sus padres, Andre Geim y Kostya Novoselov, han ganado un Nobel en Física.

Ahora la producción empieza a ser industrializada y sencilla. El grafeno es rígido y perfecto en todos los sentidos. A pesar de que los medios de producción no sean muy sofisticados, y el resultado es de buena calidad.

De momento, son cuatro empresas las que fabrican a nivel industrial este producto, cuyos principales consumidores son asiáticos. Se estima que para 2020 el mercado sea de 675 millones de euros. Su proceso de producción se está revelando como el mejor para grandes cantidades (la mayor producción ha sido de 80 cm2 para uso en investigación) y medioambientalmente seguro. 

Se parte de algún gas rico en carbono, como el metano, se rompe la molécula en hornos a 900-1.000 grados y los átomos de carbono se van depositando encima de un material como el cobre. El único residuo es el hidrógeno.

El grafeno es un material biodimensional que cuenta con sólo un átomo de grosor. Una sustancia formada por carbono puro, con átomos dispuestos en un patrón regular hexagonal similar al grafito, pero en una hoja de un átomo de espesor.Es la membrana más fina creada hasta el momento. Su apariencia puede parecer frágil y delicada ya que a simple vista el grafeno es como una tela transparente y flexible. Sin embargo, se trata de un material extremadamente resistente que además sirve de conductor de la electricidad.

"Es muy ligero: una lámina de 1 metro cuadrado pesa tan sólo 0,77 miligramos". 

Las aplicaciones del grafeno aún estan por determinar, aunque algunos expertos ya apuntan sus usos en el campo electrónico –dadas sus extraordinarias propiedades conductoras y semiconductoras–, la futura construcción de ascensores espaciales, pasando por la fabricación de corazas humanas de seguridad (un chaleco antibalas, por ejemplo).

Hasta ahora, la resistencia, la elasticidad y el punto de ruptura estimados del grafeno estaban basados sobre complejas teorías modeladas por computadora, debido a las complejidades para sujetar las muestras de grafeno. Pero gracias a los trabajos dirigidos por Changgu Lee y Xiaoding Wei, en los grupos de investigación de los profesores de ingeniería mecánica Jeffrey Kysar y James Hone se ha establecido al grafeno como el material más fuerte que haya sido medido, esto es el equivalente a 200 veces más fuerte que el acero estructural, además de poseer gran conductividad térmica. 

Para medir la resistencia del grafeno se hicieron agujeros de un micrómetro de ancho sobre una lámina de silicio y se puso en cada uno de estos una muestra perfecta de grafeno; a continuación rompió el grafeno con un instrumento puntiagudo hecho de diamante. La tensión que alcanzó el grafeno antes de romperse fue de 130 GPa esto es 264 veces mayor a la que soporta la tela de araña. Para darnos una mejor idea de la magnitud de estas propiedades imaginemos que si se tuviera un hilo de tela de araña del grueso de un lápiz se podría detener un avión Boeing 747 en pleno vuelo. Esto coloca al grafeno como el material más fuerte del mundo.

Para dar otra idea de la dureza del grafeno, Hone comparó las pruebas realizadas por él y Kysar con poner una cubierta de plástico sobre una taza de café y medir la fuerza que requeriría pinchar esa cubierta con un lápiz.

“Pues bien, según explicó Hone, si en lugar de plástico lo que se pusiera sobre la taza de café fuese una lámina de grafeno, después situáramos encima el lápiz, y en lo alto de éste colocáramos un elefante en equilibrio sobre él, la lámina de grafeno ni se inmutaría”.

Uno de los campos donde el material parece ser más prometedor es en la industria de semiconductores. Este sector tiene la intención de construir ordenadores mucho más rápidos que los de hoy en día gracias al desarrollo de microprocesadores con transistores de grafeno.

El principal impedimento en la construcción de microprocesadores es la presión. Los materiales usados para fabricar los transistores no sólo deben tener excelentes propiedades eléctricas, sino que también deben ser capaces de sobrevivir a la tensión a que se ven sometidos durante el proceso de fabricación y al calentamiento generado por repetidas operaciones.

El proceso utilizado para estampar conexiones eléctricas metálicas en los microprocesadores, por ejemplo, ejerce una tensión que puede provocar el fallo de los chips. Precisamente, el grafeno ha sido el material que mejor ha soportado todo este procedimiento.

Ahora, investigadores del instituto Imdea-Nanociencia y las universidades Autónoma y Complutense de Madrid han logrado dotar al grafeno de propiedades magnéticas. 

Los investigadores han conseguido crear con este material una superficie híbrida que se comporta como un imán. El avance, que publica la revista Nature Physics, abre la puerta al desarrollo de dispositivos de grafeno espintrónicos, es decir, basados en el espín o giro del electrón, lo que puede transformar la industria electrónica, según recoge SINC.

“A pesar del gran esfuerzo llevado a cabo hasta ahora por científicos de todo el mundo, no se encontraba la forma de añadir las funcionalidades magnéticas necesarias para el desarrollo de una espintrónica basada en grafeno, pero estos resultados abren la puerta a esa posibilidad”

Rodolfo Miranda.  Director de Imdea-Nanociencia y responsable de la investigación, 

El reto de hacer magnético el grafeno

La espintrónica se basa en la carga del electrón, como la electrónica tradicional, pero también en su espín. Este se puede imaginar como el sentido de giro de un electrón, lo que determina su momento magnético. Un material es magnético cuando la mayoría de sus electrones tienen el mismo espín.

Como el espín puede tomar dos valores, su uso añade dos estados más a la electrónica tradicional. De esta forma se multiplica tanto la velocidad de procesamiento de la información como la cantidad de datos que se pueden almacenar en los dispositivos electrónicos, con aplicaciones en campos como las telecomunicaciones, la informática, la energía y la biomedicina.

Para poder desarrollar una espintrónica basada en grafeno, el reto era ‘hacer magnético’ a este material, y los investigadores madrileños han encontrado el camino al descender al mundo nanométrico y cuántico.

La técnica consiste en hacer crecer una capa de grafeno sobre un cristal metálico de rutenio dentro de una cámara de ultra alto vacío. Después, se evaporan encima moléculas orgánicas de tetraciano-p-quinodimetano (TCNQ), una sustancia gaseosaque actúa como un semiconductor a bajas temperaturas.

Al observar los resultados con un potente microscopio de efecto túnel los científicos quedaron sorprendidos: las moléculas orgánicas se organizaban solas y se distribuían de forma periódica interactuando electrónicamente con el sustrato de grafeno-rutenio.

La estructura de moléculas de TCNQ adquiere sobre el grafeno un orden magnético de largo alcance -en toda la superficie- con electrones situados en diferentes bandas según su espín.

El resultado es una nueva capa imantada basada en grafeno, lo que abre la posibilidad de crear dispositivos basados en el que ya se consideraba el material del futuro, pero que ahora, además, puede tener funcionalidades magnéticas.