¿Qué es el grafeno? Esto es lo que necesitas saber sobre un material que podría ser el próximo silicio

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Grafeno, un material emergente que podría cambiar la forma en que se fabrican los componentes electrónicos y ayudar a que el rendimiento informático siga creciendo, está en todas partes en el mundo de la investigación estos días.

Sólo este mes, los avances sugieren que podría aumentar la velocidad de Internet, servir como recubrimiento sensible al tacto y prolongar la vida de los ordenadores. Es más fuerte que el diamante y conduce la electricidad y el calor mejor que cualquier otro material jamás descubierto, y es probable que desempeñe un papel importante en muchos productos y procesos en el futuro.

¿Qué es el grafeno?

El grafeno está formado por una sola capa de átomos de carbono que se unen en un patrón repetitivo de hexágonos. El grafeno es un millón de veces más fino que el papel, tanto que se considera bidimensional.

El carbono es un elemento increíblemente versátil. Dependiendo de la disposición de los átomos, puede producir diamantes duros o grafito blando. El patrón de panal plano del grafeno le otorga muchas características inusuales, entre ellas la de ser el material más resistente del mundo. El profesor de ingeniería mecánica de la Universidad de Columbia, James Hone, dijo una vez que es «tan fuerte que se necesitaría un elefante, equilibrado sobre un lápiz, para atravesar una hoja de grafeno del grosor del Saran Wrap», según la universidad.

Estas capas simples de átomos de carbono proporcionan la base de otros materiales importantes. El grafito -o la mina de un lápiz- se forma cuando se apila el grafeno. Los nanotubos de carbono, que son otro material emergente, están hechos de grafeno enrollado. Se utilizan en bicicletas, raquetas de tenis e incluso en la ingeniería de tejidos vivos.

¿Cómo se descubrió?

Es muy probable que hayas hecho grafeno muchas veces en tu vida. Al dibujar una línea con un lápiz, se desprenden pequeños trozos de grafeno. Pero nadie tenía ni las herramientas ni el interés por aislar de forma fiable el grafeno libre hasta principios de la década de 2000.

El grafeno se estudió teóricamente por primera vez en la década de 1940. En aquella época, los científicos pensaban que era físicamente imposible que existiera un material bidimensional, por lo que no persiguieron el aislamiento del grafeno. Décadas después, el interés aumentó y los investigadores empezaron a idear técnicas para separar el grafeno. Probaron a meter moléculas entre las capas de grafeno y a raspar y frotar el grafito, pero nunca llegaron a una sola capa. Finalmente, lograron aislar el grafeno sobre otros materiales, pero no por sí solo.

En 2002, el investigador de la Universidad de Manchester Andre Geim se interesó por el grafeno y retó a un estudiante de doctorado a pulir un trozo de grafito hasta conseguir el menor número de capas posible. El estudiante consiguió llegar a las 1.000 capas, pero no pudo alcanzar el objetivo de Geim de entre 10 y 100 capas. Geim probó un enfoque diferente: la cinta adhesiva. La aplicó al grafito y la despegó para crear copos de grafeno en capas. Más peladuras de cinta crearon capas cada vez más finas, hasta que tuvo un trozo de grafeno de 10 capas de grosor.

El equipo de Geim trabajó en el perfeccionamiento de su técnica y finalmente produjo una sola capa de átomos de carbono. Publicaron sus hallazgos en «Science» en octubre de 2004. Geim y su colega Kostya Novoselov recibieron el Premio Nobel de Física en 2010 por su trabajo.

Desde aquellas primeras escamas hechas con cinta adhesiva, la producción de grafeno ha mejorado a un ritmo rápido. En 2009, los investigadores fueron capaces de crear una película de grafeno que medía 30 pulgadas de ancho.

¿Por qué es inusual?

El artículo de Geim y Novoselov fue tremendamente interesante para otros científicos por su descripción de las extrañas propiedades físicas del grafeno. Los electrones se mueven a través del grafeno a una velocidad increíble y empiezan a mostrar comportamientos como si no tuvieran masa, imitando la física que gobierna las partículas a escalas superpequeñas.

«Ese tipo de interacción en el interior de un sólido, por lo que se sabe, es único en el grafeno», escribieron Geim y otro famoso investigador del grafeno, Philip Kim, en un artículo de Scientific American de 2008. «Gracias a este novedoso material procedente de un lápiz, la mecánica cuántica relativista ya no está confinada a la cosmología o a la física de altas energías; ahora ha entrado en el laboratorio».

Las propiedades especiales del grafeno no se limitan a la física extraña. También es:

• Conductor: Los electrones son las partículas que componen la electricidad. Así que cuando el grafeno permite que los electrones se muevan rápidamente, está permitiendo que la electricidad se mueva rápidamente. Se sabe que mueve los electrones 200 veces más rápido que el silicio porque viajan con muy poca interrupción. También es un excelente conductor del calor. El grafeno es conductor independientemente de la temperatura y funciona normalmente a temperatura ambiente.
• Fuerte: Como se mencionó anteriormente, se necesitaría un elefante con un excelente equilibrio para atravesar una hoja de grafeno. Es muy fuerte debido a su patrón ininterrumpido y a los fuertes enlaces entre los átomos de carbono. Incluso cuando se cosen parches de grafeno, sigue siendo el material más fuerte que existe.
• Flexible: Esos fuertes enlaces entre los átomos de carbono del grafeno también son muy flexibles. Pueden retorcerse, tirarse y curvarse hasta cierto punto sin romperse, lo que significa que el grafeno se puede doblar y estirar.
• Transparente: El grafeno absorbe el 2,3 por ciento de la luz visible que incide sobre él, lo que significa que se puede ver a través de él sin tener que lidiar con ningún resplandor.

¿Para qué se puede utilizar?

El uso del grafeno en la vida cotidiana no está muy lejos, debido en parte a la investigación existente sobre los nanotubos de carbono, la versión cilíndrica y enrollada del grafeno. Los tubos se popularizaron en un artículo de 1991 (requiere suscripción) y se promocionaron por sus increíbles cualidades físicas, la mayoría de las cuales son muy similares a las del grafeno. Pero es más fácil producir grandes láminas de grafeno y se puede fabricar de forma similar al silicio. Muchas de las aplicaciones actuales y previstas para los nanotubos de carbono se están adaptando al grafeno.

Algunas de las mayores aplicaciones emergentes son:

• Células solares: Las células solares se basan en semiconductores para absorber la luz solar. Los semiconductores están hechos de un elemento como el silicio y tienen dos capas de electrones. En una capa, los electrones están tranquilos y permanecen al lado del semiconductor. En la otra capa, los electrones pueden moverse libremente, formando un flujo de electricidad. Las células solares funcionan transfiriendo la energía de las partículas de luz a los electrones tranquilos, que se excitan y saltan a la capa de flujo libre, creando más electricidad. Las capas de electrones del grafeno se superponen, lo que significa que se necesita menos energía luminosa para que los electrones salten entre las capas. En el futuro, esta propiedad podría dar lugar a células solares muy eficientes. El uso del grafeno también permitiría obtener células cientos de miles de veces más finas y ligeras que las que se basan en el silicio.

  

• Transistores: Los chips de ordenador dependen de miles de millones de transistores para controlar el flujo de electricidad en sus circuitos. La investigación se ha centrado sobre todo en aumentar la potencia de los chips mediante la incorporación de más transistores, y el grafeno podría dar lugar a los transistores más finos hasta la fecha. Pero los transistores también pueden ser más potentes si se acelera el flujo de electrones, las partículas que componen la electricidad. A medida que la ciencia se acerca al límite de lo pequeños que pueden ser los transistores, el grafeno podría hacer retroceder el límite tanto al mover los electrones más rápidamente como al reducir su tamaño a unos pocos átomos o menos.
• Pantallas transparentes: Dispositivos como los televisores de plasma y los teléfonos suelen estar recubiertos de un material llamado óxido de indio y estaño. Los fabricantes buscan activamente alternativas que puedan reducir los costes y ofrecer una mayor conductividad, flexibilidad y transparencia. El grafeno es una opción emergente. No es reflectante y parece muy transparente. Su conductividad también lo califica como revestimiento para crear dispositivos con pantalla táctil. Como el grafeno es fuerte y delgado, puede doblarse sin romperse, lo que lo convierte en una buena opción para la electrónica flexible que pronto llegará al mercado.

El grafeno también podría tener aplicaciones para los sensores de las cámaras, la secuenciación del ADN, la detección de gases, el refuerzo de los materiales, la desalinización del agua y mucho más.

¿Cuáles son las críticas?

El grafeno todavía está en una fase infantil en comparación con materiales desarrollados como el silicio y el ITO. Para que se adopte de forma generalizada, tendrá que poder producirse en grandes cantidades a un coste igual o inferior al de los materiales existentes. Las nuevas técnicas de producción de rollo a rollo, depósito de vapor y otras apuntan a que esto es posible, pero aún no están preparadas para llevar el grafeno a todas las pantallas de los dispositivos móviles. Los investigadores también tendrán que seguir trabajando para mejorar la transparencia y la conductividad del grafeno en su forma comercial.

Si bien el grafeno es prometedor para los transistores, tiene un problema importante: no puede desconectar el flujo de electricidad como los materiales como el silicio, lo que significa que la electricidad fluye constantemente. Eso significa que el grafeno no puede servir como transistor por sí solo. Los investigadores están explorando ahora formas de ajustarlo y combinarlo con otros materiales para superar esta limitación. Una técnica consiste en colocar una capa de nitruro de boro -otro material de un átomo de grosor- entre dos capas de grafeno. El transistor resultante puede encenderse y apagarse, pero la velocidad de los electrones es algo más lenta. Otra técnica consiste en introducir impurezas en el grafeno.

El grafeno también puede estar apareciendo demasiado tarde para muchas de sus posibles aplicaciones. Las baterías de los coches eléctricos y la fibra de carbono podrían fabricarse con grafeno, pero ya dependen del carbón activado y del grafito, respectivamente, dos materiales muy baratos. El grafeno seguirá siendo más caro por el momento, y puede que nunca sea lo suficientemente barato como para convencer a los fabricantes de que lo cambien.

El mundo sólo lleva una década explorando lo que puede hacer con el grafeno. En cambio, el silicio existe desde hace casi 200 años. Al ritmo que avanza la investigación, podríamos saber muy pronto si el grafeno se convertirá en algo omnipresente o sólo será un paso más en el descubrimiento del próximo material maravilloso.