Grafeno*, la Superestructura del Futuro

En el 2010, dos físicos de la Universidad de Manchester de Gran Bretaña, Andre Geim y Konstantin Novoselov, recibieron el Premio Nobel de Física por la elaboración e investigación de una nueva forma de carbono en el año 2004. El material llamado grafeno tiene propiedades físicas remarcables que han atraído la atención de científicos de diversas universidades que estudian las propiedades fundamentales de materiales y de científicos e ingenieros de las industrias que trabajan en el desarrollo de tecnologías de frontera.

¿Qué es el Grafeno?

El carbono es un material muy versátil que fácilmente se combina con otros elementos químicos para formar una infinidad de estructuras moleculares complejas. Los átomos de carbono también pueden ligarse entre sí formando moléculas tetraédricas para formar diamante, o ligarse en forma hexagonal formando capas planas superpuestas para formar el grafito¹. En esta configuración hexagonal, los átomos de  carbono están ligados entre sí por un tipo de ligación rico en electrones, por lo cual el grafito es un buen conductor eléctrico entre las capas que los compone. En las últimas décadas ha sido posible manufacturar nuevas formas de grafito en el cual las capas se curvan formando esferas (fullereno) y tubos (nanotubos de carbón) nanométricos, ambos con importantes aplicaciones tecnológicas. El grafeno, descubierto por Geim y Novoselov recién en 2004, consiste de una sola capa de grafito de espesor del tamaño de un solo átomo, y sus electrones de conducción se comportan en forma muy diferente del grafito, el fullereno o el nanotubo².

Motivado por el interés mundial en los nanotubos de carbono, Geim decidió en el año 2000 investigar la versión plana de los materiales grafíticos, a pesar de haber sido concluido teóricamente unos años antes la supuesta inestabilidad estructural de materiales bidimensionales. Sin embargo él y Novoselov usaron una cinta adhesiva común para exfoliar repetidas veces una porción de grafito generando capas cada vez más delgadas hasta obtener una sola capa monoatómica, el grafeno.

A temperatura ambiente, los electrones del grafeno se mueven prácticamente sin colisionar alcanzando una velocidad de 10 a 100 veces más rápido que los portadores de carga de un chip de silicio y 100 veces más que el cobre. Además el grafeno es químicamente estable en el aire bajo condiciones normales de temperatura y presión, es transparente y flexible, y su fuente el grafito, es abundante y barato. Estas son algunas de las propiedades que ha convertido al grafeno en un material muy atractivo para posibles aplicaciones tecnológicas.

Propiedades del Grafeno

Los físicos han estudiado las propiedades del hipotético grafeno desde 1947 Wallace hasta que su descubrimiento en el 2004,ha permitido corroborar las predicciones hechas en el pasado y descubrir nuevas propiedades. Como en semiconductores, la corriente eléctrica en el grafeno es transportada por portadores de carga negativa (los electrones) o por portadores de carga positiva (los “agujeros”) que los electrones dejan al abandonar sus ubicaciones atómicas originales. Pero a diferencia de los semiconductores, los portadores de carga del grafeno viajan a una velocidad mucho mayor, aproximadamente un millón de metros por segundo (la velocidad de la luz divida por 300).

Durante sus desplazamientos, los portadores de carga (electrones y agujeros) del grafeno interactúan con la porción no móvil de la estructura del material surgiendo un comportamiento colectivo ondulatorio compuesto por ondas portadoras de carga llamadas cuasipartículas que se comportan como el electrón en el sentido de que tienen carga y spin, pero a diferencia del electrón en el sentido de que se comportan como si no tuviesen masa. Es importante destacar que la dinámica de partículas(o en este caso, cuasi-partículas) no masivas que se mueven a alta velocidad a escala atómica está regida por la teoría especial de la relatividad y por la teoría de la mecánica cuántica. Estas dos teorías ya fueron fusionadas en la década del 60 por los físicos para crear una sola teoría, la electrodinámica cuántica(QED, siglas en inglés, capaz de describir correctamente este tipo de fenómenos. El grafeno ofrece por primera vez una alternativa barata y portable para testar varios aspectos todavía no esclarecidos de la electrodinámica cuántica que hasta ahora han requerido el uso de costosos aceleradores de partículas de alta energía.

El grafeno también ofrece una forma de estudiar fenómenos cuánticos propios de materiales planos. Uno de estos fenómenos es el Efecto Hall Cuántico que consiste en la inducción de un voltaje cuantizado (toma valores discretos) en la dirección perpendicular a una corriente que se aplica en un conductor bidimensional sometido a bajas temperaturas (de 1 a 4 grados Kelvin) y a un campo magnético intenso (de uno a 30 Tesla) perpendicular al plano del material. A diferencia de los materiales conductores, en el grafeno, el Efecto Hall Cuántico, y dos de sus variantes, ocurre a temperatura ambiente, confirmando de paso también el carácter bidimensional de este material.

Posibles aplicaciones del grafeno

El descubrimiento del grafeno y sus propiedades tan especiales ha generado una cantidad enorme de investigación a nivel mundial. La posibilidad de utilizarlos electrones ultrarrápidos en un material tan delgado y estable sugiere inmediatamente la posibilidad de diseñar nano-dispositivos electrónicos que podrían superar las limitaciones propias de dispositivos actuales basados en silicio. Cabe resaltar que el valor del mercado mundial de dispositivos electrónicos se estima en aproximadamente un trillón y medio de dólares anuales.

Sin embargo, el grafeno todavía tiene que superar algunos obstáculos³. En semiconductores utilizados actualmente, se puede incluir una barrera capaz deparar o dejar pasar los electrones, permitiendo que se interrumpa o no la corriente eléctrica, propiedad esencial requerida para muchos dispositivos electrónicos. Sin embargo, en el grafeno la corriente no puede ser parada porque atraviesa cualquier obstáculo, fenómeno conocido como la paradoja de Klein, característico de cualquier fenómeno cuántico-relativístico como lo es el movimiento de los portadores de carga del grafeno.

Esta situación ha obligado a los investigadores a diseñar mecanismos alternativos que puedan sacar provechos de las propiedades electrónicas del grafeno, lo cual se encuentra en pleno desarrollo y ya existen resultados parcialmente exitosos. Por ejemplo, un sistema compuesto por dos capas superpuestas de grafeno presenta propiedades electrónicas nuevas, ofreciendo la posibilidad de interrumpir la corriente a través de electrodos. Otra alternativa es usar hidrógeno, el cual se liga fácilmente al carbono, para disminuir la conductividad del grafeno a un millonésimo de su valor natural.

Los físicos de la Universidad de Manchester ya han fabricado un nano-transistor de un solo electrón utilizando cintas estrechas de grafeno para confinar electrones aun valor fijo de energía-dispositivo conocido como punto cuántico. Otra aplicación que depende de la conductividad variable de un material, son dispositivos analógicos de oscilación rápida que se podrían utilizar en transmisores y receptores para comunicación de banda ancha que operarían a cientos de giga hertz o incluso en el rango de tera hertz (1 trillón de ciclos por segundo). A pesar de todos estos adelantos alcanzados en la frontera de investigación, todavía no está claro como viabilizar a nivel comercial y en gran escala.

El grafeno conduce el calor veinte veces mejor que el cobre por lo cual se podría usaren circuitos integrados como disipadores de calor. También, recurriendo a la gran superficie y alta conductividad del grafeno, se está explorando la posibilidad de cómo mejorar la eficacia de electrodos de batería y de supercapacitores para almacenamiento de energía.

La transparencia del grafeno lo convierte en un material ideal para varias aplicaciones opto-electrónicas⁴. Muchas compañías están en la búsqueda de un material barato y abundante para fabricar electrodos transparentes que reemplacen al material costoso actualmente utilizado, por ejemplo, en pantallas LCD, células solares y pantallas táctiles.

El grafeno es el material más resistente que se haya conocido, aproximadamente 200 veces más resistente que el acero, por lo que se lo podría utilizar para reemplazara la fibra de carbono en componentes ultralivianos utilizados en la fabricación de vehículos y aviones eficientes. Sin embargo el grafeno también es el material más elástico existente, puede extenderse hasta 25% y retornar a su tamaño y forma inicial sin deformarse. Esto es sorprendente considerando que la mayoría de los materiales pueden extenderse apenas hasta 0.1 % de su tamaño inicial sin deformarse permanentemente. Estas propiedades mecánicas son esenciales para el funcionamiento de dispositivos nano-electromecánicos como el sensor y el transductor, y en este sentido el grafeno se presenta como un material innovador capaz de extender enormemente el rango de efectividad de tales dispositivos.

Los anillos de carbono, tal cual la célula hexagonal del grafeno, son ricos en electrones⁵ que favorecen la ocurrencia de reacciones químicas complejas de vital importancia para varios procesos bioquímicos. El grafeno se podría utilizar como un substrato para realizar reacciones químicas de superficie necesarias en procesos de catálisis industrial. Además se ha demostrado que la conductividad del grafeno se altera cuando ciertas moléculas son absorbidas en su superficie.Esta propiedad permitiría utilizar el grafeno para desarrollar sensores químicos de gases tóxicos, como el monóxido de carbono y el dióxido de nitrógeno, o filtros químicos, como el filtro de arsénico para agua potable recientemente implementado.

Las aplicaciones más sofisticadas del grafeno se están implementando en el desarrollo de biodispositivos. Biosensores son utilizados para detectar con gran precisión una gran variedad de compuestos químicos con aplicaciones en seguridad, en ciencias de la salud y en seguridad ambiental. Se ha utilizado el grafeno como un transductor para bio-transistor, en biosensores electroquímicos, de impedancia, de fluorescencia y electroluminiscencia, así como un rotulador biomolecular. Puede usarse como sensor enzimático, sensor de moléculas de ADN y moléculas inmunológicas.

Este material descubierto apenas nueve años atrás y ya ha generado un hito en el desarrollo científico y tecnológico. Solo el tiempo dirá sobre el éxito real y tangible pero por el momento, muchas nuevas posibles aplicaciones se perfilan cada día y muchos países apuestan enormes recursos y han puesto a sus mejores científicos a trabajar intensamente en estas investigaciones.

Por Silvio Báez

Referencias

• A. Geim et al., Review of Modern Physics, Vol. 81, N⁰1, 2009
• A. Geimy P. Kim, Scientific American, Abril 2008.
• A. Geim, Science, vol. 324, 2009.
• A. Geim y A. H. McDonald, Physics Today, 2007
• M. Pumera, Materials Today, vol. 14, 2011.
• Sitioweb de la Universidad de Manchester: http://onnes.ph.man.ac.uk/nano
• Anuncio del premio Nobel de Física 2010:http://static.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2010

Notas

¹El diamante y el grafito,por ser dos sustancias simples diferentes, sólidas, constituidas por átomos de carbono, reciben la denominación de variedades alotrópicas del elemento carbono. En la escala de Mohs de durezas, que va del uno al diez, el diamante es el mineral más duro.

²Al grafeno se le prestó poca atención durante décadas al pensarse que,si fue posible aislarlo, sería un material inestable termodinámicamente ya que se estimaba teóricamente  que las fluctuaciones térmicas destruirían el orden del cristal dando lugar a que el cristal 2D colapse. Bajo este prisma se entiende la revolución que significó que Novoselov y Geim consiguiesen aislar el grafeno a temperatura ambiente. La palabra grafeno se adoptó oficialmente en 1994, después de haber sido designada de manera indistinta (en el campo de la ciencia de las superficies), «monocapa de grafito»”

³“El principal escollo a su uso a gran escala es la imposibilidad de empaquetarlos con gran densidad en un chip informático debido a que «se filtra» demasiada corriente, incluso aunque se emplee el estado más aislante del grafeno. Esta corriente eléctrica provoca que el chip se derrita a gran velocidad. A pesar de los muchos estudios realizados en los últimos ocho años dedicados a solventar dicho obstáculo, no se ha logrado dar con una solución estable. No obstante, el equipo de Mánchester podría haber dado con la pieza faltante en este rompecabezas. Según los investigadores, el grafeno debería utilizarse en posición vertical en lugar de horizontal (en un plano). El equipo  utilizó el grafeno como un electrodo desde donde los electrones atraviesan un material dieléctrico hasta alcanzar otro metal. Esta estructura se denomina diodo de efecto túnel.En un principio se centraron en una característica exclusiva del grafeno: la forma en la que tensión externa es capaz de modificar la energía de los electrones que atraviesan el túnel. Así obtuvieron un nuevo tipo de dispositivo, un transistor vertical de efecto túnel con efecto de campo en el que el grafeno adopta una función básica.” http://grafeno.com/una-nueva-dimension-para-el-grafeno/  Para más información, consulte referencias.

⁴Opto-electrónica: Los sistemas optoelectrónicos están cada vez más de moda. Hoy en día parece imposible mirar cualquier aparato eléctrico y no ver un panel lleno de luces o de dígitos más o menos espectaculares. Por ejemplo, la mayoría de los walkman disponen de un piloto rojo (LED) que nos avisa, que las pilas se han agotado y que deben cambiarse. Los tubos de rayos catódicos con los que funcionan los osciloscopios analógicos y los televisores, las pantallas de cristal líquido, los modernos sistemas de comunicaciones mediante fibra óptica. Los dispositivos optoelectrónicos se denominan opto aisladores o dispositivos de acoplamiento óptico. La opto-electrónica simplemente se refiere a todo objeto u/o cosa que esté relacionado con la luz, por ejemplo, los celulares aparatos electrónicos, etc.

⁵Mediante la hibridación sp² se explican mejor los ángulos de enlace, a 120°, de la estructura hexagonal del grafeno. Como cada uno de los carbonos contiene cuatro electrones de valencia en el estado hibridado, tres de esos electrones se alojan en los híbridos sp², y forman el esqueleto de enlaces covalentes simples de la estructura.

El electrón sobrante se aloja en un orbital atómico de tipo«p» perpendicular al plano de los híbridos. El solapamiento lateral de dichos orbitales da lugar a formación de orbitales de tipo π. Algunas de estas combinaciones propician un gigantesco orbital molecular deslocalizado entre todos los átomos de carbono que constituyen la capa de grafeno.

El nombre proviene de intercambio –en el vocablo grafito– de sufijos:«ito» por «eno»: propio de los carbonos con enlaces dobles. En realidad, la estructura del grafito puede considerarse una pila de gran cantidad de láminas de grafeno superpuestas. Los enlaces entre las distintas capas de grafeno apiladas se deben a fuerzas de Van der Waals e interacciones de los orbitales π de los átomos de carbono. “La explicación de las diferencias de propiedades se ha encontrado en la disposición espacial de los átomos. Por ejemplo, en los cristales de diamante cada átomo de carbono está unido a cuatro átomos vecinos de este mismo elemento, por lo cual adopta una ordenación en forma de tetraedro que le confiere una dureza particular. La hibridación del carbono en el diamante es sp³. En el grafito, los átomos de carbono están dispuestos en capas superpuestas. En cada capa ocupan los vértices de hexágonos regulares imaginarios. De este modo, cada átomo está unido a tres de la misma capa con más intensidad y a uno de la capa próxima de manera más débil. En este caso la hibridación del carbono es sp².

* Según la IUPAC (Unión Internacional de Química Pura y Aplicada): “Anteriormente,se han utilizado para el término grafeno descripciones como capas de grafito,capas de carbono u hojas de carbono. […] No es correcto utilizar, para una sola capa, un término que incluya el término grafito, que implica una estructura tridimensional. El término grafeno debe ser usado sólo cuando se trata de las reacciones, las relaciones estructurales u otras propiedades decapas individuales.”

Agradecimiento: a Gabriel Ojeda por revisar el artículo, por su paciencia en la larga espera del manuscrito de este articulo y por las conversaciones sobre este tema y otros. A los estudiantes de la carrera de Física de la FACEN-UNA por sus preguntas y discusiones relacionadas al grafeno y varios otros temas. A los organizadores y participantes de la Conferencia Semana del Físico en a FACEN-UNA donde fue presentada una charla por el autor, relacionada a este material.