El Grafeno – El Material del Futuro
El grafeno es el material más delgado conocido por el hombre en un átomo de espesor, y también increíblemente fuerte – cerca de 200 veces más fuerte que el acero. Además, el grafeno es un excelente conductor de calor y electricidad y tiene una interesante capacidad de absorción de la luz. Es realmente un material que podría cambiar el mundo, con un potencial ilimitado para la integración en casi cualquier industria.
Si el siglo XX fue la era de los plásticos, el siglo XXI parece destinado a convertirse en la era del grafeno, un material recientemente descubierto hecho de hojas de carbono de panal de abeja de un solo átomo de espesor. Las revistas científicas se han quedado sin superlativos para este maravilloso material: es casi el material conductor de calor y electricidad más ligero, más fuerte, más delgado y mejor jamás descubierto. Y si vamos a creer en el bombo publicitario, promete revolucionar todo, desde la informática hasta los neumáticos de los coches y las células solares y los detectores de humo. ¿Qué es esta nueva cosa extraña y notable? Echemos un vistazo más de cerca!
Definición Técnica
El grafeno es una capa de un solo átomo de átomos de carbono dispuestos en una red hexagonal. Es el bloque de grafito (que se utiliza, entre otras cosas, en las puntas de los lápices), pero el grafeno es una sustancia notable por sí mismo, con una multitud de propiedades asombrosas que le valen repetidamente el título de «material maravilloso».
¿Qué es el grafeno y para que sirve?
En la escuela probablemente aprendiste que el carbono viene en dos formas básicas pero sorprendentemente diferentes (o alótropos), a saber, el grafito (el material blando y negro de las «minas» de los lápices) y el diamante (los cristales súper duros y brillantes de las joyas). Lo sorprendente es que estos dos materiales radicalmente diferentes están hechos de átomos de carbono idénticos. Entonces, ¿por qué el grafito es diferente al diamante? Los átomos en el interior de los dos materiales están dispuestos de manera diferente, y esto es lo que da a los dos alótropos sus propiedades completamente diferentes: el grafito es negro, opaco y relativamente blando (los lápices blandos y duros mezclan grafito con otros materiales para hacer líneas más oscuras o más tenues); el diamante es transparente y el material natural más duro descubierto hasta ahora.
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Si eso es lo que aprendiste en la escuela, probablemente terminaste tus estudios hace bastante tiempo, porque en los últimos años los científicos han descubierto varios otros alótropos de carbono con propiedades aún más interesantes. Hay fullerenos (descubiertos en 1985; jaulas huecas de átomos de carbono, incluyendo el llamado Buckyball, Buckminsterfullerene, hecho de una especie de jaula en forma de balón de fútbol de 60 átomos de carbono), nanotubos (descubiertos en 1991; hojas planas de átomos de carbono enroscadas en tubos increíblemente delgados y huecos de un nanómetro de diámetro) y grafeno (rodillo de tambor) (descubierto en 2004).
Entonces, ¿qué es exactamente el grafeno? Mira dentro de muchos materiales sólidos familiares (incluyendo la mayoría de los metales) y encontrarás lo que se conoce como una red de cristal (otro nombre para la estructura cristalina interna de un sólido): muchos átomos dispuestos en una estructura tridimensional regular e interminablemente repetitiva un poco como un juego de trepa atómico, sólo que en lugar de barras hay enlaces invisibles entre los átomos que los mantienen juntos. Tanto el diamante como el grafito tienen una estructura tridimensional, aunque es completamente diferente: en el diamante, los átomos están estrechamente unidos en tetraedros tridimensionales, mientras que en el grafito, los átomos están estrechamente unidos en capas bidimensionales, que están sujetas a las capas superiores e inferiores por fuerzas relativamente débiles.
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El grafeno es una sola capa de grafito. Lo notable es que su estructura cristalina es bidimensional. En otras palabras, los átomos en el grafeno están dispuestos de forma plana, como bolas de billar sobre una mesa.
Al igual que en el grafito, cada capa de grafeno está hecha de «anillos» hexagonales de carbono (como muchos anillos de benceno conectados entre sí, sólo que con más átomos de carbono que reemplazan a los átomos de hidrógeno alrededor del borde), dando una apariencia de panal de abeja. Dado que las capas en sí son de un solo átomo de altura, ¡necesitarías una pila de unos tres millones de estas capas para hacer grafeno de 1 mm de grosor!
¿Grafeno o grafenos?
La gente habla del «grafeno» de la manera en que habla del «plástico», pero es importante recordar que los científicos están trabajando en muchos tipos diferentes de materiales a base de grafeno (al igual que hay muchos tipos diferentes de plásticos), todos los cuales son un poco diferentes y están diseñados para hacer cosas diferentes. En este artículo, he seguido la convención de llamar al material «grafeno», pero es mejor recordar que esta sustancia muy nueva y de rápida evolución tiene muchos ángulos y aspectos diferentes, y la palabra grafeno en última instancia llegará a referirse a una amplia gama de materiales diferentes. Un día, puede ser común hablar de «grafenos» como ahora hablamos de «plásticos».
¿Cómo es el grafeno?
La gente está descubriendo e inventando nuevos materiales todo el tiempo, pero rara vez oímos hablar de ellos porque a menudo no son tan interesantes. El grafeno se descubrió por primera vez en 2004, pero lo que ha causado tanta excitación es que sus propiedades (la forma en que se comporta como material) son notables y emocionantes. En pocas palabras, es súper fuerte y rígido, increíblemente delgado, casi completamente transparente, extremadamente ligero y un increíble conductor de electricidad y calor. También tiene algunas propiedades electrónicas extremadamente inusuales.
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Propiedades generales
El grafeno es una sustancia increíblemente pura, gracias en gran medida a su estructura simple y ordenada basada en una unión atómica estrecha y regular, el carbono es un no metal, por lo que puede esperarse que el grafeno también lo sea. De hecho, se comporta mucho más como un metal (aunque la forma en que conduce la electricidad es muy diferente), y eso ha llevado a algunos científicos a describirlo como un semimetal o un semiconductor (un material a medio camino entre un conductor y un aislante, como el silicio y el germanio). Aún así, es bueno recordar que el grafeno es extraordinario – y muy posiblemente único.
Resistencia y rigidez
Si alguna vez has garabateado con un lápiz suave (algo así como un 4B), sabrás que el grafito es terriblemente suave. Esto se debe a que las capas de carbono dentro de un palo de grafito se afeitan muy fácilmente. Pero los átomos dentro de esas capas están muy estrechamente unidos, así que, al igual que los nanotubos de carbono (y a diferencia del grafito), el grafeno es súper-estático, ¡incluso más fuerte que el diamante! Se cree que el grafeno es el material más fuerte hasta ahora descubierto, unas 200 veces más fuerte que el acero. Sorprendentemente, es rígido y elástico (como el caucho), por lo que puede estirarlo en una cantidad asombrosa (20-25 por ciento de su longitud original) sin que se rompa. Esto se debe a que los planos planos planos de los átomos de carbono en el grafeno pueden flexionarse con relativa facilidad sin que los átomos se rompan.
Nadie sabe muy bien qué hacer con las propiedades súper fuertes del grafeno, pero una posibilidad probable es mezclarlo con otros materiales (como los plásticos) para hacer compuestos que sean más fuertes y resistentes, pero también más delgados y ligeros, que cualquier otro material que tengamos ahora. Imagínese un coche ahorrador de energía con paneles de carrocería de plástico súper fuertes, súper finos y súper ligeros reforzados con grafeno; ¡ese es el tipo de objeto que podríamos imaginar que aparecería en un futuro volteado al revés por este asombroso material!
Delgadez y ligereza
Algo que sólo tiene un átomo de espesor está destinado a ser bastante ligero. Aparentemente, se podría cubrir un campo de fútbol con una hoja de grafeno que pesara menos de un gramo, ¡aunque es bastante improbable que alguien lo haya intentado! Según mis cálculos rápidos, eso significa que si pudieras cubrir todo Estados Unidos con grafeno, sólo necesitarías una masa de alrededor de 1.500 a 2.000 toneladas. Eso puede sonar mucho, pero es sólo alrededor de 1500 coches – y está cubriendo completamente uno de los países más grandes del mundo!
Conductividad de calor
Como si la súper resistencia y la ligereza del peso pluma no fueran suficientes, el grafeno es mejor para transportar el calor (tiene una conductividad térmica muy alta) que cualquier otro material, mucho mejor que los conductores de calor brillantes como la plata y el cobre, y mucho mejor que el grafito o el diamante. Una vez más, es más probable que descubramos el beneficio de esto usando grafenos en materiales compuestos, donde podríamos usarlos para agregar resistencia al calor o conductividad extra a plásticos u otros materiales.
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Conductividad eléctrica
Aquí es donde el grafeno comienza a ser realmente interesante! Los materiales que conducen muy bien el calor también conducen bien la electricidad, porque ambos procesos transportan la energía utilizando electrones. La red plana y hexagonal de grafeno ofrece relativamente poca resistencia a los electrones, que la atraviesan rápida y fácilmente, transportando la electricidad mejor que incluso los excelentes conductores como el cobre y casi tan bien como los superconductores (a diferencia de los superconductores, que necesitan ser enfriados a bajas temperaturas, la notable conductividad del grafeno funciona incluso a temperatura ambiente). Científicamente hablando, podríamos decir que los electrones en el grafeno tienen un camino libre medio más largo que en cualquier otro material (en otras palabras, pueden ir más lejos sin chocar contra las cosas o ser interrumpidos, que es lo que causa la resistencia eléctrica). ¿De qué sirve esto? Imagínese un material fuerte, ligero y relativamente barato que pueda conducir la electricidad con pérdidas de energía muy reducidas: a gran escala, podría revolucionar la producción y distribución de electricidad de las centrales eléctricas; a una escala mucho menor, podría engendrar aparatos portátiles (como teléfonos celulares) con una vida útil de la batería mucho más larga.
Propiedades electrónicas
La conductividad eléctrica se trata de «transportar» electricidad de un lugar a otro de una manera relativamente rudimentaria; mucho más interesante es manipular el flujo de electrones que transportan electricidad, que es de lo que se trata la electrónica. Como es de esperar de sus otras asombrosas habilidades, las propiedades electrónicas del grafeno también son altamente inusuales.
En primer lugar, los electrones son más rápidos y mucho más móviles, lo que abre la posibilidad de que los chips de ordenador funcionen más rápidamente (y con menos energía) que los que utilizamos hoy en día. En segundo lugar, los electrones se mueven a través del grafeno un poco como los fotones (partículas de luz en forma de onda), a velocidades lo suficientemente cercanas a la velocidad de la luz (cerca de 1 millón de metros por segundo, de hecho) que se comportan de acuerdo con las teorías de la relatividad y la mecánica cuántica, donde las certezas simples son reemplazadas por probabilidades desconcertantes. Eso significa que simples trozos de carbono (grafeno, en otras palabras) pueden ser usados para probar aspectos de esas teorías sobre la mesa, en lugar de usar aceleradores de partículas muy caros o vastos y poderosos telescopios espaciales.
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Propiedades ópticas
Como regla general, cuanto más delgado es algo, más probable es que sea transparente (o translúcido), y es fácil ver por qué: con menos átomos para combatir, es más probable que los fotones penetren a través de objetos delgados que los gruesos. Como es de esperar, el grafeno súper delgado, con un solo átomo de espesor, es casi completamente transparente; de hecho, el grafeno transmite alrededor del 97-98 por ciento de la luz (comparado con alrededor del 80-90 por ciento para un solo panel básico de vidrio de ventana). Teniendo en cuenta que el grafeno también es un conductor increíble de electricidad, se puede empezar a entender por qué la gente que hace paneles solares, LCD y pantallas táctiles están muy entusiasmados: un material que combina una transparencia increíble, una conductividad eléctrica excelente y una alta resistencia es un punto de partida perfecto para aplicaciones como estas.
Impermeabilidad
Las láminas de grafeno tienen átomos de carbono tan estrechamente unidos que pueden funcionar como redes atómicas súper finas, impidiendo el paso de otros materiales. Esto significa que el grafeno es útil para atrapar y detectar gases, pero también podría tener aplicaciones prometedoras que contengan gases (como el hidrógeno) que se filtran con relativa facilidad de los contenedores convencionales. Uno de los inconvenientes del uso del hidrógeno como combustible (en los coches eléctricos) es la dificultad de almacenarlo de forma segura. Los grafismos, potencialmente, podrían ayudar a hacer que los coches de pilas de combustible que funcionan con hidrógeno sean una perspectiva más viable.
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¿Cómo se fabrica el grafeno?
Toma un lápiz y un poco de cinta adhesiva. Pega la cinta al grafito, pélala y obtendrás una capa de grafito compuesta de múltiples capas de átomos de carbono. Repite el proceso con mucho cuidado, una y otra vez, y (con suerte) terminarás con un carbono tan fino que contendrá sólo una capa de átomos. ¡Ese es tu grafeno! Este método, bastante burdo, se llama técnicamente exfoliación mecánica. Un método alternativo consiste en cargar un microscopio de fuerza atómica súper preciso con un trozo de grafito y luego frotarlo con mucha precisión sobre algo para que se desprenda una sola capa de grafeno, un poco como el grafito de un lápiz. Técnicas como ésta son complicadas y complicadas y explican por qué el grafeno es actualmente el material más caro del planeta!
Estos métodos están bien para hacer pequeñas muestras de prueba de grafeno en un laboratorio, pero no hay manera de que podamos hacer grafeno como este en el tipo de escala industrial en la que es probable que se requiera. Entonces, ¿cómo haces mucho grafeno? Un enfoque es poner un gas orgánico (basado en carbono) como el metano en un recipiente cerrado con algo así como un trozo de cobre en el fondo, luego mono con la temperatura y la presión hasta que se forme una capa de grafeno en él. Debido a que el grafeno se forma depositando capas de una sustancia química a partir de un gas (vapor), este método se denomina deposición química en forma de vapor (CVD). Otro enfoque consiste en cultivar cristales de grafeno a partir de un sólido rico en carbono, como el azúcar.
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¿Cómo podemos usar el grafeno?
Podemos responder a esta pregunta de al menos tres maneras diferentes. Primero, debido a que el grafeno tiene tantas propiedades excelentes, y debido a que todas esas propiedades probablemente no son necesarias en el mismo material (para las mismas aplicaciones), tiene sentido comenzar a hablar de diferentes tipos de grafeno (o incluso de diferentes grafenos) que están siendo utilizados de diferentes maneras o que están siendo optimizados para propósitos particulares. Por lo tanto, es probable que veamos algunos grafenos que se están desarrollando para usos estructurales (en materiales compuestos), algunos que se están optimizando para aprovechar al máximo sus extraordinarias propiedades portadoras de electrones (para su uso en componentes electrónicos), otros en los que aprovechamos al máximo la baja resistividad (en sistemas de ahorro de energía), y otros en los que lo más importante es una excelente transparencia y conductividad eléctrica (en células solares y pantallas de ordenador).
Segundo, podemos ver el grafeno como un emocionante reemplazo para los materiales existentes que han sido empujados a sus límites físicos. Los transistores de silicio (los dispositivos de conmutación utilizados como memorias y puertas lógicas de «toma de decisiones» en los ordenadores), por ejemplo, se han hecho cada vez más pequeños y potentes en las últimas décadas, siguiendo una tendencia conocida como la ley de Moore, pero los informáticos han expresado durante mucho tiempo su preocupación de que el mismo ritmo de progreso no pueda continuar a medida que nos acercamos a las limitaciones básicas impuestas por las leyes de la física. Algunos científicos ya están imaginando transistores más pequeños y rápidos en los que el silicio es reemplazado por grafeno, llevando a los dispositivos informáticos aún más cerca de los límites absolutos de la física. En teoría, podríamos usar grafeno para hacer transistores balísticos que almacenan información o se encienden y apagan a velocidades súper altas manipulando electrones individuales. De la misma manera, el grafeno podría revolucionar otras áreas de la tecnología limitadas por los materiales convencionales. Por ejemplo, podría generar aviones más ligeros y fuertes (reemplazando materiales compuestos o aleaciones metálicas), paneles solares más competitivos y eficientes (reemplazando de nuevo el silicio), equipos de transmisión de energía más eficientes (en lugar de superconductores) y supercapacitores con placas más delgadas que pueden cargarse en segundos y almacenar más energía en un espacio más pequeño que nunca antes (reemplazando completamente las baterías químicas ordinarias). Compañías como Samsung, Nokia e IBM ya están desarrollando reemplazos basados en gráficos para cosas como pantallas táctiles, transistores y memorias flash, aunque el trabajo se encuentra en una etapa muy temprana.
Tercero, y lo más emocionante de todo, es la probabilidad de que desarrollemos todo tipo de tecnologías nuevas, actualmente inimaginables, que aprovechen las sorprendentes propiedades del grafeno. En el siglo XX, los plásticos no sustituyeron simplemente a los materiales más antiguos, como el metal y la madera: para bien o para mal, cambiaron por completo nuestra cultura y la convirtieron en una en la que la desechabilidad y la comodidad superaron a la durabilidad. Si los grafenos nos conducen a materiales ultraligeros, ultraplanos, fuertes, transparentes, conductores ópticos y eléctricos, quién sabe qué posibilidades nos depara el futuro. ¿Qué tal ropa súper liviana hecha de grafenos, conectada a baterías, que cambian de color con sólo pulsar un botón? ¿O una casa de emergencia construida para zonas de desastre, con paredes de grafeno tan fuertes y ligeras que se puede plegar y llevar en una mochila?
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¿Nuestro futuro grafeno?
¿Se está avanzando a toda máquina hacia un futuro en el que el grafeno gobierna el mundo? Tal vez, o tal vez no. Es importante no dejarse llevar por el bombo: la mayor parte del apasionante trabajo sobre el grafeno se ha realizado hasta ahora a muy pequeña escala en laboratorios de química y física. La mayor parte de la investigación sigue siendo lo que describiríamos como «cielo azul»: podrían pasar muchos años o incluso décadas antes de que se pueda desarrollar de forma práctica y rentable. Por la misma razón, aún es muy pronto para la investigación científica básica sobre el grafeno. Olvidando todas las aplicaciones asombrosas por un momento, sin duda hay una ciencia mucho más emocionante por emerger. Por ejemplo, todavía no sabemos si el grafeno es el único material con un entramado cristalino bidimensional, o si materiales similares pero aún más extraordinarios están esperando ser descubiertos. Una cosa que sí sabemos es que este es un momento muy emocionante para la ciencia de los materiales!
¿Quién descubrió el grafeno?
Los científicos han estado desconcertando sobre el grafeno durante décadas. En 1947, el físico canadiense Philip Wallace escribió un artículo pionero sobre el comportamiento electrónico del grafito que despertó un considerable interés en el campo. El químico ganador del Premio Nobel Linus Pauling especulaba sobre cómo se comportarían las capas planas y simples de átomos de carbono ya en 1960. En 1962, el químico alemán Hanns-Peter Boehm, que el año anterior los había visto bajo su microscopio electrónico, los denominó «grafeno».
La investigación teórica sobre el grafeno continuó durante las cuatro décadas siguientes, impulsada en las décadas de 1980 y 1990 por los descubrimientos de los fullerenos (en realidad, grafeno enrollado en bolas) y los nanotubos de carbono (grafeno doblado en un tubo). Aún así, nadie podría hacer el material en la práctica; el grafeno sólo fue producido en un laboratorio en 2004, por los científicos rusos Andre Geim y Konstantin Novoselov que trabajan en la Universidad de Manchester del Reino Unido. Hicieron grafeno usando trozos de cinta adhesiva para quitar las escamas de grafito, luego doblando la cinta y separándola para partir el grafito en capas aún más pequeñas. Eventualmente, después de una gran cantidad de trabajo, se sorprendieron al descubrir que tenían algunos trozos de grafito de un solo átomo de grueso grafito, en otras palabras.
Cuatro años más tarde, el equipo de Manchester logró crear un transistor de grafeno de un solo átomo de espesor y diez átomos de ancho. Ese mismo año, los trabajadores de la Universidad de Rice en Estados Unidos construyeron la primera memoria flash basada en gráficos. En reconocimiento a la enorme importancia de su trabajo, Geim y Novoselov fueron galardonados con el Premio Nobel de Física 2010.
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