Láminas bidimensionales de carbono aspirantes a cambiar el mundo

Por Víctor García Solares

Si algo me quedó claro tras asistir a la conferencia (http://www.ucm.es/centros/cont/descargas/documento22032.pdf) del profesor D. Francisco Guinea hace unos días en la Facultad de Físicas de la UCM sobre el grafeno, es que este material con sólo 6 años de vida, va a dar mucho que hablar en un futuro próximo.

Disposición de los átomos de carbono en el grafito

Formalmente el grafeno es una lámina bidimensional de un átomo de anchura constituida por carbonos unidos mediante enlaces sp2, presentando un empaquetamiento compacto en una red cristalina que forma un perfecto panal de cavidades hexagonales.

Éstas láminas de carbono de un átomo de grosor han sido recientes protagonistas de la actualidad científica, al ser galardonados los investigadores Andre Geim (Rusia, 1958) y Konstantin Novoselov (Rusia, 1974) con el Premio Nobel de Física 2010, por la obtención y demostración de las excelentes propiedades de dicho material. Su proeza se basa en descubrir cómo el carbono se presenta en la configuración ya discutida y que lo convierte en el material del futuro. Un material que tiene entre otras propiedades el ser transparente, con una resistencia similar al diamante, estructura laminar plegable, semiconductor, y otras más complejas que citaremos a continuación.

Los electrones se mueven en las celdas hexagonales de los paneles de grafeno a una velocidad cuatrocientas veces inferior a la velocidad de la luz, pero aún así velocidad muy superior a la de los electrones en cualquier conductor convencional. Esta altísima velocidad hace que sea la física relativista en lugar de la clásica la que gobierne su estudio. Además, mantienen dicha velocidad en un amplio rango de temperaturas, por los que no presentan masa en reposo a bajas temperaturas, característica peculiar de este material que hace necesaria la utilización para su estudio la ecuación de Fermi-Dirac para fermiones sin masa. (http://www.aps.org/publications/apsnews/200605/graphene.cfm)

Lámina de grafeno

El grafeno presenta efecto Hall cuántico incluso a temperatura ambiente (http://www.sciencemag.org/cgi/content/short/1137201v1), en contraposición con el resto de semiconductores que sólo poseen dicha propiedad a bajas temperaturas. Esto tiene un efecto sorprendente a la par que contradictorio, pues la conductividad eléctrica no decae por debajo de un mínimo aún cuando no existen electrones libres en el mismo.

Por otro lado hay que destacar que el grafeno, a pesar de ser un compuesto semiconductor, no posee la región prohibida que define a los mismos (gap) separando la banda de valencia y de conducción, y hasta que los estudios para inducirlo a través del dopaje u otras modificaciones no den sus frutos, sus aplicaciones electrónicas estarán bastante restringidas (http://www.lbl.gov/Science-Articles/Archive/sabl/2007/Nov/gap.html). Por todo ello, se sabe actualmente que el grafeno es un semiconductor óptimo para muchas aplicaciones a escala nanométrica y temperatura ambiente, siendo la barrera de la computación cuántica el reto más excitante a medio plazo.

Pero todas estas propiedades investigadas por multitud de científicos teóricos no serían trascendentales sin un mercado de aplicaciones industriales. El futuro de este neonato material está condicionado por la todavía escasa capacidad de procesamiento en serie en condiciones eficientes y rentables. Un gramo de grafeno tiene hoy por hoy un precio de 1014 euros, cuantía escandalosa a priori, pero no tanto si tenemos en cuenta su densidad, ya que con esa cantidad de material podemos cubrir completamente un campo de fútbol.

Samsung, en colaboración con la Universidad de Sungkyunkwa, en Corea del Norte, presentará el año próximo sus primeras pantallas de grafeno, enrollables, táctiles y con circuitos invisibles (http://www.suite101.com/content/what-is-graphene-a305533, http://www.youtube.com/watch?v=-YbS-YyvCl4 y http://technologyreview.com/computing/25633/?a=f). Por otro lado, la compañía IBM, que también está apostando fuertemente por la investigación de este compuesto, anunció ya en febrero haber desarrollado un transistor de velocidad 100GHz, superando con creces la presente barrera de los 40GHz (http://www.zdnet.com/blog/btl/ibm-hits-graphene-transistor-breakthrough/30447 ).

Geim y Novoselov han demostrado también que colocando un átomo de flúor junto a cada átomo de carbono se perturba la nube electrónica de forma que anulamos el flujo de corriente en la red cristalina, pudiendo aprovechar el resto de características que el material nos brinda. Dicha modificación composicional se ha denominado ya Fluoro-Grafeno o Teflón 2D (http://www.zdnet.co.uk/blogs/qubits-and-pieces-10017876/fluoro-graphene-coming-soon-to-an-electronics-design-lab-near-you-10020970/)

Estas breves reseñas de aplicaciones prácticas del material nos sirven para hacernos una idea del tremendo hito científico que ha constituido su sintetización y desarrollo; mantendremos la vista puesta en este compuesto en los años venideros, ya que sus posibilidades son asombrosas.

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Tags: grafeno, premio Nobel de física, transistor