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Grafeno es mi nombre

Es bastante probable que cualquiera que alguna vez haya dibujado con un pedestre lápiz escolar HB –ese típico integrante del arsenal escolar, bijouterie preferida del verdulero– produjera sin saberlo grafeno: un material notable (hasta no hace mucho sólo teórico) que parece destinado a revolucionar cada objeto de la vida cotidiana. Aislado por primera vez en 2004 por dos investigadores rusos en la Universidad de Manchester, Inglaterra, el grafeno tiene una prestigiosa reputación entre las ideas más fantásticas de los físicos y químicos.


Simulación de la estructura molecular del grafeno.

Grafeno: una red bidimensional de hexágonos a la manera de un panal de abejas microscópico con propiedades increíbles.

La mañana del 5 de octubre de 2010 parecía una más en la vida tranquila de Andréy Gueim, hasta que atendió una comunicación telefónica del programa radial de la universidad en la que le comunicaban que, junto a su compatriora, colega y amigo Konstantín Novosiólov, había sido galardonado con el Premio Nobel de Física “por los experimentos innovadores con respecto al grafeno”.

“Estoy bien, dormí bien. No, no esperaba ganar el Premio Nobel este año.

“Estoy bien, dormí bien. No esperaba ganar el Premio Nobel este año”, expresó con la misma calma con que había respondido a la llamada.

“No, no tengo pensado cambiar mis planes para el resto del día”, se disculpó Gueim.

Durante décadas, los teóricos habían especulado con la existencia de un material singular, bidimensional, laminar, con un espesor de un átomo, cuyas propiedades extraordinarias harían viables a las más variadas utopías.

Ya en 1947, el canadiense Phil Wallace había imaginado a esa sustancia –sin nombrarla– como un punto de partida para comprender las curiosas propiedades electrónicas del grafito: debía haber láminas muy delgadas, superpuestas, que terminaran por conferirle cualidades que de otro modo eran inexplicables.

Todo indicaba que era un material factible, pero nadie sabía cómo extraerlo del interior de la masa del grafito (el elemento de que están hechas las minas de los lápices) donde se sabía presente.

En 1987 se usó por primera vez el término grafeno para designar al componente de esas millones de capas ultra finas de carbono que, apiladas una sobre la otra, forman al grafito corriente: sin embargo, nadie vislumbraba cómo separarlo y sacarlo de su prisión negra para darle uso práctico.

El novedoso material es una membrana única de átomos unidos en una red de hexágonos –como un panal de abejas– tan firme y elástica que puede decirse indestructible.

El grafeno y el lápiz ruso

La Casa del Grafeno en la Universidad de Manchester.

El Instituto Nacional de Grafeno de la Universidad Manchester abrió sus puertas a las compañías líderes en el mundo en 2015 para discutir la comercialización de aplicaciones de grafeno en todos los ámbitos.

Durante la década de 1960, en los tiempos de la Carrera Espacial, las condiciones de ingravidez, las variaciones de temperatura y otras incidencias impedían el uso de un bolígrafo normal en el espacio exterior, contratiempo que, se dice, desvelaba a la NASA.

Hacia 1965, el emprendedor industrial Paul C. Fisher proyectó, fabricó y comenzó a suministrar, a un precio para nada módico, la Space Pen (la pluma del espacio), y resolvió el problema.

La leyenda de entonces cuenta que Estados Unidos había invertido enormes cantidades de dinero y largos períodos de investigación para desarrollar la lapicera con la que los astronautas pudiesen escribir durante sus viajes; más modestos y perspicaces, los técnicos de la Unión Soviética habían resuelto el problema de un modo sencillo: les entregaban simples lápices.

Como suele suceder con los grandes inventos y descubrimientos, el grafeno es más hijo del juego y del ingenio que del razonamiento.

En sus intentos de exponer al grafeno, la dupla Gueim-Novosiólov había tomado en préstamo un método familiar entre los investigadores de la ciencia de superficies, aunque también entre la policía científica y los tenderos: el pulido de la cinta Scotch.

El grafeno es más hijo del juego y del ingenio, que del razonamiento.

La idea era lustrar una superficie plana de grafito en bruto y quitar los restos de contaminación más pequeños con una cinta adhesiva, para así dejar al descubierto la más exterior de las millones de capas de grafeno intercaladas dentro de la estructura cristalina, y observarla con un microscopio.

Durante uno de sus lúdicos “viernes de experimentos nocturnos” (costumbre sin ningún vínculo con la vida laboral ni científica) los amigos se dieron cuenta de que en el trabajo habían mirado las cosas desde la vereda de enfrente, y encontraron por fin al huidizo material, no en la placa de grafito, sino en la cinta engomada: habían fabricado grafeno –sin saberlo– millares de veces.

El 22 de octubre de 2004, el equipo publicó “El efecto de campo eléctrico en películas de carbono del espesor de un átomo”, una nota sobre el hallazgo en la prestigiosa revista académica Science y volvió a encenderse el interés de la comunidad por el grafeno.

Grafeno para ver y creer
Circuito electrónico integrado construido sobre una lámina de grafeno transparente.

El futuro de la electrónica aplicada a los objetos de consumo masivo parece pasar por el grafeno y sus cualidades extraordinarias, por ejemplo, para fabricar circuitos transparentes y flexibles.

Los científicos, los desarrolladores y los fabricantes de tecnología han mostrado un entusiasmo particular por el grafeno y por las posibilidades que abre para la ideación de productos y servicios innovadores.

Al ser un material bidimensional único, suscita una enorme ansiedad entre los emprendedores, y una fe creativa especial entre los visionarios que, en lugar de tratar de describir al mundo como es, se empeñan en imaginar cómo podría ser si lo mejoramos.

A continuación presentamos dos videos (en inglés) que abordan el tema desde perspectivas disímiles, pero igualmente optimistas.

Grafeno al descubierto

Lámina de grafeno arrugado sobre una oblea de silicio.

Microfotografía de una hoja de grafeno arrugada sobre una oblea de silicio durante un experimento en la Universidad de Manchester.

El grafeno es el primer material bidimensional del universo.

Todo lo que conocemos tiene largo, ancho y alto; el grafeno sólo puede tener largo y ancho, porque su grosor se reduce a un átomo, es decir: tiene espesor cero.

Ésta y otras singularidades confieren al grafeno propiedades increíbles:

  • Su delgadez absoluta lo hace muy liviano:
    • mientras una hoja de papel de 1×1 m pesa entre 50 y 150 gramos, una hoja de grafeno del mismo tamaño, apenas 0,0004 gramos
    • lo que equivale a decir que 1 gramo de grafeno ocupa una superficie de unos 2.630 m2, o que con 2 gramos de grafeno puede cubrirse una cancha de fútbol normal.
  • La finura se combina de modo virtuoso con la resistencia; así, el grafeno
    • es más fuerte que el diamante y 200 veces más duro que el acero (es el material más resistente que se haya ensayado jamás), con la ventaja de que
    • es flexible y elástico en grado sumo (algo que no sucede con otras sustancias duras como el vidrio, el diamante o los cerámicos, que son rígidas).
  • Es un material poroso que, sin embargo, no puede ser atravesado ni por las moléculas del Helio
    • es permeable al agua pura (por lo tanto filtra los contaminantes), pero
    • es estanco respecto a los gases
  • Es un excelente conductor de la electricidad y del calor
  • A escala humana es transparente, aunque opaco por completo a escala molecular
  • Es muy resistente al fuego, pero en caso de inflamarse, arde muy baja temperatura
  • Es un material capaz de autoenfriarse
  • Puede combinarse con facilidad con cualquier sustancia
  • Admite el agregado de impurezas para alterar a propósito y de manera trascendente su comportamiento básico
  • Puede conducir más electricidad con mucho menor calentamiento que cualquier otro material
  • Un circuito integrado, como los que forman parte de los dispositivos electrónicos, hecho de grafeno consume menos energía que uno convencional de silicio
  • Genera electricidad al ser expuesto a la luz
  • El óxido de grafeno absorbe a los residuos radiactivos
Grafeno y tecnología de punta: chips desarrollados por IBM.

En poco tiempo, IBM consiguió multiplicar la velocidad de funcionamiento de transistores construidos sobre grafeno de manera exponencial.

En los ambientes tecnológicos se habla del grafeno como la panacea universal para el desarrollo en el corto y mediano plazo.

Samsung, Nokia, SanDisk, Foxconn, Apple y Google, por citar a las compañías más famosas, trabajan desde hace años en el desarrollo de productos patentados asociados con el grafeno.

En 2008, IBM pudo fabricar transistores de grafeno que pasaron de operar a 26 GHz (por entonces una pasmosa velocidad) a 100 GHz en febrero de 2010, y a 300 GHz en septiembre del mismo año.

El combate por la tecnología destinada a los consumidores finales parece librarse en el campo de batalla del mundo bidimensional de un único átomo de espesor: el del grafeno.

Las maravillosas cualidades del grafeno

El grafeno es uno de los poquísimos materiales que combina transparencia, conductividad, resistencia y flexibilidad simultáneas.

El grafeno es uno de los poquísimos materiales que combina transparencia, conductividad, resistencia y flexibilidad simultáneas.

Solo, o asociado con otros componentes, abre posibilidades infinitas para múltiples usos en todos los campos.

Una hoja de grafeno puede repararse a sí misma: basta exponerla a cualquier material que contenga moléculas de carbono para que los agujeros se llenen y se complete la estructura hexagonal perfecta.

Pero donde más eficaz puede volverse el grafeno es en la integración con otros materiales existentes para formar compuestos.

El impacto de los compuestos basados en grafeno para mejorar el rendimiento y ampliar las posibilidades de los materiales repercutirá en un sinnúmero de industrias.

El grafeno posee un enorme potencial en la fabricación de membranas para los procesos de filtrado y purificación del agua, tanto en la recuperación de aguas contaminadas, como en la desalinización.

Grafeno aplicado en un vehículo de alta gama.

Quizá dentro de no mucho el grafeno esté presente en la carrocería, las piezas estructurales, los sistemas electrónicos y hasta la cristalería de los automóviles, como en este prototipo.

Las pinturas y recubrimientos basados en el grafeno liberarán a los objetos de la corrosión y de los efectos de los rayos ultravioletas, al tiempo que aumentarán la eficiencia energética: los automóviles, los aviones, los barcos, los edificios se liberarán para siempre del deterioro provocado por el óxido o los agentes atmosféricos y químicos.

La industria de la construcción se verá beneficiada por la aparición de nuevos materiales más livianos, maleables y elásticos para formar estructuras y envolventes de los edificios cuyas propiedades, eventualmente, podrán modificarse a voluntad para dar lugar a diferentes comportamientos ante los esfuerzos, la incidencia de la luz, el calor, los agentes atmosféricos o los requerimientos humanos.

Los tejidos hechos con grafeno pueden emplearse para fabricar ropa que se adapte a las diferentes condiciones ambientales y de uso, que absorba y retenga el calor cuando la persona siente frío, que elimine el exceso de humedad mientras impide que ingrese agua o viento desde el exterior, o que permita la salida del calor excedente y mantenga a la vez la aislación ante altas temperaturas o radiación elevada.

Un futuro cercano con ropa liviana e inteligente, formada por circuitos electrónicos híbridos hechos de grafeno e integrados a las fibras, parece inevitable.

Las impresoras 3D con tintas de grafeno pueden imprimir desde dispositivos electrónicos complejos hasta biomateriales para implantes, reparación de tejidos dañados y prótesis a medida en tiempo récord; así, por ejemplo, se fabricarán elementos quirúrgicos en el momento de la intervención, ajustados en forma y tamaño para ser suturados a los tejidos circundantes.

El grafeno puede crear una revolución en la medicina, por ejemplo, para llevar un medicamento hasta las células específicas a tratar mediante la nanotecnología, y colaborar en la cura del cáncer o el mal de Parkinson.

El material del mañana

Raqueta construida con un compuesto de grafeno.

Los compuestos de grafeno se aplicarán a un sinnúmero de usos cotidianos para fabricar elementos que en otro tiempo parecían fantasías.

Como el grafeno es capaz de absorber la luz y retenerla en forma de energía, se abre un sinfín de aplicaciones en dispositivos móviles como celulares, cámaras y relojes con baterías de muy larga duración, notablemente superiores a las de ión de litio corrientes. Estas nuevas baterías podrán absorber de manera directa la energía de la luz solar y hasta del propio calor corporal.

Se necesitarán apenas unos minutos para recargar a un auto eléctrico, o unos pocos segundos para un teléfono o una computadora portátil, y la carga será más duradera; además, las baterías podrán ser mucho más livianas y flexibles (quizás se incorporen a las prendas de vestir, o se ajusten al cuerpo como brazaletes o cinturones imperceptibles) lo que nos dará mayor autonomía y capacidad de movimiento.

Es probable que muy pronto veamos smartphones, tabletas, televisores y displays de gran tamaño con pantallas desplegables enormes.

Las pantallas táctiles pueden aprovechar las cualidades del grafeno y volverse flexibles, además de mucho más contrastadas, porque no requerirán una lámina protectora de cristal como las presentes.

Es probable que muy pronto veamos smartphones y tabletas, pero también televisores y displays de gran tamaño, con pantallas desplegables enormes.

Los científicos imaginan auriculares de características sorprendentes que se reducen a simples diafragmas de grafeno para producir audio de alta calidad; con ese mismo fundamento, vislumbran paredes –o tan sólo revestimientos– que reproducirán el sonido que hoy sale de parlantes y altavoces.

La fotografía y el video se valdrán de sensores de grafeno miles de veces más sensibles a la luz (y a otras radiaciones) que los actuales CMOS y CCD,  con mayor resolución por unidad de superficie y menor consumo que, con los algoritmos apropiados, podrán tomar imágenes tridimensionales.

El grafeno también permitirá crear los módulos de memoria de almacenamiento masivo más rápidos, eficientes y de menor tamaño de la próxima generación.

Una ventaja adicional para los artilugios eléctricos y electrónicos fabricados con grafeno es que, además de rápidos y de mínimo consumo energético, serán sumergibles –vale decir: inmunes al agua– algo que no sucede con los que se producen hasta hoy.

Grafeno para todos

Circuito impreso sobre una oblea de grafeno multicapa.

El grafeno, un material nuevo con propiedades completamente inesperadas que podrían revolucionar el desarrollo del mundo y hacerlo ecológicamente más estable: ahorro de energía, descontaminación y minimización en el uso de recursos.

Es posible colocar etiquetas sensibles de grafeno en los envases de alimentos o medicinas para que detecten e indiquen que se encuentran en buen estado o que han vencido; o en habitaciones y espacios para marcar la presencia de sustancias peligrosas, las fugas de gas o la contaminación con microbios.

El grafeno también puede hacer más seguro y eficiente el transporte, mezclado con polímeros, cerámicos y otros compuestos para formar partes componentes más livianas y resistentes, y combustibles más controlables y menos inestables. Un avión con alas de grafeno es mucho más fuerte y liviano (por lo tanto más eficiente) y menos vulnerable ante los rayos y los incendios.

Los envoltorios y coberturas ultra resistentes de grafeno modificarán el panorama actual. En su exposición al recibir el Nobel, Geim aseguraba que es posible sostener a un gato de 4 kg con una ligera hoja de grafeno más liviana que uno solo de los bigotes del animal.

La industria del packaging –que hoy es intensiva en el uso de papeles y plásticos– podría alterarse por completo y volverse 100% ecológica; la elaboración de revestimientos de grafeno que detengan la transferencia de agua y oxígeno y mantengan a los contenidos estables durante más tiempo cambiaría para siempre a las industrias farmacéutica y alimentaria.

Las investigaciones señalan que el grafeno se utilizará en la confección de membranas para la retención y eliminación del dióxido de carbono (el principal responsable del efecto invernadero) de las emisiones de las centrales eléctricas y otras plantas contaminantes.

Los compuestos de grafeno mejorarán también las características de los equipos y accesorios deportivos, desde la Fórmula 1 hasta el esquí, el ciclismo, el calzado o la construcción de raquetas de tenis, pero también la indumentaria de trabajo, desde los capotes de bomberos, los uniformes policiales y la ropa de fajina militar, hasta los delantales médicos y los trajes espaciales.

 

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