El grafeno, el material que sustituye al plástico y al acero, al mismo tiempo

Placa de grafeno

Sandra Isabel Jiménez Mateos *

El grafeno ha dado lugar a una explosión científica desde los experimentos pioneros realizados con este material en 2004, cuando se anunció su descubrimiento, ya que desde entonces se preveía que podría tener tanta importancia en nuestra sociedad como el acero y el plástico.

Y así fue, tanto que en 2013 se creó en Europa el proyecto emblemático Grafeno (GRAPHENE), buscando el liderazgo científico y tecnológico en la aplicación de este material.

El grafeno fue anunciado al mundo el 22 de octubre de 2004, mediante el artículo «Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films» (Efecto del campo eléctrico en películas de carbono atómicamente delgadas), publicado en la revista Science de ese día, y firmado por los codescubridores del material Kosya Novoselov, Andrey Geim, junto con otros 6 colaboradores, tanto del Departamento de Física, de la Universidad de Manchester (en la cual trabajaban ambos), como del Institute for Microelectronics Technology (Instituto de Tecnología Microelectrónica), de Chernogolovka, Rusia, con el cual estaban en colaboración.

Este descubrimiento propició que a Novoselov y a Geim les dieran el Nobel de Física en 2010.

El reconocimiento recibido convirtió a Andrey Geim en -tal vez- el único científico que tiene el Nobel y un Ig Nobel de Física (que otorga la revista Annals of Improbable Research (AIR) a investigaciones irrelevantes y controversiales), que le designaron en el 2000 junto con su colega Sir Michael Berry, de la Universidad de Bristol, por haber hecho levitar una rana en un campo magnético intenso (básicamente, querían hacer una demostración de los principios del diamagnetismo).

El grafeno es un material que primero fue modelado en computadora y del cual se observó que de existir sería muy inestable —por la gran cantidad de defectos que tendría— y que por sus características estructurales no podría existir, según apuntó el mismo Novoselov en un articulo aparecido en 2009 «Beyond the Wonder Material», aparecido en la revista Physics World de agosto de 2009 (https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2058-7058/22/08/33), pues espontáneamente se enrollaría para formar un nanotubo u otra estructura tridimensional.

Pero fue casi una serendipia lo que permitió obtener el grafeno. Varios grupos de investigación alrededor del mundo, en particular el dirigido por Philip Kim en la Universidad de Columbia, buscaban maneras de separar las capas individuales del grafito. En la aproximación de Kim, un cristal de grafito se colocaba en la punta de un microscopio de fuerza atómica (afm) y con éste se marcaban las caras estructurales de una superficie de silicio (un “nano-lápiz”; Geim & Kim, 2008; Novoselov et al., 2005). De esta manera, podían obtener hojuelas de entre 10 a 20 hojas. Fue el azar (esa lotería que premia de formas misteriosas a un investigador) lo que permitió a los físicos Andrey K. Geim y Kosya S. Novoselov descubrir que con cinta adhesiva simple podían remover por fuerza bruta las capas superficiales de una pieza de grafito y luego de repetir varias veces el procedimiento, podían obtener fragmentos más y más delgados (Geim & Kim, 2008; Novoselov, Geim et al., 2004) (figura 2). Esta metodología era empleada en el laboratorio de Andrey de manera rutinaria para limpiar la superficie de cristales de grafito, y fue iniciativa de Kosya el revisar la cinta adhesiva en vez de simplemente tirarla —lo que era la costumbre en el laboratorio. Grande fue su sorpresa al descubrir que adheridas se encontraban fragmentos individuales, de entre 40, 20, 10 capas, hasta las codiciadas de 1 capa: grafeno. El descubrimiento tomó por sorpresa a todo el mundo, y rápidamente la técnica del “Scotch-tape” se popularizó y extendió. Numerosos grupos podían ahora estudiar las exóticas propiedades del grafeno y explorar sus potenciales aplicaciones en el desarrollo de nuevos transistores que podrán sustituir al silicio en las computadoras futuras, nuevos materiales para la construcción de pantallas planas transparentes, paneles luminosos, celdas solares y múlitples usos más.

El grafeno tiene un grosor de apenas un átomo de carbono (unos 3 Angstroms, aproximadamente), siendo un cristal bidimensional, que presenta una rugosidad superficial difícil de explicar y que si bien debería poseer numerosos defectos como dislocaciones, en realidad tiene muy pocos.

Tiene una enorme elasticidad y resistencia (puede estirarse hasta un 10%, con lo que si se depositaran átomos metálicos pesados sobre su superficie se deformaría, como ocurre con una sábana soportando una bola de boliche, sin romperse, pues es duro como el diamante), así como su estructura electrónica intermedia entre un semiconductor y un conductor que le permiten conducir electrones a temperatura ambiente más rápido que ningún otro material