Material bidimensional: el grafeno

Eduardo García Terriza »

En el último año se ha trabajado mucho en el acelerador de partículas europeo. Desde la física se ha cuestionado la teoría de la relatividad de Einstein produciendo una revolución científica. Con los experimentos realizados se ha cuestionado la velocidad de la luz como “velocidad máxima” en el universo y actualmente se cuestiona la existencia del espacio-tiempo y del propio tiempo como dimensión.

No obstante, ¿ha llegado la Química a conseguir algún elemento que escape de las dimensiones que todos podemos llegar a conocer por medio de nuestra experiencia sensible?

¿Qué implica y cómo se puede imaginar un material que escape a nuestras dimensiones? Dos científicos rusos consiguieron en 2010 sintetizar en su laboratorio un material de dichas características. Para obtener el nuevo material utilizaron polvo de grafito obtenido del pulido de la mina de un lapicero que después vertieron sobre un trozo de celofán típico del material de oficina. Tras plegarlo sobre sí mismo y desplegarlo varias veces, al analizarlo observaron que en determinadas zonas habían conseguido obtener un material de un único átomo de grosor. Aunque evidentemente la cantidad obtenida fue minúscula ello permitió que la comunidad científica fijara sus miras en este nuevo material.

A pesar de esto hace más de 50 años que se postuló la existencia teórica de un material de semejantes características y que incluso llegaron a predecirse muchas de sus propiedades físicas.

Composición y estructura

El grafeno, aunque puede contener impurezas en su ordenación, está compuesto enteramente de carbono (al igual que el grafito o el diamante). Se dispone formando una red plástica compuesta (salvo impurezas) por átomos enlazados de forma hexagonal con ángulos de 120º entre las líneas imaginarias de los enlaces. Estos enlaces son conocidos como enlaces tipo “pi”. Recordemos que el carbono posee 6 electrones, 2 de ellos situados en una primera capa y los demás en una segunda. Tres de estos permiten a cada átomo de carbono enlazarse con otros tres átomos situados en el mismo plano mediante enlaces fuertes (covalentes) y el cuarto electrón queda en un orbital perpendicular al plano.

De esta forma se consigue una red con  una alta densidad de átomos y con una serie de propiedades físicas especiales. Esta estructura, sin embargo, no es la única posible. Hace también varios años que se conoce la existencia de formas tridimensionales de esta misma composición y ordenación como son los microtúbulos de carbono (forma cilíndrica) y el fullereno (forma esférica).

Propiedades

Su atípico grosor y ordenación confieren al grafeno una serie de propiedades únicas entre los materiales conocidos. Debido a su disposición espacial y el tipo de enlace entre los carbonos que lo componen los electrones se desplazan sobre su superficie a una velocidad sin precedentes en ningún otro material. De esta forma los electrones sobre grafeno se comportan como partículas sin masa conocidas como fermiones de Dirac. Es en parte gracias a esto por lo que la conductividad eléctrica y la transmisión de calor son muy eficientes en este material. Al aumentar su eficiencia se calienta menos (efecto Joule) y se necesita menos energía para realizar una tarea determinada que con el silicio por ejemplo.

Como ya se dijo antes, la densidad de átomos es muy elevada. Se ha bombardeado el grafeno con átomos de helio gaseoso (monoatómico) sin conseguir traspasarlo. Respecto a esto, únicamente se ha conseguido fenestrar láminas de grafeno de forma eficaz y eficiente mediante bombardeo con oxígeno. Esto, sumado a la naturaleza de sus enlaces y al elevado número de ellos, le confiere también una resistencia doscientas veces superior a la del acero.

Estudios recientes también han demostrado que tiene una alta reactividad química y que al incidir la luz sobre el, el material emite energía (por la promoción de electrones) pero sin llegar a ionizarse (el átomo no llega a desprenderse del electón).

Al ser una lámina de un átomo de grosor tiene una superficie elevada, lo que le confiere cierta capacidad de autoenfriamiento y, a pesar de su resistencia, eso lo hace extremadamente flexible y ligero.

(Al margen de las propiedades citadas, el grafeno presenta una serie de cualidades más relacionadas con la física cuántica que con la química. Algunas de ellas son: efecto Hall cuántico y ausencia de efecto localización de Anderson).

De momento, el problema principal que ofrece el grafeno es la dificultad para sintetizar cantidades significativas. Al respecto de esto, científicos españoles han conseguido optimizar el modo de obtención dejándolo “cristalizar” sobre una base de oro, convirtiendo a España en el principal exportador europeo de grafeno. En estudios recientes, además, se han descubierto placas de grafeno libres en el espacio exterior.

Aplicaciones

Por el momento las aplicaciones comerciales son las más abundantes.  Desde la fabricación actual de transistores y sistemas ópticos con mayor velocidad y rendimiento, pasando por baterías eléctricas que se cargan en quince minutos y duran una semana y mejora del sistema actual de células  fotoeléctricas, hasta pantallas planas y plegables.

Habría que señalar que la relativa abundancia de carbono implica una reducción en los costes de fabricación y obtención una vez se mejoren los métodos de síntesis actuales.

El abanico de posibilidades que abre la utilización de grafeno y su comercialización son casi inagotables.

Al ser plegable, flexible, ligero, transparente, resistente y el material más delgado del mundo, además de haberse convertido en uno de los mejores conductores eléctricos y térmicos propician que se hable de una nueva edad del grafeno.

Por el momento se estudia su utilización como aislante, en carrocerías para automóviles, su utilización en microchips (aunque algunos científicos sostienen que nunca sustituirá al silicio), en células de litio y fotovoltaicas, en pantallas, teléfonos móviles…

Al margen del mundo comercial, el estudio del grafeno supone la posibilidad de ampliar nuestros conocimientos y optimizar los ya existentes en el mundo de la física (permitiendo realizar experimentos cuánticos entre otros), de la química (estudiando su reactividad y transformaciones), de la ingeniería (como nuevo material), de la energética (tanto como superconductor como nuevo material para construir células fotovoltaicas), y de la medicina (habiéndose llegado a proponer la posible fabricación de tejido muscular e injertos de piel, así como en diversas técnicas quirúrgicas).

¿Será posible en un futuro realizar un stent coronario con material compuesto de grafeno? ¿Se podrán construir edificios resistentes a terremotos empleando cimientos de este material? ¿Podremos viajar en autobuses hechos de grafeno? ¿Se encontrarán nuevas propiedades únicas?

Bibliografía

• Grafeno. Wikipedia.
• Apuntes de química de 2º de bachillerato del IES Miguel Catalan (Coslada) impartido por Don Francisco Villegas.