El graf¨¨ vol sortir del laboratori

El 1859, quan Edwin Drake va perforar el primer pou de petroli a Pennsilv¨¤nia (EUA), ¨¦s probable que no pogu¨¦s imaginar el m¨®n que es construiria sobre aquell l¨ªquid visc¨®s. Fins al 1888 no es van comercialitzar els primers autom¨°bils de gasolina i fins al 1909 no es va desenvolupar la tecnologia que va donar comen?ament a l'era del pl¨¤stic. Aquella mat¨¨ria primera va interessar des del principi, per¨° la tecnologia va transformar el seu significat per al m¨®n.

Fa una d¨¨cada, en un laboratori de la Universitat de Manchester (Regne Unit), dos homes nascuts a la Uni¨® Sovi¨¨tica van realitzar un descobriment l'abast del qual tamb¨¦ acabaria sorprenent-los a ells mateixos. Andr¨¦y Geim, director del laboratori de nanotecnologia de la Universitat, va proposar al seu alumne Konstanin Novoselov que investigu¨¦s els residus del treball d'altres investigadors, que per estudiar el grafit, en netejaven les capes superficials enganxant cinta adhesiva i estiraven, com depilant-lo d'imperfeccions. Novoselov va observar que el que quedava enganxat eren capes de graf¨¨, un material d'un sol ¨¤tom de gruix amb unes propietats que des de llavors no han parat de donar sorpreses. M¨¦s resistent que l'acer, m¨¦s bon conductor que el coure i al mateix temps flexible, aviat es va comen?ar a considerar com un material miracle.

Europa lidera la investigaci¨®, per¨° ?sia controla les patents sobre les aplicacions?

La febre del graf¨¨ no ha parat de pujar els ¨²ltims anys i tothom vol participar d'aquesta promesa. De moment, Europa lidera la publicaci¨® d'articles cient¨ªfics sobre el material, ¨¦s la regi¨® que m¨¦s aporta al seu coneixement. Tot i aix¨°, Corea del Sud, la Xina i el Jap¨® tenen molt avantatge a l'hora d'assegurar les patents, la propietat intel¡¤lectual per aprofitar el valor d'aquests coneixements quan es comencin a utilitzar per produir tel¨¨fons m¨°bils, bateries o panells solars. A m¨¦s, des del descobriment d'aquest derivat del grafit, s'han incorporat altres materials bidimensionals amb caracter¨ªstiques excepcionals que multipliquen les possibilitats d'aquest camp. Per no perdre aquesta carrera per al control del graf¨¨ i els seus cosins, la Uni¨® Europea va anunciar el 2013 el llan?ament de la iniciativa Graphene Flagship, un projecte que pret¨¦n unificar els esfor?os dels principals equips humans del continent, des dels investigadors m¨¦s b¨¤sics fins a grans companyies. Amb 1.000 milions d'euros i 76 centres d'investigaci¨® acad¨¨mics i empresarials de 17 pa?sos, ¨¦s el programa d'R+D m¨¦s gran de la hist¨°ria de la UE.

L'abast i els objectius d'aquesta proposta han quedat detallats en un document que es publicar¨¤ les properes setmanes en la revista Nanoscale. Les possibilitats, encara que de moment s¨®n nom¨¦s aix¨°, podrien col¡¤locar el graf¨¨ en gaireb¨¦ tots els ¨¤mbits de la vida. ¡°L'alta conductivitat el¨¨ctrica del graf¨¨ i la seva gran ¨¤rea de superf¨ªcie per unitat de massa en fan un material interessant per a l'emmagatzematge d'energia¡±, s'apunta a l'informe, liderat per Andrea Ferrari, investigador de la Universitat de Cambridge i president del Consell Executiu de la Graphene Flagship.

Una de les aplicacions que semblen m¨¦s a prop s¨®n les bateries

A m¨¦s de permetre bateries m¨¦s lleugeres i amb m¨¦s capacitat, seria possible carregar-les en minuts en lloc de les hores que calen ara. Aquesta qualitat no nom¨¦s alliberaria els usuaris dels tel¨¨fons intel¡¤ligents de l'amena?a de la bateria baixa, tamb¨¦ podria tenir un gran impacte en el desenvolupament dels cotxes el¨¨ctrics i de les energies renovables. Aquests autom¨°bils podrien incorporar bateries molt fines distribu?des per tota l'estructura de l'autom¨°bil, i s'evitaria ocupar la gran quantitat d'espai que requereixen les actuals. Tamb¨¦ es podrien carregar en minuts en lloc d'hores, millores que convertirien aquest tipus de vehicles en una alternativa m¨¦s atractiva als impulsats per combustibles f¨°ssils. Aquesta ¨¦s una de les aplicacions del graf¨¨ menys llunyanes perqu¨¨ la versi¨® del material que es necessita, amb cavitats i defectes, no necessitaria tant mestratge.

¡°L'interessant d'aquestes grans iniciatives ¨¦s que es coordinen esfor?os, i s'evita que en diferents parts d'Europa es faci el mateix i permet una connexi¨® directa amb la ind¨²stria¡±, explica Frank Koppens, investigador de l'Institut de Ci¨¨ncies Fot¨°niques de Barcelona (ICFO) i un dels autors del full de ruta per al graf¨¨. A m¨¦s d'accelerar el pas del laboratori al mercat, la connexi¨® amb la ind¨²stria ¡°ofereix informaci¨® sobre les seves necessitats, cosa que tamb¨¦ ajuda a millorar la investigaci¨® fonamental¡±, afegeix. Koppens va descobrir l'any passat una nova qualitat extraordin¨¤ria del graf¨¨, la seva gran capacitat per transformar els fotons de la llum en electrons. Si aquest fenomen es pogu¨¦s mantenir a gran escala, aquest material es convertiria en un gran recurs per construir panells solars.

Superordenadores ecol¨°gics

No gaire lluny de Koppens, tamb¨¦ a Barcelona, hi treballa un altre dels cervells que lideren aquesta cursa per traslladar a la vida quotidiana els superpoders que el graf¨¨ mostra al laboratori. Stephan Roche, investigador ICREA a l'Institut Catal¨¤ de Nanoci¨¨ncia i Nanotecnologia, ¨¦s col¨ªder de l'¨¤rea d'espintr¨°nica del Flagship. Aquesta tecnologia emergent pret¨¦n utilitzar les qualitats del graf¨¨ per explotar l'esp¨ªn (rotaci¨®) dels electrons. Fins ara, els circuits que es troben als ordinadors o als m¨°bils s'imprimeixen sobre silici, el material sobre el qual es va construir la revoluci¨® inform¨¤tica. Permetent el pas o no d'electricitat a trav¨¦s d'aquests circuits, ¨¦s possible codificar en sistema binari la informaci¨® amb la qual busquem ofertes a Internet o enviem missatges de text. El sistema permet aplicacions fant¨¤stiques, per¨°, com fan patents els ordinadors quan s'escalfen i els seus ventiladors xiulen, requereix un consum d'energia important.

Al graf¨¨, els electrons es mouen amb molta m¨¦s llibertat, 200 vegades m¨¦s r¨¤pid que sobre el silici, consumeixen molta menys energia i produeixen menys calor. A m¨¦s dels descobriments d'investigadors com Roche, al graf¨¨ ¨¦s contemplable manipular l'esp¨ªn dels electrons, una caracter¨ªstica magn¨¨tica de les part¨ªcules que, com en el cas de la interrupci¨® o no del pas de l'energia sobre el silici, permetria codificar informaci¨®. ¡°Mai s'ha pogut construir un dispositiu amb aquestes caracter¨ªstiques perqu¨¨ fins ara no s'ha aconseguit actuar en l'esp¨ªn a temperatura ambient en abs¨¨ncia de corrent el¨¨ctric¡±, explica Roche. Fer-ho permetria introduir molta m¨¦s capacitat de c¨¤lcul en menys espai i amb una fracci¨® del consum energ¨¨tic.

Com va passar en el cas del petroli i amb altres progressos cient¨ªfics, ¨¦s possible que la tecnologia realment transformadora arribi quan el graf¨¨ es trobi amb un coneixement que encara no s'ha aconseguit. Els participants del Graphene Flagship estan conven?uts que en qualsevol cas aquest impuls econ¨°mic ¡ªimportant per a la ci¨¨ncia, per¨° molt petit si es compara amb gaireb¨¦ qualsevol gran inversi¨® de la UE¡ª servir¨¤ per impulsar aquest tipus de trobades entre el graf¨¨, els seus cosins i les tecnologies sobre les quals es construir¨¤ el segle que ve.