El grafeno quiere salir del laboratorio

En 1859, cuando Edwin Drake perfor¨® el primer pozo de petr¨®leo en Pensilvania (EE UU), es probable que no pudiese imaginar el mundo que se construir¨ªa sobre aquel l¨ªquido viscoso. Hasta 1888 no se comercializaron los primeros autom¨®viles de gasolina y hasta 1909 no se desarroll¨® la tecnolog¨ªa que dio comienzo a la era del pl¨¢stico. Aquella materia prima interes¨® desde el principio, pero la tecnolog¨ªa transform¨® su significado para el mundo.

Hace una d¨¦cada, en un laboratorio de la Universidad de Manchester (Reino Unido), dos hombres nacidos en la Uni¨®n Sovi¨¦tica realizaron un descubrimiento cuyo alcance tambi¨¦n acabar¨ªa por sorprender a sus autores. Andr¨¦y Geim, director del laboratorio de nanotecnolog¨ªa de la Universidad, le propuso a su pupilo Konstanin Novoselov que investigase los residuos del trabajo de otros investigadores. Estos, para estudiar el grafito, limpiaban sus capas superficiales pegando cinta adhesiva y tiraban como depil¨¢ndolo de imperfecciones. Novoselov observ¨® que lo que quedaba pegado eran capas de grafeno, un material de un solo ¨¢tomo de grosor con unas propiedades que desde entonces no han parado de dar sorpresas. M¨¢s resistente que el acero, mejor conductor que el cobre y al mismo tiempo flexible, pronto se empez¨® a considerar como un material milagro.

La fiebre del grafeno no ha parado de subir en los ¨²ltimos a?os y todos quieren participar de esta promesa. Por el momento, Europa lidera la publicaci¨®n de art¨ªculos cient¨ªficos sobre el material, es la regi¨®n que m¨¢s aporta a su conocimiento. Sin embargo, Corea del Sur, China y Jap¨®n le sacan mucha ventaja a la hora de asegurar las patentes, la propiedad intelectual para aprovechar el valor de esos conocimientos cuando se empiecen a utilizar para producir tel¨¦fonos m¨®viles, bater¨ªas o paneles solares. Adem¨¢s, desde el descubrimiento de este derivado del grafito, se han incorporado otros materiales bidimensionales con caracter¨ªsticas excepcionales que multiplican las posibilidades de este campo. Para no perder esa carrera por el control del grafeno y sus primos, la Uni¨®n Europea anunci¨® en 2013 el lanzamiento de la iniciativa Graphene Flagship, un proyecto que pretende unificar los esfuerzos de los principales equipos humanos del continente, desde los investigadores m¨¢s b¨¢sicos hasta grandes compa?¨ªas. Con 1.000 millones de euros y 76 centros de investigaci¨®n acad¨¦micos y empresariales de 17 pa¨ªses, es el mayor programa de I+D de la historia de la UE.

Europa lidera la investigaci¨®n, pero Asia controla las patentes sobre las aplicaciones?

El alcance y los objetivos de esta propuesta han quedado detallados en un documento que se publicar¨¢ en las pr¨®ximas semanas en la revista Nanoscale. Las posibilidades, aunque de momento son solo eso, podr¨ªan colocar el grafeno en casi todos los ¨¢mbitos de la vida. ¡°La alta conductividad el¨¦ctrica del grafeno y su gran ¨¢rea de superficie por unidad de masa hace de ¨¦l un material interesante para el almacenamiento de energ¨ªa¡±, se apunta en el informe, liderado por el Andrea Ferrari, investigador de la Universidad de Cambridge y presidente del Consejo Ejecutivo de la Graphene Flagship.

Adem¨¢s de permitir bater¨ªas m¨¢s ligeras y con m¨¢s capacidad, ser¨ªa posible cargarlas en minutos en lugar de las horas que se necesitan ahora. Esa cualidad no solo liberar¨ªa a los usuarios de los tel¨¦fonos inteligentes de la amenaza de la bater¨ªa baja, tambi¨¦n podr¨ªa tener un gran impacto en el desarrollo de los coches el¨¦ctricos y con ellos, de las energ¨ªas renovables. Estos autom¨®viles podr¨ªan incorporar bater¨ªas muy finas distribuidas por toda la estructura del autom¨®vil, evitando ocupar la gran cantidad de espacio que requiere las actuales. Tambi¨¦n se podr¨ªan cargar en minutos en lugar de horas, mejoras convertir¨ªan este tipo de veh¨ªculos en una alternativa m¨¢s atractiva a los impulsados por combustibles f¨®siles. Esta es una de las aplicaciones del grafeno menos lejanas porque la versi¨®n del material que se necesita, con cavidades y defectos, no necesitar¨ªa tanta maestr¨ªa.

Una de las aplicaciones que parecen m¨¢s cercanas son las bater¨ªas

¡°Lo interesante de estas grandes iniciativas es que se coordinan esfuerzos, y se evita que en distintas partes de Europa se haga lo mismo y permite una conexi¨®n directa con la industria¡±, explica Frank Koppens, investigador del Instituto de Ciencias Fot¨®nicas de Barcelona (ICFO) y uno de los autores de la hoja de ruta para el grafeno. Adem¨¢s de acelerar el paso del laboratorio al mercado, la conexi¨®n con la industria ¡°ofrece informaci¨®n sobre sus necesidades, algo que tambi¨¦n ayuda a mejorar la investigaci¨®n fundamental¡±, a?ade. Koppens descubri¨® el a?o pasado una nueva cualidad extraordinaria del grafeno, su gran capacidad para transformar los fotones de la luz en electrones. Si este fen¨®meno se pudiese mantener a gran escala, este material se convertir¨ªa en un gran recurso para construir paneles solares.

Superordenadores ecol¨®gicos

No muy lejos de Koppens, tambi¨¦n en Barcelona, trabaja otro de los cerebros que lideran esta carrera para trasladar a la vida cotidiana los superpoderes que el grafeno muestra en el laboratorio. Stephan Roche, investigador ICREA en el Instituto Catal¨¢n de Nanociencia y Nanotecnolog¨ªa, es col¨ªder del ¨¢rea de espintr¨®nica del Flagship. Esta tecnolog¨ªa emergente pretende utilizar las cualidades del grafeno para explotar el esp¨ªn (rotaci¨®n) de los electrones. Hasta ahora, los circuitos que se encuentran en los ordenadores o los m¨®viles se imprimen sobre silicio, el material sobre el que se construy¨® la revoluci¨®n inform¨¢tica. Permitiendo el paso o no de electricidad a trav¨¦s de esos circuitos, es posible codificar en sistema binario la informaci¨®n con la que buscamos ofertas en Internet o enviamos mensajes de texto. El sistema permite aplicaciones fant¨¢sticas, pero, como hacen patentes los ordenadores cuando se calientan y sus ventiladores silban, requiere un consumo de energ¨ªa importante.

En el grafeno, los electrones se mueven con mucha m¨¢s libertad, 200 veces m¨¢s r¨¢pido que sobre el silicio, consumiendo mucha menos energ¨ªa y produciendo menos calor. Adem¨¢s de los descubrimientos de investigadores como Roche, en el grafeno es contemplable manipular el esp¨ªn de los electrones, una caracter¨ªstica magn¨¦tica de las part¨ªculas que, como en el caso de la interrupci¨®n o no del paso de la energ¨ªa sobre el silicio, permitir¨ªa codificar informaci¨®n. ¡°Nunca se ha podido construir un dispositivo con estas caracter¨ªsticas porque hasta ahora no se ha conseguido actuar en el esp¨ªn a temperatura ambiente en ausencia de corriente el¨¦ctrica¡±, explica Roche. Hacerlo permitir¨ªa introducir mucha m¨¢s capacidad de c¨¢lculo en menos espacio y con una fracci¨®n del consumo energ¨¦tico.

Como sucedi¨® en el caso del petr¨®leo y con otros avances cient¨ªficos, es posible que la tecnolog¨ªa realmente transformadora llegue cuando el grafeno se encuentre con un saber que a¨²n no se ha alcanzado. Los participantes en el Graphene Flagship est¨¢n convencidos de que en cualquier caso este impulso econ¨®mico ¡ªimportante para la ciencia, pero muy peque?o si se compara con casi cualquier gran inversi¨®n de la UE¡ª servir¨¢ para abonar ese tipo de encuentros entre el grafeno, sus primos y las tecnolog¨ªas sobre las que se construir¨¢ el siglo que viene.