El material que no pod¨ªa existir

El grafeno es uno de esos materiales que hace s¨®lo unos pocos a?os ¡°no pod¨ªan existir¡±; pero que ahora se ha convertido en uno de los temas m¨¢s candentes en la investigaci¨®n de nuevos materiales, con centenares de laboratorios y universidades volcados en dilucidar y aprovechar sus sorprendentes propiedades.

El grafeno es, simplemente, una capa cristalina de carbono de s¨®lo un ¨¢tomo de espesor. Se la ha comparado con una reja de gallinero molecular, en la que cada ¨¢tomo de carbono se une a tres ¨¢tomos contiguos formando una pauta de hex¨¢gonos, parecida a un panal de abeja.

Hace ya muchos a?os una estructura semejante aparec¨ªa hasta en los libros elementales de f¨ªsica para ilustrar la diferencia entre el diamante y el grafito. En el primero, los ¨¢tomos de carbono est¨¢n apilados sim¨¦tricamente en forma de peque?as pir¨¢mides: La uni¨®n entre ellos es muy fuerte en cualquier direcci¨®n y de ah¨ª la enorme dureza de esa piedra; en cambio, en el grafito la estructura es planar: Cada capa de ¨¢tomos mantiene enlaces muy fuertes con los ¨¢tomos contiguos, pero d¨¦biles con las otras capas. Por eso el grafito se exfolia con tanta facilidad.

El grafeno no es m¨¢s que una simple capa de grafito inconcebiblemente fina. Pero precisamente por estar en el l¨ªmite de lo imaginable, no puede estudiarse con las t¨¦cnicas convencionales que se aplican a otros materiales, como el hierro o el cemento. Su comportamiento responde a las leyes de la f¨ªsica at¨®mica, incluidos efectos cu¨¢nticos y relativistas. Hay que manejar conceptos ex¨®ticos como bandas de energ¨ªa, fermiones de Dirac, constantes de estructura fina, o efecto Hall an¨®malo¡­

En el grafeno aparecen tambi¨¦n electrones y ¡°huecos¡± libres como portadores de carga el¨¦ctrica, un concepto familiar para quienes hace cincuenta a?os estudiaban el comportamiento ¨ªntimo de los primeros semiconductores. Eso apunta a la posibilidad de utilizar este material como base para nuevos dispositivos electr¨®nicos. De hecho, sobre grafeno se han fabricado ya transistores de efecto de campo, unos dispositivos electr¨®nicos capaces de conmutar a gran velocidad, y algunos prototipos simples de circuitos integrados. Es s¨®lo cuesti¨®n de tiempo que aparezcan los primeros procesadores de grafeno.

Se conoce ya casi una docena de m¨¦todos de producci¨®n de este material. El m¨¢s antiguo consiste simplemente en escribir con un l¨¢piz blando: Al rozar sobre el papel, la mina se descama y desprende diminutos fragmentos de grafeno. El que le vali¨® el Nobel de 2010 a Andr¨¦ Geim (compartido con Konstantin Novoselov) se basa en arrancar delgadas capas de grafito mediante cinta adhesiva y luego disolver ¨¦sta para recuperar las delgadas capas de ¨¢tomos.

Otros m¨¦todos industriales se basan en dep¨®sito epitaxial (ir depositando ¨¢tomos de carbono sobre un sustrato de silicio o metal, como se hace en la fabricaci¨®n de ciertos semiconductores) o tratamientos qu¨ªmicos a partir de compuestos de sodio, celulosa o la combusti¨®n de magnesio sobre hielo carb¨®nico.

La promesa del grafeno se apoya en sus sorprendentes propiedades en muchos campos. De entrada, estas diminutas cadenas constituyen uno de los materiales m¨¢s resistentes, cientos de veces m¨¢s que el propio acero. Se han fabricado muestras de ¡°papel de grafeno¡±, m¨¢s flexibles, ligeras y duras que el metal. De hecho, ¨¦ste es uno de los materiales-milagro que ahora investiga la industria aeron¨¢utica.

El grafeno presenta sorprendentes propiedades ¨®pticas. Una capa monoat¨®mica absorbe exactamente el 2,3% de la luz blanca que lo atraviesa. Esta cifra es justo ¡°pi¡± veces la constante de estructura fina, una de las constantes b¨¢sicas de la f¨ªsica at¨®mica. Lo cual implica que puede utilizarse como patr¨®n de definici¨®n universal de esa cantidad. Adem¨¢s, la aplicaci¨®n de un campo el¨¦ctrico altera sus propiedades ¨®pticas, lo que permitr¨¢ aplicaciones que van desde l¨¢sers de estado s¨®lido hasta conmutadores optoelectr¨®nicos de gran velocidad.

¡°La estructura ¨²nica y la propiedades del grafeno le dan el potencial para impactar en numerosos sectores industriales¡±, declar¨® en cierta ocasi¨®n Tomas Palacios, primer director del CG, centro de investigaci¨®n de grafeno del Masasuchets Institute of Technology (MIT).

Sus aplicaciones van de lo m¨¢s tech a lo m¨¢s com¨²n, del internet ultrarr¨¢pido a las plantillas desodorantes para el calzado. Otras posibles aplicaciones son la fabricaci¨®n de pantallas t¨¢ctiles (aprovechando su transparencia y alta conductividad el¨¦ctrica), sensores de diversos tipos (el grafeno ofrece una gran superficie con espesor casi nulo), c¨¦lulas solares flexibles (que quiz¨¢s podr¨ªan ¡°imprimirse¡± directamente sobre el dispositivo a alimentar), secuenciadores de ADN y condensadores el¨¦ctricos de gran capacidad (otras consecuencias de la gran superficie que ofrece el grafeno por unidad de peso). Incluso se ha observado cierto poder bactericida. Quiz¨¢ en el futuro la envoltura de los tomates del super en lugar de pl¨¢stico ser¨¢ de grafeno.