La revolución del grafeno

El extraordinario «material del futuro» apareció en una coyuntura tecnológica internacional que ofrece una amplia gama de posibilidades para su aplicación

Autor:

Octavio Lavastida

Su origen humilde, el mismo del grafito en los lápices comunes, no le resta brillo a las expectativas con uno de los más prometedores materiales creados o encontrados por la ciencia. Su presentación resultó oportunísima, porque el grafeno, al que llaman «la revolución grafeno» y «material del futuro», apareció en una coyuntura tecnológica internacional que ofrece una amplia gama de posibilidades para su aplicación.

Presenta una combinación perfecta de dureza (200 veces más resistente que el acero y más duro que el diamante), al extremo de que se le denomina el material más fuerte jamás medido, y además posee altísimo grado de conectividad. Lo asombroso es que también resulta el «material más delgado jamás conocido», de manera que, por ejemplo, una sábana de grafeno del tamaño de un campo de fútbol pesaría un gramo.

Se avizora su empleo inmediato en pantallas táctiles, que podrán ser igualmente planas y transparentes; en sensores, ya que por ser tan fino (un átomo de espesor) detecta cualquier cambio en su superficie; y en celdas solares y fibra óptica, con los que se espera que el grafeno pueda aumentar hasta 20 veces la velocidad de transmisión de datos.

También será utilizado en transistores, a los cuales contribuirá a cambiar la forma en que estos trabajan, sobre todo mediante el salto que significa la espintrónica (según Wikipedia, neologismo a partir del «espín» de los electrones y «electrónica», y conocida también como magnetoelectrónica). Por ejemplo, un nuevo transistor de grafeno desarrollado recientemente por IBM es capaz de operar hasta una frecuencia de 155 GHz. El dispositivo es 50 por ciento más rápido que su predecesor de silicio y tiene buena capacidad de eliminar el calor de su interior, por lo que no necesita ser refrigerado; tiene igualmente aplicación en las industrias aeroespacial y del automóvil, para el desarrollo de vehículos más ligeros y seguros y aviones que utilicen menos combustible y generen menor contaminación; y en baterías para autos eléctricos, en las que resulta lenta la recarga, debido a que todavía es mucho el espacio entre placas.

Los investigadores consiguieron el llamado papel de grafeno, que presenta extraordinaria flexibilidad, lo que le confiere la capacidad de adaptarse a múltiples procesos industriales. En comparación con el acero, este es dos veces más resistente, seis veces más ligero y presenta de cinco a seis veces menor densidad que aquel, lo cual le hace 10 veces más resistente a la tracción mecánica. Además es un producto reciclable y sostenible, respetuoso con el medio ambiente y por tanto rentable económicamente en su proceso de tratamiento.

Por eso es el material de moda, sobre el que casi todos los grandes fabricantes tienen puestas la mirada. Debido a sus singulares propiedades es posible avizorar una nueva generación de dispositivos electrónicos que multiplicarían su velocidad a la vez que resultarían más pequeños, resistentes y hasta plegables. El grafeno abre así una era y un mercado de muchos millones para los que puedan apostar a su producción y aplicación.

Dominio del mercado

Un reciente artículo publicado en el periódico La Razón digital por Eva M. Rull da cuenta de que mientras Asia y Estados Unidos ya se posicionan, Europa estudia la posibilidad de explotar este recurso descubierto en sus fronteras y que en un futuro no lejano formará parte lo mismo de complejísimos radares y circuitos electrónicos, que «de cualquier objeto, ropa, papel, ventanas o de nuestro propio cuerpo, ya que no es nocivo para la salud y también nosotros estamos hechos de carbono», como decía hace poco un especialista en internet.

En el mundo la competencia por el grafeno está teniendo lugar mediante la eficiencia con la que se obtiene. Ya su proceso de producción está depurando el mejor sistema para obtener grandes cantidades. En su edición digital el periódico La Razón lo explica así, citando a expertos españoles: Se parte de algún gas rico en carbono, como el metano, se rompe la molécula en hornos a 900-1000 grados y los átomos de carbono se van depositando encima de un material como el cobre. El único residuo es el hidrógeno. El especialista español Jesús de La Fuente, de la empresa vasca Graphenea, estimó que para 2020 el mercado será de 675 millones de euros.

En el Viejo Continente este Graphene Flagship o material insignia está pendiente de una resolución de la Comisión Europea. Se trata de una decisión para financiar en diez años y con mil millones de euros dos proyectos científicos a partir de 2013, lo cual la convertiría en la iniciativa científica más ambiciosa de la historia comunitaria.

El objetivo de cuatro o cinco compañías con tecnología de avanzada en el mundo es fabricar láminas de grafeno de mayor tamaño y pureza que las pequeñas muestras de baja calidad que se sintetizan ahora. La primera que lo consiga se situará en una posición de dominio del mercado mundial.

Aparte de un par de empresas estadounidenses, en este campo a los europeos les preocupan los chinos, porque estos estudian también otros materiales que pudieran tener un desempeño relevante, entre estos el escandio, el prometio, el itrio, el lantano, el praseodimio y el terbio, y una decena de elementos vitales para las energías renovables o la nanotecnología, de acuerdo con La Razón.es.

¿Sustituto del silicio?

Todavía hay científicos asombrados de que a partir de una materia tan común como el carbono haya sido posible descubrir este portento.

El premio Nobel de Física 2010 fue otorgado a Andre Geim y Konstantin Novoselov, de la Universidad  de Manchester, por la preparación y estudio del grafeno, el cual no ha sido patentado por estos investigadores.

Un grafeno perfecto se constituye exclusivamente de celdas hexagonales; es una alotropía, que es la propiedad de algunos elementos químicos de presentarse bajo estructuras moleculares diferentes, en este caso de teselas hexagonales, digamos como un panal de abejas en el que en cada vértice existe un átomo de carbono.

Ha sido definido como un hidrocarburo aromático policíclico, infinitamente alternante, de anillos de solo seis átomos de carbono. Científicos de la Universidad de Illinois, en Estados Unidos, aseguran que puede reaccionar químicamente con otras sustancias para formar compuestos con diferentes propiedades, lo que dota a este material de gran potencial de desarrollo. Soporta la radiación ionizante y consume menos electricidad para una misma tarea que el silicio.

El repentino aumento del interés científico por el grafeno puede dar la impresión de que se trata de un nuevo material. La realidad es que el grafeno, con otro nombre, fue descrito durante la década de los años 30 del pasado siglo. La palabra «grafeno» fue oficialmente adoptada en 1994, después de haber sido usada para describir una monocapa de grafito, en el campo de la ciencia de superficies.

Aunque se derrocha entusiasmo en prestigiosas publicaciones y en Internet mediante artículos y comentarios que presentan a esta estructura como la panacea universal en la tecnología y el reemplazo de dispositivos de silicio, no toda la comunidad científica comparte este optimismo.

Hay investigadores que al parecer crearon otro material denominado siliceno, versión del grafeno fabricada a partir del silicio, que incluye una capa de plata o cerámica para obtener una estructura sólida y funcional, con lo que se consigue mantener la estructura de panel de abeja típica del grafeno.

Pero el físico holandés Walt De Heer afirma que el material recién llegado «nunca reemplazará al silicio… Nadie que conozca el mundillo puede decir esto seriamente. Simplemente hará algunas cosas que el silicio no puede hacer. Es como con los barcos y los aviones. Estos nunca reemplazaron a los barcos».

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