El Grafeno

El Grafeno es un material nanométrico bidimensional, consistente en una sola capa de átomos de carbono fuertemente cohesionados mediante enlaces que presentan hibridación sp² y dispuestos en una superficie uniforme, ligeramente ondulada, con una estructura semejante a la de un panal de abejas por su configuración atómica hexagonal. El grafeno es una de las formas alotrópicas del carbono, como lo son también el grafito y el diamante. Así, un milímetro de grafito contiene tres millones de capas de grafeno.

Es el material más resistente que se conoce en la naturaleza, más fuerte que el acero estructural con su mismo espesor y más duro que el diamante, y, sin embargo, su grosor oscila entre 1 y 10 átomos de carbono. Al ser tan fino y apreciarse solamente dos de sus dimensiones, se le considera un material bidimensional, el único que es capaz de mantenerse estable hasta con el grosor de un átomo.

Es elástico y flexible, y está dotado de una gran conductividad térmica y eléctrica, lo que le permite disipar el calor y soportar intensas corrientes eléctricas sin calentarse. Es prácticamente transparente, hidrófugo y tan denso que ni siquiera el gas helio puede atravesarlo. Además, presenta otras muchas cualidades, como la alta movilidad de sus electrones, propiedad que eleva su potencial uso en los veloces nanodispositivos del futuro.

El grafeno tiene increíbles propiedades mecánicas, electrónicas, químicas, magnéticas y ópticas que lo han convertido en uno de los nanomateriales más estudiados en la actualidad. Además, al ser carbono puro, es abundante en la naturaleza y ecológico.

Por todo ello, el grafeno promete miles de aplicaciones en sectores muy dispares y se cree que sustituirá en la próxima década a materiales tan importantes como el silicio. El espectro de posibilidades de su aplicación es de una amplitud y versatilidad tal que inaugura una verdadera revolución tecnológica.

Su descubrimiento se les debe a los doctores Konstantin Novoselov y Andre Geim en el año 2004, ambos ganadores del Premio Nobel de Física en 2010.

Propiedades

Entre las propiedades más destacadas de este material se incluyen:

► Algunos científicos de la Universidad de Ilinois en Michigan aseguran que tiene propiedades de autoenfriamiento.

►Alta conductividad térmica y eléctrica.

►Alta elasticidad y dureza.

►Resistencia (200 veces mayor que la del acero).

►El grafeno 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.

►Es muy ligero, como la fibra de carbono, pero más flexible.

►Menor efecto Joule; se calienta menos al conducir los electrones.

Consume menos electricidad para una misma tarea que el silicio. 

Características

►Es carbono puro.

►Es bidimensional, unas 100.000 veces más delgado que el cabello humano

►Es el material más resistente de la naturaleza, 200 veces más que el acero estructural con su mismo espesor.

►Es más duro al rayado que el diamante.

►Es más flexible que la fibra de carbono y elástico.

►Con la misma densidad que la fibra de carbono, es 5 veces más ligero que el aluminio. Una lámina de grafeno de 1 m²pesa solo 0,77 mg.

Entre las propiedades más destacadas de este material se incluyen:

Blindaje

Para que podamos hacernos una idea de la dureza del grafeno, Jaffrey Kysar y James Hone, propusieron una curiosa analogía. Comparó las pruebas realizadas por su equipo con poner una cubierta de plástico sobre una taza de café y medir la fuerza que requeriría pinchar esa cubierta con un lapicero. Pues bien, según explicó Hone, si en lugar de plástico lo que se pusiera sobre la taza de café fuera una lámina de grafeno, después situáramos encima un lápiz, y en lo alto de éste colocáramos un automóvil que se sostuviera en equilibrio sobre él, la lámina de grafeno ni se inmutaría. Se puede decir, sin duda, que el grafeno es el material más duro del mundo.

Informática

La industria de semiconductores

–uno de los campos donde el material parece ser más 

prometedor–, que tiene la 

intención de construir

ordenadores mucho más rápidos

que los actuales mediante el desarrollo de microprocesadores con transistores de grafeno, no cabe de júbilo con los resultados de las investigaciones que se están haciendo con el grafeno.

 Precisamente uno de los principales impedimentos en la construcción, de microprocesadores es la presión –según explica Julia Greer, investigadora del Instituto Tecnológico de California (Caltech)–, y los materiales usados para fabricar los transistores no sólo deben tener excelentes propiedades eléctricas, “sino que también deben ser capaces de sobrevivir a la tensión a que se ven sometidos durante el proceso de fabricación y al calentamiento generado por repetidas operaciones. El proceso utilizado para estampar conexiones eléctricas metálicas en los microprocesadores, por ejemplo, ejerce una tensión que puede provocar el fallo de los chips.”

Greer concluye que “el calor es demasiado para que los materiales lo soporten”. Pero tras las pruebas realizadas sobre la resistencia del grafeno, parece quedar demostrado que éste es capaz de soportarlo. El español Tomás Palacios, profesor del MIT, ha conseguido fabricar transistores de grafeno 10 veces más rápidos que los de silicio. Los chips del revolucionario material, de un átomo de espesor, podrían alcanzar velocidades de 1.000 GHz. Esto demuestra lo cerca que está de desbancar al elemento clásico de la era de la información.

También se crearán discos duros del mismo tamaño de los de hoy día, pero capaces de almacenar 1.000 veces mas información. Científicos del Leibniz Institute for Solid State and Materials Research en Dresden, Alemania acaban de inventar una novedosa técnica en donde es posible utilizar la estructura intrínseca del grafeno, para necesitar en el orden de 1.000 veces menos átomos para mantener una estructura lo suficientemente resistente como para aguantar los constantes cambios electromagnéticos requeridos para escribir y leer información.

Electrónica

Una startup en Jessup, Maryland, espera poder lanzar al mercado este año uno de los primeros productos basado en el grafeno. Vorbeck Materials está fabricando tintas conductoras basadas en el grafeno y que pueden ser utilizadas para imprimir antenas RFID (identificación por radiofrecuencia, por sus siglas en inglés) y contactos eléctricos para pantallas flexibles. La compañía, que se aprovecha del bajo coste de las tintas de grafeno, posee un acuerdo con el gigante de productos químicos alemán BASF para lanzar al mercado este producto en breve. Será la prueba definitiva de que el grafeno es un material del presente.

Aviónica

El Pentágono ha asignado tres millones de dólares a la Universidad de Princeton para que desarrolle diminutas hojas de grafeno que, añadidas al combustible empleado en los motores de los aviones supersónicos, consigan una optimización en su funcionamiento y una reducción en el consumo y la contaminación ambiental. Según los científicos, este desarrollo puede alumbrar el nacimiento de una nueva era en los motores de combustión de las aeronaves. Los aditivos de combustible fabricados con partículas minúsculas de grafeno podrían lograr que los aviones supersónicos vuelen aún más rápido y que sus motores lleguen a contar con mejores condiciones de eficiencia y protección de la sostenibilidad ambiental.

Investigación

¿Te suena de algo el acelerador de partículas del CERN? El complejo, que ocupa kilómetros cuadrados cerca de Ginebra (Suiza), sirve para explorar el mundo de lo infinitamente pequeño para buscar los elementos fundamentales de la materia. Los físicos están tratando de usar el grafeno para fabricar una especie de acelerador en miniatura. “En un fragmento de grafeno de un único centímetro cuadrado es posible realizar muchos de los experimentos que hasta ahora requerían laboratorios como el del CERN”. Si se convierte en realidad, los científicos podrían buscar el Bosón de Higgs, una partícula elemental hipotética, que aún no ha sido observada, y conocida como la partícula Dios, en un laboratorio que cabe en la yema del dedo.