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El futuro no está hecho sólo de grafeno

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Del grafeno se han dicho todo tipo de exabruptos; que es el material del futuro, que va a cambiar el mundo. Popularizado por los descubrimientos de los físicos Andre Geim y Konstantín Novosiólov en 2004 —que en 2010 le valieron el Nobel—, este mineral de laboratorio presenta algunas particularidades que lo hacen prácticamente territorio de la ciencia ficción.

En el vídeo que vemos aquí Novosiólov cuenta como, buscando cómo crear transistores de grafito, el material de las minas de los lápices, arrancaron con un celo pequeños fragmentos con los que después fabricarían una monocapa de patrones hexagonales. Era uno de sus «experimentos del viernes por la noche», escapadas experimentales a otros campos de la ciencia.

La palabra clave es monocapa: comprobaron, con un espesor no mayor de un átomo, que este material no sólo era muy estable y dúctil, sino que su comportamiento en cuanto a resistencia multiplicaba a la del propio grafito. Entre 100 y 200 veces más fuerte que el acero. Es impermeable, es el mayor conductor de energía conocido, posee una gran elasticidad, siendo capaz de autorepararse y retomar su forma, es transparente, y es sólo un hermano de una gran familia. Se presume, de hecho, de un centenar de compuestos con posibilidades de conseguir su versión estable en 2D.

Laboratorio

El grafeno: apenas la punta del iceberg

El grafeno fue el primer material aislado atómicamente en una sola capa. Poco después le siguió el disulfuro de molibdeno, utilizado en lubricantes y componente en algunas formas de spray, el más económico borofeno, el estaneno —fabricado artificialmente hace apenas un año y con propiedades aún más prometedoras que el grafeno—, el carbino, en teoría más resistente que ningún otro, el siliceno, fosforeno, germaneno… Y podríamos seguir.

Una superficie de grafeno de 1 metro cuadrado y un sólo átomo de espesor puede soportar hasta 4 kg de peso antes de romperse

Todos ellos son alótropos bidimensionales. ¿Por qué de dos dimensiones? Porque se mantienen estables en hojas monoatómicas, alcanzando grosores aproximados por debajo de los 0.5 nanómetros. Para entender su masa/tamaño y resistencia proporcional, el premio Nobel hizo una comparación con una hamaca de grafeno de 1 m2 de superficie y 1 sólo átomo de espesor. Esta hamaca podría soportar hasta 4 kg antes de romperse; el equivalente al peso de un gato. En cambio, dicha hamaca pesaría menos de un miligramo, el peso aproximado de uno de los bigotes del gato.

Esto esconde un problema: la manipulación y fabricación bidimensional es mucho más costosa, lenta e infructuosa que la tridimensional. Por desgracia, en la actualidad el único material tridimensional conocido que aparentemente se comporta electrónicamente con análoga eficacia es el ‘disulfuro de renio’, y su producción es tanto o más costosa.

Desde trajes de camuflaje invisible hasta chalecos antibalas infranqueables —o preservativos—, aislamiento total pero magnífico conductor —250 veces más rápido que el silicio—, parches para diabéticos o fumadores, baterías de móviles auto-recargables y biodegradables, redes de Internet o bombillas más económicas, electromecánica de vehículos reduciendo su peso hasta lo ridículo, nulo sobrecalentamiento, interactividad total entre sistemas, efecto antibacteriano, ya que las bacterias no crecen sobre su densa superficie, depuración de aguas, desalinización o absorción de radioactividad; las posibilidades potenciales del grafeno son, a día de hoy, infinitas.

Con el barco del progreso a toda vela, el Graphene Flagship, la comunidad científica está encantada con las propiedades revolucionarias de estos nuevos elementos donde se combina «media tabla periódica». Sobre el papel existen materiales más prometedores, pero la seguridad y confianza con la que progresan de forma conjunta les ha llevado a inclinar la balanza a favor del grafeno.

Boro

¿De dónde sacamos tanto grafeno?

La expectación ante el grafeno es similar a la polvareda que levantaron la fibra de vídrio y los más recientes nanotubos de carbono. Como apuntaba Jesús de la Fuente, fundador y director de la empresa de Guipúzcoa Graphenea, «cuando se publica un artículo científico, con algún avance, la gente cree que podrá ir al supermercado al día siguiente y comprarlo; eso puede generar frustración».

Aunque España comenzó siendo uno de los principales proveedores mundiales de soluciones basadas en grafeno, China, con una quinta parte de las patentes mundiales y Corea del Sur, con Samsung a la cabeza apostando por este material, son los que ostentan el liderazgo. Pero, en lo que a fabricación en masa se refiere, nadie ha dado con la fórmula.

'El grafeno en masa'. Frase que copa titulares en la prensa internacional. Bien investigadores coreanos, bien escoceses, una buena parte de la comunidad científica pelea para hallar la solución. El problema reside en el nivel de pureza. Como apunta este artículo, casi es más fácil fabricar un material parecido al grafeno, de segunda clase, en este caso «una nanocapa de carbono con propiedades similares al grafeno», que intentar obtener el grafeno en su estado puro y no una versión con defectos estructurales.

El grafeno no puede dejar de conducir la electricidad, no puede cortarse porque carece de banda de resistividad

Y, pese las promesas de producción en masa, nos encontramos con los problemas de implementación: el grafeno carece de banda de resistividad. Por tanto, no puede dejar de conducir electricidad: no se puede apagar. Aunque forma parte de la misma familia que el diamante, ni siquiera se ha predicho el efecto nominal en el medio ambiente en caso de derrame o exposición continuada.

Mientras el mercado inversor fomenta un crecimiento en la materia, aún es pronto para hablar de una revolución de carácter mundial propiciada por una fabricación masiva. Es más, de encontrar la fórmula, esto tampoco nos aseguraría una consecuente aplicación: toda implementación va precedida de largos periodos de investigación, testeo y estudio práctico.

Produccion Y Estudio

Escalar es la clave

Julio Gómez, director de Avanzare, empresa riojana implicada en la fabricación de nanomateriales, apuntaba a la clave del problema: «muchas empresas terminan dándose golpes contra la pared; se produce un cuello de botella en cuanto tratas de escalar las propiedades del laboratorio a cantidades industriales. Generalmente, se pierde todo el valor del grafeno o resulta demasiado caro de producir».

La posible solución, por tanto, está en mantener las propiedades del grafeno a partir de cantidades mínimas. ¿Recuerdan cuando en la comedia Flubber, un ficticio profesor Philip Brainard rociaba su calzado con aquella supuesta fórmula inteligente de color verde? La idea es similar: gracias a la gran conductividad y capacidad aislante, el grafeno puede proteger unas botas para hacerlas impermeables a descargas eléctricas; ídem con cualquier tipo de aparato electrónico.

Las dos grandes revoluciones, de hecho, se darían en electrónica de consumo y en aeronáutica

Las dos grandes revoluciones, de hecho, se darían en la electrónica de consumo y en la aeronáutica. En el primer sector porque el grafeno podría aplicarse a los diodos de emisores de luz: una nueva familia de pantallas LED o AMOLED con un rendimiento muy superior y un consumo ridículamente inferior. O láseres, fotodetectores, cámaras que toman fotos tridimensionales, en completa oscuridad y sin usar flash. La luz es nuestro signo de vida y con el grafeno se podrían diseñar baterías de celdas solares y olvidarnos de una vez por todas de los iones de litio.

Fotografia

En cuanto a la aeronáutica, como decíamos, no sólo se trata de una eficiencia estructural, sino de las posibilidades en diseño: podrían diseñarse aviones más resistentes, menos vulnerables a turbulencias, y con un peso cientos de veces inferior al actual. Al reducir tanto la resistencia como la masa, el consumo bajaría drásticamente en consecuencia.

Cristales 2D: una familia bien avenida

No, el grafeno no lo es todo. Como señala este artículo, jugar con la tabla periódica traerá grandes posibilidades en el futuro. En este caso se fabricó un material compuesto por silicio, boro y nitrógeno. Elementos abundantes, ligeros y baratos. Además, se conoce mejor su impacto, su estabilidad, su posible recorrido en el mercado y, juntos, comparten con el grafeno las mayores virtudes.

Jugar con la tabla periódica traerá grandes posibilidades en el futuro

En el universo de los superconductores, los ‘nanotubos de columbio’ son, siempre basándonos en estudios y no conclusiones finales, entre dos y cinco veces más eficaces que los de carbono, permitiendo una reducción notoria en el tamaño de los dispositivos en los que vayan implementados.

El propio Novosiólov, en el vídeo de más arriba, expone en pocas frases la clave para entender en contexto el desarrollo de esta tecnología: «sería un error considerarme como el adalid del grafeno, especialmente en los últimos años. [...] Preferimos hablar de cristales bidimensionales en general. Ahora nos interesan mucho las combinaciones entre estos cristales. Al ser capaces de controlar los parámetros de estas combinaciones, con una capa de precisión, podemos encontrar aplicaciones aún más interesantes».

Grafeno

La unión hace la fuerza

Las pujas por la exclusividad sólo son una losa de cara al verdadero progreso científico. Como continúa Novosiólov: «me emociona mucho la perspectiva de acabar con un solo material que nos dicta las propiedades que podemos utilizar». Esta frase hace referencia al silicio, el eterno competidor que hoy por hoy domina el mercado en el que el grafeno más mella está haciendo: el de los transistores, dispositivos semiconductores presentes en casi cualquier aparato electrónico.

De hecho, cualquier microprocesador, para mejorar la velocidad, la demanda de potencia y estabilidad general, lleva cada vez más transistores y más pequeños. Siguiendo los postulados de Ley de Moore, la cual dice que cada 2 años se duplica el número de transistores por circuito integrado, necesitamos a esta nueva familia de materiales para seguir progresando.

Un Senor

En cuanto al futuro del silicio, hace un par de años el físico holandés Walt de Heer dejó clara su postura: «el grafeno 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. Los aviones nunca han reemplazado a los barcos». El futuro tecnológico no tiene nombre propio: esa es la verdadera llave del progreso.

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