Edison ha sido uno de los inventores más prolíficos de la historia. De hecho, mientras buscaba la forma de hacer su bombilla llevó a cabo un experimento sobre ciencia de materiales exhaustivo: probó más de 6.000 materiales orgánicos antes de decantarse por el por el filamento de bambú carbonizado. Ojito a la vieja patente nº 223.898 porque tiene todos los ingredientes necesarios de la receta. Aclaración de justicia: Edison no inventó la bombilla, la perfeccionó y la patentó, detrás hay otros científicos como Sir Joseph Wilson Swan.

Tremendo spoiler de Edison. Había montado, sin saberlo, un reactor nanotecnológico primigenio para obtener grafeno. Ese mismo grafeno sobre el que Philip Russel Wallace teorizaría 20 años después de la muerte del inventor y 125 años antes de que Konstantin Novoselov y Andre Geim ganaran el Premio Nobel de Física de 2010 por aislarlo con el método de la cinta adhesiva. O eso ha descubierto un estudio reciente de la Universidad Rice. 

El prodigioso grafeno. El grafeno es un alótropo del carbono que tiene estructura bidimensional de átomos tejidos en una red hexagonal. Más allá de esta curiosidad, el grafeno es un material asombroso: es 200 veces más resistente que el acero pero mucho más ligero (el aerografeno, incluso más que el aire). Conduce la electricidad y el calor mejor que cualquier metal conocido. 

Si además tenemos en cuenta que es casi transparente y muy flexible, tenemos un material prodigioso para la tecnología. Sin ir más lejos, para los semiconductores. También podría servir para mejorar carreteras o para tejidos robóticos sensibles. Y tiene truco: cuando sus capas están algo desordenadas y no pegadas como un bloque resultan mucho más fáciles de separar. Es lo que Edison logró sin querer.

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La receta de Edison. El grafeno turbostrático se puede producir aplicando un voltaje a un material con base de carbono hasta alcanzar una temperatura de 2.000 a 3.000 °C, lo que se conoce como calentamiento Joule instantáneo. Pero lo que Edison tenía a su alcance era encender una de sus bombillas recién patentadas. A diferencia de las actuales, las suyas tenían filamentos con base de carbono, más concretamente de bambú. Al apretar el interruptor, el filamento se calentaba y se producía... luz y quizás grafeno. 

Cuenta Lucas Eddy, el autor principal del paper, que estaba buscando formas de producir grafeno en masa con materiales accesibles y asequibles y probó de todo, desde soldadores por arco a árboles a los que les hubiera alcanzado un rayo. Entonces se acordó de la bombilla. La patente de Edison era un magnífico esquema para reproducir el experimento. Eso sí, le costó lo suyo encontrar bombillas estilo Edison con filamentos de carbono y no de tugsteno. Luego solo tuvo que aplicar corriente a 110 voltios y encender el interruptor 20 segundos. Si te pasas, puede formarse grafito en lugar de grafeno.

Por qué es importante. Para empezar, porque hasta ahora pensábamos que para obtener este material prodigioso había que recurrir a tecnología del siglo XXI, pero no: ha había condiciones para hacerlo en el siglo XIX. Por otro lado, valida el calentamiento Joule como una forma eficiente y escalable para generar grafeno de alta calidad a partir de fuentes de carbono baratas. Y por qué no, porque abre las puertas a revisar otros experimentos científicos de la historia: ¿quién sabe si no se habrán sintetizado otros nanomateriales por azar?

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Bajo el microscopio. Con la lente de un microscopio óptico, el equipo de investigación pudo constatar que el filamento de carbono había pasado de gris oscuro a un plateado con lustre. Un cambio visual que vaticinaba las sospechas que termino de certificar con la espectroscopía Raman, que emplea láseres para identificar sustancias a través de sus átomos con alta precisión: era grafeno turbostrático.

Mientras Edison experimentaba para crear una bombilla para el uso diario pudo producir el material maravilloso del futuro (del futuro de hoy). Obviamente no hay forma de saber con certeza qué paso en sus laboratorios de Menlo Park porque aunque la bombilla original estuviera disponible para su análisis, cualquier grafeno producido probablemente habría pasado a grafito a las pocas horas. 

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Portada | Imagen de Thomas Edison, ca. 1918–1919. Fuente: National Archives and Records Administration (NARA), Estados Unidos y HY ART 

La tensión que sostienen EEUU y China desde hace ya más de cinco años obedece a un propósito muy evidente: estos dos países se están disputando la supremacía mundial. No es ningún secreto. De hecho, el Gobierno liderado por Joe Biden reconoció abiertamente en el documento que recoge su estrategia de seguridad nacional de octubre de 2022 que China tiene la capacidad y los recursos necesarios para disputar a EEUU su posición de liderazgo mundial.

El siguiente extracto literal de este documento refleja con mucha claridad por qué el Gobierno de EEUU considera a China una amenaza: "La República Popular de China (RPC) es el único competidor que tiene tanto la intención de remodelar el orden internacional como, cada vez más, la capacidad económica, diplomática, militar y tecnológica para hacerlo. Pekín tiene la ambición de crear una amplia esfera de influencia en las regiones del Índico y el Pacífico, así como de llegar a ser la potencia mundial líder".

El desarrollo social, económico, militar y tecnológico que ha experimentado el país liderado por Xi Jinping durante las últimas dos décadas avala esta conclusión. De hecho, actualmente China es líder mundial en cinco tecnologías clave desde un punto de vista estratégico por la relevancia que ya tienen, y, sobre todo, debido a la que tendrán en el futuro. Y en otras puja cada vez más alto. Aun así, hay un área en la que este gigantesco país asiático todavía parece estar lejos de alcanzar una posición de dominio: los semiconductores.

Estas son las cinco tecnologías estratégicas en las que China ya ha logrado liderar

Uno de los objetivos de las sanciones a China que EEUU y sus aliados han desplegado durante los últimos dos años y medio es detener el desarrollo de la industria china de los semiconductores. Y para lograrlo los Gobiernos de EEUU, Países Bajos y Japón han prohibido a sus fabricantes de equipos de litografía, entre los que se encuentran ASML, Tokyo Electron o Applied Materials, vender sus máquinas más avanzadas a sus clientes chinos.

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Los fabricantes chinos de equipos de litografía cuentan con el respaldo de la Administración de Xi Jinping para desarrollar máquinas de litografía de ultravioleta extremo (UVE) tan pronto como sea posible, pero debido a su complejidad con toda probabilidad no estarán listas antes de cinco años. Además, la mayor parte de los expertos en semiconductores, incluidos los técnicos chinos, defiende que China está entre 5 y 10 años más atrasada que Occidente en el desarrollo de equipos fotolitográficos.

El país de Xi Jinping, como acabamos de ver, no lidera en chips. Sin embargo, como podemos comprobar en la gráfica que publicamos debajo de estas líneas, es líder mundial en vehículos aéreos no tripulados, paneles solares, grafeno, trenes de alta velocidad, vehículos eléctricos y baterías de litio. Esta gráfica ha sido elaborada por Jostein Hauge, que es profesor de Economía en la Universidad de Cambridge (Inglaterra), tomando como referencia los datos recogidos por Bloomberg Intelligence y Bloomberg Economics.

Esta posición de liderazgo en estas áreas es el resultado del plan "Made in China 2025" anunciado por el mismísimo Xi Jinping en 2015. Su punto de partida en algunas de estas tecnologías, como los paneles solares o las aplicaciones prácticas del grafeno, era muy sólido hace una década, pero, aun así, no cabe duda de que esta estrategia ha sido un éxito. Y, además, seguirá vigente para permitir a China pelear de tú a tú con otras grandes potencias por el liderazgo en semiconductores, ordenadores cuánticos, inteligencia artificial o robots, entre otras tecnologías que tienen una enorme relevancia estratégica.

El dominio de China es indiscutible

El plan "Made in China 2025" tiene un propósito muy claro: dejar de ser la fábrica del mundo y consolidarse como el mayor proveedor de servicios y productos de alto valor del planeta. Como acabamos de ver, el país liderado por Xi Jinping no ha conseguido liderar en circuitos integrados, inteligencia artificial, robots, aviación comercial o medicamentos, entre otras áreas, pero su dominio del mercado de los paneles solares es abrumador.

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La cuota de China en el mercado de las células fotovoltaicas mundial roza el 80%, y por el momento solo India parece tener la capacidad de perturbarle a largo plazo. Su capacidad de fabricación es 17 veces mayor que la del resto del planeta junto, lo que ha animado a la Administración china a respaldar la fabricación de más de 1.000 GW en capacidad de células de tipo N a medida que los demás países van cumpliendo sus compromisos de emisiones netas. Eso sí, buena parte de los fabricantes chinos de paneles solares está vendiendo a pérdidas con el propósito de crecer tanto y tan rápido como sea posible.

Vamos ahora con los vehículos aéreos no tripulados. China controla el 90% del mercado mundial de los drones de consumo y profesionales gracias al éxito que durante los últimos años están teniendo fabricantes como DJI (Dà-Jiāng-Innovations), FIMI o Autel Robotics, entre otros. El dominio de este país de los mercados de los drones y los paneles solares es el resultado de una receta en la que se dan la mano el respaldo del Gobierno chino, la mejora continua de las tecnologías implicadas en el producto y unos precios extremadamente competitivos.

En el mercado del grafeno sucede esencialmente lo mismo que en los dos que acabamos de explorar. China produce el 60% del grafito mundial debido a que tiene las mayores reservas naturales del planeta, y el grafeno se fabrica a partir de esta materia prima. Además, el Gobierno lo considera un material estratégico, lo que lo ha llevado a respaldar desde un punto de vista económico la investigación para desarrollar aplicaciones para las industrias de la electrónica, la medicina y la energía, así como materiales avanzados. Y, una vez más, la producción a gran escala permite a China fabricar el grafeno con un precio muy competitivo capaz de expulsar del mercado a buena parte de la competencia. Estos ingredientes permiten al país liderado por Xi Jinping controlar el 83% del mercado asiático y del Pacífico

La siguiente industria en la que merece la pena que nos fijemos es la de los trenes de alta velocidad. China la lidera con rotundidad gracias a una red de 48.000 kilómetros que, según las previsiones del Gobierno chino, alcanzará los 60.000 km de vías de alta velocidad en 2030. El siguiente país en esta clasificación es España, que actualmente tiene más de 3.700 km de vías de alta velocidad. El dominio chino se ha cimentado una vez más sobre un desarrollo tecnológico muy rápido que ha sido propiciado por las grandes inversiones que está haciendo la Administración. China State Railway Group ha anunciado que invertirá en 2025 más de 76.000 millones de euros en la puesta a punto de nuevas vías de alta velocidad.

No podemos concluir este artículo sin indagar en el mercado del coche eléctrico y la industria de las baterías de litio. China es actualmente el mayor mercado de vehículos eléctricos del mundo. En 2025 en este país se venderán por primera vez más coches eléctricos que con motor de combustión gracias en cierta medida a las subvenciones del Gobierno.

Además, China es el mayor exportador de coches eléctricos del planeta. En 2023 exportó aproximadamente 1,7 millones de vehículos eléctricos, lo que representa más del 30% de sus exportaciones totales de automóviles. No obstante, su expansión internacional se está viendo condicionada seriamente por los aranceles que están imponiendo EEUU o la Unión Europea, entre otras regiones con dificultades muy serias para competir con el coche eléctrico chino.

Por último, China también es líder mundial en la producción de baterías de litio. Si nos ceñimos a los coches eléctricos el país liderado por Xi Jinping fabrica el 57% de las baterías que utilizan estos vehículos. CATL y BYD son los mayores fabricantes de baterías de litio del planeta con una cuota de mercado en 2023 del 34% y el 16% respectivamente.

China ha alcanzado esta posición de liderazgo debido a varios factores. Por un lado es el mayor productor del mundo de litio y tierras raras, que son las principales materias primas empleadas en la fabricación de las baterías. Además, controla el procesado de estos materiales y es capaz de producir baterías a gran escala y con un precio muy competitivo. Actualmente no hay ningún indicador que nos invite a prever que su dominio de las baterías de litio vaya a verse amenazado a medio plazo.

Imagen | Pixabay

Más información | Jostein Hauge

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El grafeno vuelve a las andadas. Parece razonable llegar a la conclusión de que no ha estado a la altura de las expectativas si observamos la repercusión que tuvo en los medios de comunicación hace algo más de una década. Sin embargo, no sería justo calificarlo como un fiasco. Y es que sus peculiares propiedades fisicoquímicas lo posicionan como un candidato idóneo para algunas aplicaciones en las que ya lleva bastante tiempo marcando la diferencia.

El propósito de este artículo no es enumerar todas las aplicaciones que tiene actualmente, pero no puedo resistirme al menos a mencionar dos que me llaman mucho la atención. La posibilidad de utilizarlo para poner a punto un nuevo tipo de dispositivos electrónicos es una de ellas. El MIT (Instituto Tecnológico de Massachusetts) y otras organizaciones de investigación están trabajando en ella. La otra aplicación es si cabe aún más exótica: lleva varios años empleándose para fabricar el diafragma de algunos altavoces de alta fidelidad.

El grafeno tiene la capacidad de revolucionar los cúbits de los ordenadores cuánticos

Un equipo de investigadores de la Universidad Nacional de Singapur liderado por el profesor de química Lu Jiong ha desarrollado un nuevo tipo de nanocinta de grafeno que tiene un estado ferromagnético muy especial. Este innovador material se conoce como nanocinta de grafeno de Janus, y según estos científicos tiene aplicaciones potenciales extraordinariamente atractivas en los ámbitos de la electrónica cuántica y los ordenadores cuánticos. Han publicado el resultado de su investigación en Nature.

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Un breve inciso antes de seguir adelante: fabricar un cúbit, el dispositivo físico que implementa la mínima unidad de información en los ordenadores cuánticos, no es en absoluto pan comido. Los hay de varios tipos: superconductores, trampas de iones, átomos neutros o iones implantados en macromoléculas, entre otras variantes. No todos ellos son igual de complejos, y hasta hace unos meses no era posible fabricar ninguno de estos cúbits de una manera industrializada que abriese la puerta a la producción a gran escala. Esto cambió en marzo de 2024.

Volvamos con la aportación de Jiong y su equipo. Una nanocinta de grafeno es una tira muy estrecha de estructuras de carbono con forma de panal a escala nanométrica que tiene unas propiedades magnéticas muy especiales. Curiosamente, las nanocintas de grafeno de Janus tienen un único borde en forma de zigzag y están constituidas por anillos de benceno fusionados. En este artículo no vamos a indagar en el proceso de fabricación de estas nanocintas para no complicar excesivamente este texto, pero no podemos pasar por alto algo crucial: el interés de las nanocintas de grafeno de Janus reside en sus propiedades magnéticas.

Según el profesor Lu Jiong "las nanocintas de grafeno magnéticas ofrecen un enorme potencial para tecnologías cuánticas gracias a sus largos tiempos de coherencia de espín y su capacidad para operar a temperatura ambiental. Crear un borde en zigzag unidimensional en estos sistemas es una tarea compleja, pero resulta esencial para ensamblar cúbits de espín múltiple desde cero para tecnologías cuánticas". Esta declaración contiene varias ideas muy importantes en las que merece la pena que indaguemos un poco más.

Como explica el profesor Jiong, estas nanocintas tienen las propiedades magnéticas idóneas para fabricar cúbits capaces de trabajar a la temperatura ambiental, por lo que los ordenadores cuánticos que los utilicen presumiblemente no necesitarían apoyarse en los sofisticados sistemas de refrigeración que requieren las máquinas cuánticas actuales. Además, si cabe es aún más importante la capacidad que tienen estas nanocintas a la hora de preservar la coherencia del espín.

Una forma asequible de definir el espín nos invita a observarlo como una propiedad intrínseca de las partículas elementales, al igual que la carga eléctrica, derivada de su momento de rotación angular. La razón por la que no es fácil comprender con precisión qué es el espín se debe a que es un fenómeno cuántico, por lo que no es del todo correcto describirlo como un movimiento de rotación convencional en el espacio.

En cualquier caso, lo importante es que un cúbit fabricado empleando nanocintas de grafeno de Janus sobre el papel sería capaz de trabajar a la temperatura ambiental y podría llevar a cabo operaciones durante más tiempo gracias a su capacidad de lidiar con la decoherencia cuántica. Es evidente que estas propiedades catapultarían las prestaciones de los prototipos de ordenadores cuánticos actuales. Y quizá acelerarían la llegada de la tan ansiada corrección de errores. Crucemos los dedos para que la investigación de Lu Jiong y su equipo concluya con éxito.

Imagen | Universidad Nacional de Singapur

Más información | Nature

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Muchos entusiastas de la tecnología tenemos la sensación de que el grafeno no ha estado a la altura de las expectativas. Nos lo habéis hecho saber en los comentarios que dejáis en algunos de nuestros artículos. Y sí, lo compartimos. Este material no ha sido para tanto como parecía. Sin embargo, objetivamente tampoco ha sido un fiasco. Calificarlo así es injusto. Y lo es porque está siendo utilizado en aplicaciones interesantes en las que ha logrado marcar la diferencia.

Ahí va una pequeña confesión: con una de ellas estoy familiarizado. He tenido la oportunidad de escuchar en varias ocasiones las cajas acústicas del fabricante estadounidense Magico, que utiliza grafeno en el diafragma de sus altavoces de medios y graves para aproximar su comportamiento al de un pistón ideal. Sin embargo, la aplicación de este material en la que os propongo que indaguemos en este artículo va por otros derroteros. Y, lo que es mucho más importante, es infinitamente más ambiciosa.

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Antes de seguir adelante me parece fundamental reparar en que detrás de la aplicación en la que estamos a punto de indagar está el MIT (Instituto Tecnológico de Massachusetts). Esta universidad estadounidense es una de las más prestigiosas del planeta y no es proclive a dar visibilidad a proyectos sin sustancia y con pocas opciones de prosperar. Esta es la razón por la que nos parece que merece la pena que exploremos qué tienen entre manos sus investigadores y cuál es su potencial.

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La imagen que publicamos en la portada de este artículo es una representación real del grafeno. De hecho, ha sido tomada utilizando un microscopio de sonda de barrido. El grafeno está constituido por una lámina de átomos de carbono con un espesor de un solo átomo organizados en una estructura con un patrón hexagonal. Sin embargo, este no es el punto de partida de los investigadores del MIT. Al menos no del todo. Y es que se han dado cuenta de que al distribuirlo en una pila de cinco capas con un patrón romboédrico adquiere unas propiedades fisicoquímicas muy peculiares.

Este declaración de Long Ju, el físico del MIT que lidera esta investigación, refleja con mucha claridad qué tienen entre manos: "El grafeno es un material fascinante. Cada vez que añades una capa obtienes un material completamente nuevo. Esta es la primera vez que observamos una forma de magnetismo desconocida hasta ahora y estrechamente vinculada a la distribución del grafeno en cinco capas. Curiosamente esta propiedad no emerge si lo distribuimos en una, dos, tres o cuatro capas", apunta Ju.

Long Ju ha ido directamente al meollo de su descubrimiento. Y es que es precisamente la forma inédita de magnetismo que han observado él y sus compañeros la que nos invita a contemplar el futuro de este material con optimismo. Según estos investigadores este sándwich de cinco capas de grafeno puede ser utilizado para poner a punto sistemas de almacenamiento magnético con el doble de capacidad que los actuales y un consumo energético mucho más reducido. Además, defienden que esta tecnología tiene la capacidad de marcar la diferencia tanto en el ámbito de los ordenadores clásicos como en el de las máquinas cuánticas.

En cualquier caso, hay algo importante que merece la pena que no pasemos por alto. La aplicación de la que habla Ju es la más evidente, pero al someter a este material a una temperatura ligerísimamente superior al cero absoluto (-273,15 ºC) emergen más propiedades que potencialmente tienen la capacidad de permitir su utilización en otros escenarios de uso. Además, estos investigadores han descubierto que son capaces de controlar las propiedades de este material utilizando un campo magnético. Es evidente que aún es necesario investigar más antes de llevar todo esto a la práctica, pero pinta bien. Inusualmente bien.

Imagen de portada | U.S. Army Materiel Command

Más información | Nature | MIT News

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*Una versión anterior de este artículo se publicó en octubre de 2023

Las muestras de suelo que China trajo de la Luna en 2020 siguen dando que hablar, aunque China haya tenido tiempo de volver a la Luna y traer aún más muestras lunares en los cuatro años que han pasado desde entonces.

Grafeno en la Luna. Un equipo de científicos chinos ha encontrado grafeno —una forma de carbono puro— en un diminuto fragmento de suelo lunar recuperado de una región volcánica de la Luna por la sonda china Chang'e-5 en diciembre de 2020.

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El equipo utilizó técnicas avanzadas de espectroscopia para estudiar una muestra del tamaño de un grano de arroz. El hallazgo es importante porque pone en jaque la teoría más aceptada sobre el origen de la Luna, la Teoría del Gran Impacto, que se basa —en parte— en la ausencia de carbono y otros elementos volátiles en el satélite.

El origen del satélite. La teoría más aceptada sobre el origen de la Luna es que se formó después de que la Tierra chocara con un planeta hipotético más pequeño denominado Theia.

El impacto hizo que los materiales vaporizados se dispersaran alrededor de la Tierra, formando un anillo de escombros que, con el tiempo, se agrupó por efecto de la gravedad, convirtiéndose en la Luna.

Hasta ahora, la Teoría del Gran Impacto ha estado siempre respaldada por la baja presencia de carbono en el satélite, ya que el impacto entre Theia y la Tierra tuvo que generar temperaturas extremadamente altas capaces de evaporar elementos volátiles como el carbono.

Sorpresa: hay carbono en la Luna. Y se encuentra en unas pocas capas delgadas y superresistentes de grafeno. ¿Cómo se explica? Un estudio sin revisar publicado por la revista National Science Review propone varias opciones.

Quizá sea por la interacción del viento solar, que contiene carbono, con el suelo volcánico rico en hierro. Tal vez la Luna tenga su propio proceso de captura de carbono y lo esté depositando en su superficie. O quizá sea algo más simple, como que el grafeno provenga del impacto de meteoritos.

Un descubrimiento provechoso. Sea como sea, este hallazgo no solo es importante para entender la historia de la Luna, sino por sus aplicaciones prácticas aquí en la Tierra.

Los investigadores creen que estudiar cómo se forma el grafeno en la Luna podría ayudarnos a desarrollar técnicas más baratas y escalables para producir grafeno de alta calidad. Sería un hallazgo revolucionario para unas cuantas industrias.

Imagen | Wei Zhang et al., CNSA

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Llevamos años, muchísimos años hablando del grafeno. Iba a ser el material del futuro, pero finalmente no ha estado a la altura de las expectativas. Tiene infinidad de aplicaciones y si bien es cierto que ha marcado la diferencia en algún sector, como el de los altavoces, su potencial, poco a poco, se ha ido diluyendo. Sin embargo, su principio es interesante y ahora unos investigadores de la Universidad de Linköping (Suecia) han combinado la estructura del grafeno con el oro, creando así un nuevo material: el goldeno.

Goldeno. Realmente es la traducción directa de "goldene", que viene de combinar las palabras "Gold" (oro) y "Graphene" (grafeno). El grafeno es, en pocas palabras, una sustancia compuesta por láminas de átomos de carbón puro dispuestos en un patrón rectangular hexagonal, como si fuera un panel de abeja. Esta sustancia destaca, principalmente, por su resistencia, su flexibilidad y elasticidad, por ser transparente y por ser ligero. Pues es el goldeno es parecido, pero con átomos de oro.

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¿Cómo se ha conseguido? De casualidad, como no podría ser de otra manera. Para crear el goldeno, los investigadores utilizaron un material base tridimensional en el que el oro se incrusta entre las capas de titanio y carbono. Según explica Lars Hultman, Catedrático de Física de Películas Finas de la Universidad de Linköping:

"Habíamos creado el material base pensando en aplicaciones completamente distintas. Empezamos con una cerámica conductora de la electricidad llamada carburo de titanio y silicio en la que el silicio se encuentra en capas finas. Entonces la idea era recubrir el material con oro para hacer un contacto. Pero cuando expusimos el componente a altas temperaturas, la capa de silicio fue sustituida por oro dentro del material base".

Esquema de la reacción que muestra cómo se forma la capa de átomos de oro | Imagen: Nature

La imagen superior, compartida por los investigadores en el artículo publicado en Nature, es muy ilustrativa y muestra cómo funciona el proceso conocido como intercalación. Básicamente, se convierte el carburo de titanio y silicio (Ti3SiC2) en  carburo de titanio y oro (Ti3AuC2), un material que los investigadores llevan años manejando. Sin embargo, no ha sido hasta ahora que han conseguido extraer la capa de oro.

Reactivo de Murakami. La forja japonesa es todo un arte y uno de sus pilares es el reactivo de Murakami, un componente que lleva usándose infinidad de años y que elimina los restos de carbono y cambia el color del acero. Se usa muchísimo en la fabricación de los cuchillos para darles un aspecto brillante de lo más peculiar. Hultman dio con una forma de aplicar este reactivo al carburo de titanio y silicio.

"Probé diferentes concentraciones del reactivo de Murakami y diferentes lapsos de tiempo para el grabado. Un día, una semana, un mes, varios meses. Nos dimos cuenta de que cuanto menor era la concentración y más largo el proceso de grabado, mejor. Pero seguía sin ser suficiente", afirma Shun Kashiwaya, co-autor de la investigación.

Los investigadores del LiU, Shun Kashiwaya y Lars Hultman | Universidad de Linköping

Tal y como explican desde la universidad, el grabado debe realizarse en la oscuridad, ya al recibir luz se genera cianuro y se disuelve el oro. El último paso era conseguir láminas de oro estables (lo normal es que las láminas se enrosquen), para lo cual usaron un tensioactivo, es decir, una molécula larga que separa y estabiliza las láminas. El resultado es una solución que los investigadores describen con un símil: "como copos de maíz en la leche". Para recoger las láminas de oro usaron una especie de tamiz.

Posibles aplicaciones. En palabras de los investigadores, el goldeno tiene varias aplicaciones. Dado que cada átomo tiene seis átomos vecinos en lugar de los doce que encontraríamos en un cristal, el goldeno se podría emplear en la conversión de dióxido de carbono, en la catálisis de hidrógeno y en la purificación de agua, por mencionar algunos. Además, aseguran que se podría reducir la cantidad de oro empleada en las aplicaciones actuales.

Imágenes | Universidad de Linköping, Nature, Unsplash

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Desde hace años el hormigón es algo más que un recurso omnipresente en la construcción, uno sin el que difícilmente habríamos alcanzado el desarrollo urbanístico de las últimas décadas. El hormigón supone también, y cada vez más, un gigantesco desafío para los científicos dedicados al estudio de los materiales.

Al fin y al cabo se calcula que la industria del cemento es responsable del 8% de las emisiones globales de CO2 y cada año dedicamos miles de millones de toneladas de arena a la elaboración de hormigón armado, un volumen ingente que contribuye a lo que algunos organismos —incluida la ONU— ya califican como "crisis de la arena". Para evitarlo en la Universidad Rice han ideado un sustituto que además permite crear un hormigón más ligero.

¿Cuál? Un viejo conocido: el grafeno.

Un consumidor voraz de arena. Cada vez que analizamos el impacto medioambiental del hormigón solemos poner el foco en las emisiones de dióxido de carbono. Y es Lógico que así sea. Según el World Economic Forum, el cemento, parte crucial del hormigón, es responsable del 8% de las emisiones globales de CO2. Industria e investigadores son conscientes del desafío que supone ese porcentaje y llevan años buscando formas de reducirlo, lo que les ha llevado a apostar por hormigón elaborado con café, desechos, cáñamo o mezclas que prescinden del cemento e incluso son capaces de "secuestrar" CO2, entre un largo, larguísimo etcétera.

La industria del hormigón afronta sin embargo otro desafío medioambiental, y no menor precisamente: la conocida como "crisis de arena". Cada año consumimos alrededor de 50.000 millones de toneladas de arena y grava y buena parte, unos 30.000 millones, se destinan a la fabricación de hormigón armado. En 2022 la ONU ya advirtió que se trata del segundo recurso más explotado del planeta, solo superado por el agua, y que debemos gestionarlo "con prudencia", para lo que pedía cambios a nivel legal y en la propia industria, con una apuesta por materiales reciclados, roca triturada y arena procedente de las minas. "Su uso debe regularse para proteger la biodiversidad", subraya Naciones Unidas.

Recogiendo el guante. Eso es lo que ha hecho un grupo de científicos de la Rice University, en Estados Unidos. Ante la elevada demanda global de hormigón y la explotación masiva de arena que eso acarrea, sus expertos se plantearon varias preguntas: ¿Existen componentes alternativos para su elaboración? Y si es así, ¿permitirían mejorar las propiedades del material?

El resultado de su trabajo lo acaban de publicar en ACS Publications y desliza una posibilidad interesante: la clave para mejorar el hormigón y paliar la "crisis de arena" de la que advierte la ONU podría estar en el grafeno derivado del coque metalúrgico, un producto a base de carbón. El equipo de Rice está convencido de que podría servir no solo como aditivo para el cemento, sino como un sustituto de la arena en la mezcla. Su labor sigue así la senda de otras investigaciones anteriores que ya han planteado aplicar el grafeno al hormigón.

Igual de resistente, más ligero. Su propuesta es interesante por varias razones. Primero, porque ofrece una forma de afrontar la "crisis de arena" sobre la que ya advierte la ONU. Segundo, y no menos importante, porque las pruebas realizadas por el profesor James Tour y su equipo muestran que el material preparado con su método tiene propiedades atractivas para la industria. "Comparamos el hormigón fabricado con el sustituto de grafeno con el elaborado con agregados de arena y descubrimos que nuestro hormigón es un 25% más ligero pero igual de resistente", aseguran desde Rice.

"Los experimentos iniciales en los que el coque metalúrgico se convirtió en grafeno dieron como resultado un material con un tamaño similar al de la arena", añade Paul Advincula, autor del estudio: "Decidimos explorar el uso del grafeno derivado del coque metalúrgico como sustituto total de la arena en el hormigón y nuestros hallazgos muestran que funcionaría realmente bien". Sus propiedades mecánicas coinciden de hecho con la mezcla estándar, con arena, aunque con una mayor relación resistencia-peso.

Con la vista puesta en el futuro. Rice insiste en el potencial de su propuesta para reducir la dependencia de la arena natural e incluso las emisiones de CO2 de la industria del hormigón. Y eso no es un objetivo menor. Como recuerda la propia universidad, se espera que para mediados de este siglo el 68% de la población mundial resida en zonas urbanas, lo que implicaría un aumento considerable de la demanda de hormigón… y arena, con el coste medioambiental que implica.

Queda camino por delante, sin embargo, para que su método pueda expandirse. "Hará falta algún tiempo para que el precio del grafeno baje lo suficiente como para que esto resulte viable", admite James Tour, quien reivindica que su trabajo "demuestra que hay alternativas que podemos buscar".

En el camino. "El hecho de que estemos al borde de una 'crisis de la arena' nos motiva a buscar alternativas, y el coque metalúrgico, que cuesta casi lo mismo que la arena, con un 10% del coste del hormigón, podría ayudar no solo a fabricar hormigón de mejor calidad, sino también a traducirse a la larga en un ahorro significativo", remarca el profesor Satish Nagarajaiah.

Por lo pronto en Rice han dado ya algunos pasos interesantes. Durante su investigación, en el laboratorio del profesor Tour recurrieron a la técnica de calentamiento Joule Flash, la misma empleada para la síntesis de nanomateriales híbridos de carbono o el reciclaje de piezas de baterías. "Produce grafeno más rápido y a mayor escala que los métodos anteriores", apunta Avdincula.

Imagen de portada: Claus Grünstäudl (Unsplash)

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La capacidad científica de China y EEUU está fuera de toda duda. De hecho, el origen de la tensión que sostienen estas dos superpotencias reside en la rivalidad que mantienen en prácticamente todos los frentes estratégicos, como son su desarrollo militar, económico o técnico. En la coyuntura actual en la que un día sí y otro también tropezamos con nuevas sanciones y declaraciones cruzadas que no disimulan lo más mínimo su agresividad resulta sorprendente que estos países puedan darse la mano. Pero sí, pueden. Y lo han hecho.

Además, lo más sorprendente es que EEUU y China están trabajando juntas en uno de los ámbitos en el que parecen tener posturas irreconciliables: el de los semiconductores. Para entender qué tienen entre manos y qué pinta aquí el grafeno nos interesa repasar brevemente cuál es el papel del silicio en el ámbito de los circuitos integrados. Este elemento químico es el rey de los semiconductores desde que en los años 60 destronó al germanio y se afianzó como el semiconductor con más potencial y el más utilizado por la industria de la electrónica.

Aun así, el silicio no es perfecto. Poco a poco y a medida que los procesos fotolitográficos se han ido desarrollando nos hemos ido acercando a su límite físico, por lo que es crucial encontrar nuevos materiales que puedan ocupar su lugar. Los científicos llevan en ello muchos años, y están coqueteando con algunos candidatos extraordinariamente prometedores. Uno de ellos es el arseniuro de galio (GaAs), y otro el arseniuro de boro cúbico (c-BAs), que, precisamente, es el candidato que propone el MIT. Pero, sorprendentemente, el grafeno acaba de abrirse paso entre ellos a codazos.

El grafeno acaba de abrir de par en par una puerta que puede revolucionar la electrónica

Las dos instituciones que han trabajado juntas para encontrar la manera de fabricar los primeros semiconductores de grafeno son la Universidad de Tianjin, en China, y el Instituto de Tecnología de Georgia, en EEUU. Como os he anticipado en las primeras líneas de este artículo en las circunstancias actuales resulta sorprendente, y también alentador, que estos dos países mantengan su colaboración en determinadas áreas de la investigación científica. El grafeno se postula como un candidato a reemplazar al silicio desde hace casi dos décadas, pero este hito lo ha colocado en la primera línea de la parrilla de salida.

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Antes de indagar en las propiedades que hacen al grafeno tan atractivo para fabricar semiconductores nos interesa repasar algunos conceptos básicos. Un semiconductor es un elemento o un compuesto que bajo ciertas condiciones de presión, temperatura, o al ser expuesto a la radiación o a un campo electromagnético, se comporta como un conductor, y, por tanto, ofrece poca resistencia al movimiento de las cargas eléctricas.

Sin embargo, cuando se encuentra en otras condiciones diferentes se comporta como un aislante. Y, por tanto, en este último estado ofrece una gran resistencia al desplazamiento de las cargas eléctricas. En los elementos con capacidad de conducción eléctrica algunos de los electrones de sus átomos, conocidos como electrones libres, pueden pasar de un átomo a otro cuando aplicamos una diferencia de potencial en los extremos del conductor.

Precisamente, esta capacidad de desplazamiento de los electrones es lo que conocemos como corriente eléctrica, y todos sabemos de forma intuitiva que los metales son buenos conductores de la electricidad. Curiosamente, lo son porque tienen muchos electrones libres que pueden desplazarse de un átomo a otro y, así, consiguen transportar la carga eléctrica. Otra propiedad de los semiconductores en la que merece la pena que indaguemos brevemente, pero en la que no hace falta que profundicemos debido a que es relativamente compleja, es la movilidad de sus huecos de electrón.

Reflejan la ausencia de un electrón cuando este abandona su átomo original, y, como podemos intuir, también contribuyen al paso de la corriente eléctrica en los semiconductores. Una de las razones por las que el epigrafeno semiconductor, que es como estos científicos chinos y estadounidenses han llamado al material que han creado, es tan atractivo se debe a que la movilidad de sus electrones es diez veces superior a la del silicio a temperatura ambiental, y hasta veinte veces superior a la que nos proponen otros semiconductores bidimensionales. No pinta pero que nada mal.

En el artículo que han publicado en Nature estos investigadores explican con todo lujo de detalles las propiedades fisicoquímicas del epigrafeno (merece la pena leerlo si os sentís cómodos con la física de materiales), y reconocen que su logro aunque tiene mucho potencial por el momento es tan solo un primer paso. Aun así, Walt A. de Heer, que es el líder de esta investigación, asegura que "no sabemos dónde acabará, pero lo que sí sabemos es que estamos abriendo la puerta a un cambio de paradigma en el ámbito de la electrónica. El grafeno es el siguiente paso". Ojalá lo sea. Ojalá su investigación fructifique y por fin tengamos una alternativa real a nuestro adorado silicio. Ya veremos.

Imagen de portada: Casa Rosada | Palácio do Planalto

Vía: Xataka México

Más información: Nature

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Muchos entusiastas de la tecnología tenemos la sensación de que el grafeno no ha estado a la altura de las expectativas. Nos lo habéis hecho saber en los comentarios que dejáis en algunos de nuestros artículos. Y sí, lo compartimos. Este material no ha sido para tanto como parecía. Sin embargo, objetivamente tampoco ha sido un fiasco. Calificarlo así es injusto. Y lo es porque está siendo utilizado en aplicaciones interesantes en las que ha logrado marcar la diferencia.

Ahí va una pequeña confesión: con una de ellas estoy familiarizado. He tenido la oportunidad de escuchar en varias ocasiones las cajas acústicas del fabricante estadounidense Magico, que utiliza grafeno en el diafragma de sus altavoces de medios y graves para aproximar su comportamiento al de un pistón ideal. Sin embargo, la aplicación de este material en la que os propongo que indaguemos en este artículo va por otros derroteros. Y, lo que es mucho más importante, es infinitamente más ambiciosa.

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Antes de seguir adelante me parece fundamental reparar en que detrás de la aplicación en la que estamos a punto de indagar está el MIT (Instituto Tecnológico de Massachusetts). Esta universidad estadounidense es una de las más prestigiosas del planeta y no es proclive a dar visibilidad a proyectos sin sustancia y con pocas opciones de prosperar. Esta es la razón por la que nos parece que merece la pena que exploremos qué tienen entre manos sus investigadores y cuál es su potencial.

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La imagen que publicamos en la portada de este artículo es una representación real del grafeno. De hecho, ha sido tomada utilizando un microscopio de sonda de barrido. El grafeno está constituido por una lámina de átomos de carbono con un espesor de un solo átomo organizados en una estructura con un patrón hexagonal. Sin embargo, este no es el punto de partida de los investigadores del MIT. Al menos no del todo. Y es que se han dado cuenta de que al distribuirlo en una pila de cinco capas con un patrón romboédrico adquiere unas propiedades fisicoquímicas muy peculiares.

Este declaración de Long Ju, el físico del MIT que lidera esta investigación, refleja con mucha claridad qué tienen entre manos: "El grafeno es un material fascinante. Cada vez que añades una capa obtienes un material completamente nuevo. Esta es la primera vez que observamos una forma de magnetismo desconocida hasta ahora y estrechamente vinculada a la distribución del grafeno en cinco capas. Curiosamente esta propiedad no emerge si lo distribuimos en una, dos, tres o cuatro capas", apunta Ju.

Long Ju ha ido directamente al meollo de su descubrimiento. Y es que es precisamente la forma inédita de magnetismo que han observado él y sus compañeros la que nos invita a contemplar el futuro de este material con optimismo. Según estos investigadores este sándwich de cinco capas de grafeno puede ser utilizado para poner a punto sistemas de almacenamiento magnético con el doble de capacidad que los actuales y un consumo energético mucho más reducido. Además, defienden que esta tecnología tiene la capacidad de marcar la diferencia tanto en el ámbito de los ordenadores clásicos como en el de las máquinas cuánticas.

En cualquier caso, hay algo importante que merece la pena que no pasemos por alto. La aplicación de la que habla Ju es la más evidente, pero al someter a este material a una temperatura ligerísimamente superior al cero absoluto (-273,15 ºC) emergen más propiedades que potencialmente tienen la capacidad de permitir su utilización en otros escenarios de uso. Además, estos investigadores han descubierto que son capaces de controlar las propiedades de este material utilizando un campo magnético. Es evidente que aún es necesario investigar más antes de llevar todo esto a la práctica, pero pinta bien. Inusualmente bien.

Imagen de portada: U.S. Army Materiel Command

Más información: Nature | MIT News

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El grafeno no ha estado a la altura de las expectativas. Su popularidad llegó de la mano de un abanico de aplicaciones en teoría asombrosamente amplio, pero poco a poco ese potencial se ha ido diluyendo. Aun así, este material no es un completo fiasco. Sus peculiares propiedades fisicoquímicas lo posicionan como un candidato idóneo para algunas aplicaciones en las que ya lleva bastante tiempo marcando la diferencia.

Curiosamente, una de las industrias que lo ha acogido con los brazos abiertos es la de la alta fidelidad. Y es que algunos fabricantes de altavoces de gama alta lo están empleando para poner a punto el diafragma de sus auriculares y cajas acústicas más sofisticados (y habitualmente también más caros).

En junio de 2020 tuve la oportunidad de analizar los auriculares EAH-AZ70W de Technics, que lo utilizan, y me dejaron muy buen sabor de boca por una razón: la utilización de este material en este ámbito no responde a una argucia de marketing. De hecho, está plenamente justificada por lo único que realmente importa: las características fisicoquímicas del grafeno.

El grafeno nos coloca más cerca del comportamiento pistónico perfecto

Como os hemos explicado en otros artículos desde hace más de una década, y seguro ya sabéis, el grafeno es un material que tiene un patrón regular hexagonal de átomos de carbono. Esta estructura es, precisamente, la responsable en gran medida de las propiedades que justifican su presencia en el diafragma de algunos altavoces.

No obstante, para entender con cierta precisión qué pinta el grafeno aquí necesitamos indagar en el concepto de comportamiento pistónico perfecto. Este es, sencillamente, el ideal al que debe aspirar un altavoz debido a que el diafragma idóneo tiene que desplazarse como un pistón perfecto.

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Y esto quiere decir que no debe verse afectado por la inercia, y tampoco debe deformarse lo más mínimo. Como podemos intuir, este es solo un ideal teórico que en la práctica no se puede alcanzar debido a las restricciones impuestas por la física del mundo real.

Sin embargo, hay algunos materiales cuyas propiedades fisicoquímicas los colocan sorprendentemente cerca del comportamiento pistónico ideal, como el berilio o el diamante. El grafeno también es uno de ellos. De hecho, la mínima masa, ínfimo espesor y considerable rigidez de este material encajan como un guante con las características que debe tener el diafragma de un altavoz ideal.

Así suenan unas cajas acústicas de altísima gama que han recurrido al grafeno

Uno de los fabricantes de cajas acústicas que están utilizando este material en la producción de sus altavoces es la marca estadounidense Magico. Esta compañía produce unos de los recintos para cajas acústicas más sofisticados que existen, pero esta no es su única baza; también fabrica unos altavoces que tienen una impronta sonora muy atractiva.

Hace unos meses tuve la oportunidad de escuchar en un evento dedicado a la alta fidelidad el modelo M3, y, además, pude hacerlo con la calma debida y durante el tiempo necesario para hacerme una idea bastante certera acerca de sus prestaciones sonoras. Su recinto de fibra de carbono y los materiales empleados en la fabricación de sus altavoces delatan con rotundidad lo ambiciosa que es esta caja acústica.

De hecho, el tweeter está fabricado empleando una cúpula de berilio recubierta por una fina lámina de diamante sintético, y los altavoces de medios y graves son íntegramente de grafeno. Todo esto pinta bien, pero a veces la aparente sofisticación tecnológica de un dispositivo no está alineada con sus prestaciones reales. No es el caso. Estas cajas acústicas tienen un sonido objetivamente sobresaliente. Y en gran medida los responsables son sus altavoces de grafeno.

Lo que más me impactó de ellas fue su asombroso nivel de detalle en todo el espectro de frecuencias audible, pero, además, su capacidad dinámica está fuera de toda duda y consiguen respetar el timbre de todos los instrumentos con una precisión envidiable. Por otro lado, el nivel de presión sonora al que se expresaron fue considerable, y, de propina, no me provocaron la más mínima fatiga auditiva.

Con toda probabilidad son unas de las mejores cajas acústicas que podemos encontrar en el mercado mundial, pero esta marca tiene una pega. Una muy grande: el precio de sus cajas acústicas las coloca fuera del alcance de la mayor parte de los usuarios. De hecho, el modelo M3 tiene un precio algo superior a los 100.000 euros por pareja de cajas acústicas. Qué penita que tan pocas personas puedan disfrutarlas.

Imágenes: Magico

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