Los avances científicos y tecnológicos, en buena medida, modelan nuestra sociedad. En el paso de unas décadas, hemos transitado de una época en la que las computadoras eran enormes y con capacidades reducidas (el lector recordará seguramente las computadoras de las viejas series de televisión de Batman) a otra en la que las computadoras son pequeñas y capaces de procesar millones de veces más rápido lo que sus antiguas predecesoras realizaban en fracciones de segundo. La base de nuestra tecnología actual es el silicio, pero la mejor computadora que conocemos en la naturaleza –el cerebro humano— está compuesta de carbono. Este material presenta propiedades muy interesantes, por lo que ha sido estudiado desde hace mucho tiempo. Aún más, sus aplicaciones se extienden a la física, la química, la medicina y otras disciplinas del quehacer científico.
Se sabe que, en la naturaleza, el carbono se encuentra en forma de grafito –como en la punta de los lápices— o en forma de diamante. Desde los años 60s se han logrado caracterizar distintos compuestos de grafito, algunos con propiedades superconductoras. En los 70s, se lograron desarrollar los poliacetilenos, que son cadenas de átomos de carbono con algunos enlaces saturados de hidrógeno. Los investigadores Heeger, MacDiarmid y Shirakawa recibieron el Premio Nobel de Química en el año 2000 por sus contribuciones en este campo. Por otra parte, en 1985 se observó por primera vez una nueva configuración en la que puede aparecer el carbono: en forma de moléculas construidas por 60 átomos de dicho elemento y arreglados en una configuración que asemeja un balón de futbol. Estas moléculas se conocen como fullerenos y fueron descubiertos en el espacio exterior por Curl, Kroto y Smilley, quienes recibieron el premio Nobel de Química en 1996 por este descubrimiento. Las sorpresas no acabaron aquí, ya que en 1991 se observó otra nueva forma novedosa en la que puede encontrarse el carbono: los nanotubos de carbono, láminas delgadas de este elemento químico que, como su nombre lo indica, se enrollan para formar tubos de distintas formas y cuyas propiedades pueden ser de tipo metálicas o semiconductoras. Las aplicaciones de los nanotubos son bastas. En la industria hallan su aplicación en diferentes desarrollos nanotecnológicos que incluyen desde dispositivos ópticos y electrónicos, hasta el desarrollo de productos químicos y farmacéuticos.
La base de las estructuras mencionadas es el grafeno. Este material consta de una lámina de átomos de carbono caracterizado por tener un solo átomo de espesor. Los átomos están enlazados en una red hexagonal que tiene forma de panal de abeja. Este material puede enrollarse para formar los nanotubos, doblarse para formar los fullerenos o empaquetarse para formar grafito. El grafeno se puede obtener de forma muy sencilla quitando, una por una, las capas de grafito tan sólo con una cinta adhesiva. Esta técnica valió para que el grupo de investigadores de la Universidad de Manchester, encabezados por Andrei Geim y Konstantin Novoselov, aislaran las primeras muestras de este material entre los años 2004 y 2005. Por sus experimentos en grafeno, estos investigadores fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en el 2010. Hay otras formas bastante accesibles de desarrollar este material. A nivel mundial se han puesto en marcha diferentes laboratorios para estudiar al grafeno y sus aplicaciones tecnológicas.
Pero, ¿qué es lo que hace tan interesante a este material? En realidad son varios aspectos que se conjugan para hacer del grafeno un material maravilla. Por un lado, es el primer cristal bidimensional que conocemos. Su espesor es apenas el de un átomo y no como la de las películas delgadas que constan de cientos de átomos de espesor. Es un material tan duro como el diamante, pero posee una flexibilidad enorme, así que uno puede tomar una lámina de grafeno y deformarla sin romperla. Por otro lado, soporta intensas corrientes eléctricas sin calentarse, pues es mucho mejor conductor térmico que la plata, y una vez que sus “electrones” o portadores de carga se mueven, “no miran atrás” literalmente, pues dada la alta movilidad de electrones en este material, las posibles colisiones que hay entre ellos no permitirían que uno de ellos rebotara hacia atrás.
Cabe mencionar que, la relevancia de que el grafeno sea bidimensional y no parte de una estructura tridimensional, como sucede en películas delgadas, lo hace un sistema físico muy peculiar. Producir estructuras bidimensionales como el grafeno había sido un problema tecnológico vigente por mucho tiempo. Cuando se intentaban generar estructuras planas con un espesor muy pequeño con otros materiales o compuestos, el resultado era siempre estructuras inestables. En algunos casos, sólo se conseguían pequeñas “islas” imposibles de manipular para fines tecnológicos. La explicación a este fenómeno vino dada por los físicos Landau y Mermin, quienes demostraron que en la naturaleza es imposible que un material cristalino bidimensional sea estable, debido a que las vibraciones naturales del material lo harían romperse. Sin embargo, en la actualidad se han generado muestras de grafeno tan grandes como un metro cuadrado de superficie. ¿Cómo logra el grafeno ser estable si es bidimensional? La respuesta es simple: el grafeno, en su forma natural, es corrugado. Es decir, visto de perfil, uno vería una superficie que nunca es más ancha que un átomo, pero que se arruga como una sábana. Esto hace recordar precisamente la concepción de Einstein sobre la forma del Universo: el espacio-tiempo es una superficie curva que cambia su forma en la medida en que interactúa la materia. Lo mismo ocurre en el grafeno, su curvatura se debe a las interacciones entre los núcleos atómicos de carbono y sus portadores de carga. De esta manera, el grafeno se comporta como un universo en miniatura donde se pueden estudiar algunas cuestiones básicas sobre la geometría del cosmos.
Todas estas propiedades hacen del grafeno un material con tremendas aplicaciones potenciales que lo han catapultado como uno de los posibles sucesores del silicio, pero hay una propiedad adicional que lo hace sumamente intrigante, asociada con el comportamiento de sus portadores de carga, que veremos a continuación. En cualquier material semiconductor, uno debe proporcionar cierta energía a los portadores de carga para que conduzcan corriente. Éstos, al irse moviendo dentro del material e ir chocando con los núcleos atómicos y otros portadores, se comportan como si tuvieran una masa efectiva muy grande. En un semiconductor, la energía que se le debe otorgar a los portadores es proporcional al cuadrado de su momento (el producto de la masa de la partícula por la velocidad con la que se mueve). En grafeno, esto no sucede así, sus portadores de carga se mueven ¡como si no tuvieran masa! y la relación resultante entre la energía y su momento es lineal. Es decir, los portadores de carga del grafeno se comportan como partículas ultrarelativistas, tal como aquellas que se manipulan en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN (Centro Europeo de Investigaciones Nucleares). Por estas razones, el grafeno no puede clasificarse ni como un semiconductor ni como un metal. Es un híbrido entre ambos materiales que posee las mejores propiedades de los dos mundos.
Por todo esto, el grafeno es un material que resulta ser interesante, no sólo por sus potenciales aplicaciones, sino porque brinda la posibilidad de estudiar los principios básicos de la Relatividad de Einstein y de la Mecánica Cuántica tan sólo sobrela punta de un lápiz.
En la actualidad, el grafeno y algunos de sus compuestos se usan en baterías de computadora, pantallas y procesadores. Grandes compañías como IBM e Intel, entre otras, están interesadas en el desarrollo de este material. La NSF (“National Science Foundation”) de Estados Unidos considera al estudio del grafeno tan importante como la investigación para encontrar una cura contra el cáncer. En México, los estudios del grafeno a nivel teórico y experimental se realizan en la UNAM, la Universidad de Zacatecas, CINVESTAV, IPCyT y, por supuesto, la UMSNH.
Dr. Alfredo Raya Montaño, Instituto de Física y Matemáticas de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo
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