Grafeno: viejo conocido y éxito actual en la nanotecnología

A raíz de la decisión de otorgar el Premio Nobel de Física 2010 a  los científicos Andrei Geim y Konstantin Novoselov por sus revolucionarios descubrimientos sobre el grafeno la prensa sensacionalista nos ha presentado este material como si fuera un objeto matemático: “grafeno material bidimensional”. Con exactitud debemos decir que el grafeno es una estructura laminar plana, de un átomo de grosor, compuesta por átomos de carbono densamente empaquetados en una red cristalina mediante enlaces covalentes que se formarían a partir de la superposición de los enlaces híbridos sp² de los átomos de carbonos. Debido a ese tamaño de espesor laminar, del orden de las dimensiones de un átomo de carbono, el grafeno debe considerarse como una nanoestructura “cuasi bidimensional”.

El grafeno tiene un origen muy humilde: el grafito (Figura 1),  que es una de las formas alotrópicas en las que se puede presentar el carbono junto al diamante y a los fulerenos.  Este material es conocido desde hace siglos y fue nombrado así por Abraham Gottlob Werner en el año 1789; el término grafito deriva del griego γραφειν (graphein) que significa escribir. También se denomina plumbagina y plomo negro.

La estructura cristalina del grafito puede considerarse formada por varias capas de grafeno superpuestas (Figura 2). Esta estructura laminar hace que el grafito sea un material marcadamente anisótropo y que sus propiedades fundamentales son su color negro con brillo metálico y ser un material refractario que se exfolia con facilidad. En la dirección perpendicular a las capas presenta una conductividad eléctrica baja que aumenta con la temperatura, comportándose de esta forma como un semiconductor. Sin embargo a lo largo de las capas la conductividad eléctrica es mayor y aumenta proporcionalmente con la temperatura, comportándose como un conductor semi-metálico.

Entre las múltiples aplicaciones del grafito sabemos que es un buen material para la elaboración de ladrillos, crisoles, etc.; se utiliza en la fabricación de diversas piezas en ingeniería, como pistones, juntas, arandelas, rodamientos, etc.; es un buen conductor de la electricidad y se usa para fabricar electrodos de baterías (Figura 3) así como en otras aplicaciones eléctricas; se emplea en reactores nucleares, como moderadores y reflectores. El grafito mezclado con una pasta cerámica sirve para fabricar lápices (Figura 4) y es usado para crear discos de grafito parecidos a los de discos vinilo salvo por su mayor resistencia a movimientos bruscos de las agujas lectoras.

Sin embargo, una parte ha resultado ser mejor que el todo. El grafeno (Figura 5), como elemento estructural componente del grafito es el material más conductor y resistente que existe en la actualidad, y estas características lo hace un futuro sustituto del silicio en la fabricación de chips en la electrónica integrada.

Podría pensarse que el reciente y creciente interés por el grafeno se debe  a que es un nuevo material. Sin embargo la realidad es otra y bien distinta. El grafeno ha sido conocido y fue descrito desde hace más de 60 años. El enlace químico de átomos de carbono y su estructura se describieron durante la década de 1930, mientras que la estructura de niveles energéticos de sus electrones fue calculada por primera vez por P. R. Wallace en 1947.] La palabra grafeno fue oficialmente adoptada en el ámbito de la física de materiales y en la química en 1994, después de haber sido usada indistintamente como monocapa de grafito en el campo de la ciencia de superficies.

Entre las propiedades más destacadas del grafeno podemos destacar las siguientes:

• Posee una alta conductividad térmica e igualmente una altísima conductividad eléctrica.
• Posee una alta elasticidad, una gran dureza y una resistencia mecánica 200 veces mayor que el acero.
• Desde el punto de vista químico, el grafeno puede reaccionar químicamente con otras sustancias para formar compuestos con diferentes propiedades. Esto hace al grafeno un material de gran potencial de desarrollo industrial.
• Soporta cualquier tipo de radiación ionizante, lo que también aumenta su potencial industrial.
• Es tan ligero como la fibra de carbono, pero la mejora en flexibilidad.

Geim y Novoselov fueron galardonados con el Premio Nobel de Física 2010 por sus trabajos pioneros en el desarrollo del grafeno  para el diseño de nuevos dispositivos electrónicos flexibles y más eficientes, tales como ordenadores,  pantallas táctiles y paneles solares. Lo que en sus inicios parecía un sueño por las sorprendentes propiedades que se visionaban.

Se sabe que muchas nanoestructuras que han sido recientemente descubiertas, tales como los nanotubos de carbono, están relacionadas con el grafeno. En la Figura 6 se muestra esquemáticamente como se configuran los nanotubos a partir de láminas de grafeno. Tradicionalmente los nanotubos de carbono se han descrito como hojas de grafeno enrolladas sobre sí mismas, y de hecho las propiedades de los nanotubos de carbono pueden entenderse en términos de las del grafeno.  Los nanopergaminos de carbono ( carbon nanoscroll: Figura 6) se han estudiado teórica y experimentalmente en los últimos tiempos; recientemente, en abril de 2010, dos científicos de universidades norteamericanas M. M. Fogler, y A. H. Castro Neto, y el científico español Francisco Guinea, investigador del Instituto de Ciencia e Materiales de Madrid (ICMM-CSIC), publicaron un artículo en el que entre otros aspectos teóricos estudiaban el control electrostático de la envoltura de los nanopergaminos como una  demostración de la factibilidad de su uso en el diseño de nuevos equipos electrónicos.

Volviendo al grafeno, en días pasados el noticiero de INTERNET 20 Minutos.es, en su sección de Tecnología, publicaba una noticia titulada “El grafeno impreso será la base de las futuras pantallas táctiles”. En efecto, un grupo de científicos y tecnólogos de la Universidad de Sungkyunkwan en Corea del Sur y de la empresa transnacional Samsung han centrado su atención en el estudio del grafeno impreso el cual permitiría crear pantallas flexibles de gran resistencia, su notable transparencia y una significativa conexión eléctrica. Estos investigadores han logrado depositar una capa de grafeno de 63 centímetros de longitud sobre una lámina de poliéster. En la actualidad la fabricación de las pantallas flexibles se basa en la utilización de óxido de estaño e indio no obstante estos compuestos adolecen de ser materiales frágiles y demasiado caros. Por ello su sustitución por el grafeno impreso promete ser una nueva tecnología más eficiente y barata una vez se solventen algunas dificultades de degradación de las capas de grafeno. También en esta dirección del grafeno impreso podíamos señalar lo que está haciendo una empresa en Jessup, Maryland, USA.  La empresa Vorbeck Material lanzó al mercado a finales del 2009 uno de los primeros productos basado en el nanomaterial conocido como grafeno.  Vorbeck Material está fabricando tintas conductoras basadas en el grafeno y que pueden ser utilizadas para imprimir antenas de identificación de radiofrecuencia (RFID, sus siglas en inglés) y contactos eléctricos para pantallas flexibles. La empresa se aprovecha del bajo coste de las tintas de grafeno y ya posee un acuerdo con la empresa alemana de productos químicos  BASF, y el pasado año recibió 5,1 millones de dólares en financiación de la firma de inversiones privadas Stoneham Partners.

En lo que a circuitos integrados se refiere muchos centros de investigación y departamentos de desarrollo de grandes empresas electrónicas ya han venido trabajando en las posibles vías de erradicación de algunos “males” del grafeno: su degradación. El pasado 16 de Septiembre salía a la luz un artículo de la revista Nature, en su número 467, sobre los trabajos de algunos investigadores dirigidos hacía la disminución de los efectos de degradación del grafeno en sus aplicaciones de la electrónica de alta velocidad, lo cual representa una desventaja tecnológica considerable. Pues bien Lei Liao y sus colaboradores de la Universidad de California en los Estados Unidos de Norteamérica han diseñado y experimentado un nuevo método de fabricación de transistores de grafeno que evita la degradación. El método consiste en colocar encima del grafeno nanohilos con un núcleo metálico de Co2 Si y un envoltorio aislante de Al2 O3. (Ver Figura 7).

Estos nanohilos pueden actuar como terminal de puerta (G) en un transistor basado en grafeno en cuyos extremos se encuentra la fuente (S) y el drenador (D). La figura 7 ilustra el dispositivo. Estos nuevos transistores de grafeno tienen una longitud de canal de 140 nanómetros y son capaces de funcionar a una frecuencia de corte entre 100 y 300 GHz, solo limitada por la capacitancia parásita del substrato de silicio. Esta frecuencia es comparable a la de los mejores transistores de alta movilidad electrónica del mercado que tienen longitudes de canal similares. El resultado es un transistor ultrarrápido cuya velocidad es similar a la de los mejores dispositivos de silicio existentes de tamaño similar y con mucha menos degradación que los primeros prototipos. Y lo más relevante: este dispositivo ya está al alcance de simuladores de circuitos que pueden utilizar nuestros estudiantes de ingeniería en sus trabajos de fin de carrera. Este dispositivo aun no está en el mercado, sólo a nivel de laboratorios de I+D, pero no falta mucho para verlos a “nuestro lado” en la vida cotidiana.

Y en toda esta carrera de convertir el sueño del grafeno en una nueva realidad tecnológica, España no queda atrás. La empresa tecnológica GRAPHENEA, ubicada en el centro NANOGUNE de Donostia, País Vasco, se suma a una línea de investigación que puede transformar la electrónica del futuro. GRAPHENEA se propone producir obleas de grafeno de alta calidad, bajo coste y tamaño industrial lo que representará un extraordinario hito de la NanoCiencia y la Nanotecnología española

En definitiva, soñar si cuesta……cuesta inversiones, esfuerzo, dedicación y mucho trabajo científico y tecnológico para lograr una nueva tecnología: la nanotecnología del grafeno.

AGRADECIMIENTOS

Este artículo divulgativo se ha escrito en el marco de las acciones de la Red Temática “José Roberto Leite” de Divulgación y Formación en Nanotecnología, perteneciente al área 6 de Ciencia y Sociedad del Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo, CYTED.

Artículo publicado originalmente “Grafeno: viejo conocido y éxito actual en la nanotecnología” en el periódico Unión de Morelos por miembros de la Academia de Ciencias de Morelos A.C.