Grafeno

• ¿Qué es el grafeno?
• Pero el grafeno está descrito desde hace mucho... ¿Qué es lo que ha aportado esta pareja rusa (Andre Geim y Konstantin Novoselov, Universidad de Manchester) para ser los merecedores del Nobel de 2010?
• Ahora entiendo aquello de que se les ha abierto un campo enorme...
• De ahí que se piense en el grafeno como sustituto del silicio...
• Hablando de cosas que funcionan, vosotros ¿qué vendéis?...
• Todo esto parece que permitirá avanzar en el conocimiento de la estructura de la materia. Pero, qué hay de las aplicaciones prácticas, de la participación de la industria en la investigación básica?

¿Qué es el grafeno?

El grafeno es una red hexagonal en forma de panal de abeja donde los átomos de carbono presentan una hibridación sp2. Tres de los orbitales resultantes están en el plano de los átomos y participan en el enlace covalente entre cada átomo de carbono y tres vecinos. El cuarto electrón se encuentra distribuido por encima y por debajo del plano del grafeno. Estos últimos electrones son los responsables de la peculiar estructura electrónica del grafeno. En general los electrones en un sólido cristalino se compartan como si su masa fuese distinta a la masa en reposo. Esto es debido a la interacción de los electrones con la periodicidad atómica del cristal. En el caso del grafeno los electrones alrededor del nivel de Fermi su masa efectiva es cero y esto hace al grafeno distinto a cualquier otro material estudiado en la física de estado sólido.

Pero el grafeno está descrito desde hace mucho... ¿Qué es lo que ha aportado esta pareja rusa (Andre Geim y Konstantin Novoselov, Universidad de Manchester) para ser los merecedores del Nobel de 2010?

Bueno, los físicos teóricos de la materia condensada que estudiaban las propiedades del grafito empezaban estudiando las propiedades de una sola capa. Por lo tanto, desde el punto de vista teórico sus propiedades electrónicas, elásticas, etc. estaban perfectamente descritas.

El grafeno es un material estrictamente bidimensional y en los años 30 del siglo pasado dos físicos Pierls y Landau llegaron a la conclusión de que no podía existir un material cristalino bidimensional macroscópico porque a temperatura ambiente todos los átomos están vibrando y están vibraciones introducen desorden en el cristal y hacen que el material tienda a plegarse y arrugarse.

Geim y Novoselov, utilizando un sistema que, cuando lo lees, parece que podrías reproducirlo en la cocina de tu casa, fueron capaces de aislar el grafeno. El método consiste en pegar entre dos trozos de cinta adhesiva un pedazo de un cristal de grafito. Tras separar las cintas adhesivas se quedan pegados trozos más finos de grafito en cada una de ellas y si este proceso se repite varías veces al final en alguna de las cintas se quedan pegados trozos de grafito de unas pocas capas atómicas de espesor. Posteriormente frotaron este trozo de cinta adhesiva sobre una superficie de óxido de silicio y fueron capaces de encontrar trozos de una sola capa atómica de espesor. De manera que consiguieron, primero, aislar un material cristalino bidimensional en contra de las predicciones teóricas y, en segundo lugar, lograron conectar estos trozos de grafeno eléctricamente y demostrar que podían cambiar el tipo de cargas eléctricas a voluntad, midieron que los electrones tenían una movilidad altísima, la existencia del efecto Hall cuántico semientero, etc. En definitiva, han abierto un nuevo campo de estudio.

Como te decía antes los electrones en el grafeno se comportan como si tuviesen masa efectiva cero. Esto quiere decir que la ecuación que describe el comportamiento de los electrones en el grafeno es la ecuación de Dirac y no la ecuación de Schrödinger. Esto hace que en el grafeno se puedan hacer experimentos que tienen que ver con predicciones de la electrodinámica cuántica.

Ahora entiendo aquello de que se les ha abierto un campo enorme...

Claro. Date cuenta que, con método de preparación de la muestra uno puede hacer experimentos para demostrar experimentalmente la paradoja de Klein, la aparición de campos de gauge al curvar el grafeno, etc.

Desde el punto de vista de las aplicaciones el grafeno, casi desde el principio, se mostró como un material que podía tener su utilidad. Por un lado la alta movilidad de los electrones, la posibilidad de cambiar el tipo de carga eléctrica (electrones o huecos) de forma continua y controlada, el hecho de que es un material de una sola capa de espesor hicieron de él un buen candidato para las aplicaciones.

De ahí que se piense en el grafeno como sustituto del silicio...

Sí, aunque aquí hay que hacer una distinción. Hay dos tipos de dispositivos básicos, unos que son los circuitos de transmisión y tratamiento de señales de radiofrecuencia, como los que llevan todos los móviles. En este campo es donde se cree que puede tener un impacto más inmediato. El otro tipo de dispositivos son los circuitos lógicos digitales. En este caso la utilización del grafeno es más difícil. El problema es que en la electrónica actual se utiliza el silicio que es un semiconductor. Esto quiere decir que es un material que tiene una zona de energía en la cual no están permitidos los electrones. Esto permite la fabricación de diodos y transistores que son la base de la microelectrónica y que son dispositivos que sólo conducen la corriente eléctrica en una determinada configuración de voltaje. Lo que permite distinguir entre los 1 y los 0 de los circuitos lógicos.

El grafeno no tiene esta característica. Es un semimetal, lo que quiere decir que conduce la corriente eléctrica de forma bastante efectiva. Lo que se está haciendo ahora es buscar la manera de provocar, en el grafeno, una zona prohibida que permita la creación de esas puertas lógicas. Si se logra y unimos esto a las propiedades electrónicas que he mencionado dispondríamos de un dispositivo realmente fabuloso para la fabricación de dispositivos electrónicos. En la actualidad ya se fabrican transistores de grafeno que han demostrado tener unas características bastante interesantes. Hay que recordar que la microelectrónica basada en el silicio tiene unos 40 años, mientras que el grafeno fue aislado por primera vez en 2004. Por lo tanto hay un amplio campo de mejora.

Hablando de cosas que funcionan, vosotros ¿qué vendéis?...

Pues volviendo a lo que preguntabas sobre el grafeno, que se conoce desde hace muchos años, al menos desde el punto de vista teórico. Experimentalmente también era así, solo que no se denominaba grafeno. En Física de Superficies, que es lo que hacemos aquí, desde los años setenta hasta mediados de los noventa, la gente estudiaba una cosa que se llamaba láminas delgadas de grafito. Es decir, los átomos de un cristal en un metal de transición (cobre, rutenio, iridio, platino...) tienen una alta pureza con pequeñas trazas de contaminantes, uno de los cuales es el carbono. Así que cuando coges uno de esos cristales y lo calientas, ese carbono se segrega a la superficie y al encontrarse con otros átomos de carbono se unen entre sí y se forma una capa de grafeno. Lo que pasa es que en este caso la capa de grafeno, al estar sobre un metal, ve sus propiedades modificadas.

Nosotros lo que estamos haciendo es estudiar las propiedades de este grafeno sobre distintos tipos de superficies metálicas, con microscopia de efecto túnel (STM), una técnica que no existía hasta 1982. También estudiamos el grafeno como sustrato para depositar moléculas. De ahí el interés de los químicos en nuestro trabajo. Porque dependiendo del metal que esté debajo tendremos un grafeno con unas propiedades u otras. Y entonces empiezan a pasar cosas graciosas, como que a las moléculas les gusta irse más hacia unas zonas de potencial que a otras. Y en esas zonas ellas se autoorganizan de una manera que nunca harían en una superficie metálica o de óxidos.

Otra ventaja que tiene el grafeno es que, como es inerte, las moléculas que depositas sobre él no reaccionan con la superficie. En otras condiciones, cuando depositas moléculas en una superficie metálica o en un semiconductor, reaccionan con esas superficies. Con el grafeno, no. No hay enlaces químicos; la molécula se comporta como si estuviese en fase gas (con su orbital molecular intacto). Eso te permite hacer muchas cosas, entre otras mover las moléculas una a una y colocarlas donde quieras. Tiene aplicaciones muy claras para construir dispositivos electrónicos orgánicos (como células solares orgánicas o pantallas de ordenador de diodos orgánicos. En ambos casos se trata de superficies que puedes doblar o enrollar mientras siguen funcionando).

Antes esto se hacía depositando las moléculas en películas muy delgadas de cloruro sódico. Como es un aislante, la conducción no era buena y tenía el problema de que, al ser un material iónico (el sodio está cargado positivo, el cloro negativo), la superficie estaba formada por picos y valles que, en algunos casos, sí afectaba a la molécula.

Todo esto parece que permitirá avanzar en el conocimiento de la estructura de la materia. Pero, qué hay de las aplicaciones prácticas, de la participación de la industria en la investigación básica?

Como te decía antes ya hay grupos de investigación tanto en universidades como en empresas que están trabajando en la fabricación y perfeccionamiento de transistores de grafeno. El record actualmente lo tiene un grupo de los laboratorios de investigación de la IBM en Nueva York.