Welcome to flatland o sobre el grafeno.

A mi parecer, hay un indicador que es infalible para saber cuándo un descubrimiento ha marcado un antes y un después y es sencillamente el grado de calaje de la ciencia en cuestión en la consciencia social general. ¿Quién no  ha oído nunca hablar sobre la relatividad, las células madre o el ADN? Superordenadores, pantallas flexibles, sistemas de almacenamiento de energía, estructuras híper resistentes y ligeras, membranas biomédicas…Es innegable que el grafeno se ha ganado merecidamente una plaza en la sabiduría popular gracias a sus innumerables futuras aplicaciones, pero ¿cómo empezó todo?

El carbón es la piedra angular de la vida y la química orgánica. De todos es sabido que el carbón puede presentarse en la naturaleza básicamente en dos formas; en forma de grafito, como en los lápices, o en forma de diamante, como en los anillos de la abuela. Estos dos materiales, aunque están compuestos por el mismo elemento, presentan propiedades muy diferentes. Estas diferencias se deben a la forma en la que están colocados los átomos de carbono y a las fuerzas que los mantienen unidos. Por poner un ejemplo, el diamante es el material más duro que se conoce, ¡solo puede rayarse con otro diamante!, mientras que el grafito es tan blando que con el simple hecho de apoyar y arrastrar un lápiz contra un papel podemos escribir. A esto es a lo que se llama formas alotrópicas del carbono. Un mismo elemento, diferentes estructuras, diferentes propiedades.

Entonces, ¿de dónde sale el grafeno? El grafeno también es una forma alotrópica del carbón en la que sus átomos están organizados formando una red en dos dimensiones de hexágonos tal que así (cf. Figura 1).

Representacion artística del grafenoFigura 1. Representación artística del grafeno.

Visto esto, volvamos al grafito un momento. En la Figura 2 puedes ver una representación esquemática de su estructura cristalina, es decir, de cómo se organizan sus átomos.

grafito

Figura 2. Representación esquemática de la estructura cristalina del grafito.

¿Te resulta familiar? ¡En efecto! De hecho el grafito se puede considerar como capas de grafeno apiladas y unidas entre sí por enlaces de van der Waals, que son más débiles que las que unen los átomos del grafeno, los enlaces covalentes .
Si quisieramos podríamos situar los inicios del grafeno en el año 1564, cuando la invención del lápiz hizo que el grafito se popularizara rápidamente. Y es que, por si no te habías dado cuenta ya, ¡lo que haces al escribir es exactamente romper los enlaces de van der Waals del grafito y amontonar capas de grafeno sobre el papel! ¡JaJa! ¡Eres un genio de los materiales y tú sin saberlo!

 A pesar de todo, no fue hasta 1947 que el grafeno fue propiamente descrito. Fue un físico canadiense, P.R. Wallace, el primero en estudiar y escribir sobre las propiedades electrónicas del grafeno. Como la idea de un material puramente bidimensional se descartaba a niveles prácticos, Wallace utilizó sus estudios sobre el grafeno para describir las propiedades electrónicas del grafito, ya que después de la segunda guerra mundial se convirtió en un material muy importante debido a su uso en reactores nucleares.

El porqué de tanto revuelo es debido a que, pese a ser muy fácil de obtener, tuvieron que pasar casi 440 años hasta que se consiguió aislar e identificar el grafeno, pues su condición bidimensional hacía que se considerara casi imposible de obtener de forma estable en la naturaleza. También hay que considerar el hecho de que hubo que esperar a tener los métodos de detección necesarios como para poder observar copos del grosor de un átomo. Finalmente, Novoselov y su equipo consiguieron esta hazaña con un poco de celo, un microscopio óptico de los de toda la vida y mucho ingenio.

Pero, ¿Dónde esconde su magia?

Imaginaos el grafeno como una hoja de papel con la que los físicos se dedican a hacer papiroflexia. La flexibilidad estructural del grafeno lo hace perfecto para poder explicar las propiedades de otras formas alotrópicas del carbono. Experimento mental: Coge una lámina de grafeno y enróllala sobre sí misma. ¡Plop! Ya tienes nanotubos de carbono. Otro experimento: Coge el grafeno y sustituye unos cuantos hexágonos por pentágonos. ¡Plop! Ya tienes una pelota de fútbol nanométrica hecha de carbono o, como lo llamamos por aquí, fulerenos.

grafeno2

Figura 3. Representación de las diferentes formas alotropicas del carbono que se pueden formar a partir del grafeno.

Sin embargo, a parte de su flexibilidad, lo que hace al grafeno realmente especial es cómo se comportan sus portadores de carga, los electrones. En lenguaje técnico se dice que sus portadores de carga son descritos como fermiones de Dirac de masa nula. Paul Maurice Dirac aportó una solución relativista a la ecuación de Schrödinger, consiguiendo describir el comportamiento cuántico de una partícula que se mueve a velocidades relativistas (Para los valientes: en cuentos cuánticos están haciendo una serie de posts técnicos muy bien explicados sobre la ecuación de Dirac). Esta cualidad de partícula casi-relativista dota a los electrones de propiedades muy interesantes para la electrónica, como por ejemplo la capacidad de propagarse largas distancias, del orden de micrómetros, sin dispersión.

En fin, aun en su infancia el grafeno ya es toda una revolución en el mundo de los materiales y en palabras de Francisco Guinea, investigador del malparado CSIC que trabaja directamente con Novoselov, “El grafeno es imparable”.

¡Espero que os haya gustado la entrada!

Castro Neto et al. ‘The electronic properties of graphene’, Reviews of Modern Physics, Vol 81, Jan-March 2009

M. Terrones et al., ‘Graphene and graphite nanoribbons: Morphology, properties, synthesis, defects and applications’, Nano Today, Vol. 5,p 351-372,2010

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Una respuesta a Welcome to flatland o sobre el grafeno.

  1. 7samurais dijo:

    Genial la explicación sobre el grafeno. Hace unos años ya que empece a leer sobre el grafeno y el potencial que tiene. A ver cómo evoluciona!

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