Nuevas posibilidades para el grafeno, el material del futuro

Universidad Nacional de Córdoba - Facultad de Matemáticas, Astronomía y Física

14 de Noviembre de 2011 | 9 ′ 50 ′′


Nuevas posibilidades para el grafeno, el material del futuro


Investigadores calcularon la respuesta eléctrica del grafeno, el material más delgado del universo, ante la incidencia de un láser de luz infrarroja. Concluyeron que el haz lumínico interrumpe la conductividad eléctrica del material, un efecto que la comunidad científica ha buscado largamente. De comprobarse, el descubrimiento tendría un gran impacto tecnológico, ya que abriría nuevas perspectivas para dispositivos optoelectrónicos, como las pantallas de plasma.

El grafeno es, por la potencialidad en sus propiedades, uno de los materiales más promisorios en el horizonte de la innovación tecnológica. Se lo denomina material bidimensional porque su espesor es de sólo un átomo, pero eso no impide que sea unas 200 veces más fuerte que el acero. Se trata de una lámina de átomos de carbono unidos que forman una malla de celdas hexagonales, como un panal de abejas. En este esquema, los átomos de carbono se ubican en los vértices y permanecen unidos mediante enlaces químicos a través de los cuales comparten electrones.

Aunque fue aislado y caracterizado recién en 2004, el grafeno está presente, junto a otros componentes, en las minas de los lápices. Un milímetro de grafito contiene tres millones de capas de grafeno apiladas. Como la energía que las mantiene juntas es bastante débil, el grafito se desgrana al dibujar un trazo sobre el papel. Una forma de imaginar el grafito es como una resma de papel, donde cada hoja representa una lámina de grafeno: no requiere demasiado esfuerzo desarmar la pila si se desplazan en forma horizontal las páginas.

El grafeno es flexible y traslúcido -absorbe apenas el 2,3 por ciento de la luz-, pero quizás su propiedad más promisoria radique en su extraordinaria capacidad para conducir electricidad a temperatura ambiente, incluso, mejor que el cobre. Esto se debe a la perfección con que los átomos de carbono constituyen la estructura hexagonal plana, donde los electrones pueden desplazarse a una velocidad de un millón de metros por segundo, sin perturbaciones.

Hasta el presente, esta increíble conductividad también constituyó su principal debilidad, por la imposibilidad de “detenerla” o interrumpirla adrede. Todo esto podría cambiar si experimentos futuros comprueban las predicciones teóricas realizadas por un equipo de científicos de la Facultad de Matemática, Astronomía y Física y el Conicet, en colaboración con colegas de Alemania y España.

En el estudio llevado a cabo por los investigadores se hace un cálculo atomístico de la respuesta eléctrica que presenta una lámina de grafeno al ser iluminada por un láser de luz infrarroja. Los resultados predicen que, al recibir ese haz lumínico, el material puede volverse aislante. Esto permitiría “prender y apagar” su conducción. El descubrimiento constituye un avance crucial para la aplicación del grafeno en ciertos dispositivos electrónicos que combinen propiedades ópticas y eléctricas como, por ejemplo, las pantallas de plasma.

“Imaginemos que al encender la luz, la conducción se apaga o viceversa: de esa manera es posible traducir señales ópticas en eléctricas”, explica a InfoUniversidades Foa Torres, uno de los científicos, y agrega que “el trabajo predice que mediante la iluminación con un láser en el infrarrojo medio es posible generar una brecha de energía -o “gap”, como se la conoce en física de materiales- en el grafeno, de manera que pase de un estado ‘con corriente’ a otro ‘sin corriente’. En la práctica, estos estados con o sin corriente son los se utilizan, por ejemplo, para codificar información bajo la forma de ceros y unos”.

En la actualidad, este tipo de láser se está volviendo más común. De hecho, uno de los grupos experimentales que colaboró con los investigadores está en proceso de adquirir uno. Según el científico, la colaboración con grupos experimentales de otros países fue crucial ya que el conocimiento compartido les permitió descartar parámetros y focalizarse en aquello que sus colegas les habían señalado como realizable. Ahora es su turno, ya que deberán corroborar los resultados del estudio.

Uno de los datos distintivos del trabajo radica en que se evaluaron porciones de grafeno relativamente “grandes”, del orden de los micrómetros, donde se podrían encontrar hasta mil millones de átomos de carbono. La simulación de la respuesta del material ante el láser fue realizada en un conjunto de servidores (los mismos que alojan páginas web), a través de un software diseñado por los propios investigadores. “Creamos el código porque no existen herramientas para este tipo de cálculo computacional. Además, con algunos trucos en el diseño del código de cálculo, logramos acelerar el proceso y obtener en un par de días resultados que nos hubieran demandado dos o tres meses”, señala Foa Torres.

Sobre las implicancias de sus resultados, el investigador agrega: “El problema de la interacción del grafeno con la luz es interesante también para entender otras propiedades más exóticas de la materia. En particular, se espera que en ciertas condiciones, mientras permanezca iluminado por el láser, el material se comporte como un ‘aislante topológico’, es decir, que no conduzca electricidad en su interior pero sí a través de su superficie. Esto serviría, por ejemplo, para una nueva generación de memorias”.

De la cinta Scotch al Nobel

Aunque ahora se sabe que los nanotubos son planchas de grafeno enrolladas sobre sí mismas, desde que estas estructuras cilíndricas fueron reconocidas, en 1991, nadie había intentado buscar -menos aun, aislar- el grafeno. Simplemente se pensaba que tal hazaña no sería posible ya que un material de esas características sería muy inestable.

Quien lo logró fue Andre Geim, un físico ruso formado en su país natal que luego se radicó en Gran Bretaña, donde investiga en la Universidad de Manchester. Junto a Konstantin Novoselov, un compatriota con quien trabaja en la misma área, Geim publicó los resultados del estudio “Electric field effect in atomically thin carbon films” en la revista “Science”, el 22 de octubre de 2004. En reconocimiento de su aporte -el aislamiento y la caracterización del nuevo material-, ambos recibieron el Premio Nobel de Física en 2010.

Lo singular radica en el ingenioso método que Geim y Novoselov pusieron en práctica para obtener una única lámina de grafeno. Según reconoció Geim en una entrevista, en su laboratorio ordenó a un estudiante de doctorado obtener la capa más fina posible a partir de una pieza de grafito. El joven utilizó un aparato y obtuvo una diminuta pieza de aproximadamente 0,01 milímetros, que equivale a un millar de láminas de grafeno.

¿Cómo logró Geim, entonces, obtener una capa aun más delgada del material? Con uno de los insumos más baratos del planeta: cinta Scotch. Colocó la banda sobre el grafito y la despegó. De esa forma, diminutas películas quedaron adheridas a la cinta. La plegó sobre sí misma y volvió a separarla. Repitió este paso una veintena de veces. En cada ciclo, las capas se iban separando cada vez más. Al final del proceso, el experimento les permitió alcanzar un mínimo espesor. Luego, transfirieron las láminas a un sustrato de silicio y con observaciones, mediante microscopios ópticos, lograron detectar que algunas de las láminas tenían un espesor de apenas un átomo y, a pesar de todo, eran químicamente estables a temperatura ambiente.

“Lo que hizo muy popular al grafeno es que Geim y Novoselov lograron ponerlo al alcance de prácticamente cualquier laboratorio en el mundo, porque el equipamiento necesario para aislarlo es mínimo y el grafito es relativamente barato. Es un mensaje revolucionario, porque demuestra los avances que se pueden lograr con recursos materiales relativamente modestos”, explica Foa Torres.

Desde entonces, el grafeno estuvo bajo la lupa de la comunidad científica internacional. Es un campo de estudio que avanza a una velocidad sin precedentes. Sus posibles aplicaciones son innumerables: transistores ultra rápidos, pantallas táctiles, celdas solares, dispositivos electrónicos flexibles y sensores de gases. Hasta el presente, mediante métodos cuasi-industriales, se lograron crear planchas de más de medio metro de ancho de grafeno.

El paper original que Geim y Novoselov publicaron en “Science” fue citado en más de 6.000 oportunidades, además de ser uno de los trabajos que les valió el máximo reconocimiento científico.
Nada mal para Geim, un científico oriundo de Sochi, una localidad rusa sobre la costa este del Mar Negro, cuyo primer reconocimiento internacional le llegó en 2000 por haber hecho levitar una rana en un campo electromagnético. Con ese trabajo Geim y otros colegas ganaron un Ig Nobel en 2000, una distinción que parodia el premio que concede la Real Academia de las Ciencias de Suecia, y busca reconocer trabajos que primero provocan sonrisas, pero luego ayudan a la gente a pensar.

Los investigadores que colaboraron con los científicos de la UNC pertenecen al Institut für Theorie der Statistischen Physik, (RWTH Aachen University, Alemania), al Catalan Institute of Nanotechnology (Universidad Autónoma de Barcelona, España) y a la Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats (España). El estudio, publicado online en la prestigiosa revista “Applied Physics Letters” [http://link.aip.org/link/?APL/98/232103] y destacado en su portada digital en las “Highlights”, fue realizado por Hernán Calvo, Horacio Pastawski (FaMAF), Stephan Roche (Barcelona) y Luis Foa Torres (FaMAF).

Andrés Fernández
comunicacion@rectorado.unc.edu.ar
Andrés Fernández
Prosecretaría de Comunicación Institucional


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