Materiales del futuro I: Grafeno

Hoy vamos a centrar nuestra segunda entrada en un nuevo e innovador material que va a revolucionar la tecnología del futuro, destinado entre otras aplicaciones a pantallas de grosor milimétrico.

El grafeno es una sustancia que presenta una estructura atómica laminar plana de un átomo de grosor, formada por átomos de carbono que forman una red cristalina en forma de panel de abeja mediante enlaces covalentes.

Estructura atómica del grafeno

La hibridación de los orbitales atómicos tipo sp² explica los ángulos de enlace (120º) de la estructura hexagonal (cada átomo de carbono enlaza con otros tres átomos de carbono con una estructura trigonal plana). Cada uno de los carbonos posee cuatro electrones en su capa de valencia en el estado hibridado. Tres de esos electrones se alojarán en los híbridos sp², formando una estructura de enlaces covalentes simples (enlaces de tipo sigma, o de superposición frontal, con los orbitales híbridos sp² de los otros átomos de carbono) y el electrón sobrante se alojará en un orbital atómico de tipo p puro (no hibridado) perpendicular al plano de los orbitales híbridos.

 Orbital híbrido sp2

El grafeno es el componente estructural básico de muchos compuestos de carbono (los denominados "grafíticos"), como el grafito, los nanotubos de carbono y los fulerenos. De hecho, la estructura del grafito consiste en una pila de un gran número de láminas de grafeno superpuestas. Los enlaces entre las distintas capas de grafeno se deben a las fuerzas Van der Waals y a los enlaces entre los orbitales de tipo p no hibridados.
Las propiedades más características del grafeno son:
  - Gran conductividad, tanto eléctrica como térmica. Efecto Joule (calentamiento al conducir la electricidad) escaso.
  - Elasticidad, dureza y resistencia enormes.
  - Soporta la radiación ionizante.
  - Ligero (tanto como la fibra de carbono) y flexible.
  - Consume menos electricidad que el silicio, para una misma tarea.
  - Los electrones que circulan por el grafeno se mueven a una velocidad constante (10⁶ m/s) independientemente de su energía, como los llamados "fermiones de Dirac". Este comportamiento fue predicho teóricamente hace medio siglo.
  - Presenta el llamado "efecto Hall": la conductividad perpendicular a la corriente toma valores discretos. Su conductividad nunca puede ser cero.
   - Los electrones del grafeno pueden moverse libremente por toda la lámina (no presenta el efecto de localización de Anderson).
  - Es transparente casi por completo.
  - Su densidad implica que ni siquera el átomo de helio (el más pequeño de todos) pueda atravesarlo.

El Nobel de Física 2010 ha sido otorgado a Andre Geim y Kostya Novoselov, debido a su trabajo con el grafeno. Éstos consiguieron aislar capas de grafeno a partir del grafito de una forma poco ortodoxa, y como tantos otros descubrimentos científicos, casi por casualidad: estudiando el grafito, pegaron celo en su superficie, para después quitarlo y así eliminar las impurezas. Pero pronto se dieron cuenta de que, además de las impurezas, al celo se adherían capas sueltas de grafeno.
Las aplicaciones del grafeno son muchas y muy variadas, debido a sus extraordinarias propiedades: desde chalecos antibalas (es más resistente y ligero que el kevlar, el material que se utiliza actualmente) y placas solares mucho más eficientes que las actuales hasta procesadores de cientos de GHz (los especialistas de la universidad de la UCLA han logrado desarrollar un procesador de 300GHz, mucho más que cualquier otro fabricado en silicio. Más info: http://www.tendencias21.net/Logran-un-transistor-de-grafeno-de-300-GHz_a4804.html)

Grafeno vs. Silicio

La aplicación más destacada del grafeno es la electrónica. Podrá ser utilizado para construir pantallas táctiles, procesadores de velocidades extraordinarias, ... Esto permitirá crear un nuevo tipo de equipos: más ligeros que un portátil, más potentes que un teléfono móvil (y con una pantalla más grande). Imagina: una pantalla enrollable, ligera, táctil y con una capacidad de procesamiento muy superior a la de cualquier ordenador de sobremesa. ¿Un sueño? No del todo: Samsung, con la ayuda de la universidad Sungkyunkwa, de Corea del Norte, espera tener los primeros prototipos de ordenadores táctiles y enrollables para 2011.

Sólo nos queda esperar a que los primeros ordenadores de grafeno comerciales salgan a la luz. Velocidad y portabilidad, todo un sueño.

Fuentes:

es.wikipedia.org

www.grafeno.com

www.tendencias21.net

www.quo.es

Manu Gutiérrez

Leandro Mesas