La física del grafeno

A estas alturas todos sabéis que el premio Nobel de física de este año 2010 ha recaído sobre Andre Geim y Konstantin Novoselov por sus trabajos sobre el grafeno. Los medios de comunicación se han llenado la boca comentando las maravillosas propiedades del grafeno, y lo han colocado como un material completamente nuevo con un futuro más que prometedor, de modo que hoy toca bajar de las nubes y explicar qué es realmente el grafeno, cuándo se descubrió, cómo obtenerlo y para qué creemos que nos puede sirvir.

Definición y descubrimiento

El grafeno no es más que una red bidimensional de átomos de carbono. Suena extraño tener algo bidimensional en un mundo de tres dimensiones, pero realmente lo es, puesto que su espesor es de un único átomo. Así pues tenemos una serie de carbonos formando una red hexagonal, tal y como podéis ver en la simulación inferior, cuyo espesor es un único átomo.

Lo cierto es que el grafeno de material nuevo tiene bastante poco. El compuesto ya fue estudiado hace más de un siglo, llegándose incluso a calcular la estructura de sus bandas electrónicas, y lo que es más sorprendente, se llegó incluso a observar en 1948 con un microscopio electrónico de transmisión (TEM) la estructura de unas pocas láminas de grafeno ⁽¹⁾. Ahora ya se pueden obtener imágenes de una única lámina como es el caso de la siguiente fotografía tomada en el 2009 también con un TEM ⁽²⁾. Se observa perfectamente la red de hexágonos con una distancia interatómica de 0,14 nm, es decir, en un centímetro entrarían 140 millones de átomos de carbono. Esto implica una alta densidad de átomos y hace que ni siquiera el helio pueda atravesar la red de grafeno.

Y es que realmente lo único que apareció durante estos últimos años es el nombre del material, grafeno, que fue introducida por primera vez en 1994 para denominar a las monocapas de grafito, porque efectivamente, el grafito que tenemos todos en las minas de nuestros lapiceros no es más que la superposición de muchas capas bidimensionales de grafeno. Por tanto sí, has tenido entre tus manos el material que ha dado lugar al premio Nobel de física y ni te habías parado a pensar en ello. Y quizá sea esto lo que distinga a los buenos físicos de los que no lo son. A pesar de que el grafeno lleva con nosotros muchísimos años, Geim y Novoselov reciben el premio Nobel ahora porque lograron obtener en el 2004 una única capa de grafito, es decir grafeno, y medir algunas de sus propiedades eléctricas ⁽³⁾. Aunque sabiendo cómo obtuvieron esa lámina de grafeno a uno le surgen dudas sobre el asunto, y es que lo único que hicieron fue coger una cinta adhesiva y a base de repeticiones conseguir sacar del grafito una única capa de grafeno. En términos un poco más de andar por casa y de forma simplificada. Pintáis con lápiz en una hoja de papel, pegáis un poco de celofán y luego lo despegáis. En la pequeña capa que queda pegada en el celofán están vuestras láminas de grafeno. Sorprendente, ¿verdad?

Electrónica del grafeno

Ya hemos visto qué es el grafeno, cuándo se descubrió y cómo se obtuvo por primera vez. Por tanto nos queda hablar de sus propiedades. Lo cierto es que son realmente interesantes y pueden dar lugar a buenos resultados, pero está lejos de ser la panacea de la electrónica como muchos han dicho estos días.

La característica más interesante del grafeno tiene que ver con la conductividad eléctrica. Como ya sabéis, una forma de clasificar los materiales es según lo bien que conduzcan la electricidad: aislantes, conductores y semiconductores. Pues bien, resulta que el grafeno no es ninguna de las 3, sino que comparte características entre los conductores y los semiconductores. De hecho, en las simulaciones informáticas se puede ver como dependiendo del número de cadenas surge unas propiedades u otras. Antes de continuar me gustaría mostraros unas imágenes para explicaros algunos aspectos sobre la conductividad eléctrica ⁽⁴⁾.

La energía de Fermi (ε_F) se trata del nivel de energía máximo hasta el que llegan los electrones de un sólido. Las curvas parabólicas que se ven en las imágenes se conocen como bandas de energía. La inferior es la banda de valencia y la superior es la banda de conducción. Si el nivel de Fermi está en la banda de conducción nos encontramos ante un metal ya que los electrones circulan libremente por esta banda. En el caso de los semiconductores y los aislantes el nivel de Fermi está entre ambas bandas de conducción, y únicamente se diferencian en la anchura de la brecha, llamada gap o banda prohibida. En los semiconductores tenemos un gap no demasiado grande, lo que permite que si se les da la suficiente energía puedan conducir la corriente eléctrica; mientras que en los aislantes, donde el gap es mucho mayor, es necesario un aporte energético superior que dificulta la conducción.

En el caso del grafeno tenemos unas bandas con forma de cono, en lugar de paraboloides, y lo que es más importante, el nivel de Fermi está justo en la unión entre ambas capas. Esto implica que no hay gap y los electrones pueden saltar sin problema de la capa de valencia a la capa de conducción y facilitar en gran medida la conducción eléctrica. Se ha podido medir incluso la velocidad a la que se mueven los electrones en el grafeno arrojando unos resultados sorprendentes: se mueven a alrededor de 1000 km/s, tan sólo 300 veces inferior a la velocidad de la luz en el vacío.

Por estos motivos el grafeno es un material muy interesante para poder aplicar a la electrónica; pero, aparte de que todavía no somos capaces de fabricarlo de forma económica, es muy complicado utilizarlo ya que aún no conocemos sus propiedades a la perfección. El silicio es el semiconductor por excelencia usado en electrónica y a mi modo de ver le quedan muchos años. Además no solamente existe el grafeno como posible heredero del silicio, sino que también existe toda una física detrás de la electrónica molecular, en donde se utilizarían moléculas orgánicas para crear componentes electrónicos. Ya se han logrado realizar transistores FET orgánicos, aunque el principal logro actual son las pantallas OLED. Hay muchos físicos luchando en cada dirección, de modo que el futuro nos dirá quién será el sucesor del Silicio, si es que alguno de los dos lo es.

Como curiosidad también os diré que el grafeno es hasta ahora el único material en el que se ha observado el efecto Hall cuántico a temperatura ambiente, ya que con el silicio o el germanio era necesario enfriar las muestras a -269 ºC, sólo 4 grados por encima del 0 absoluto. Este hecho abre otra rama de investigación bastante interesante.

Propiedades mecánicas

En cuanto a las propiedades mecánicas, éstas también son bastante sorprendentes. Quizá la principal es la gran dureza que presenta a pesar de ser únicamente una capa de átomos, pues es más de 200 veces más duro que el acero. Para realizar las pruebas se utilizó un microscopio de fuerza atómica que “presionaba” perpendicularmente la hoja de grafeno para doblarla y obtener así su límite elástico. De estos experimentos ⁽⁵⁾ se concluyó que la constante elástica (indica lo que puede deformarse un cuerpo sin sufrir deformación permanente) del grafeno era enorme, pudiéndose estirar hasta un 10% de su tamaño normal de forma reversible; mientras que el resto de sólidos raramente llegan a un 3%. El principal motivo de esta característica es que el grafeno apenas presenta impurezas o defectos en su red.

Otra forma de ver este fenómeno es mediante el cálculo del módulo de Young. De los mismos experimentos ⁽⁵⁾ se desprende que éste vale para el grafeno 0,5 TPa, que es mucho más del doble que el acero o el silicio, aunque más de dos veces menor que el del diamante, que también está formado únicamente por átomos de carbono.

Este comportamiento del grafeno puede ser interesante para uso en nanotecnología ya que podría soportar grandes presiones apenas sin deformarse, que es algo parecido a lo que ocurre con los nanotubos, que no son más que hojas de grafeno enrolladas. Por ejemplo, una hoja de grafeno es capaz de soportar que se les coloque encima átomos mucho más pesados que el carbono, como por ejemplo el oro, prácticamente sin sufrir una deformación.

Resulta curioso que una única capa de grafeno sea tan dura y resistente, cuando el grafito, que no es más que una superposición de capas de grafeno se rompe con tata facilidad. El motivo es sencillo. En el grafito, las capas de grafeno se encuentran unidas por fuerzas de Van der Waals, que son fuerzas mucho más débiles que las uniones covalentes entre los carbonos.

Conclusión

Después de leer todas estas propiedades del grafeno creo que podemos hacernos una idea de lo maravilloso de este material y, por tanto, del motivo de la concesión del premio Nobel. Evidentemente hay muchas más propiedades y hay mucha más física detrás de cada una de ellas de lo que yo he comentado aquí de forma divulgativa, pero a mi modo de ver son de sobra suficientes para informar a todos aquellos que buscaban saber qué es el grafeno, y para que todo aquel que quiera indagar un poco más sobre el grafeno tenga una base para hacerlo.

Para terminar me gustaría destacar que no se si estaréis igual de impresionados que yo cuando descubrí las fantásticas propiedades del grafeno, pero lo cierto es que nos abre una cantidad inmensa de campos de investigación; y no sólo para entender físicamente el grafeno, sino también para posibles implementaciones en nuevas tecnologías que den lugar a nuevos dispositivos, y quién sabe, quizá también a una nueva física de los materiales.

Saludos

Bibliografía

1. Artículo donde se observó por primera vez el grafeno. Höchstlamellarer Kohlenstoff aus Graphitoxyhydroxy
2. Imagen del grafeno con TEM: Dato et al., Chem. Commun., 2009, 6095 – 6097
3. Primer artículo de Novoselov y Geim que posteriormente da lugar al Nobel (Octubre 2004): Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films
4. Imagen de las bandas de energía: Electrónica del grafeno. José González Carmona, Mª Ángeles Hernández Vozmediano y Francisco Guinea. Investigación y Ciencia. Septiembre 2010.
5. Artículo sobre propiedades mecánicas del grafeno. Mechanical properties of suspended graphene sheets. Frank et al. American Vacuum Society (diciembre 2007)