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Elsa Prada nos explica qué es el grafeno, el material del futuro

10/03/2011
Elsa Prada

El pasado 5 de octubre se anunciaba el premio Nobel de Física 2010 concedido a Andre Geim y Konstantin Novoselov, dos físicos de origen ruso afincados en Europa. El motivo, los “rompedores experimentos sobre un nuevo material bidimensional llamado grafeno”, que este par de científicos geniales habían llevado a cabo en la Universidad de Manchester, Inglaterra.

Entre las claves de su éxito se encuentra el espíritu aventurero de sus protagonistas, que quisieron buscar en una dirección diferente a la del resto de sus colegas, incluso desafiando ideas preconcebidas. Por otro lado, y no menos importante, la actitud abierta y comunicativa que desde el principio han mantenido ambos laureados, dando a conocer sus resultados y regalando muestras experimentales a quienes quisieran investigar sobre ellas. Su descubrimiento, unido a un esfuerzo monumental por parte de la comunidad científica internacional, han llevado al grafeno a convertirse en cuestión de pocos años en uno de los materiales con más potencial para el futuro.

Elsa Prada, investigadora del CSIC y antigua alumna de la UAM, nos explica algunas cuestiones básicas sobre el grafeno y nos habla de su trabajo como investigadora en este campo.

¿Qué es el grafeno?

Es un material bidimensional compuesto de átomos de Carbono. Los átomos se encuentran unidos entre sí por fuertes enlaces covalentes formando una red hexagonal (los podemos imaginar colocados en los vértices de una red tipo panal de abejas). Es la membrana más fina posible, pues su grosor es de tan sólo un átomo, y tiene la apariencia de una tela transparente y flexible, a la par que extremadamente resistente y conductora de la electricidad.

¿Dónde se encuentra?

De forma natural, el grafeno se encuentra en el grafito, material que encontramos cada día en las minas de los lápices. El grafito es una de las varias estructuras a las que da lugar el Carbono. El Carbono, del que está hecho el grafeno, es un elemento fascinante, pues si bien es muy común (nosotros mismos estamos compuestos en gran parte de Carbono), es capaz de dar lugar a muy diversos materiales tan sólo cambiando la forma en la que unos átomos se unen a los otros. Cuando se empaqueta densamente en una estructura tridimensional, tenemos un diamante. Cuando se organiza en una serie de capas bidimensionales débilmente unidas entre sí, tenemos grafito. Cada una de esas capas es grafeno. Estructuras un poco más sofisticadas se producen cuando esas capas bidimensionales se enrollan sobre sí mismas y generan nanotubos unidimensionales, o cuando se forman pequeñas pelotitas (cerodimensionales) llamadas fullerenos.
También es posible generar grafeno de forma artificial, por ejemplo creciéndolo a partir de un sustrato (carburo de silicio), o depositando un gas de átomos de Carbono sobre un metal, como el cobre.

¿Cómo y cuándo se sintetizó por primera vez?

El grafeno se sintetizó por primera vez en 2004, en la Universidad de Manchester, Reino Unido, a manos de los profesores Andre Geim y Konstantin Novoselov. El grafeno nació en uno de los experimentos que Geim y sus colaboradores denominan “los experimentos del viernes por la tarde”. Éstos son los experimentos que hacen sobre temas poco ortodoxos, temas difíciles de justificar ante un organismo financiador. Por eso, Geim, Novoselov y colaboradores, una vez que el trabajo más estándar ha sido concluido, se permiten el lujo de investigar sobre ideas arriesgadas, “locuras” que normalmente no llegan a buen puerto. Sin embargo, y como son muy listos, saben que, si se da la suerte de que el experimento funcione, lo que sale de él puede ser importante e incluso, revolucionario. Esto es lo que sucedió con el grafeno. Geim tenía la idea de producir el metal más fino posible, pues sabía que si se encontrase, podría ser muy útil para la nanoelectrónica. Así que, basándose en su experiencia, decidió buscar en el grafito, tratando de llegar a una sola capa de este material laminar. Ésta no era una tarea nada fácil, pero fue a Novoselov al que se le ocurrió cómo hacerlo. El método, realizado en un laboratorio de alta tecnología, es en realidad bastante rudimentario. Consiste en “pelar” la superficie del grafito con la ayuda de una cinta celo. Se pega el celo sobre la superficie de la muestra y se tira con fuerza. Pegadas a la cinta quedan muchas laminillas de este material, entre ellas monocapas y bicapas de grafeno. Después se depositan sobre óxido de silicio y, como son muy pequeñas, se buscan con la ayuda de un microscopio óptico, tarea para la que, sobre todo al principio, se necesitaba bastante paciencia. Hoy en día esta técnica se ha depurado y se conoce como el nombre de “exfoliado” del grafito.

¿Por qué no se había considerado su importancia hasta ahora?

Para comprender desde un punto de vista teórico el grafito y sus derivados, los físicos llevaban cincuenta años estudiando las propiedades matemáticas del grafeno. Una de esas propiedades era precisamente la de que el grafeno no debería existir, es decir, se pensaba que si se consiguiese aislar una sola capa de grafito, estaría tan llena defectos que no podría considerarse una red cristalina, y por lo tanto un material propiamente dicho. Sin embargo, la gran sorpresa llegó en 2004 cuando Geim, Novoselov y colaboradores no sólo consiguieron aislar una de estas capas, sino prepararla en el laboratorio para poder hacer medidas de transporte electrónico (algo fundamental para construir un chip).
Curiosamente, antes del descubrimiento, ya existían experimentos en los que, de forma involuntaria, se generaban capas de grafeno sobre algunos metales. Pero por entonces, estas capas eran consideradas como contaminación de las muestras, y los investigadores trataban de deshacerse de ellas de la mejor manera.

¿Qué papel habéis jugado los investigadores de tu grupo en el desarrollo de la investigación en el grafeno en España?

Nosotros somos físicos teóricos, y dentro del grafeno investigamos sus propiedades desde un punto de vista fundamental y también para posibles usos en nanotecnología. Como teóricos, explicamos las características que ya han sido medidas y que por ejemplo todavía no se entienden, y también proponemos nuevas ideas para que se realicen experimentalmente. En particular, en España existe un grupo teórico muy importante que estudia sobre grafeno desde hace muchos años en el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, España, al que tengo la suerte de pertenecer. Entre sus investigadores de renombre están Paco Guinea, experto mundial sobre grafeno y colaborador habitual del los Nóbeles, María Ángeles Vozmediano y Luis Brey. Todos ellos son muy apreciados por sus importantes contribuciones al desarrollo de este material y sin duda hacen de Madrid, y de España en general, un lugar atractivo a nivel internacional para trabajar en este campo.

¿Qué particularidades físicas tiene el grafeno que lo diferencia de otros materiales con aplicaciones similares?

El grafeno tiene lo que los físicos llaman una “movilidad” extraordinaria. Esto es, los electrones son capaces de moverse (y por tanto transmitir la corriente eléctrica de un punto a otro) a gran velocidad y con pocos choques. Además lo hacen de forma “coherente” a lo largo de distancias bastante largas, lo cual es útil para aplicaciones de nanotecnología basada en la física cuántica, para la espintrónica, etc. A la par que buen conductor, también es especialmente resistente, flexible y transparente, lo que lo hacen un material excepcional para su uso como electrodo transparente (por ejemplo como recubrimiento de pantallas táctiles, células solares, etc.). Es además estable a temperatura ambiente, le afecta poco la contaminación, pero a la vez es muy sensible a otros elementos químicos, lo cual lo hace ideal para sensores, incluso para decodificar el ADN. Por su ligereza y resistencia se piensa que también puede ser útil como material de construcción en edificios o en aviones. Como es muy denso (ni siquiera los pequeños átomos de Helio pueden atravesarlo), sirve para aislar unas zonas de otras y se piensa que puede ser útil en el empaquetado de medicinas y alimentos. También destaca en el campo de las baterías, pues se puede usar como base para fabricar supercondensadores que se cargan en cuestión de milisegundos.
Como puede verse, el grafeno es posiblemente uno de los materiales más versátiles que existen.

¿Qué aspectos del grafeno encuentras tú particularmente interesantes para tu investigación?

La teoría física que describe el grafeno a bajas temperaturas está basada en la ecuación de Dirac, la ecuación que gobierna los fermiones sin masa y que normalmente se encuentran en el mundo de las altas energías, como las partículas que se buscan en el gran acelerador LHC. Esto significa que el grafeno no se rige por la física de materiales más convencionales como los metales normales y los semiconductores (descritos típicamente con la ecuación de Schrödinger). La física asociada a la ecuación de Dirac es muy exótica y un físico teórico puede realmente deleitarse en ella. Lo cierto es que es una suerte encontrar este tipo de física en un material tan “modesto” como es el grafeno, en el sentido de que es un material que se puede fabricar y experimentar con él en laboratorios de universidad. En particular, a mí me interesan mucho las propiedades del grafeno basadas en la “quiralidad” de los electrones que se mueven a través de él. También me interesan sus propiedades elásticas, y como éstas afectan a la conducción de los electrones.

¿En qué propiedades del grafeno estás trabajando actualmente?

Actualmente trabajo en varios temas dentro del grafeno: su uso en bombeo electrónico cuántico, en diodos Zener, sus propiedades magnéticas y elásticas (por ejemplo haciendo estructuras plegadas), en heteroestructuras compuestas de grafeno unido a superconductores, en sus propiedades de aislante topológico, etc.

¿Cómo relacionarías los conocimientos que adquiriste durante la carrera de física con el trabajo que realizas ahora como investigadora en el CSIC?

Los conocimientos que adquirí durante la carrera no están directamente relacionados con mi investigación actual, sin embargo, sentaron la base de mis conocimientos sobre física en general, totalmente imprescindibles para poder construir sobre ellos. Lo que aprendí, además, estructuró mi forma de pensar, ordenó mi cabeza, me enseñó a entender los fenómenos como los aborda un físico, a hacerme las preguntas adecuadas para entender profundamente propiedades físicas. También me entrenaron muy bien a solucionar problemas físicos, a adquirir las habilidades matemáticas necesarias para resolverlos, a buscar información e inspiración en libros. Me acostumbré al método de trabajo de nuestro actividad, al método científico. Por otro lado, lo que sí está directamente relacionado con mi trabajo actual es la experiencia investigadora y los conocimientos que adquirí durante mi doctorado en la UAM. Aprendí, propiamente, a investigar. En particular, me especialicé en la física de la materia condensada, en la física de materiales. Aprendí técnicas propias de nuestro campo, cuáles son los temas más relevantes, y mejor aún, los no resueltos o no explorados, las herramientas informáticas para solucionar problemas, para estar enterado de qué se ha publicado, cuáles son los grupos de investigación de mi campo y qué hacen, etc. También algo muy importante, aprendí a colaborar con otros físicos.

¿Qué aplicaciones puede tener este tipo de investigación en la industria y en el avance tecnológico?

Muchos de los temas de investigación en la Universidad y en el CSIC, sobre todo en el ámbito teórico, no suelen tener una aplicación directa en la industria, y si la tienen, es a muy largo plazo. Sin embargo, el grafeno es una excepción en este sentido. Con su corta vida (recordad que se sintetizó por primera vez en el 2004), es un material con un gran potencial en cuanto a aplicaciones tecnológicas. Algunas ejemplos son: recubrimiento de pantallas táctiles flexibles, células solares, súper-baterias, sensores químico, componente en nanobiología, componente de materiales mecánicamente súper-resistentes y ligeros, empaquetamiento de medicinas y alimentos, resonadores microscópicos de alta frecuencia, transistores de alta frecuencia, etc.

¿Estamos ante uno de estos nuevos hallazgos en al campo de los materiales que, como el silicio, abren nuevas puertas al desarrollo de las tecnologías?

Desde mi humilde opinión, sin ninguna duda. Hoy por hoy hay muchas expectativas sobre posibles usos prácticos del grafeno a corto plazo. Gracias al gran interés que ha suscitado en la comunidad científica por sus extraordinarias propiedades, muchos investigadores en todo el mundo se han dedicado a su caracterización y a la propuesta de dispositivos tecnológicos. También a la importante tarea de su producción a gran escala y a bajo coste. Esto ha hecho que se avance a pasos agigantados en la dirección de hacer del grafeno un material útil para la sociedad. Con tan sólo siete años de vida, el grafeno ya está en los laboratorios de empresas como Samsung e IBM, dando sus primeros pasos para poder salir al mercado en un futuro cercano. Yo soy muy optimista al respecto.

Autor/a

Elsa Prada cursó la carrera de Física (especialidad: Física Teórica) en la Universidad Autónoma de Madrid (UAM). Después de licenciarse en 1999, trabajó durante un año en el departamento de tecnologías ópticas en Telefónica de España. Tras este periodo decidió volver al mundo académico y comenzó su doctorado en la UAM, bajo la dirección del profesor Fernando Sols, en el departamento de Física Teórica de la Materia Condensada. Realizó su tesis doctoral en Información y Comunicación Cuántica, en particular, en el estudio de generación y detección de enredo electrónico no local en nanoestructuras, y la influencia sobre el enredo de la decoherencia. Tras una baja maternal, consiguió una beca Marie Curie en 2005 y fue a trabajar con el profesor Gerd Schön a la Universidad de Karlsruhe, Alemania, en 2005. Allí acabó la tesis (2006) y realizó su primer periodo de post-doctorado. Por entonces hacía poco tiempo que se había sintetizado por primera vez un nuevo y revolucionario material, llamado grafeno, que había despertado un gran interés en la comunidad científica en general, y en particular en los físicos de materiales. Elsa decidió meterse de lleno en su estudio para tratar de caracterizar, desde un punto de vista teórico, sus propiedades electrónicas y elásticas. En 2008, y tras una segunda baja maternal, consiguió otro contrato Marie Curie y fue a colaborar con el profesor Henning Schomerus a la Universidad de Lancaster, Reino Unido, uno de los lugares más activos en la investigación sobre grafeno en Europa. Allí realizó un segundo post-doc donde profundizó en el estudio de este material. En 2009 regresó a España, al grupo del profesor Luis Brey en el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (CSIC), con un contrato JAE-doc. Desde entonces ha seguido investigando sobre grafeno además de otros materiales, como los aislantes y los superconductores topológicos.