La punta de un lápiz está compuesta de grafito, una forma alotrófica del diamante, el material más duro descrito hasta la fecha. Sin embargo, parece que el grafito cede ante la más mínima presión contra el papel y se desparrama por la hoja de celulosa. En realidad, ni cede ni se desparrama, sino que se exfolia en sucesivas capas hasta la más elemental de ellas, una capa transparente de un solo átomo de grosor que supera al diamante en dureza, densidad, resistencia a la temperatura y conductividad. Es el grafeno, el material a cuyas capas apiladas se ha llamado hasta ahora grafito. Su descubrimiento ha revelado sus futuras y revolucionarias aplicaciones tanto en la fabricación de pantallas táctiles y solares como en el desarrollo de procesadores hasta cien veces más potentes que los actuales de silicio. Sus descubridores recibirán el próximo mes el premio Nobel de Física 2010.
Grafito y grafeno
Imagen: CORE-Materials
El diamante es la forma cristalizada en que el carbono se encuentra en la naturaleza de modo más estable y mayoritario. Las grandes rocas de diamante o las pequeñas betas se aprecian tanto por su belleza como por sus propiedades de dureza y estabilidad ante la temperatura. Los resultados en el corte y en la talla son óptimos, por lo que consigue formas de extrema belleza que explican su precio en el mercado. También se usa para cortar otros materiales duros, como los metales.
Si el diamante se somete a condiciones excepcionales de presión y temperatura -condiciones que solo se pueden conseguir en un laboratorio especial o en las capas más bajas del subsuelo-, se transforma en un material negro y rugoso, una suerte de patito feo. Éste se conoce como grafito, un alótrofo -otra forma de presentación- del diamante. Ambos son carbono, pero su estructura es muy distinta.
Las capas apiladas de grafeno conforman la masa de grafito
Sin embargo, el grafito también tiene propiedades útiles para la industria, desde los lápices hasta los ladrillos y los crisoles, sin dejar de lado los electrodos, los pistones o los reactores nucleares. Es un excelente conductor eléctrico y resulta duro y resistente en determinadas condiciones. A la vez, mezclado con una pasta, tiene características de friabilidad, como en el caso de las puntas de los lápices, que parecen derramarse en las hojas y las manchan.
Su función consiste en dejar pequeñas capas de material intrincadas entre las fibras de celulosa, de modo que le dan el color característico al papel manchado. Estas capas son pilas de otras mucho más pequeñas del material elemental que conforma el grafito: el grafeno. Lo descubrieron hace pocos años dos científicos rusos, Andre Geim y Konstantin Novoselov, que experimentaban con una punta de lápiz a la que le pasaban cinta adhesiva para comprobar la composición del material que se quedaba pegado. Las muestras arrancadas con la cinta se extrajeron de ésta y se analizaron en microscopios para desvelar su configuración. Así se descubrieron las sucesivas capas atómicas que conforman el grafito.
Se llamó grafeno a la unidad elemental, que consiguieron extraer mediante métodos de laboratorio para estudiar sus particularidades. Entonces confirmaron, con sorpresa, que era un material nuevo, más duro que el diamante, transparente pero a la vez muy denso y un gran conductor de la electricidad. Es además un material muy flexible, pese a su dureza, y tiene una serie de propiedades que le hacen muy interesante.
Procesadores de grafeno
La primera de ellas es que su conductividad, superior a la del sílice, no desprende tanto calor ante el desplazamiento de los electrones por su superficie. De ello se deriva uno de sus principales usos: como procesador en dispositivos informáticos portátiles. Estos se han basado siempre en obleas de sílice -todavía lo están- y han registrado diversos problemas, sobre todo, en aparatos pequeños como los móviles y los ordenadores portátiles. Uno de ellos es el excesivo calentamiento por culpa del procesador, lo que deriva en pérdida de eficiencia y desgaste de los materiales.
Por el momento, los procesadores de grafeno no pasan de la fase de laboratorio, ya que se intenta conseguir un sistema de fabricación eficaz
La segunda cualidad notable del grafeno está muy relacionada con la primera: para que los electrones se desplacen por su superficie, se requiere menos energía de la que precisa el sílice. Por tanto, en un dispositivo portátil, un hipotético procesador basado en grafeno conseguiría un mayor ahorro energético y duración de la batería, además de un menor calentamiento. En diciembre de 2008, IBM anunció que había fabricado y caracterizado transistores que operaban a frecuencias de 26 ghz y, en febrero de este año, la misma compañía señaló que la velocidad de estos nuevos transistores alcanzaba los 100 ghz.
Pero por el momento los procesadores de grafeno no pasan de la fase de laboratorio, ya que todavía se intenta conseguir un sistema de fabricación de capas que sea eficaz y sin impurezas. Fuentes de empresas implicadas en su producción aseguran que en diez años pueden ser una realidad, lo que con toda probabilidad sería una nueva revolución tecnológica. De todos modos, algunos expertos aseguran que no sería comparable a la que ya supuso la aplicación del sílice a las tecnologías computacionales.
Imagen: ChemistryWorldUK
Otra de las características del grafeno que más ha llamado la atención es que, pese a su extrema dureza y densidad, sea un material de una flexibilidad extraordinaria. Esto se debe a que es un cristal de la finura del grosor de un átomo con un peso apenas perceptible. Se calcula que una capa de grafeno capaz de cubrir un estadio de fútbol pesaría del orden de un gramo. Si a esta ductilidad y ligereza se une su elevada conductividad electrónica, el grafeno se convierte en un gran candidato para las pantallas de los dispositivos del futuro.
Sus características de flexibilidad le permitirían plegarse y extenderse a gusto del usuario para mostrar tanto una gran pantalla en alta definición como una pulsera con información, en sus múltiples variantes. Por otro lado, combinado con la conocida comotinta solar, podría resultar un material adecuado para desarrollar paneles de energía solar que facilitaran que los dispositivos se recargaran a sí mismos, incluso en condiciones de baja luminosidad. Una compañía dedicada al desarrollo de proyectos de energías alternativas ha recibido ya por parte de una empresa de capital chino una inversión de 300 millones de dólares para investigaciones con tinta solar.
