Grafeno:
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Necesitamos materiales fuertes, con propiedades específicas, controlables, ligeros, baratos, para construir las necesidades (pocas) y los caprichos (muchos) de una vida rica ahora, y en el futuro.
Empezamos utilizando piedras, de sílex preferentemente, como herramientas. Pero su misma capacidad para desprender lascas las convertía en algo que había que desechar con mucha frecuencia.
Pasamos a utilizar metales, pero por mucho que se forjaban, seguían siendo frágiles y se mellaban con tal frecuencia que había que estar afilándolos constantemente.
Hoy tenemos materiales sintéticos enormemente resistentes (incluidos los diamantes) pero aun así sus propiedades quedan lejos de las esperables en teoría.
Las fuerzas entre los átomos y las moléculas son las fuerzas eléctricas, que son inmensas. Pero de esas fuerzas estamos utilizando sólo, en los mejores materiales, un 10%.
El problema son los fallos en las estructuras atómicas que invalidan, en ciertas regiones, esas fuerzas. Así, un material como el acero, al fraguar y convertirse en sólido, y aún tras toda clase de tratamientos, tiene en su estructura átomos no alineados, dislocaciones y microfracturas, y eso hace que las fuerzas interatómicas no actúen con toda su fuerza en esos puntos del material que puede quebrarse, como lo hacía el siles, en esa región.
Para disponer de estructuras con las fuerzas macroscópicas que correspondan a las inmensas fuerzas microscópicas, necesitamos que no haya errores en las disposiciones geométricas de las estructuras atómicas.
Y para hacer esto necesitamos crear estructuras en una o dos dimensiones, fibras o superficies. ¿Se han planteado ustedes por qué no puede haber vida en dos dimensiones?
Todos los seres vivos necesitan el equivalente de un tubo digestivo, de la boca al ano, o en las plantas, los tubos de la savia. El cuerpo puede rodear ese tubo, porque es de tres dimensiones, pero esto no es posible en dos, ni mucho menos en una dimensión. Un tubo digestivo o de transmisión de savia en dos dimensiones parte al ser vivo en dos conjuntos disjuntos. En dos seres ya no vivos. En dos dimensiones no se puede establecer un enlace a través del ''tubo'' entre los dos lados. Ese enlace detiene sin remisión el flujo en el tubo.
Necesitamos pues tres dimensiones pero en tres dimensiones las estructuras tienen, todas, defectos.
En dos dimensiones, si existe un defecto, la estructura desaparece, se parte, se fracciona, y lo mismo pasa en una dimensión.
Los hilos de araña, la seda de las mariposas de la idem, son fortísimos, pues son casi lineales.
Si conseguimos construir una superficie no puede tener defectos, tendríamos dos superficies. Una superficie estricta es inmensamente fuerte, y al mismo tiempo, puesto que no deja electrones libres, es perfectamente aislante en la dirección perpenticular a la misma y un conductor perfecto en la dirección paralela, y no ofrece rozamiento.
Esto es el grafeno. Su nombre simula al de grafito, es decir, carbón duro. El grafito, mezclado con barro (arcilla), es lo que son las minas de los lápices. El nombre proviene de ''piedra de hacer grafos'' de escribir.
El grafeno son superficies bidimensionales de grafito, enlaces de átomos de carbono en estructuras hexagonales planas. Al no tener defectos, la fuerza de toda la estructura es la fuerza eléctrica entre los átomos. La fuerza eléctrica crece al disminuir la distancia entre las cargas como el inverso de esa distancia al cuadrado.
La fuerza gravitatoria entre dos masas de un kilo a un metro de distancia es 0,000000000067 Newtons (N). La fuerza entre dos cargas eléctricas unidad separadas un metro es 9.000.000.000, nueve mil millones de Newtons. La fuerza que podemos hacer los seres humanos es el equivalente de levantarnos cogiendo una barra a dos metros del suelo, o de dar un salto sobre el mismo. Si nuestra masa es de 70 kilos la fuerza que hacemos es de 700 N. Los más pesados algo más, los asténicos algo menos, pero alrededor de 700 N.
El cociente entre las fuerzas eléctricas y las gravitatorias es de unos 100 trillones. No lo notamos porque las cargas eléctricas positivas y negativas se compensan casi exactamente, pero las fuerzas eléctricas son inmensas.
Las superficies de grafeno, que no pueden tener defectos al ser bidimensionales (si los tienen se rompen en otras superficies) son 200 veces más fuertes que el acero, un millón de veces más finas que el vello humano, y representan el material con mejor conductividad eléctrica del mundo. Forma barreras perfectas, ni siquiera el helio (neutro eléctricamente) puede atravesarlo sin romperlo.
Es una revolución en la ciencia y la tecnología de materiales.
Los seres humanos estamos trabajando ya a escalas atómicas, y esto nos da unas posibilidades gigantescas para el objetivo de construir nuestras necesidades y caprichos.
Como escribo cada semana en este blog, y con frecuencia en otros blogs y otros lugares, la tecnología humana nos da soluciones para casi todos los problemas que nos presenta la vida.
El no resolver esos problemas no es cuestión de no poder hacerlo, sino de no quererlo.
La ciencia es el resultado de la razón y la inteligencia humana. La barrera para su utilización es la genética vital. Los genes construyen estructuras que favorecen su duplicación en ambientes muy diversos. Las bacterias, por ejemplo, necesitan, por lo general, ambientes líquidos. Para superar ese problema y extenderse a ambientes secos, los genes produjeron ''pieles'', envolturas impermeables que permitían a esas bacterias colonizar ambientes secos sin perder el agua interior. Pero los genes sólo hicieron eso para poder duplicarse capturando energía en otros entornos distintos de los charcos primigenios. Y así hasta el ser humano.
Pero la compleja construcción que somos los humanos, finalmente no es más que una herramienta de los genes para duplicarse en entornos muy variados, incluso en medio del vacío y casi ilimitado espacio exterior.
Puesto que los genes no hacen otra cosa que duplicarse, la estructura social humana, si se deja llevar por los impulsos genéticos, lo único que trata de hacer es destrozar a los demás genes para duplicar los propios. Cada persona sus genes, cada grupo, cada tribu, los suyos. El resultado es genéticamente (recordemos el génesis) perfecto, pero humanamente una tremenda tragedia.
A los genes de Hitler, a los de Stalin, quizás hoy a los de Trump y colegas, lo único que les importa(ba) es (era) su duplicación. Si desaparecían millones de personas, mejor. Más espacio para los genes propios.
Pero los genes sufrieron un error. Una mutación inesperada creó la inteligencia. Con ella podemos, si queremos, superar las matanzas, las subyugaciones, las esclavitudes, y funcionar como seres inteligentes, cooperando, produciendo lo necesario e incluso lo superfluo para todos, sin destrozarnos, sin destrozar al resto de seres vivos, sin destrozar el entorno.
Estamos hoy en una encrucijada crítica. Los genetistas, los tribales, las tribus, están planteando la batalla sangrienta y real, con matanzas, que es la única forma que conocen los genes, contra la inteligencia y la razón. La tribu ha triunfado en Inglaterra, puede triunfar en EEUU, está en tablas en Oriente, no porque sea una guerra entre genética e inteligencia, sino la destrucción secular, milenaria entre tribus.
El resultado está en nuestras manos. Estamos en una bifurcación del camino.
Podemos elegir el grafeno, o el grafito y las lascas de silex.
¿Qué elegimos?
(Antonio Ruiz de Elvira, El Mundo, 27/07/2016)
Cuando era pequeño, el ingeniero Tomás Palacios vio una película de ciencia ficción que le impresionó. En El viaje fantástico, un submarino es reducido hasta tener el tamaño de una célula biológica para introducirlo en la sangre y reparar daños en el cuerpo humano. «Aunque hoy en día podemos almacenar mucha información en un espacio mínimo, no es nada comparado con lo que hace la naturaleza con el ADN», asegura Palacios, director del Centro del Grafeno y Materiales Bidimensionales del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT).«El sistema más pequeño que podemos hacer hoy en día basado en electrónica de silicio tiene un volumen de aproximadamente un milímetro cúbico, pero la naturaleza fabrica microsistemas (por ejemplo, los glóbulos rojos de la sangre) que son diez millones de veces más pequeños, de aproximadamente 100 micrometros cúbicos». Según Palacios, los materiales bidimensionales como el grafeno, es decir, aquellos que son extremadamente delgados porque sólo tienen unos átomos de grosor, podrían ser la clave para que los ingenieros logren desarrollar en el futuro dispositivos que nos acerquen un poco más a la naturaleza.
«Dedico mucho tiempo a pensar cómo va a ser el futuro de la electrónica, qué es lo que va a venir», asegura el ingeniero andaluz, convencido de que lo que tenemos ahora es sólo una pequeña parte de lo que es posible. «Tenemos electrónica en nuestros teléfonos móviles y ordenadores, pero mi chaqueta, esta mesa o las paredes de esta sala no tienen nada de electrónica», señala. El objetivo que él y muchos otros investigadores de todo el mundo tienen en mente es idear maneras de introducirla en los objetos que usamos en nuestra vida cotidiana, en las paredes, en los techos o las ventanas. Lograr, en definitiva, lo que ellos denominan electrónica ubicua.
Un empleado de la empresa Graphenea, en el País Vasco, especializada en la producción de grafeno. JUSTY GARCÍA KOCH
Un sueño que «no es posible hacer realidad con la electrónica actual, basada en el silicio, que tiene unos procesos de fabricación muy costosos», explica el catedrático en el Departamento de Ingeniería Electrónica y Ciencias de la Computación del MIT. «Para lograr cubrir todos los objetos con electrónica», propone, harán falta nuevos materiales con propiedades extraordinarias y nuevos procedimientos para fabricarlos, pues es imprescindible que su producción sea rápida y barata. Y en eso están. Los avances logrados hasta ahora y los retos que quedan por resolver -significativos todavía- fueron presentados durante el simposio internacional sobre materiales bidimensionales celebrado recientemente en la Fundación Ramón Areces de Madrid.Y es que desde que el grafeno fue sintetizado por primera vez en 2004 (un descubrimiento por el que los investigadores de origen ruso Andre Geim y Konstantin Novoselov recibieron el Nobel de Física en 2010), científicos de todo el mundo trabajan en su desarrollo y en el de una nueva generación de materiales bidimensionales. Servirán para complementar al grafeno, que es extremadamente delgado (sólo tiene un átomo de grosor), conduce la electricidad mejor que ningún otro material conocido, es muy resistente, no se rompe, es flexible y transparente.Un centenar de materiales bidimensionalesYa se conocen alrededor de cien materiales bidimensionales y, según apunta Palacios, hay estudios que sugieren que podrían llegar a un millar. «Están surgiendo continuamente materiales bidimensionales nuevos porque las combinaciones posibles se han disparado. Es algo sorprendente, personalmente no creí que iba a haber tanta variedad», admite Francisco Guinea, investigador del Instituto Madrileño de Estudios Avanzados (IMDEA).El nitruro de boro hexagonal, por ejemplo, es uno de los mejores aislantes que se conocen. No deja pasar la electricidad y, al mismo tiempo, ayuda a mejorar las propiedades del resto de materiales bidimensionales. Muchos prototipos están basados en el disulfuro de molibdeno, que existe en la naturaleza y tiene propiedades parecidas al silicio. Otro material muy prometedor es el fosforeno o fósforo negro, que «está hecho de átomos de fósforo y es muy interesante de cara a la fabricación de dispositivos que permitan la visión nocturna», dice Palacios. «Estos materiales nos van a permitir expandir los usos de la electrónica que tenemos hoy en día, aunque no creo que vayamos a dejar de utilizar el silicio», asegura. El plan es combinarlos: «Por ejemplo, el grafeno es un material ideal para transmitir señales eléctricas, pero no funciona demasiado bien cuando se intenta fabricar transistores, interruptores que controlen la corriente eléctrica. Es decir, transmite muy bien la información pero no es muy bueno para controlar esa información. Ahí entraría el disulfuro de molibdeno», señala Palacios.Perfeccionar el grafeno Otra línea de trabajo consiste en perfeccionar el grafeno, añadiéndole propiedades y corrigiendo sus defectos, algo así como intentar hacer un material a la carta. «El grafeno no es magnético y es una pena, así que intentamos introducir magnetismo en él», explica Iván Brihuega, físico experimental de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM). Para lograr introducir «momentos magnéticos», como dicen ellos, se quita un electrón p de la capa de grafeno.Existe un gran interés en todo el mundo por investigar y desarrollar todo el potencial del grafeno. La UE, por ejemplo, ha destinado 1.000 millones de euros a través del proyecto Graphene Flagship para incentivar su desarrollo en 10 años. Pero, ¿es realmente un material tan extraordinario como se dijo cuando fue sintetizado? Francisco Guinea cree que sí: «Yo hago ciencia fundamental y hay descubrimientos enormes cuando se produce una especie biológica o una galaxia exótica. El grafeno es algo similar. Es algo que no se esperaba. Nadie se imaginaba que la naturaleza daba lugar a estos materiales. Desde el punto de vista del conocimiento de la naturaleza, de la ciencia básica, ha sido algo enorme. Sus aplicaciones también se están disparando», asegura.AplicacionesYa hay en el mercado algunos productos que incorporan grafeno, como pinturas, tinta electrónica, baterías que se cargan más rápidamente o raquetas de tenis. Como anécdota, hay incluso una cerveza que, según sus fabricantes, contiene grafeno, aunque los científicos desconocen las propiedades que se le atribuyen. Pero las principales aplicaciones del grafeno, según coinciden los investigadores que trabajan en su desarrollo, están por llegar. «Es cierto que el grafeno mejora la distribución del peso y la resistencia en la raqueta, pero es una aplicación de bajo nivel. Lo que esperamos es que estos materiales con características electrónicas únicas den lugar a dispositivos electrónicos y optoelectrónicos únicos. No aspiramos simplemente a mejorar un poco ciertos aspectos, sino que mejoren mucho y que cambien la tecnología», explica Pablo Jarillo-Herrero, investigador del MIT.«La mayoría de los científicos creía que era imposible fabricar materiales bidimensionales termodinámicamente estables», recuerda Frank Koppens, investigador del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO), en Barcelona. Koppens, que lleva más de 12 años trabajando con grafeno para intentar aprovechar al máximo sus características, considera que su potencial económico «es enorme». «Nuestra misión es llevar el grafeno del laboratorio a la industria y la sociedad», resume.¿Cuándo veremos todas esas aplicaciones? «Yo creo que hay que esperar entre 10 y 20 años para que estos materiales estén más presentes», señala Jarillo-Herrero. No obstante, considera que es difícil predecir cuándo se generalizarán los dispositivos electrónicos fabricados con grafeno, como teléfonos y tabletas flexibles, porque «no sólo tienen que ser buenos y que funcionen bien, sino más baratos que otras tecnologías».«Hay una empresa china que comercializa teléfonos móviles en los que la pantalla está basada en grafeno, pero es rígida. El grafeno se usa para introducir la corriente eléctrica en la pantalla. Creo que faltan 4 o 5 años para que haya una tableta flexible. Históricamente suelen hacer falta unos 20 años para que un nuevo material tenga un éxito absoluto a nivel comercial. Hay muchos ejemplos de ello», apunta Tomás Palacios.
Tomás Palacios (i) y Pablo Jarillo-Herrero, dos investigadores españoles en el MIT FUNDACIÓN ARECES
«En mi grupo estamos trabajando para modificar una impresora 3D y fabricar objetos que contengan electrónica. Los que se hacen con una impresora 3D tradicional suelen estar fabricados con plástico o metal y lo que pretendemos es que incorporen sensores, pantallas, etc.». De momento, han obtenido prototipos sencillos que les han servido para demostrar que es posible hacerlo, como una taza con sensores de temperatura y presión. El siguiente paso, explica, será introducir pantallas (displays) que muestren información.«También existe interés por parte de las empresas aeronáuticas por recubrir los aviones y naves espaciales del futuro con todo tipo de sensores que permitan monitorizar cualquier daño estructural en su superficie», explica Palacios. Pretenden evitar así accidentes como el del transbordador espacial Columbia que resultó dañado durante el lanzamiento y que hizo explosión al regresar a la Tierra.Asimismo, considera que «estos materiales permiten rediseñar completamente todos nuestros equipos de comunicaciones con objeto de tener mucha mejor calidad en la recepción de la señal». El grafeno tiene, asimismo, un gran potencial para la fabricación de detectores de luz infrarroja de bajo coste que permitan visión nocturna o sensores químicos para el medio ambiente, que detecten parásitos o que midan parámetros de la salud, como la glucosa en sangre, enumera Koppens.El método de la cinta adhesiva que usaron Geim y Novoselov en 2004 para sintetizar grafeno por primera vez (llamado exfoliación) sigue usándose para obtener pequeñas muestras para investigación. Consiste en extraer una finísima capa de un trozo de grafito con cinta adhesiva. Pero para su uso industrial se sintetiza de forma química a través de un proceso llamado deposición química en fase de vapor (CVD, en inglés). Se mete un papel de cobre en un horno a 1.000ºC en el que se ha introducido metano. Los átomos de carbono presentes en el metano se depositan en el cobre, formando una capa de grafeno, que posteriormente se cubre con un polímero. Se elimina el cobre con un ataque químico. Se mete en agua y se pescan los fragmentos de grafeno, que son transferidos al material que se desea. Con variaciones, estos métodos son básicamente los mismos para obtener otros materiales bidimensionales.El gran reto es fabricarlos a gran escala, con rapidez y a bajo precio para poder introducirlos en todas partes porque «para fabricar silicio en la actualidad hacen falta equipos tremendamente caros de los que pocas empresas disponen», recuerda Palacios. El disulfuro de molibdeno, por ejemplo, «se puede sintetizar a alta velocidad a través de un proceso llamado roll to roll o carrete a carrete», explica. Un sistema parecido al de la rotativa de un periódico que quizás permita imprimir esos materiales en grandes cantidades para generalizar su uso.
TOP 5 DE MATERIALES BIDIMENSIONALES
Grafeno. Conduce la electricidad mejor que el cobre o la plata. Es flexible, muy resistente, transparente y extremadamente delgado. Nitruro de boro hexagonal. Es uno de los mejores aislantes que se conocen. No deja pasar la electricidad y, al mismo tiempo, ayuda a mejorar las propiedades del resto de materiales bidimensionales. Disulfuro de molibdeno. Tiene propiedades parecidas al silicio. Muchos prototipos están basados en este material. Fosforeno o fósforo negro. Está hecho de átomos de fósforo y es muy interesante de cara a la fabricación de dispositivos que permitan la visión nocturna. Diteluro de molibdeno. Este material se obtiene creciendo cristales de diteluro (MoTe2) y exfoliándolo para obtener monocapas.
(Teresa Guerrero, 27/07/2016)
