jueves, 8 de marzo de 2012

GRAFENO (I)

Imagen del Grafeno observado mediante un microscopio electrónico de transmisión
Fuente: http://www.wisphysics.es
Últimamente aparecen continuamente noticias en los medios de comunicación  sobre las posibles aplicaciones del grafeno, a cual más novedosa y espectacular, pero:

¿Sabemos qué es el grafeno?

Los átomos de carbono forman dos tipos de sólidos estables con propiedades físicas muy diferentes;  el diamante y el grafito. La diferencia es debida a la forma en que los átomos se ordenan a nivel microscópico. 
En el diamante (imagen derecha)  los átomos de carbono forman una malla tridimensional, entrelazada y compacta.  



Fuente:graphit gitter.png
En el grafito, mucho más blando, los átomos se ordenan en estructuras hexagonales similares a las de un panal de abejas.  Esas celdas están fuertemente enlazadas por los costados, formando capas bidimensionales (imagen izquierda).  Sin embargo, los enlaces entre capas adyacentes son muy débiles, de manera que cada capa se desliza fácilmente respecto a las demás. De ahí proviene la ‘blandura’ del grafito, que deja fácilmente una huella en el papel y nos permite escribir con él.  
Cada una de esas capas de carbono, esté o no integrada al grafito, es una capa de grafeno.

Lo cierto es que el grafeno de material nuevo tiene bastante poco. Para comprender el grafito y sus derivados, los físicos llevaban 50 años estudiando las propiedades matemáticas del grafeno. Una de ellas era precisamente la de que un material así no podía existir. Se pensaba que, si se conseguía aislar una sola capa de grafito, estaría tan llena de defectos que sería inestable a temperatura ambiente. Se llegó incluso a calcular la estructura de sus bandas electrónicas.

El descubrimiento de 2004 consistió en lograr obtener el grafeno separado de la estructura del grafito.  Se obtuvo así un nuevo material, constituido por una sola capa de dos dimensiones  de carbono, con propiedades físicas muy diferentes a las del grafito volumétrico.  El espesor de una capa de grafeno es de un átomo y es tal que un solo gramo bastaría para cubrir totalmente un campo de fútbol.  Aún así esto implica una alta densidad de átomos y hace que ni siquiera el helio pueda atravesar la red de grafeno.
¿Cómo fué descubierto?
En 2004, el físico Andre Geim, de la Universidad de Manchester, buscaba una nueva línea de investigación para un estudiante de doctorado que acababa de llegar. No siempre es fácil tener a mano un tema nuevo. Konstantin Kostya Novoselov, que así se llamaba el recién llegado, iba a aparecer en su despacho en cualquier momento y no sabía qué ofrecerle.
Entonces tuvo una idea. Otro de sus estudiantes estaba investigando el grafito. Para el estudio de este material, es necesario que su superficie esté lo más pulida y limpia posible. Para ello, en estos laboratorios de alta tecnología se usa un método bastante rudimentario. Simplemente se pega un trozo de cinta adhesiva sobre la muestra y se tira con garbo. 

Andre Geim y Konstantin Novoselov. Nobel de Física de 2010 . Foto EFE
De esta forma se arrancan las capas más superficiales, que suelen estar dañadas y contaminadas, y se analiza el grafito restante. Las cintas de celo usadas para el pulido se tiran sin más. Sin embargo, en un giro genial, a Andre se le ocurrió mirar en esa otra dirección, la de los restos pegados al celo, y proponerle a Kostya el estudio de las capas de grafito que normalmente se desechan. Lo que ninguno de los dos se imaginaba es que, entre los cientos de laminillas pegadas a la cinta, algunas serían monocapas cristalinas de grafito, o sea, grafeno, cuyas propiedades revolucionarían la física de los materiales.

El hallazgo del grafeno fue, sin lugar a dudas, algo sorprendente. Hasta ese momento, tanto la teoría como el experimento indicaban que no era posible la existencia de estructuras cristalinas bidimensionales desligadas del cristal volumétrico.  Los cálculos indicaban que tal estructura sería inestable, y que tendría que colapsar para formar una estructura tridimensional normal.

En términos un poco más de andar por casa y de forma simplificada, si pintáis con un 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?

Fuentes:
fisica.uh.cu, wisphysics.es, neoteo.com, elpais.com, larazon.es

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