Grafeno, el material del futuro

¿De qué estamos hablando?

Como ya es bien sabido, el carbono es uno de los elementos más importantes de la tabla periódica, ya que aparte de constituir la base de la vida, es posible encontrarlo en diferentes formas. Una de las más conocidas es el grafito, la cual consiste en láminas átomicas apiladas una sobre la otra. Cuando este material es sometido a fuertes presiones (algo que en la práctica, solo se logra a través de largos procesos geológicos), se produce el tan preciado diamante. Otra forma estable de carbono la constituyen los fulerenos, cuyo descubrimiento por parte de los científicos Harold Kroto, Robert Curl y Richard Smalley, valió el premio nobel de química en el año 1996 [1]. El tercer tipo de estructuras corresponden a los nanotubos, materiales cuasi uni-dimensionales que consisten fundamentalmente en láminas delgadas, enrolladas en forma de tubos huecos.

El grafeno, como material, es la forma a base de carbono más recientemente estudiada, y que ha acaparado mucha atención por parte de los científicos debido a sus interesantes propiedades. Esencialmente consiste en una red laminar delgada, y al igual que las demás estructuras a base de carbono, está formada por celdas hexagonales. Aparte de su resistencia y grosor (de un solo átomo), lo que lo hace realmente interesante, son sus propiedades exóticas, las cuales propician excelentes posibilidades para el estudio de teorías fundamentales de la física; sin contar las novedosas aplicaciones que podría proporcionarnos a futuro.

El gran mérito de los físicos Andre Geim y Konstantin Novoselov, es que lograron aislar, estudiar y demostrar que el grafeno es un material estable [2]. Lo más sorprendente de todo, es que el procedimiento que utilizaron para obtenerlo, simplemente fue desprender capas del material a partir de bloques de grafito utilizando una cinta adhesiva muy pegajosa, que los científicos crearon hace siete años inspirados en los lagartos gecónidos como las salamanquesas, gecos, perenquenes entre otras especies. Ambos científicos son de origen ruso, sin embargo ya llevan tiempo trabajando en el Manchester College del Reino Unido. Como anécdota curiosa, en el año 2000 Andre Geim y junto con Michael Berry, recibió el premio Ig Nobel (el humorístico “anti-Nobel”) por levitar una rana viva en un campo magnético [3].

Un poco más acerca del grafeno

Todos nosotros, en más de alguna ocasión y sin saberlo, hemos producido grafeno al utilizar un lápiz ordinario.Los lápices contienen grafito, y cuando los utilizamos para escribir, no hacemos más que adherir delgadas capas de material a la hoja de papel. Una pequeña fracción de dichas capas, puede llegar a contener incluso una sola lámina de grafito, la cual precisamente es lo que los científicos han denominado grafeno.

Una de las principales propiedades del grafeno, es su estructura geométrica casi perfecta, además de su notable resistencia [4]. Resulta interesante además, que al mismo tiempo es un material considerablemente flexible, ya que puede extenderse más del 20% de su tamaño original. Para darnos una idea, si tuviéramos una hamaca hipotética de 1m² construida a base de grafeno, estaría diseñada fundamentalmente para gatos, ya que podría resistir sin romperse, hasta aproximadamente 4 kg.

Otra interesante propiedad física del grafeno, radica en su conductividad eléctrica: su naturaleza es tal que permite a los electrones recorrer distancias relativamente largas, sin ningún tipo de perturbación a velocidades realmente grandes [5]. De hecho, los electrones en este material se comportan de forma similar a los fotones de luz -partículas sin masa-, ya que pueden alcanzar la impresionante velocidad de un millón de metros por segundo. Esto se torna ideal a la hora de estudiar experimentos similares a los que se desarrollan en los ya tradicionales aceleradores de partículas, pero a una escala mucho más pequeña y económica.

La física cuántica también provee interesantes propiedades. De hecho, la notable similaridad entre la excitación atómica del grafeno y los fermiones de Dirac (partículas como los electrones, quarks, leptones, etc.), ha permitido probar experimentalmente aspectos teóricos como el efecto túnel cuántico propuesto por el físico sueco Oscar Klein. Este fenómeno, predice que las barreras de potencial producidas por las fuerzas interatómicas se vuelven completamente transparente, al hacer incidir partículas sin masa [6]. En palabras simples y pensando en una analogía macroscópica, dicho fenómeno sería similar a tener una pelota de tenis hipotética, sin masa, extremadamente rápida, que pudiera atravesar un muro de concreto sólido sin causar daño estructural alguno.

Principales aplicaciones futuras

A pesar de que los estudios científicos están en una fase muy temprana, hoy en día es posible pensar en una amplia gama de aplicaciones. El grafeno es un material prácticamente transparente, muy buen conductor, y puesto que ya se ha logrado producir láminas de material relativamente grandes [7], se torna ideal para la fabricación de pantallas táctiles, paneles de luz y celdas solares. Sin duda que ofrece una alternativa mucho más económica y resistente que el actual material utilizado para dichas aplicaciones (óxido de estaño e indio).

También debido a su importante resistencia, el grafeno podría abrirnos las puertas para composites, esto es materiales sintéticos, mucho más fuertes; los cuales contribuirían a la industria aereo-espacial en la fabricación de satélites, aviones, etc. [8] Por otro lado, y haciendo volar aún más la imaginación, el grafeno quizás podría revolucionar la industria computacional, ya que los transistores de dicho material han demostrado ser considerablemente más rápidos que los de silicio [9], lo cual se traduce en computadores muchísimo más potentes y eficaces. Quizás en el futuro, el ya conocido Silicon Valey de California, tenga que cambiar de nombre.

¿Estamos a las puertas de una nueva revolución tecnológica de la mano del grafeno? difícil saberlo a estas alturas. Sin embargo, de dos cosas podemos estar seguros: la ciencia seguirá su curso en la fascinante aventura de la investigación aplicada, y segundo, que el logro de los científicos Geim y Novoselov sin duda quedará registrado en la historia de la ciencia moderna.

¿Y qué con todo esto?

Es un error muy recurrente, pensar que el único objetivo que persigue la ciencia es el desarrollo de aplicaciones tecnológicas. La empresa científica, y contraria a la ya conocida interpretación instrumentalista, es una importante herramienta intelectual en la búsqueda de la verdad; ya que si no fuera así, su notable éxito constituiría un verdadero misterio que no tendría ningún tipo de conexión con lo que observamos. Puede que algunos aspectos inobservables de las teorías sean falsos, por supuesto; sin embargo lo realmente valioso de la ciencia, es que día a día nos está entregando un marco general cada vez más unificador, organizado y comprensivo [10].

La elegancia de la materia, en este caso ejemplificada en el grafeno y su estructura cristalina, se torna muy significativa si lo que deseamos es reflexionar acerca de la racionalidad de la naturaleza. Precisamente aquí es cuando se vuelve necesario responder una de las preguntas más profundas del ser humano: ¿por qué la naturaleza es como es?

Siguiendo el tradicional razonamiento ateo, el alto grado de inteligibilidad natural no sería más que un hecho bruto, el cual no demanda ningún tipo de respuesta. No obstante, pienso que reducir de esa forma la naturaleza de la realidad, es una postura demasiado ingenua.

El mundo natural no está compuesto de materia inerte, sino de materia creativa, que se auto-organiza y forma todo tipo de estructuras siguiendo leyes naturales regulares ¿de dónde proviene toda esta potencialidad? Para muchos científicos, teólogos y creyentes en general, proviene, sin duda de un creador trascendente. Dios es la fuente de la racionalidad, orden y belleza natural, las cuales cada día se ven confirmadas con los crecientes resultados exitosos de la ciencia moderna [11].

Autor: Manuel David Morales es licenciado en Física Aplicada y actualmente cursa un Postgrado en Ciencias Físicas con especialización en Relatividad Numérica. También es responsable de la web “Razón y Pensamiento Cristiano”

Grupo F&Ces parte de un grupo de científicos cristianos que debaten ciencia y fe.


Referencias

[1] Sitio web oficial de los premios Nobel
[2] K.S. Novoselov, A.K. Geim, S.V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S.V. Dubonos, I.V. Grigorieva, A.A. Firsov “Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films”
[3] Sitio web oficial premios Ig Nobel
[4] Changgu Lee, Xiaoding Wei,Jeffrey W. Kysar,James Hone “Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene”
[5] Claire Berger, Zhimin Song, Tianbo Li, Xuebin Li, Asmerom Y. Ogbazghi, Rui Feng, Zhenting Dai, Alexei N. Marchenkov, Edward H. Conrad, Phillip N. First, Walt A. de Heer “Ultrathin epitaxial graphite: 2D electron gas properties and a route toward graphene-based nanoelectronics”
[6] Andrea F. Young, Philip Kim “Quantum interference and Klein tunneling in graphene heterojunctions”
[7] Xuesong Li, Weiwei Cai, Jinho An, Seyoung Kim, Junghyo Nah, Dongxing Yang, Richard Piner, Aruna Velamakanni, Inhwa Jung, Emanuel Tutuc, Sanjay K. Banerjee, Luigi Colombo, Rodney S. Ruoff “Large-Area Synthesis of High-Quality and Uniform Graphene Films on Copper Foils”
[8] Liao L, Bai J, Lin YC, Qu Y, Huang Y, Duan X. “High-performance top-gated graphene-nanoribbon transistors using zirconium oxide nanowires as high-dielectric-constant gate dielectrics”
[9] Yu-Ming Lin, Christos Dimitrakopoulos, Keith A. Jenkins, Damon B. Farmer, Hsin-Ying Chiu, Alfred Grill, Phaedon Avouris “100 GHz Transistors from Wafer Scale Epitaxial Graphene”
[10] Si bien actualmente, el realismo científico tiene muchas variantes, destaco dos: el realismo objetualista, desarrollado esencialmente por Evandro Agazzi; y el realismo crítico, el cual ha sido sistematizado por científicos-teólogos de la talla de Ian Barbour y Arthur Peacocke.
[11] Existe abundante bibliografía sobre las implicaciones filosóficas y teológicas de la ciencia. En general, recomiendo el pensamiento de pensadores contemporáneos como Alister McGrath, John Polkinghorne, Mariano Artigas, Robert J. Russell, entre otros.