Probablemente has oído hablar de los fullerenos (también llamados buckybolas) y los _nanotubos de carbono. _Dicho mal y pronto, si se tienen átomos de carbono asociados unos a otros en forma de “panal de abejas” hexagonal (con un átomo en cada vértice) y se enrolla el panal haciendo una bola, se tiene un fullereno:

Crédito: Wikipedia.

Si se enrolla el panal formando un cilindro, se tiene un nanotubo de carbono:

Crédito: Wikipedia.

Y si se tienen muchos panales uno sobre otro, se tiene grafito: cuando escribes con un lápiz, la fricción con el papel arranca haces de láminas (que no están fuertemente unidas unas a otras) y las deja sobre la superficie en la que escribes.

Pero, ¿y si se pudiera tener un único de estos “panales” de carbono, extendido? Se tendría una lámina muy fina y con propiedades físicas extraordinarias. De hecho, tan fina como lo puede ser una lámina: tendría exactamente un átomo de espesor:

Crédito: Universidad de Manchester.

Eso es lo que es el grafeno - hace bastante tiempo que se predijo como teoría, hace unos tres años que se produjo una lámina por primera vez, pero recientemente se ha desatado la “fiebre” del grafeno - parece posible fabricarlo fácilmente y de forma barata, y las posibilidades son muy grandes. De un par de tesis sobre el grafeno hace cuatro años hemos pasado a cientos de ellas en 2007. Aunque nos detendremos más en sus propiedades más adelante, si no quieres leer todo el artículo, simplemente ten en cuenta que el grafeno es un semiconductor extraordinariamente útil y versátil, que permite construir dispositivos electrónicos a escala nanométrica y puede revolucionar la electrónica en unos cuantos años.

En primer lugar, ¿cómo puede conseguirse grafeno con relativa facilidad? El proceso es sorprendente: en primer lugar, se frota un trozo de grafito microscópico sobre una lámina de silicio (vamos, se “escribe” con un “nanolápiz”), con lo que se obtienen lascas de grafito de muy pocas capas de espesor - unos cien átomos de grosor.

A continuación (aquí está lo sorprendente) se pegan las lascas de grafito en cinta adhesiva. Sí, has leído bien. Entonces, se dobla la cinta adhesiva sobre sí misma (para que esté pegada al grafito por los dos extremos), y a continuación se abre de nuevo, separando láminas. Al hacerlo unas cuantas veces, se obtienen láminas de menos y menos átomos de espesor, hasta obtener grafeno. Los científicos ya llaman a este sistema “el método del celo”. El grupo del Dr. Philip Kim, en la Universidad de Columbia, paga 10$ la hora a un becario para fabricar grafeno con este sistema - hay cosas que son iguales en todas partes, ¿verdad?

Evidentemente, este proceso es muy barato pero, al mismo tiempo, ha de ser refinado para producir grafeno de forma industrial, pero es una cuestión de tiempo - hay mucho dinero en juego cuando se consiga.

¿Por qué tanto interés en el grafeno? La razón estriba en que este material presenta propiedades extraordinarias. De hecho, es tan extraño que hace 70 años científicos afamados, como Landau, afirmaban que una lámina bidimensional de carbono sería termodinámicamente inestable y no podría existir (de hecho, el grafeno que existe no es perfecto y tiene irregularidades microscópicas que le confieren parte de sus propiedades).

Salvo que estés muy al día en electrodinámica cuántica en particular y en física teórica en general, las cualidades del grafeno pueden sonar a magia, pero incluyen las siguientes:

• Los electrones que se mueven en el “panal” formado por celdas hexagonales con átomos de carbono en los vértices, debido a la interacción con esta red, se comportan como cuasipartículas sin masa llamadas fermiones de Dirac, que se mueven a una velocidad constante independientemente de su energía (como ocurre con la luz), en este caso a unos 106 m/s. La importancia del grafeno en este aspecto consiste en estudiar experimentalmente este comportamiento, que había sido predicho hace más de 50 años de manera teórica.

• El grafeno presenta un efecto llamado efecto Hall cuántico, por el cual la conductividad perpendicular a la corriente toma valores discretos (y ninguno entre ellos), permitiendo esto medirla con una precisión increíble. Otros semiconductores presentan este efecto a temperaturas muy bajas, pero únicamente el grafeno lo mantiene a temperatura ambiente. Esta propiedad lo convierte en un semiconductor de extraordinaria calidad: esta cuantización significa que la conductividad del grafeno nunca puede ser cero (su valor mínimo depende de la constante de Planck y la carga del electrón).

• Debido a las propiedad anteriores, los electrones del grafeno pueden moverse libremente por toda la lámina y no quedarse aislados en zonas de las que no pueden salir (efecto llamado localización de Anderson, y que es un problema para sistemas bidimensionales con impurezas).

Independientemente de lo que hayas podido entender de esta explicación (si no te basta encontrarás enlaces para ampliarla al final), el quid de la cuestión es éste: el grafeno es un semiconductor que, incluso a escala nanométrica y a temperatura ambiente, presenta propiedades que ningún otro semiconductor posee. Este material puede revolucionar la electrónica y, de hecho, ya se han construido transistores experimentales hechos con grafeno. Los dispositivos electrónicos fabricados con él pueden ser mucho más diminutos que cualquiera conseguido hasta ahora.

En este momento, el desafío consiste en desarrollar procesos industriales para fabricarlo: los más avanzados hasta ahora son los del Georgia Institute of Technology (del que hemos hablado recientemente en otra noticia), donde están probando a calentar láminas de carburo de silicio hasta 1300 grados centígrados, de manera que los átomos de silicio de la superficie se evaporan y los átomos de carbono que quedan se reestructuran y forman láminas de grafeno.

Para saber más (todos en inglés): Artículo en NY Times, Grafeno (Wikipedia), Localización de Anderson (wikipedia), Efecto Hall cuántico (wikipedia), Artículo en Nature Materials.