Saltar al contenido
ᐅ HielosMendez – Información digital que te dejara helado 🧊🥶

¿Qué es el grafeno? – ExtremeTech

La palabra «supermaterial» se usa mucho en estos días: supermateriales cerámicos, supermateriales de aerogel, supermateriales elastoméricos. Pero un supermaterial los eclipsa a todos, lo que les valió a sus descubridores un Premio Nobel y definió el límite superior para el entusiasmo y la emoción científicos. Tiene el potencial de revolucionar el procesamiento, el almacenamiento de energía, incluso la exploración espacial … pero aún no ha logrado mucho. Se llama grafeno y es el abuelo del boom moderno de la ciencia de los materiales. El grafeno tiene el potencial de ser uno de los inventos individuales más disruptivos de todos los tiempos, pero ¿qué es realmente?

Los científicos han estado hablando del grafeno durante la mayor parte de cien años, aunque no siempre con ese nombre. La idea fue bastante fácil de tener: ¿y si pudiéramos tomar un diamante y cortarlo en obleas de un solo átomo de espesor? Esto lo convertiría en una sustancia denominada «bidimensional», hecha completamente de carbono, pero flexible de una manera que el diamante no puede ser. No solo tiene las increíbles propiedades físicas que esperarías de una lámina de cristal, ampliamente citada como el material más fuerte jamás creado por peso, sino que también tiene una conductividad eléctrica increíblemente alta. Al ser atómicamente pequeño, el grafeno podría permitir un empaquetado mucho más ajustado de transistores en un procesador, por ejemplo, y permitir que muchas industrias de la electrónica den grandes pasos hacia adelante.

Una interpretación de la estructura uniforme del grafeno, a escala molecular.

Una interpretación de la estructura uniforme del grafeno, a escala molecular.

La investigación demostró que, si bien el corte de diamantes sería muy difícil, el carbono del átomo delgado en realidad era bastante fácil de hacer, en pequeños fragmentos: los pedazos de grafeno incluso aparecen cuando los niños de la escuela rayan el grafito de carbón puro en sus lápices sobre el papel.

Sin embargo, a pesar de algunos valientes intentos iniciales, tuvimos que esperar hasta 2004 para que alguien hiciera fragmentos de grafeno de manera confiable lo suficientemente grandes y lo suficientemente rápidos como para ser, hipotéticamente, útiles. Su técnica se centró en «sacar» hebras de grafeno de una muestra de grafito puro mediante el método llamado Scotch Tape, que consiste en pegar y despegar cinta adhesiva transparente con carbón en polvo en el medio. A medida que la cinta se despega cada vez, tira de los hilos algunos átomos más. Este equipo inglés fue galardonado más tarde con el Premio Nobel por descubrir cómo crear económicamente una sustancia que, cuando recibieron el premio, no podía hacer precisamente nada fuera de los laboratorios de investigación de materiales.

Sin embargo, la emoción persiste. ¿Por qué? Bueno, porque el potencial es tan grande que es imposible ignorarlo.

Las increíbles propiedades físicas del grafeno prácticamente piden ser aplicadas en todo tipo de experimentos mentales. Si se pudiera hacer con hilos de al menos un metro de largo, algunos científicos creen que estos hilos de grafeno podrían entrelazarse para formar una atadura lo suficientemente fuerte y flexible como para ser la columna vertebral de un ascensor espacial. Esta única pieza de carbono tejido flexible se extendería desde la superficie de la Tierra hasta más allá de la órbita geosincrónica. Este es el tipo de invenciones de ciencia ficción que se volverán plausibles si la fabricación de grafeno logra triunfar.

Una oblea de grafeno, probada en IBM

Una oblea de grafeno, probada en IBM

El grafeno podría ser revolucionario para una amplia variedad de campos. Existe la bioingeniería, donde los científicos esperan usar el tamaño increíblemente pequeño del grafeno para penetrar las paredes celulares, insertando potencialmente una molécula de la elección de los investigadores. El grafeno también podría usarse para crear un filtro de agua antibiótico ultrafino para una filtración rápida y fácil de agua potable potencialmente peligrosa. Simplemente podría permitir el diseño y la construcción a una escala más pequeña que nunca, y no es sorprendente que los diseñadores e ingenieros estén dejando volar su imaginación con solo pensarlo.

El trisulfuro de titanio es un ejemplo de un nuevo material inspirado en el grafeno.

El trisulfuro de titanio es un ejemplo de un nuevo material inspirado en el grafeno.

Sin embargo, existen limitaciones para la utilidad casi perfecta del grafeno. A pesar de su alta conductividad, el grafeno carece de la pequeña «banda prohibida» que se necesita para muchas aplicaciones en electrónica. La banda prohibida de una sustancia es la diferencia de energía entre las bandas conductoras y no conductoras de los electrones en esa sustancia, y el uso de una corriente aplicada para empujar los electrones entre estos estados es la base de toda la informática moderna. Sin la capacidad de cambiar fácilmente un transistor de grafeno entre «encendido» y «apagado» ajustando la corriente que fluye a través de él, un procesador de grafeno tendría que ser pionero en una alternativa a la computación digital estándar.

El problema de la banda prohibida también impide que el grafeno revolucione rápidamente la energía solar. La baja resistencia eléctrica del grafeno podría hacer que la tecnología de los paneles solares sea mucho más eficiente energéticamente, pero la energía contenida en un fotón no es suficiente para activar un transistor de grafeno. El «dopaje» del grafeno con contaminantes para aumentar su capacidad de absorción ha sido una fuente importante de investigación, ya que la falta de resistencia del grafeno y su capacidad para empaquetarse tan densamente podrían otorgar enormes aumentos en la producción de energía muy rápidamente. Sin embargo, al igual que con todo lo relacionado con el grafeno, tendremos que esperar y ver.

Aerogel de grafeno, en equilibrio sobre las espinas de una planta

Aerogel de grafeno, en equilibrio sobre las espinas de una planta

La palabra «grafeno» a veces se usa indistintamente con el término «nanotubos de carbono» o CNT. Los CNT son exactamente lo que parecen: láminas de grafeno enrolladas en un tubo a nanoescala. Las paredes del tubo tienen un solo átomo de espesor, pero el tubo en general es más estable y menos reactivo con otras sustancias que el grafeno lineal regular. Muchos investigadores han tenido mayor éxito con la tecnología CNT, pero dado que los nanotubos de carbono son hecho del grafeno, muchas de sus aplicaciones más prometedoras aún se ven frenadas por la ineficiencia básica en la fabricación.

Es una conclusión inevitable que el grafeno cambiará el mundo; la única pregunta es si lo hará directa o indirectamente. Llegar al mercado, afectando al mundo con tecnologías basadas en grafeno, ciertamente podría estar en las cartas. Pero también es fácil imaginar que una variedad de materiales específicos similares al grafeno hechos a la medida de cada aplicación específica similar al grafeno podría vencer al grafeno en sí mismo, en promedio. Aún así, incluso si todo el material logrado está inspirando a una nueva generación de ciencia de materiales bidimensionales, habrá sido increíblemente importante para dar forma a la tecnología moderna.

Consulte nuestra serie ExtremeTech Explains para obtener una cobertura más detallada.