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Nobel de Física por trabajos en el grafeno

Imagínense una lámina de un material que sólo tenga un átomo de espesor, que sea extremadamente fuerte (tal como el acero) y maleable, altamente conductivo (tanto de calor como de corriente eléctrica), prácticamente transparente y sumamente denso que ni un átomo de Helio puede atravesarlo. Este material bidimensional pero con propiedades asombrosas es el grafeno, que no es más que átomos de carbono dispuestos en una estructura plana. Dos físicos, Andre Geim (Holanda) y Konstantin Novoselov (Ruso), quienes trabajan como investigadores en la Universidad de Manchester, fueron galardonados el día de hoy con el Premio Nobel de Física por sus trabajos en la producción, aislamiento, identificación y caracterización del grafeno.

Antes de empezar a detallar el trabajo, una peculiaridad de los galardonados. Andre Geim también ha ganado el Ig Nobel de Física en el 2000 por hacer levitar una rana en un campo magnético. Según comenta Geim, se siente muy orgulloso por ser el único en ganar estos dos Nobel, algo que será muy difícil de igualar.

Sin dudas el carbono es un elemento fascinante, es la base de todas las moléculas biológicas y las formas naturales como las podemos encontrar son exóticas. La más abundante es el grafito, sí, la misma que usa tu lápiz para escribir. El grafito consta de múltiples láminas de carbono dispuestos de forma hexagonal. Cada una de estas capas, de un átomo de espesor viene a ser el grafeno. Cuando el grafito es sometido a muy altas presiones forma los diamantes, que es el estado metaestable del carbono. En 1996, Curl, Kroto y Smalley, fueron galardonados con el Premio Nobel de Química por descubrir el fullereno, una nueva estructura del carbono. Los fullerenos constan principalmente de 60 átomos de carbono dispuestos a manera de una pelota de fútbol, formando 20 hexágonos y 12 pentágonos.

Por muchos años, la comunidad científica no creía que se podía separar láminas de grafito de un solo átomo de espesor. Pero, en el 2004, Geim, Novoselov y colaboradores sorprendieron al mundo al demostrar que una lámina de carbono de un átomo de espesor ea posible ser aislado y, además, era sumamente estable. A esta nueva estructura la llamaron grafeno y a partir de ella se pueden desarrollar fullerenos, nanotubos de carbono y más grafito.


Algo muy curioso es que cualquier persona que está escribiendo algo en un papel usando un lápiz está produciendo, sin darse cuenta, estructuras tipo grafeno. Las capas que depositan en la hoja de papel pueden tener algunos cientos de átomos de espesor, hasta de repente sólo uno, en otras palabras tenemos la capacidad de producir grafeno, la cosa es aislar ese grafeno de la hoja de papel, y luego caracterizarla, identificar sus propiedades físicas y químicas, así como sus usos potenciales en la ingeniería y la nanotecnología... ahí radica la importancia del trabajo de Geim y Novoselov.

El grafeno al tener sólo un átomo de espesor se convierte en una estructura bidimensional (2D). La distancia ente cada átomo de carbono es de sólo 1.42 Amstrong (0.142nm). Estudios de conductividad eléctrica demostraron que el grafeno es mucho más conductivo que el cobre a temperatura ambiente y estudios térmicos demuestran que es mejor conductor que la plata.. El grafeno es prácticamente transparente, absorbe sólo el 2.3% de la luz. Otra propiedad importantísima es que a diferencia de otros materiales bidimensionales, el grafeno no necesita de bajas temperaturas para mantener su estructura estable. El grafeno además es sumamente ligero ya que una lámina de un metro cuadrado sólo pesaría 0.77mg! y, a pesar de su espesor, tiene una gran resistencia, una hamaca hecha de una lámina grafeno soportaría hasta 4Kg de peso. Además, un nanotubo hecho con grafeno es mucho más resistente que uno hecho de metal, a parte de ser más flexible y mejor conductor, características importante para el desarrollo de la nanotecnología.

El grafeno ya había sido estudiado teóricamente por Wallace en 1947, pero hasta antes del 2004 nadie pudo aislarlo del grafito. Fue una gran sorpresa cuando Geim y Novoselov de la Universidad de Manchester lograron extraer láminas delgadas de grafito usando cinta Scotch® (si!, la cinta adhesiva que usas cotidianamente) y luego, transfirieron estas láminas a un sustrato de sílice. La comunidad científica estaba sorprendida por el método tan sencillo que desarrollaron Geim y Novoselov para aislar láminas delgadas de grafito, donde varias regiones tenían sólo un átomo de espesor (grafeno). La identificación la hicieron usando microscopios de fuerza atómica (Figura: la región naranja clara tiene 2nm de espesor y varias capas de grafeno). Todo este trabajo fue publicado en Science en el 2004.

Este método de la cinta Scotch® le llamaron método de exfoliación mecánica. A parte de este método, investigadores norteamericanos liderados por W.A de Heer, desarrollaron otro método usando cristales de Carburo de Silicio (SiC), el cual lo calentaron a 1300°K y formándose una delgada capa de carbono bajo la superficie. El equipo de de Heer también tiene una patente en el diseño de dispositivos electrónicos a base de delgadas capas de carbono.

A partir del 2005, un sin número de artículos científicos sobre el grafeno han sido publicados, sobre todo enfocados a nuevas propiedades, el uso de capas dobles de grafeno, la medición de su efecto cuántico de Hall, su capacidad de almacenamiento de información, el diseño de nuevos dispositivos electrónicos, el desarrollo de nanoestructuras, la fabricación de pantallas y paneles solares.

Vía Nobelprize.org

Comentarios

  1. Creo que gracias a este descubrimiento nos acercamos cada vez mas a ya contar con la posibilidad de crear puentes al universo

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