El grafeno, el material del futuro

Rapidez, dureza, resistencia, estabilidad, y la lista sigue. Son algunos atributos mejorados que infinidad de dispositivos ganarían si estuvieran fabricados a partir de grafeno, un material muy elemental que sin embargo se descubrió hace poco tiempo. Se trata del componente básico del grafito de las minas de lápiz: el carbono. De hecho, el grafito está compuesto por muchas capas de grafeno, cada una de las cuales consiste en una lámina de carbono ordenado en una trama hexagonal similar a un panal de abejas. Su espesor de apenas un átomo le confiere propiedades asombrosas que lo llevan a ser considerado el material del futuro.

El grafeno está presente sólo a escala nanométrica – un nanómetro es una unidad de medida que equivale a la mil millonésima parte de un metro -. “Se habla de grafeno cuando hay una, dos o tres láminas; de allí en más sus propiedades cambian drásticamente y comienza a comportarse como el grafito, entonces ya no se considera grafeno”, indica Francisco Ibáñez, investigador adjunto del CONICET en el Instituto de Investigaciones Fisicoquímicas Teóricas y Aplicadas (INIFTA, CONICET-UNLP), y líder de uno de los pocos grupos del país que se dedica a su obtención.

Fue recién en 2004 que se aisló grafeno por primera vez y el hallazgo, si bien caracterizado por la simpleza del procedimiento, les valió el Premio Nobel de Física a Andre Geim y Konstantin Novoselov, dos científicos rusos que trabajan en la Universidad de Manchester, Reino Unido. Es que hasta ese momento a nadie se le había ocurrido obtener el material a partir de un bloque de grafito con ayuda de cinta adhesiva, apoyándola y retirándola repetidamente hasta obtener capas cada vez más finas.

“El grafito se usa como lubricante gracias a la facilidad con que las láminas se deslizan unas sobre otras; si se logra separar una sola, esa propiedad va a cambiar y el mismo material, ahora a escala nanométrica, se transforma en un gran conductor de electricidad”, explica Celeste Dalfovo, becaria doctoral del CONICET en el INIFTA.

Hasta ahora, el uso más extendido del grafeno es la fabricación de transistores –de hecho, se estima que va camino a reemplazar al silicio, su principal componente-, aunque las cualidades que se descubren permanentemente amplían el horizonte de posibilidades tecnológicas. Además, es transparente al ojo humano, hecho que permitió hace pocos años el desarrollo de pantallas flexibles y al mismo tiempo muy duras; teniendo en cuenta que este material es unas cien veces más fuerte que el acero.

Además, el grafeno presenta gran resistencia a ácidos, es más barato y menos contaminante que otros materiales utilizados en la industria. Su configuración electrónica lo hace diez veces mejor conductor térmico y eléctrico que el cobre. “Algo llamativo es que cumple esta función a temperatura ambiente y, aun si la misma aumenta, permite igual circulación de corriente. Por ejemplo, en caso de que una computadora se recaliente, este nanomaterial disiparía el calor, previniendo el deterioro de alguna parte”, cuenta Dalfovo.

“La característica que posibilita todo esto es que se trata de una monocapa; es decir, una sola capa de grafeno de volumen cero, donde toda su superficie está expuesta, lo cual permite una gran interacción con moléculas y otros elementos de interés”, explica Ibáñez, que experimentó con grafeno por primera vez en un laboratorio en la Universidad de Lousville, Estados Unidos, en 2011, y a su vuelta al país contagió su fascinación por este material al grupo de investigadores que actualmente lo acompaña.

Uno de ellos es Pablo Fernández, becario del CONICET en el INIFTA, y el encargado de aislar el material por medio de un método llamado Deposición Química de Vapor (CVD, por sus siglas en inglés). “Si se deposita carbono en una lámina de cobre que actúa como catalizador, es decir, que aumenta la reacción química, para que allí crezca grafeno. Cuando se apaga el horno, digamos, se logra una, dos, tres o varias capas. No es una técnica de síntesis compleja, pero es difícil controlar ese crecimiento. Hay que cortar a tiempo para no obtener muchas capas, porque entonces deja de ser grafeno”, explica.

El grupo, que se completa con María Elisa Martins, investigadora principal (R) del CONICET, está interesado en dos tipos de aplicaciones concretas. Una de ellas es la posibilidad de aumentar la señal analítica de algo que se quiere encontrar, es decir, hacer visible, a través de una técnica llamada espectroscopía Raman de superficie mejorada (SERS, por sus siglas en inglés). “Por ejemplo –explica la especialista- si quisiéramos detectar en agua un contaminante a muy bajas concentraciones, los métodos tradicionales no servirían, y el grafeno aparece como una posibilidad”.

La explicación radica en que cualquier elemento -como por ejemplo una molécula- que se acerque a los electrones del grafeno, tan expuestos en su superficie, los perturba y los vuelve visibles a través de la técnica mencionada. “Como el carbono es biocompatible porque está presente en todos los organismos vivos, podría desarrollarse un método similar para buscar ciertas sustancias en la sangre o el cuerpo de una persona”, señala Martins.

La segunda aplicación práctica en el laboratorio consiste en la construcción de sensores para determinar, por ejemplo, la presencia de luz ultravioleta, sobre lo cual el grupo ha publicado recientemente un trabajo.

Logros por venir

Otro de los grupos que en nuestro país trabajan con grafeno funciona en el Instituto de Física “Enrique Gaviola” (IFEG, CONICET-Universidad Nacional de Córdoba) y está enfocado a las propiedades eléctricas y de transporte de este material y otros relacionados.

“Usamos mayormente herramientas computacionales aunque también concretamos algunos experimentos. Nos preguntamos cómo se comportan las cargas cuando se les aplican estímulos externos como iluminación con un láser o un esfuerzo mecánico, y de qué manera utilizarlos para conferirle al grafeno propiedades sintonizables. También buscamos cuantificar los defectos que aparecen en el proceso de obtención y desarrollar estrategias para reducirlos”, cuenta Luis Foà Torres, investigador adjunto del CONICET. Según su opinión, los logros más sorprendentes del grafeno “están todavía por venir”. “Algunas de las aplicaciones esperadas incluyen una nueva generación de materiales compuestos con gran resistencia mecánica y dispositivos electrónicos más rápidos y que disipen menos energía”, señala el experto.

Por su parte, Gonzalo Usaj, investigador independiente del CONICET en la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) y el Instituto Balseiro se reconoce “fascinado” por las extraordinarias propiedades del grafeno y señala que “aunque es muy difícil de anticipar, es seguro que en el futuro habrá aplicaciones de gran impacto para la sociedad desde el campo de la física, la química y la ingeniería de materiales”. “Se van encontrando nuevas utilidades día y día, sin exagerar”, apuntó el especialista, dedicado al estudio de las propiedades electrónicas y de transporte de los electrones en el grafeno, como así también los efectos que sobre él tienen los campos electromagnéticos.

En Argentina, este campo de investigación tiene un desarrollo aún incipiente. Ambos investigadores coinciden en que a nivel internacional “la competencia es dura”, aunque reconocen que “los pequeños grupos dedicados a la temática han generado resultados interesantes”.