SUPER MEMBRANA GRAFENO

El grafeno, actual supermaterial de elección para cualquier número de industrias, puede llegar a ser más popular todavía. Una nueva membrana se ha producido que es impermeable, transpirable y muy ligera. También tiene sólo dos átomos de espesor.

Los científicos de la ETH Zurich trabajaron con un equipo de LG Electronics para desarrollar el material. Se compone de dos capas de grafeno, una red hexagonal de átomos de carbono. Usando una máquina de haz de iones focalizado (FIB) de fresado (un tipo de cortador láser muy preciso), los investigadores perforaron agujeros de tamaño molecular de agua en la membrana.

Las dos capas de carbono son necesarios dos evitar imperfecciones menores en una capa de molestar a la permeación de toda la membrana.

Sus cualidades impermeables significan que podría ser utilizado para la ropa de última generación. Más importante, sin embargo, es su potencial en sistemas de filtración. El equipo imagina utilizando membranas de grafeno en filtros de agua para asegurar agua potable

A los dos átomos de espesor, se necesitarían 100 000 capas del material súper para producir el espesor de un cabello humano. A esta escala muy fina, el material también se realiza en otras áreas: es más de 1000 veces más transpirable como telas impermeables actualmente conocidos.

El uso de la molienda FIB permite otras posibilidades, como los poros que han quedado grabados en el material se pueden hacer cualquier tamaño. El tamaño de estos agujeros determina qué moléculas pueden pasar a través del grafeno. Esto significa que se hace posible producir una membrana que, por ejemplo, dejar pasar el dióxido de carbono en lugar de agua.

El grafeno ha visto enorme aumento de interés en los últimos años. Esto es en parte que ver con la simplicidad del material. Una vez que los científicos trabajaban la manera de hacer las capas super-delgadas de carbono, la investigación se aceleró. Con sus espectaculares propiedades, el grafeno ya ha ganado su lugar en la ciencia. Este nuevo desarrollo realmente puede abrir el material de carbono hasta el mundo entero.

LA FISICA DEL GRAFENO

Lo cierto es que el grafeno de material nuevo tiene bastante poco. El compuesto ya fue estudiado hace más de medio siglo, llegándose incluso a calcular la estructura de sus bandas electrónicas, y lo que es más sorprendente, se llegó incluso a observar en 1948 con un microscopio electrónico de transmisión (TEM) la estructura de unas pocas láminas de grafeno. Ahora ya se pueden obtener imágenes de una única lámina como es el caso de la siguiente fotografía tomada en el 2009 también con un TEM. Se observa perfectamente la red de hexágonos con una distancia interatómica de 0,14 nm, es decir, en un centímetro entrarían 140 millones de átomos de carbono. Aunque si tenemos en cuenta el tamaño del átomo de carbono este número se reduce a 50 millones. Aún así esto implica una alta densidad de átomos y hace que ni siquiera el helio pueda atravesar la red de grafeno.

Y es que realmente lo único que apareció durante estos últimos años es el nombre del material, grafeno, que fue introducida por primera vez en 1994 para denominar a las monocapas de grafito, porque efectivamente, el grafito que tenemos todos en las minas de nuestros lapiceros no es más que la superposición de muchas capas bidimensionales de grafeno. Por tanto sí, has tenido entre tus manos el material que ha dado lugar al premio Nobel de física y ni te habías parado a pensar en ello. Y quizá sea esto lo que distinga a los buenos físicos de los que no lo son. A pesar de que el grafeno lleva con nosotros muchísimos años, Geim y Novoselov reciben el premio Nobel ahora porque lograron obtener en el 2004 una única capa de grafito, es decir grafeno, y medir algunas de sus propiedades eléctricas (3). Aunque sabiendo cómo obtuvieron esa lámina de grafeno a uno le surgen dudas sobre el asunto, y es que lo único que hicieron fue coger una cinta adhesiva y a base de repeticiones conseguir sacar del grafito una única capa de grafeno. En términos un poco más de andar por casa y de forma simplificada. Pintáis con lápiz en una hoja de papel, pegáis un poco de celofán y luego lo despegáis. En la pequeña capa que queda pegada en el celofán están vuestras láminas de grafeno. Sorprendente, ¿verdad?

Electrónica del grafeno

Ya hemos visto qué es el grafeno, cuándo se descubrió y cómo se obtuvo por primera vez. Por tanto nos queda hablar de sus propiedades. Lo cierto es que son realmente interesantes y pueden dar lugar a buenos resultados, pero está lejos de ser la panacea de la electrónica como muchos han dicho estos días.

La característica más interesante del grafeno tiene que ver con la conductividad eléctrica. Como ya sabéis, una forma de clasificar los materiales es según lo bien que conduzcan la electricidad: aislantes, conductores y semiconductores. Pues bien, resulta que el grafeno no es ninguna de las 3, sino que comparte características entre los conductores y los semiconductores. De hecho, en las simulaciones informáticas se puede ver como dependiendo del número de cadenas surge unas propiedades u otras. Antes de continuar me gustaría mostraros unas imágenes para explicaros algunos aspectos sobre la conductividad eléctrica (4).

La energía de Fermi (εF) se trata del nivel de energía máximo hasta el que llegan los electrones de un sólido. Las curvas parabólicas que se ven en las imágenes se conocen como bandas de energía. La inferior es la banda de valencia y la superior es la banda de conducción. Si el nivel de Fermi está en la banda de conducción nos encontramos ante un metal ya que los electrones circulan libremente por esta banda. En el caso de los semiconductores y los aislantes el nivel de Fermi está entre ambas bandas de conducción, y únicamente se diferencian en la anchura de la brecha, llamada gap o banda prohibida. En los semiconductores tenemos un gap no demasiado grande, lo que permite que si se les da la suficiente energía puedan conducir la corriente eléctrica; mientras que en los aislantes, donde el gap es mucho mayor, es necesario un aporte energético superior que dificulta la conducción.

En el caso del grafeno tenemos unas bandas con forma de cono, en lugar de paraboloides, y lo que es más importante, el nivel de Fermi está justo en la unión entre ambas capas. Esto implica que no hay gap y los electrones pueden saltar sin problema de la capa de valencia a la capa de conducción y facilitar en gran medida la conducción eléctrica. Se ha podido medir incluso la velocidad a la que se mueven los electrones en el grafeno arrojando unos resultados sorprendentes: se mueven a alrededor de 1000 km/s, tan sólo 300 veces inferior a la velocidad de la luz en el vacío.

Por estos motivos el grafeno es un material muy interesante para poder aplicar a la electrónica; pero, aparte de que todavía no somos capaces de fabricarlo de forma económica, es muy complicado utilizarlo ya que aún no conocemos sus propiedades a la perfección. El silicio es el semiconductor por excelencia usado en electrónica y a mi modo de ver le quedan muchos años. Además no solamente existe el grafeno como posible heredero del silicio, sino que también existe toda una física detrás de la electrónica molecular, en donde se utilizarían moléculas orgánicas para crear componentes electrónicos. Ya se han logrado realizar transistores FET orgánicos, aunque el principal logro actual son las pantallas OLED. Hay muchos físicos luchando en cada dirección, de modo que el futuro nos dirá quién será el sucesor del Silicio, si es que alguno de los dos lo es.

Como curiosidad también os diré que el grafeno es hasta ahora el único material en el que se ha observado el efecto Hall cuántico a temperatura ambiente, ya que con el silicio o el germanio era necesario enfriar las muestras a -269 ºC, sólo 4 grados por encima del 0 absoluto. Este hecho abre otra rama de investigación bastante interesante.

Propiedades mecánicas