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Grafeno, un impermeable de un átomo de grosor

El grafeno destaca por su flexibilidad, resistencia, transparencia, conductividad eléctrica… Ahora sabemos que también es un excelente impermeable.

Representación visual de una lámina de grafeno. En ella, cada punto es un átomo de carbono, y las líneas que los unen están en realidad formadas por electrones que viajan libremente por toda la red. La lámina tiene un espesor de un solo átomo, y el movimiento puede hacerla oscilar como una sábana al viento.
Representación visual de una lámina de grafeno. En ella, cada punto es un átomo de carbono, y las líneas que los unen están en realidad formadas por electrones que viajan libremente por toda la red. La lámina tiene un espesor de un solo átomo, y el movimiento puede hacerla oscilar como una sábana al viento.larazon
Alberto Aparici
  • Alberto Aparici@cienciabrujula
    Doctor en física de partículas por vocación y, quién lo iba a decir, divulgador científico. Hablo de ciencia en Onda Cero, en el pódcast Coffee Break y en el Instituto de Física Corpuscular. La verdad está en las ecuaciones, pero para entenderla hace falta convertirla en palabras.
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Quién nos iba a decir que una de las estrellas de la ciencia del siglo XXI iba a ser un material. No una persona, ni un gran descubrimiento, ni una misión espacial: un conjunto de átomos ordenados meticulosamente y que se mantienen unidos gracias a nubes de electrones, duras como una barra de hierro. El grafeno se aisló por primera vez en el año 2004, pero especialmente en los últimos diez años lo vemos aparecer periódicamente, tanto en publicaciones científicas como generalistas, descrito como “el material del futuro” o “la revolución que viene”. Tanto se le han dado estos epítetos que ya empieza a haber gente que se pregunta, con razón, dónde está ese futuro que no paramos de anunciar.

La respuesta es que, probablemente, más allá de 2030. No nos equivoquemos, el grafeno de verdad tiene propiedades extraordinarias: es un excelente conductor, por ejemplo, y es sorprendentemente duro para lo ligero que es. Pero nuestra industria ya tiene conductores fabulosos y materiales muy resistentes, y en ambos casos sabemos cómo fabricarlos baratos y en grandes cantidades. Un recién llegado como el grafeno, que tiene todo ese camino por recorrer, no va a competir, al menos de buenas a primeras, con estos materiales tan veteranos. No sería rentable y no sería sensato.

Donde tal vez sí pueda competir es en terrenos donde no existe un competidor, donde sus propiedades sean únicas. Uno de esos terrenos puede ser el que vamos a contar hoy: su uso como impermeable, como recubrimiento para aislar algo del exterior. Para aislar no necesariamente del agua, sino de muchas otras sustancias.

Una verja hecha de átomos

El grafeno está formado por átomos de carbono ordenados en forma de hexágono. Cada hexágono es un anillo de benceno, del que ya hemos hablado en esta sección, pero los hexágonos encajan perfectamente entre sí y se pueden poner uno junto al otro para formar una lámina, en principio tan larga como queramos, y que tendrá un solo átomo de espesor. La potencia del grafeno está en que la lámina va a heredar algunas de las propiedades que ya eran potentes en el anillo de benceno, pero que ahora estarán distribuidas por todo el material.

El “mar de electrones” de una lámina de grafeno. Un electrón de cada átomo de carbono no se queda junto a su progenitor, sino que pasa a formar parte de una red de anillos interconectados que cubre toda la lámina. Este “panal de abejas” electrónico es el responsable de muchas de las propiedades del grafeno.
El “mar de electrones” de una lámina de grafeno. Un electrón de cada átomo de carbono no se queda junto a su progenitor, sino que pasa a formar parte de una red de anillos interconectados que cubre toda la lámina. Este “panal de abejas” electrónico es el responsable de muchas de las propiedades del grafeno.larazonU.S. Army Materiel Command

Por ejemplo, una de las propiedades del hexágono de benceno es que algunos de sus electrones forman un anillo que recorre los seis átomos de carbono y da fuerza y estabilidad a la molécula. En el grafeno, el anillo de electrones de cada hexágono está conectado a los anillos de alrededor, y todos juntos forman una especie de “mar” que baña toda la lámina y que es el responsable de la conductividad del grafeno, de su resistencia y de muchas otras propiedades.

Para lo que queremos contar hoy también nos interesa este mar de electrones, pero nos interesa una propiedad muy concreta: cuán anchos son sus agujeros. El mar tiene el aspecto de un panal de abejas, porque está formado por la fusión de muchos anillos. Si algo quiere atravesar la lámina de grafeno va a tener dos opciones: o bien la rompe o bien pasa por alguno de los agujeros que hay en el mar. Pues bien: resulta que los agujeros son tan estrechos que no caben ni los átomos más pequeños.

Un panal impenetrable

Para comprobarlo, en los últimos años se han realizado muchos experimentos que tratan de averiguar si alguna sustancia es capaz de atravesar la “verja de grafeno”, o a partir de qué temperaturas es vulnerable esta verja. El más preciso de esos experimentos acaba de publicarlo en la revista Nature el grupo de Andre Geim, uno de los descubridores del grafeno. Los resultados son bastante espectaculares.

Para medir cuán permeable es el grafeno, el grupo de Geim utiliza pequeños contenedores cilíndricos, de un tamaño inferior a una célula humana. El suelo y las paredes del contenedor están hechos de grafito, que se sabe que es muy impermeable, pero la parte superior, el “techo” está abierto. Sobre esta abertura extienden una única lámina de grafeno, como si cubrieran el contenedor con una sábana. Hecho esto, el contenedor está “sellado”: si algo logra entrar tiene que ser porque ha pasado a través del grafeno.

Pero si el contenedor está sellado ¿cómo podemos saber si algo ha entrado? Ésta es la parte ingeniosa. La lámina de grafeno no se tensa en la parte superior del contenedor, sólo se deja caer, así que queda “colgando” en el interior del contenedor. Si algo logra entrar vamos a ver que la lámina se levanta, porque ahora el contenedor está más lleno. Por este motivo, a estos dispositivos se los llama nanoglobos: si algo entra en el contenedor, se hinchan.

Éste es el aspecto de los “nanoglobos” que se utilizan para medir la permeabilidad del grafeno. A la derecha vemos una imagen de microscopio electrónico de uno de los contenedores, con la lámina de grafeno ya depositada sobre él (se aprecia, arriba y a los lados, cómo sobresale y llega a tocar la superficie sobre la que está colocado el contenedor). A la izquierda vemos un esquema del experimento: inicialmente, el contenedor “sellado” sólo tendrá aire en su interior. Si lo dejamos durante varios días en una atmósfera de otro gas y este gas consigue colarse a través del grafeno, el nanoglobo “se hinchará”.
Éste es el aspecto de los “nanoglobos” que se utilizan para medir la permeabilidad del grafeno. A la derecha vemos una imagen de microscopio electrónico de uno de los contenedores, con la lámina de grafeno ya depositada sobre él (se aprecia, arriba y a los lados, cómo sobresale y llega a tocar la superficie sobre la que está colocado el contenedor). A la izquierda vemos un esquema del experimento: inicialmente, el contenedor “sellado” sólo tendrá aire en su interior. Si lo dejamos durante varios días en una atmósfera de otro gas y este gas consigue colarse a través del grafeno, el nanoglobo “se hinchará”.Pengzhan Sun et al. (Nature)

Una vez fabricados los nanoglobos el experimento consiste en meterlos en una cámara llena de cierto gas y dejarlos allí unos días, para ver si el gas logra meterse en el contenedor. Cada cierto tiempo se sacan de la cámara y se comprueba si el globo se ha hinchado con un microscopio de fuerza atómica, un aparato tan sensible que es capaz de detectar si la lámina se ha movido el tamaño de un solo átomo.

Los gases que se ha utilizado en el trabajo de Geim y colaboradores han sido helio, hidrógeno molecular, neón, nitrógeno molecular, oxígeno molecular, argón, kriptón y xenón, y en todos los casos los contenedores se han dejado hasta un mes rodeados del gas. El candidato más prometedor para “invadir” el nanoglobo era sin duda el helio, porque es el más pequeño de todos ellos y puede colarse fácilmente por cualquier agujero. Los nanoglobos aguantaron los 30 días sometidos al helio y no se hincharon lo más mínimo.

Tampoco hubo efectos medibles con ninguno de los otros gases, salvo con el hidrógeno, del que hablamos más abajo. El resultado es espectacular: una lámina de un solo átomo de grosor basta para impedir el paso a los átomos más pequeños de la tabla periódica. En una comparación que es de las que hacen explotar la cabeza los autores señalan que la lámina de grafeno es menos permeable que un kilómetro de cuarzo.

Estas nuevas medidas abren posicionan al grafeno como un excelente material para aislar dispositivos de un gas: es flexible, barato y extremadamente impermeable. Habrá que tener cuidado con los detalles, sin embargo: el grupo de Geim también observó que por encima de los 60 ºC el grafeno se volvía frágil y tendía a romperse fácilmente. Pero éste no es su único problema.

Un ejemplo de qué les ocurrió a los nanoglobos sometidos a hidrógeno. Las curvas representan el perfil de la lámina de grafeno, medido mediante microscopio de fuerza atómica. A la izquierda tenemos el estado inicial del nanoglobo, en el que vemos que la lámina “cuelga” hacia el interior del contenedor. A la derecha vemos el mismo nanoglobo sólo tres días después: la lámina ahora no cuelga, sino que sobresale. El nanoglobo se ha hinchado porque el hidrógeno ha logrado entrar.
Un ejemplo de qué les ocurrió a los nanoglobos sometidos a hidrógeno. Las curvas representan el perfil de la lámina de grafeno, medido mediante microscopio de fuerza atómica. A la izquierda tenemos el estado inicial del nanoglobo, en el que vemos que la lámina “cuelga” hacia el interior del contenedor. A la derecha vemos el mismo nanoglobo sólo tres días después: la lámina ahora no cuelga, sino que sobresale. El nanoglobo se ha hinchado porque el hidrógeno ha logrado entrar.Pengzhan Sun et al. (Nature)

El hidrógeno ¿hizo trampa?

Como hemos dicho arriba, el hidrógeno fue el único gas que logró entrar en los contenedores sellados con grafeno. Este comportamiento es, a primera vista, muy sorprendente, porque el hidrógeno molecular (formado por dos átomos de hidrógeno) es mucho más grande que el helio. ¿Cómo se entiende esta aparente contradicción?

La respuesta, en pocas palabras, es que el hidrógeno se saltó las reglas. Hasta ahora estábamos pensando que para atravesar el grafeno sería necesario entrar por alguno de los agujeros, o quizá romper directamente la lámina de grafeno, si el gas estuviera extremadamente caliente. También hemos pensado en el helio como un átomo muy pequeño escabulléndose por pequeños agujeros. En definitiva, estamos pensando todo el rato en fenómenos mecánicos, en procesos puramente físicos. El hidrógeno, parece, es más listo que nosotros y se limitó a usar química en lugar de física.

Como hemos dicho, el hidrógeno molecular está formado por dos átomos de hidrógeno. Su volumen es, pues, más del doble que el de un átomo de helio, y es imposible que atraviese físicamente el mar de electrones del grafeno. Pero la mayor parte de ese volumen se debe a los dos electrones que hay en la molécula de hidrógeno; si les quitáramos esos electrones, los dos átomos de hidrógeno quedarían reducidos a dos simples protones. Desnudos, solitarios y pequeños. En ese momento, el protón sí podría pasar por los agujeros del mar y entrar dentro del globo.

El grupo de Geim piensa que lo que ha ocurrido es que el grafeno ha actuado como catalizador para romper las moléculas de hidrógeno. Se sabe, por ejemplo, que una lámina de grafeno curvada y arrugada es mucho más activa químicamente que una lámina plana. Y, precisamente, lo que tenemos en el nanoglobo es una lámina curvada y, probablemente, con alguna arruga. Si el grafeno es capaz, por sí solo, de romper la molécula de hidrógeno, el resto ya es trabajo fácil: los átomos de hidrógeno se adhieren a la lámina, ceden su electrón al grafeno y quedan en la forma de protones desnudos, y después de eso simplemente se cuelan al interior del contenedor. Tramposo, tal vez, pero también limpio, sencillo. Y sobre todo: plausible.

Una representación esquemática que cómo podría el hidrógeno molecular atravesar la lámina de grafeno. En la fila de arriba vemos cómo la molécula entra en contacto con una arruga en la superficie del grafeno y ésta rompe la molécula. Hecho esto, el protón depositado sobre la superficie sólo tendría que oscilar hacia el interior y ya habría atravesado la barrera.
Una representación esquemática que cómo podría el hidrógeno molecular atravesar la lámina de grafeno. En la fila de arriba vemos cómo la molécula entra en contacto con una arruga en la superficie del grafeno y ésta rompe la molécula. Hecho esto, el protón depositado sobre la superficie sólo tendría que oscilar hacia el interior y ya habría atravesado la barrera.Pengzhan Sun et al. (Nature)

En un solo trabajo, Geim y colaboradores han logrado poner de manifiesto tanto las grandezas como las miserias de este material extraordinario que es el grafeno: por un lado, más infranqueable que una montaña cuando lo vemos como una “verja” rígida de electrones; por otro, un colador muy poco fiable si la química entra en acción y nos cambia las reglas del juego. Todos estos factores habrán de ser tenidos en cuenta cuando se diseñen las aplicaciones, tardarán en llegar pero llegarán. Esas aplicaciones habrán de explotar el régimen en el que el material es fiable y evitar a toda costa los efectos que lo hacen vulnerable. No sabemos todavía cómo se hace eso, pero ahora tenemos un poco más claro cómo es el campo minado en que vamos a tener que orientarnos.

QUE NO TE LA CUELEN

  • Aunque siempre se cite al grafeno como uno de los “materiales del futuro” aún faltan años para que lo encontremos en la tecnología que utilizamos en el día a día.
  • Las revoluciones tecnológicas, a pesar de su nombre, siempre han sido procesos lentos que llevan muchas décadas, porque para que una tecnología llegue al mercado no basta con que exista. Es necesario también que se pueda fabricar en grandes cantidades y de forma barata.
  • Aunque las sustancias sólidas parecen muy compactas, en realidad muchas de ellas están llenas de grietas, agujeros y defectos por los que cabe fácilmente un átomo o una molécula pequeña. Por eso ciertos gases, si les das el tiempo suficiente, son capaces incluso de atravesar las paredes.

REFERENCIAS

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