Grafeno: el nuevo material que va a revolucionar la tecnología

Hace ahora siete años se descubrió el grafeno. Corrijo, hace siete años se aisló por primera vez. Del grafito, el mismo de las minas del lápiz de su mesa, salió casi por casualidad una fina lámina (tan delgada que tiene un átomo de espesor) con la ayuda de una vulgar cinta aislante. Sin embargo, la ciencia no entiende de casualidades, así que el material se caracterizó, se vieron sus propiedades y aplicaciones. Fibra óptica y ordenadores decenas de veces más rápidos, paneles solares o sensores de todo tipo son algunas de las posibilidades que ofrece de este material fino, resistente, flexible, transparente y superconductor por citar algunos de sus prodigios. Sus padres, Andre Geim y Kostya Novoselov, han ganado un Nobel en Física y el público, ya desde 2012, empezará a disfrutar de este material. Aunque no lo sepa, el futuro móvil de su hija, el primero flexible, estará hecho de grafeno.

Se ha vuelto definitivamente la mirada al mercado y la producción empieza a ser industrializada y sencilla. «El grafeno es rígido y perfecto en todos los sentidos. A pesar de que los medios de producción no sean muy sofisticados, el resultado es de buena calidad», explica Francisco Guinea, del Instituto madrileño de Ciencia de Materiales del Centro Superior de Investigaciones Científicas. España se está posicionando como productor global de grafeno.

De momento, son cuatro empresas las que fabrican a nivel industrial este producto, cuyos principales consumidores son asiáticos. «Se estima que para 2020 el mercado sea de 675 millones de euros», explica Jesús de La Fuente, de la empresa vasca Graphenea. Su proceso de producción se está revelando como el mejor para grandes cantidades (la mayor producción ha sido de 80 cm2 para uso en investigación) y medioambientalmente seguro. Se parte de algún gas rico en carbono, como el metano, se rompe la molécula en hornos a 900-1.000 grados y los átomos de carbono se van depositando encima de un material como el cobre. El único residuo es el hidrógeno.

Aquí van las diferentes aplicaciones, desde las primeras, pantallas o radares, hasta las que se vendrán después, complejísimos circuitos eléctricos. Como declaraba uno de los expertos consultados, cualquier objeto, ropa, papel, ventanas o nuestro propio cuerpo, será electrónico. Además, no es nocivo para la salud, puesto que también nosotros estamos hechos de carbono.

Pantallas táctiles… flexibles, planas y transparentes. El óxido de indio, material clave hasta ahora para la industria, es escaso y caro, y el grafeno se está posicionando tanto en el área de dispositivos móviles como en células fotovoltaicas.

Sensores. El grafeno al ser tan fino detecta cualquier cambio en su superficie. El equipo de Tomás Palacios Gutiérrez, del departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencia de la Computación del Instituto Tecnológico de Massachusetts, trabaja en desarrollar prototipos de sensores, médicos como glucómetros, de calidad en alimentos, y en etiquetas de identificación de radiofrecuencia o etiquetas inteligentes. «Algunas de las aplicaciones serán sensores de glucosa y del conocido E. Coli en los plásticos que envuelven frutas. Con etiquetas inteligentes y si todos los objetos del mercado las tuvieran, pasarías por unos sensores que automáticamente identificarían el grafeno y te dirían cuánto tienes que pagar. Las actuales de silicio resultan caras», explica.

Células solares y fibra óptica. Se especula que el grafeno podría aumentar hasta 20 veces la velocidad de la transmisión óptica de datos. El sueño para los internautas. Sin embargo, una de sus características, es su escasa absorción de luz (2,3 por ciento), lo cual representaba un problema tanto para su aplicación en nuevas generaciones de fibra óptica, fotodetectores y paneles fotovoltaicos. Aunque parece que esta dificultad forma parte del pasado. Según publicaba en la revista «Nature Communications» recientemente un grupo conjunto de investigadores de la Universidad de Manchester (con la participación de los dos Nobel) y Cambridge, la capacidad de absorción de la luz ha aumentado 20 veces. «Hemos usado estructuras metálicas y se espera alcanzar el cien por cien. Colocadas encima y debajo concentran el campo eléctrico alrededor suyo. Como el grafeno absorbe por si sólo el 2,3 por ciento de lo que le llega, la concentración mejora la absorción», explica Andrea Ferrari, del departamento de Ingeniería de Cambridge.

Transistores. IBM anunciaba hace un año la creación de un transistor de 100 Ghz. Después le llegó el turno a los investigadores de UCLA; de la Universidad californiana salió un prototipo de laboratorio capaz de alcanzar una frecuencia de 300 GHz. «Los transistores son los interruptores que permiten que pase la corriente dentro de los procesadores de los ordenadores», explica Palacios. Determinan la velocidad de los procesos en función de la cantidad que dejan pasar; con el último transistor desarrollado, alcanzaría los 3.000 km por segundo.

Sobre la posibilidad de que Silicon Valley se transforme un día en Graphene Valley o, lo que es lo mismo, que el silicio desaparezca de la producción de dispositivos electrónicos, los expertos lo tienen claro. 2024 es el horizonte para un posible fin de la nanoelectrónica basada en silicio, cuando el límite de los siete nanómetros (un nanómetro es una millonésima parte de un metro) de distancia para 10.000 millones de transistores en cada chip se alcanzará (el recalentamiento impedirá meter más). Más allá, uno de los sustitutos es el grafeno «El problema del silicio será la disipación del calor, pero cuidado, el 99 por ciento de los aparatos se seguirán haciendo en silicio», explica Emilio Lora Tamayo, experto en transistores del Centro Nacional de Microelectrónica.

Uno de los problemas de la monocapa de grafeno es la «ausencia de banda prohibida». Es muy buen conductor pero, a diferencia de otros materiales, no tiene banda prohibida, que es la que permite interrumpir del todo el flujo de corriente. Con los transistores monocapa, el apagado no era una operación cien por cien eficiente. Hasta que se dio con el grafeno bicapa. Los investigadores de la Universidad de Manchester acaban de anunciar nuevos resultados en el estudio del material de dos capas, aunque «el problema es que todavía no hay un método bueno para crecer este grafeno en grandes proporciones», explica Palacios. Su uso sigue siendo muy limitado; falta un proceso productivo industrializado a gran escala.

Los expertos apuntan a que la posibilidad de posicionamiento inminente del grafeno está en la electrónica de bajo coste como pantallas táctiles, computadores plegables, radares, que aun así no evitarán el silicio, «paredes emisoras de luz, como células solares pero al revés», explica Guinea.

Espintrónica. Yendo más allá, el grafeno podría cambiar la forma de trabajar de los transistores. Es el campo de la espintrónica «una revolución», explica Stephan Roche, del Instituto catalán de nanotecnología y experto teórico en este campo, que abrió el premio Nobel de Física, Albert Fert.

Manipular directamente el electrón, controlando su giro de manera constante a grandes distancias y a temperatura ambiente. «El gran desafío es inyectar electrones con un espín definido en el grafeno y, a través de una acción externa (electroestática, mecánica o química), cambiar su giro de manera controlada. Hacer una especie de encendido. Si se lograra, podríamos tener en la misma plataforma almacenamiento y tratamiento de datos», explica Roche.

Sin renunciar a otras posibilidades. «Hay un debate enorme sobre nuevos estados de la materia, como la superconductividad encontrada en bicapas de grafeno. Tiene mucho interés», explica Guinea.

Industria aeroespacial. Las posibilidades en el espacio como compañero de la fibra óptica son numerosas. La condición: que se desarrolle una economía de escala, que la demanda crezca y que salga rentable producir grafeno. «En el sector aeronáutico europeo la innovación es cuestión de supervivencia. A la larga si no, los chinos nos comerán crudos», afirma Roche.

Baterías para coches eléctricos. Los coches eléctricos siguen teniendo problemas de recarga. Son lentos a la hora de repostar y su autonomía no es la más eficiente. «El almacenaje es el campo de batalla. Se piensa en el grafeno como conductor. Los condensadores son dos placas conductoras separadas por una capa aislante. Mientras más delgada sea esa capa, más capacidad de almacenaje. Ése es el problema real», explica Lora.

«Graphene Flagship». El grafeno europeo está pendiente de la resolución de la Comisión. Su decisión de financiar en diez años y con mil millones de euros dos proyectos científicos a partir de 2013 es la iniciativa científica más ambiciosa de la historia comunitaria. Lo que se juega Europa, descubridora del grafeno, se mueve entre perder o coger el tren de una industria que promete ser El Dorado tecnológico. En cuanto a aplicaciones, coreanos y japoneses van muchos más deprisa. Sin embargo, esta semana se reunirá en Madrid el primer workshop dirigido a la industria de cara al Flagship, un primer e interesante paso, que ha despertado el interés de los coreanos, a quienes se espera en la reunión para ver lo que se cuece por la UE.

Reino Unido parece haber avanzado tímidamente anunciando que invertirá 60 millones de euros en proyectos de grafeno, aunque la respuesta coordinada y el empujón definitivo para el mercado llegarán si la Comisión lo elige en 2012. «Es un paso necesario, una inversión pequeña si se calculan los beneficios. Si no se invierte en este descubrimiento europeo, dentro de poco los dispositivos los compraremos a Asia», afirma Ferrari. «Si no se apuesta por el grafeno va a ser un desastre y un escándalo con la excelencia que tiene este proyecto, con sus cuatro premios Nobel. En la historia científica son pocas las ocasiones en que se tiene delante un material con tantas posibilidades», dice Roche.

Los materiales «raros» de la actual revolución tecnológica
Los lectores de CD, DVD, IPAD, los auriculares de su lector MP3, flourescentes, resonancias magnéticas o teléfonos móviles existen gracias a ellos. Las tierras raras no comparten el mismo espacio que el carbono (grafeno) en la tabla periódica, aunque son parte sustancial de la tecnología que invade nuestra vida de cada día. Son 17 elementos químicos que se encuentran amalgamados y a los que se bautizó como «raros», no por su escasez, sino precisamente por la dificultad para separarlos. Coparon el campo de la pigmentación sustituyendo al venenoso cadmio y al selenio y sus propiedades magnéticas los han convertido en los elementos preferidos para hacer imanes permanentes. Neodimio, Samario, Praseodimo en su mayoría vienen, como el resto de las «raras», de China, que controla el 95 por ciento del mercado mundial a pesar de contar sólo con el 33 por ciento de las reservas. Si antes convenía comprar a China, ahora empieza a ser realmente caro. De una tonelada a 100 euros se ha pasado a los 5.000 euros y, mientras los chinos rentabilizan así su compra de hierro extranjero, Europa y EE UU planean sustituirlos o empezar a explotar sus yacimientos.