¿Qué es más fino que un pelo, pero más fuerte que el acero?

Imagina un material que sea más fuerte que el acero, más transparente que el cristal y más fino que un pelo humano. Pista: no es kriptonita. Aida Rafat, ingeniera auxiliar de ConocoPhillips que ganó la final de Qatar de nuestro concurso internacional de comunicación científica FameLab, nos lo explica.

¿Qué es el grafeno?

Es el material más extraordinario que, en teoría, debería ser ciencia ficción. Tiene innumerables aplicaciones y propiedades fenomenales, y ha entusiasmado a los científicos.

Esta sustancia maravillosa bidimensional tiene un origen sencillo. El grafeno es el componente básico del grafito, una forma fundamental de carbono y un mineral abundante. El grafeno está formado por miles de capas de grafeno apiladas unas sobre otras. Lo conocemos como la mina de un lápiz. Así que, técnicamente, toda persona que haya dibujado una línea con un lápiz ha hecho grafeno.

¿Cómo lo descubrieron los científicos?

Por accidente. Y todo fue gracias a la cinta adhesiva. En 2004, dos investigadores de la Universidad de Manchester, Andre Geim y Kostantin Novoselov, trabajaban en el laboratorio. Estaban investigando las propiedades eléctricas del grafito y decidieron utilizar cinta adhesiva para ver si podían desprender escamas más finas. Siguieron pelando más y más capas de la escama de grafito original, hasta que se dieron cuenta de que habían acabado con una capa de un solo átomo de grosor. Lo que habían creado era el grafeno, y más tarde ganaron el Premio Nobel de Física 2010 por su descubrimiento.

¿Qué hace al grafeno tan especial?

El grafeno tiene unas propiedades mecánicas, eléctricas, térmicas y ópticas sorprendentes y únicas.

En primer lugar, es fuerte. La gente solía pensar que los materiales bidimensionales se deshacían. Pero, de hecho, el grafeno es el material más fuerte que se ha probado: unas 200 veces más fuerte que el acero. Una hamaca hecha con un metro cuadrado de grafeno soportaría el peso de un gato de cuatro kilos, pero sólo pesaría lo mismo que uno de sus bigotes, 0,77 mg (unas 100.000 veces más ligero que un metro cuadrado de papel).

En segundo lugar, a pesar de su tremenda resistencia, el grafeno conserva su flexibilidad y elasticidad. Se puede doblar y es transparente: ambas características son muy importantes en el campo de la electrónica, ya que se podría utilizar para fabricar pantallas táctiles flexibles y transparentes para ordenadores y dispositivos móviles.

En tercer lugar, conduce la electricidad de forma brillante. De hecho, los electrones se mueven más rápido a través del grafeno que a través de cualquier otro material probado. Los científicos pueden «dopar» el grafeno añadiéndole o quitándole electrones químicamente. Cuantos más electrones se le añadan, más corriente podrá producir. El grafeno «dopado» podría ser incluso mejor conductor de electricidad que el cobre.

En cuarto lugar, el grafeno es superimpermeable, por lo que incluso las moléculas más pequeñas, como el helio, no pueden entrar en él. Esta podría ser una característica muy importante, ya que nos permitiría utilizar el grafeno para separar líquidos y gases.

¿Qué tiene de diferente la estructura del grafeno?

El grafeno tiene una estructura muy singular, como un entramado de átomos de carbono en forma de panal. Lo inusual es la forma en que estos átomos interactúan entre sí.

Un átomo de carbono tiene seis electrones, de los cuales cuatro se sitúan en su capa exterior, listos para unirse a otros átomos para formar moléculas. Pero en el grafeno, sólo tres de estos electrones se unen estrechamente a los átomos vecinos, creando un enlace extremadamente fuerte y estrecho. El cuarto electrón permanece sin enlace. Estos electrones no enlazados se comportan de forma muy diferente a la habitual. Actúan como partículas de luz, o fotones, y se mueven a la velocidad de la luz por encima de la lámina de grafeno, lo que da al grafeno sus fenomenales propiedades eléctricas.

¿Cómo es el grafeno?

No podemos ver el grafeno a simple vista. Es el material más fino jamás descubierto. Una hoja de grafeno es 1.000 veces más fina que un cabello humano. De hecho, los científicos que lo descubrieron sólo pudieron ver los copos de grafeno porque los habían colocado sobre una oblea de óxido de silicio. Si hubieran utilizado otro material, es posible que ni siquiera lo hubieran visto.

¿Se utiliza ya el grafeno para algo?

Muchas grandes empresas, como IBM y Samsung, están investigando a fondo el grafeno. Uno de los principales retos a los que se enfrenta la industria de la electrónica en estos momentos es que estamos superando los límites de los transistores de silicio (que amplifican y conducen las señales eléctricas). En otras palabras, ¿cómo podemos fabricar transistores de silicio cada vez más pequeños para que las empresas puedan producir teléfonos inteligentes, tabletas y ordenadores más finos y potentes?

El problema es que ya hemos alcanzado el límite de lo que podemos hacer con los transistores de silicio. No podemos hacerlos más pequeños. Sin embargo, con el grafeno hay un gran potencial para ir más allá, e incluso para hacer pantallas táctiles y electrónicas transparentes.

No se trata sólo de ordenadores. Una de las aplicaciones comerciales actuales para incorporar el grafeno es una raqueta de tenis de una empresa llamada HEAD. La raqueta parece ser mucho más potente y ligera, dos cosas esenciales para una raqueta de tenis ideal.

¿Para qué más podría utilizarse el grafeno en el futuro?

La industria del transporte podría mezclar el grafeno con un material compuesto ya existente, para hacer aviones y coches más fuertes y ligeros. Debido a su impermeabilidad, el grafeno también sería un excelente material de revestimiento para resistir la corrosión.

Ponga una capa de grafeno en el plástico y tendrá un plástico conductor de la electricidad. O una empresa de electrónica podría aprovechar la flexibilidad del grafeno y utilizarlo para fabricar una tableta que se pudiera doblar como un periódico, o un diminuto teléfono inteligente que se pudiera pegar a la camiseta.

El grafeno puede mejorar drásticamente la vida útil de una batería de litio tradicional, reduciendo considerablemente el tiempo de carga. Puede utilizarse para almacenar energía solar, o para fabricar supercondensadores (baterías gigantes utilizadas en coches eléctricos y ascensores).

Los científicos también hablan de utilizar filtros de grafeno para la desalinización, para convertir el agua de mar en agua potable, y como sistema de administración de fármacos para el tratamiento del cáncer.

¿Se puede patentar el grafeno?

La patente del grafeno es uno de los temas más debatidos en la ciencia. El grafeno en sí no puede patentarse, ya que se deriva del carbono, un material natural. Es más, los científicos conocen el grafeno desde el siglo XX, sólo que no sabían cómo aislarlo.

Sin embargo, muchas organizaciones han patentado dispositivos de grafeno y procesos para producirlo. No sé si los dos científicos que descubrieron el grafeno se hicieron ricos gracias a ello. Pero sí se hicieron muy famosos y ganaron el Premio Nobel. Su artículo científico sobre el revolucionario descubrimiento del grafeno se publicó en Science, y el propio artículo se incluyó en la lista de los 100 artículos más citados de todos los tiempos. Se trata de un logro con el que sueña todo investigador científico.

Aida Rafat es ingeniera asistente en ConocoPhillips. Puedes verla competir en la final internacional de FameLab los días 8 y 9 de junio de 2016.