Algunas palabras sobre el grafeno.

Grafeno, figura tomada de este enlace.

A principios de octubre se anunciaron los Premios Nobel de este año. El de física fue otorgado  a Andre Geim y Konstantin Novoselov por sus trabajos sobre grafeno. Este es un  material novedoso cuyas propiedades eléctricas y mecánicas (resistencia, flexibilidad etc)  lo convierten en un excelente candidato para revolucionar los dispositivos electrónicos. Pero en lo personal, lo que me asombra más del grafeno es su composición: carbono, simplemente carbono, el mismo elemento que abunda en la materia orgánica en nuestro planeta, incluyendo nuestro ADN. Y aún si te estás preguntando que tanto tiene que ver el grafeno con la vida cotidiana, te cuento que el grafito que usamos para escribir, y el diamante, valorado por su dureza y su belleza, son también carbono. Me encanta cuando la Naturaleza nos da una lección como esta: con el mismo átomo es capaz de crear materiales con propiedades muy diferentes unas de otras. El secreto está en la forma en que se acomodan los átomos.

Figura tomada de Wikimedia Commons, hecha por Mstroeck

Hablemos primero del carbono. Es el elemento número 6 de la tabla periódica, es tetravalente, lo que significa que cada átomo de carbono tiene la capacidad de enlazarse a otros 4 átomos de carbono. Su abundancia en el Universo se debe a que se produce en las primeras etapas de vida de una estrella. No en vano Carl Sagan dijo "Somos polvo de estrellas" pues en realidad todos los elementos en el Universo provienen de las reacciones en el interior de estos astros.  Se estima que el carbono representa el 0.025% de la corteza terrestre. En la Naturaleza lo encontramos en numerosos compuestos orgánicos. Específicamente el carbón sólido natural existe principalmente  tres formas: carbón amorfo, grafito y diamante.

El carbono amorfo es aquel en la que los átomos se agrupan de manera desordenada, como se muestra en la figura a la izquierda. Este tipo de  estructura es la que encontramos en la hulla y el carbón. Aunque estrictamente hablando estos compuestos contienen parte de carbono amorfo y parte de carbono cristalino. 

Estructura del diamante. Figura tomada de
 Wikimedia Commons, disponible aquí.

Por otro lado, en el diamante, los átomos de carbono se organizan en una estructura cúbica que se repite una y otra vez. La estructura se muestra en la figura a la derecha. A este tipo de estructuras periódicas se les conoce como cristales. Esta estructura peculiar solo puede formarse a temperaturas y presiones muy altas: aproximadamente 10 mil veces la presión atmosférica y 1000°C. Estas condiciones se dan solamente en el manto terrestre y entre placas continentales.  El resultado es un sólido transparente muy puro,  aislante eléctrico y reconocido por su dureza.

Grafito. Figura tomada de Wikimedia
Commons, disponible en este enlace.

En la naturaleza encontramos también el grafito. En este caso los átomos de carbono se organizan en capas, en las cuales los átomos de carbono se acomodan formando vértices de hexágonos. En este caso, las fuerzas de atracción entre los átomos dentro de una misma capa es más fuerte que la atracción entre átomos que se encuentran en capas diferentes. Esto hace que al aplicar presión sobre el grafito, provoquemos un deslizamiento de las capas. Esto es lo que sucede cuando escribimos con un lápiz: presionamos la barra de grafito contra el papel y dibujamos letras dejando capas de grafito sobre la superficie. Por esta propiedad, el grafito se usa también como lubricante en procesos industriales (y a veces en cerrajería también). A diferencia del diamante, el grafito sí es conductor eléctrico.
Si tomamos una sola capa de grafito, obtenemos grafeno. Es decir, ¡es una película de carbono del grosor de un átomo! A esto se le llama monocapa.  El grafeno es transparente, es conductor eléctrico, más fuerte que el acero pero sumamente flexible (dos características difíciles de encontrar en un solo material).  Estas características lo convierten en un candidato ideal para aplicaciones en óptica y electrónica, tales como pantallas táctiles y páneles solares entre otras, como se muestra en este vídeo A pesar de que su existencia fue predicha teóricamente en 1947 por P.R.Wallace, no fue hasta el 2004 cuando Geim y Novoselov lograron aislar y caracterízar esta monocapa de carbono. Muy interesante el método que los científicos galardonados usaron: simple y barato, nada de supertecnologías. En este enlace podés ver un vídeo que ilustra una de las formas de obtener grafeno. Se  toma cinta adhesiva, se pega sobre la superficie de un trozo de grafito y luego se despega. Acto seguido, se coloca una plaquita de silicio sobre la parte de la cinta que estuvo sobre el grafito, se presiona y se despega. Finalmente examinaron la plaquita de silicio en el microscopio para corroborar la presencia de la monocapa de grafito.

Fulereno y nanotubos, ilustración
 tomada de este enlace

Esta no es la primera vez que el  carbono ha sido tema de premio Nobel. Podemos mencionar en este aspecto el fulereno, que está formado por 60 átomos de carbono acomodados en 20 hexágonos y 12 pentágonos formando la superficie de una esfera (premio Nobel de Química, 1996). Existen también los llamados nanotubos de carbono. Estos son una o varias capas de grafeno enrrolladas en la forma de un tubo cuyas propiedades eléctricas se asemejan un poco a las del grafeno.
Actualmente muchos grupos de investigación trabajan con grafeno. Incluso ya hay proptotipos de pantallas hechas con este material, como la pantalla táctil que se muestra en este vídeo. Sin embargo, todavía es necesario esperar unos años para saber si el grafeno cumple las actuales espectativas.
(NOTA: todas las ilustraciones fueron tomadas del Wikimedia Commons)

Jugando con imanes

Este trabajo lo hice con dos de mis compañeros del Instituto Tecnológico de Costa Rica y con apoyo de la Escuela de Física de la misma institución.

La idea del proyecto, que consta de este y dos videos más, fue dar ideas de experimentos sencillos y de bajo costo a los profesores de escuela y colegio con el fin de que los hagan con sus alumnos.

¡Espero que les gusten las ideas y que las explicaciones les despejen algunas de las dudas que se les cruzan mientras juega con imanes!