¡La Física! ¿Hasta dónde nos llevará?

           Hace apenas diez años que se pudo observar el Grafeno

Fueron obervadas por los Astrónomos de la NASA

Primero fueron las moléculas de carbono en forma de balón de futbol; luego llegó el carbono enrollado en forma de nanotubos de carbono, más tarde las mallas microscópicas y, mañana… ¿quién sabe, qué maravillas nos espera? Puede que en unos años el valle más famoso de la era de la informática tenga que cambiar de nombre. Al norte de California, entre montañas y autopistas, una extensa aglomeración de empresas de nuevas tecnologías es conocida como Silicon Valley, en inglés valle del silicio, elemento químico con el que se fabrican los microchips. Pero el futuro, dicen algunos expertos y muchas publicaciones científicas, está en los chips de grafeno, un material resistente, transparente y extremadamente flexible.

Científicos surcoreanos acaban de construir la primera pantalla táctil de este material. Tiene 30 pulgadas y puede doblarse y enrollarse hasta ocupar un espacio mínimo. IBM, el gigante de la informática, presentó este invierno sus primeros chips de grafeno, 10 veces más veloces que los de silicio. Los fabricantes de baterías para móviles anuncian que mejorarán su producto gracias a este derivado del grafito, con el que también está hecha la radio más pequeña del mundo, diseñada por el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). ¿Estamos ante una nueva revolución que traerá ordenadores aún más rápidos y pantallas aún más pequeñas? ¿O hablar del valle del grafeno es tan solo fantasía?

Las pantallas del futuro serán flexibles, eso está claro. Los principales fabricantes se afanan en buscar nuevas fórmulas, no solo de grafeno sino también de tecnología OLED, basada en una capa que emite luz y está formada por componentes orgánicos (polímeros). También se intenta hacer papel electrónico con óxidos de metal o variantes del silicio clásico, como silicio cristalino o sus combinaciones con el caucho, bastante más elástico.

El instituto de nanotecnología en el que han desarrollado la primera pantalla táctil de grafeno, en la Universidad Sungkyunkwan de Seúl, ha conseguido llamar la atención de las grandes compañías. El sector está inquieto. Pantallas que se doblan como un papel y que dentro de poco, según James Tour, de la Universidad de Rice (Houston) y uno de los químicos más prestigiosos de la última década, podrán enrollarse “hasta formar un pequeño lápiz que nos pondremos tras la oreja”. Samsung, líder mundial en diversas ramas de la industria electrónica, ya ha anunciado que en dos años comercializará un artilugio parecido.

Qué ocurrirá entonces con los netbooks, esos pequeños ordenadores que coparon el mercado allá por el año 2009, y que nos parecían el último grito? ¿Y qué será del iPad de Apple? En sus cuatro primeros meses de vida, se vendieron más de tres millones de esta tableta ultraportátil que hace las veces de ordenador y teléfono. Pero incluso el gran invento de 2010 dejaría de tener sentido si sale al mercado una pantalla que pesa menos y que, extendida, es más grande y nítida, mientras que, enrollada, ocupa mucho menos espacio.

Si nuestros abuelos levantan la cabeza en sus tumbas y pudieran contemplar como se envía por fax un documento, de manera instantánea, de un lugar a otro lejano…, y, sin embargo, todo eso nos parece de lo más normal y cotidiano. Según vamos avanzando, ¿qué maravillas podremos ver nosotros? La ciencia avanza de manera exponencial y se cumple la ley Moore, cada poco tiempo, lo que hoy es moderno, queda obsoleto y hay que reemplazarlo por algo nuevo menos costoso, con más prestaciones, más barato de fabricar…

Por ejemplo, las láminas de Grafeno, unque comparte muchas de las propiedades que emocionaron de los nanotubos de carbono hace poco más de una una década, el grafeno es más facil de manipular y fabricar, lo cual le da mayores probabilidades de ser utilizado en laboratorios y aplicaciones prácticas. Si unimos a eso que el grafeno es uno de los mejores conductores de calor y de electricidad; su resistencia es 200 veces más que la del acero; es muy duro y muy elástico; tan ligero como la fibra de carbono. Los científicos han fabricado transistores de grafeno y los utilizan para explorar raros fenómenos cuánticos a temperatura ambiente.

Las aplicaciones del Grafeno son inimaginables en todos los sectores de la tecnología, medicina, Espacio…

Hace aún pocos años, sólo un puñado de gente investigaba algo relacionado con el grafeno. En una reunión de la Sociedad Americana de Física, celebrada en marzo, se presentaron cerca de 100 temas relacionados con el material. “Es como descubrir una isla” con varias especies para catalogar y ser estudiadas, manifestó Carlo Beenakker, profesor de física teórica en la Universidad Leiden, en Holanda.

Un nanotubo es grafeno enrollado. El grafito, lo que hay en la punta de un lápiz, está formado por capas de carbón apiladas, una encima de otra, como una baraja. Pero por mucho tiempo no se tuvo la destreza para sacar solo una de las cartas de esa baraja.

Hace unos 10 años, unos investigadores dirigidos por Rodney Ruoff, un de nanoingeniería de la Universidad Northwestern, frotaron pequeños pilares de grafito contra una plaqueta de silicio, lo que causó que se repartieran como una baraja. La técnica sugirió que podrían producir un grafeno de una sola capa, pero Ruoff no midió el grosor de la hojuela.

Luego, en 2004, un grupo de investigadores encabezado por el doctor Andre Geim, profesor de física de la Universidad de Manchester, en Inglaterra, desarrolló una mejor técnica: ponían una hojuela de grafito en un pedazo de cinta adhesiva, la doblaban y cortaban, con lo que dividian la hojuela en dos. Doblando y desdoblando repetidamente, el grafito se volvia cada vez más delgado; luego pegaron la cinta en una oblea de silicio y la frotaron. Algunas de las hojuelas de grafito se pegaron a la oblea y eran del grosor de un átomo.

Con este sencillo método de fabricar grafeno, se comenzaron a hacer todo tipo de experimentos. Por ejemplo: algunos lo emplearon para construir transistores y otros aparatos electrónicos.

Incluso se están haciendo estudios con estos materiales para ver la posibilidad de construir ascensores espaciales a la Luna, a la Estación Espacial Inrternacional, a bases de despegue de naves que saldrán a explorar el espacio interestelar…

Las hojas de grafeno no son planas, sino onduladas, y medir su grosor es toda una odisea. Los mejores microscopios del mundo pueden notar la presencia de un solo átomo, pero usarlos para medir el grosor de cada hojuela de grafeno es terriblemente lento. No obstante, Geim descubrió que una hoja así de delgada cambia el color de la capa de óxido de silicio en la superficie de una plaqueta, como el arcoiris que se genera cuando se vierte aceite sobre agua. Así con una simple ojeada a través de un sencillo microscopio, los investigadores pueden saber si una hojuela de grafeno tiene más de 10 capas de grosor (amarillo), entre 30 y 40 (azul), alrededor de 10 (rosa) o solo una (rosa pálido, casi invisible).

Pero aún enfrentan retos: el método de la cinta adhesiva no permite la producción en masa, al menos no de un modo costeable. Por ello, Walter de Heer, profesor de física del instituto Tecnológico de Georgia, ha refinado una técnica para obtener grafeno del carburo de silicio. Al calentar una plaqueta de este material a 1300ºC, los átomos de silicio de la superficie se evaporan, mientras que los átomos de carbono restantes se reacomodan en grafeno. “Es como cocinar un pavo”, dice De Heer.

También, los científicos han demostrado un fenómeno conocido como el efencto cuántico Hall, donde la resistencia eléctrica perpendicular a la corriente y un campo magnético aplicado saltan entre ciertos valores discretos. El efecto cuántico Hall se ve comúnmente a temperaturas muy bajas en semiconductores, pero con el grafeno ocurre a temperatura ambiente.

Si hablamos de los nanotubos de carbono, hay que decir que tienen excepcionales propiedades mecánicas, térmicas, químicas ópticas y eléctricas, por lo que son un material prometedor para numerosas aplicaciones de alta tecnología. En la práctica, las primeras aplicaciones de los nanotubos de carbono han sido electrónicas debido a sus particulares propiedades eléctricas, ya que los nanotubos pueden ser metálicos o semiconductores. Los nanotubos permiten hacer más pequeños los dispositivos, conducen muy bien el calor y aumentan la vida útil de los dispositivos.

– Los nanotubos, por su carácter metálico o semiconductor, se utilizan en nanocircuitos:

• Interconectores. Los nanotubos conducen bien el calor y poseen una fuerte estructura para transportar corriente, aunque la conductividad disminuye al aumentar el número de defectos.
• Diodos. Al unir nanotubos metálicos y semiconductores, o con campos eléctricos, similares a las uniones P-N.
• Transistores. De efecto campo, de electrón único, interruptores.

– Se emplean también como emisores de campo, que es una manera de arrancar electrones de un sólido aplicando un campo eléctrico. Algunas aplicaciones son: pantallas planas, lámparas y tubos luminiscentes, tubos de rayos catódicos, fuentes de rayos X, microscopios electrónicos de barridos, etc.

– Otras aplicaciones son: nanotubos como filtros RF, y memorias fabricadas con nanotubos más rápidas, baratas, con mayor capacidad y menor consumo  (nos dice Sergio Sánchez Force).

También se han utilizado los nanotubos de carbono para fabricar unas películas conductoras transparentes de distintos colores, mediante una técnica conocida como ultracentrifugación en gradiente de densidad que hace que láminas obtenidas se parezcan a un vidrio teñido. Estas películas pueden introducir mejoras en células solares y monitores de pantalla plana.

Actualmente, el óxido de estaño indio (ITO) es el material más utilizado para las aplicaciones conductoras transparentes. Pero debido a la escasez de indio y a su pobre flexibilidad mecánica, se ha buscado un conductor transparente alternativo, encontrándolo en los nanotubos de carbono.

Los nanotubos de carbono recientemente se utilizan también para fabricar productos electrónicos flexibles, como por ejemplo papel electrónico, a un coste asequible. Esto es debido a que ha surgido una forma de hacer transistores de alto rendimiento en un substrato de plástico.

Las buckyesferas, también conocidas como fullerenos, son moléculas con forma de balón de fútbol formadas por 60 átomos de carbono unidos. Y el espacio está lleno de ellas. Así nos lo comunicaron en su día los científicos de la NASA cuando lo descubrieron en las Nebulosas y en otras regiones del Espacio Interestelar.

No sólo en transistores, móviles o pantallas, este material estará presente por todas partes y, no digamos en el espacio. Por cierto, está presente ya en todas las Nebulosas de la que forman una importante proporción. Lo que decimos siempre: ¡Hay que estudiar la Naturaleza!

Los nanotubos de carbono se emplean en chips de dispositivos electrónicos para disipar el calor, reduciendo la temperatura del microprocesador. Los nanotubos disipan el calor de los chips tan bien como el cobre (utilizado también para disipar calor) y son más resistentes, ligeros y conductores que otros materiales para disipar calor, siendo su coste muy competitivo.

Se han desarrollado transistores de película delgada de nanotubos de para crear dispositivos flexibles y transparentes de alto rendimiento. Para ello, se emplean conjuntos alineados o redes de nanotubos para hacer transistores y circuitos integrados flexibles.

Estos conjuntos constan de miles de nanotubos que funcionan como semiconductor en forma de película delgada en el que las cargas se mueven a través de cada uno de los nanotubos. Un dispositivo típico tiene mil nanotubos y produce corrientes de salida mil veces mayores a los que tienen un solo nanotubo.

                           Almacena energía solar durante un tiempo indefinido

Recientemente se ha desarrollado una tecnología para almacenar energía solar con nanotubos de carbono, que se recargan cuando se exponen al sol. Este método supone menor coste que otras alternativas y mejora con respecto a la conversión eléctrica.

Un nanotubo de carbono puede ser conductor o semiconductor según la forma en que se enrolle la lámina de grafito, lo que lleva a emplear los nanotubos como componentes básicos de los transistores, ya que por su pequeño tamaño se podrían introducir muchos transistores en un microprocesador.

Se ha demostrado que la resistencia eléctrica de los nanotubos con vacantes crece exponencialmente con su longitud mientras que en un conductor normal (un hilo de cobre, por ejemplo) la resistencia crece linealmente con la longitud. La presencia de tan sólo un 0,03% de vacantes sea capaz de incrementar la resistencia eléctrica de un nanotubo de 400 nanómetros de longitud en más de mil veces. Este hallazgo podría permitir modificar a voluntad la resistencia en un nanotubo mediante la inclusión controlada de defectos, de manera análoga a como se hace actualmente en los materiales semiconductores.

Hay cuestiones en el mundo de la física cuántica que, literalmente, nos dejan con la boca abierta por el asombro. Como ocurre también con partículas cuya rotación, al duplicarse, resulta igual a un número par. Para manipular sus energías hay otra serie de reglas, ideadas por Einstein y el físico indio S. N. Bose. Las partículas que se adaptan a la estadística Bose-Einstein son Bosones, como por ejemplo la partícula Alfa.

A bajas temperaturas los Bosones tienden a tener un comportamiento cuántico similar que puede llegar a ser idéntico a temperaturas cercanas al cero absoluto en un estado de la materia conocido como condensado de Bose-Einstein.

Las reglas de la mecánica cuántica tienen que ser aplicadas si queremos describir estadísticamente un sistema de partículas que obedece a reglas de esta teoría en vez de los de la mecánica clásica. En estadística cuántica, los estados de energía se considera que están cuantizados. La estadística de Bose-Einstein se aplica si cualquier número de partículas puede ocupar un estado cuántico de igualdad. Dichas partículas (como dije antes) son Bosones que tienden a juntarse.

Los Bosones tienen un momento angular nh/2π, donde n es 0 o un entero, y h es la constante de Planck. cons Para Bosones idénticos, la función de ondas es siempre simétrica. Si sólo una partícula puede ocupar un estado cuántico, tenemos que aplicar la estadística Fermi-Dirac y las partículas (como también antes dije) son los fermiones que tienen momento angular (n + ½)h / 2π y cualquier función de ondas de iones feridénticos es siempre antisimétrica. La relación entre el espín y la estadística de las partículas está demostrada por el teorema espín-estadística.

En fin, la Física, esa disciplina que nos lleva hacia el futuro.

emilio silvera

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