El Premio Nobel de Física del 2010 ha sido concedido a los dos investigadores que realizaron los primeros experimentos sobre el grafeno, una lámina bidimensional de átomos de carbono. El premio, otorgado a los físicos de la Universidad de ManchesterAndre Geim y Konstantin Novoselov, reconoce el trabajo que comenzó hace menos de una década sobre un material que desde entonces ha sido utilizado para desarrollar transistores rompedores de récords y eléctrodos elásticos.
El grafeno es un material de muchos superlativos: es el mejor conductor de la electricidad a temperatura ambiente y el material más duro jamás probado. También es un excelente conductor del calor, y es transparente y flexible. Antes del trabajo de Geim y Novoselov, los investigadores habían teorizado la existencia del material, y habían predicho que podría ser utilizado para desarrollar transistores más de 100 veces más rápidos que los chips de silicio actuales. No obstante, hasta que los investigadores del Reino Unido fabricaron y probaron el grafeno en 2004, muchos físicos creían que los materiales de sólo un átomo de espesor serían inestables.
En 2004, Geim y Novoselov obtuvieron grafeno en el laboratorio mediante el uso de cinta adhesiva para pelar un trozo de grafito en hojas cada vez más delgadas, como se puede ver en este vídeo. Una hoja de grafeno consiste en una única capa de átomos de carbono entrelazados en un patrón hexagonal, parecido al de un panal de abejas.
El grafeno es un material presente en la naturaleza. Son varias capas de grafeno las que conforman el grafito de la punta de un lápiz. Al trazar el lápiz contra el papel, estas capas se rompen, depositando finas capas de estas hojas de carbono. Rompiendo el grafito y pelándolo con cinta adhesiva en copos cada vez más delgados y con el tiempo en láminas de solo un átomo de espesor. Geim y Novoselov fueron capaces de fabricar cantidades usables de grafeno que podían ser estudiadas y que acabaron con las dudas sobre la estabilidad del grafeno.
En su trabajo inicial, en 2004, no sólo demostraron que habían obtenido grafeno, sino que también dilucidaron sus propiedades eléctricas estudiando su estructura y conectándolo a electrodos. "Ellos no fueron los primeros en ver el grafeno, pero sin duda fueron Geim y Novoselov quienes realmente abrieron la puerta para poder estudiarlo", afirma James Tour, profesor de química de la Universidad Rice.
Una vez desarrollado este sistema experimental para estudiar el material, Geim y Novoselov, y otros investigadores que les siguieron, descubrieron algunas cosas notables. En primer lugar, en el grafeno los electrones se comportan como si no tuvieran masa, moviéndose hacia adelante a velocidades de un millón de metros por segundo. (Compare esto con la velocidad de la luz en el vacío, 300 millones de metros por segundo.) Además, mientras que los electrones suelen rebotar con los obstáculos en el interior de un material conductor, los electrones que se mueven a través de la red hexagonal perfecta de grafeno avanzan viento en popa.
La estructura perfecta del grafeno da lugar a efectos cuánticos exóticos que están siendo estudiados por los físicos. Sin embargo, las propiedades eléctricas del material, su transparencia y su dureza han sido aprovechadas por los ingenieros para desarrollar de todo, desde pantallas táctiles hasta células solares de materiales estructurales ligeros. Los investigadores de IBM están desarrollando matrices de transistores de grafeno que hacen morder el polvo a los transistores de silicio convencionales, y un grupo de Samsung está desarrollando electrodos impresos de grafeno para su uso en pantallas táctiles transparentes y flexibles.
En reconocimiento al prometedor futuro del material, TR seleecionó el trabajo del Georgia Tech sobre transistores de grafeno como una de las tecnologías emergentes más prometedoras del año 2008; el mismo año reconocimos a Novoselov con nuestro premio jóvenes investigadores, el TR35.
La técnica de Geim y Novoselov puede ser utilizada para obtener grafeno en cantidades relativamente pequeñas, lo suficiente como para estudiarlo en el laboratorio y desarrollar dispositivos de prueba, pero en absoluto suficiente para su fabricación en masa. En los años transcurridos, los investigadores han desarrollado varios métodos para la obtención de grandes cantidades de material, y actualmente están aprendiendo a utilizarlo para fabricar dispositivos.
"Actualmente tenemos que encontrar nuevas maneras fiables de sintetizar grafeno a gran escala, y hacer estas tecnología reproducibles de una manera que tenga sentido económico", afirma Phaedon Avouris, un investigador que está desarrollando transistores de grafeno y fotodetectores en el Centro de Investigación Watson de IBM en Yorktown Heights, Nueva York.
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