Grafeno, el futuro del hardware – Parte I

Que es? Como se obtiene? Y quienes son los protagonistas de la historia? Que caminos van a seguir.

El grafeno es un alótropo del carbono, un teselado hexagonal plano (como un panal de abeja) formado por átomos de carbono y enlaces covalentes que se forman a partir de la superposición de los híbridos de los carbonos enlazados.

La hibridación es la que mejor explica los ángulos de enlace, a 120°, de la estructura hexagonal del grafeno. Como cada uno de los carbonos tiene cuatro electrones de valencia en el estado hibridado, tres de esos electrones se alojarán en los híbridos sp2, formando el esqueleto de enlaces covalentes simples de la estructura.

Una vez leído esto, expliquemos lo realmente relevante, si cojemos los libros de ciencia del instituto encontramos que hay 3 tipos de enlace, el ionico, el covalente y el metalico. La milagrosa molecula de agua es un hibrido entre el enlace coovalente y el ionico, por eso tiene las propiedades que tiene. Pues bien, el grafeno es un hibrido entre coovalente y metalico, lo cual confiere también una gran variedad de propiedades no esperadas en un metal.

El nombre proviene de GRAFITO + ENO. En realidad, la estructura del grafito puede considerarse como una pila de un gran número de láminas de grafeno superpuestas. Los enlaces entre las distintas capas de grafeno apiladas se deben a fuerzas de Van der Waals e interacciones entre los orbitales de los átomos de carbono.

Grafeno, el futuro del hardware - Parte I
Grafeno, el futuro del hardware - Parte I

En el grafeno, la longitud de los enlaces carbono-carbono es de aproximadamente 1,42 Å. Es el componente estructural básico de todos los demás elementos grafíticos, incluidos el propio grafito, los nanotubos de carbono y los fullerenos. Esta estructura también se puede considerar una molécula aromática (Quimica Organica) extremadamente extensa en las dos direcciones del espacio, es decir, sería el caso límite de una familia de moléculas planas de hidrocarburos aromáticos policíclicos llamada grafenos.

Grafeno, el futuro del hardware - Parte I

El grafeno perfecto se constituye exclusivamente de celdas hexagonales; las celdas pentagonales o heptagonales son defectos. Ante la presencia de una celda pentagonal aislada, el plano se arruga en forma cónica; la presencia de 12 pentágonos crearía un fullereno. De la misma forma, la inserción de un heptágono le daría forma de silla. Los nanotubos de carbono de pared única son cilindros de grafeno. En este sentido, el grafeno ha sido definido como un hidrocarburo aromático policíclico infinitamente alternante de anillos de solo seis átomos de carbono. La molécula más grande de este tipo se constituye de 222 átomos; 10 anillos de benceno.

Entre las propiedades más destacadas de este material se incluyen:

  • Algunos aseguran que el grafeno tiene propiedades de autoenfriamiento.
  • Tiene una alta conductividad térmica y eléctrica.
  • Presenta una alta elasticidad y dureza.
  • Sobre todo, una muy alta resistencia (200 veces mayor que la del acero, casi la misma que la del diamante).
  • Puede reaccionar químicamente con otras sustancias para formar compuestos con diferentes propiedades, lo que lo dota de un gran potencial de desarrollo.
  • Soporta la radiación ionizante.
  • Es muy ligero, como la fibra de carbono, pero más flexible.
  • Menor efecto Joule; se calienta menos al conducir los electrones.
  • Consume menos electricidad para una misma tarea que el silicio.
  • Genera electricidad al ser alcanzado por la luz.
  • El grafeno presenta un efecto llamado efecto Hall cuántico, por el cual la conductividad perpendicular a la corriente toma valores discretos, o cuantizados, lo que permite medirla con una precisión increíble. La cuantización implica que la conductividad del grafeno nunca puede ser cero (su valor mínimo depende de la constante de Planck y de la carga del electrón).
  • Debido a las propiedades anteriores, los electrones del grafeno pueden moverse libremente por toda la lámina y no quedarse aislados en zonas de las que no pueden salir (efecto llamado localización de Anderson, que representa un problema para sistemas bidimensionales con impurezas).
  • Es casi completamente transparente y tan denso que ni siquiera el átomo de helio, cuyos átomos son los más pequeños que existen (sin combinar en estado gaseoso) podrían atravesarlo.
  • Aún no dejando pasar el helio, sí deja pasar el agua, que estando en un recipiente de grafeno cerrado, se evapora prácticamente a la misma velocidad que si estuviese abierto.

Pero recordemos que el Grafeno ya se conocía sobre el papel desde hace tiempo, el repentino aumento del interés científico por el grafeno puede dar la impresión de que se trata de un nuevo material. Sin embargo, ha sido conocido y descrito desde hace al menos medio siglo. El enlace químico y su estructura se describieron durante la década de 1930, mientras la estructura de bandas electrónica fue calculada por primera vez por P. R. Wallace en 1949. La palabra grafeno se adoptó oficialmente en 1994, después de haber sido usada de forma indistinta con monocapa de grafito, en el campo de la ciencia de superficies.

Además, muchas nanoestructuras recientemente descubiertas, como los nanotubos de carbono, están relacionadas con el grafeno. Tradicionalmente, los nanotubos de carbono se han descrito como hojas de grafeno enrolladas sobre sí mismas, y de hecho las propiedades de los nanotubos de carbono se describen y entienden fácilmente a partir de las del grafeno. Se ha descrito también la preparación de nanotiras de grafeno mediante nanolitografía, con el uso de un microscopio de efecto túnel.

Las publicaciones especializadas bullen con artículos que presentan a esta estructura de carbono como la Panacea universal en la tecnología y el reemplazo de dispositivos de silicio por grafeno; pero no toda la comunidad científica comparte este optimismo por el grafeno. El célebre físico holandés Walt De Heer afirma que “el grafeno nunca reemplazará al silicio”. “Nadie que conozca el mundillo puede decir esto seriamente. Simplemente, hará algunas cosas que el silicio no puede hacer. Es como con los barcos y los aviones. Los aviones nunca reemplazaron a los barcos.”

Además, el grafeno no tiene una banda de resistividad, propiedad esencial con la que sí cuenta el silicio. Eso significa que el grafeno no puede dejar de conducir electricidad, no se puede apagar.

Aunque si es cierto que para su fabricación en masa es barato, flexible, transparente, muy resistente y no contamina. Competirá con otros compuestos basados en caucho o polímeros.

Aplicaciones en electrónica

El grafeno tiene propiedades ideales para ser utilizado como componente en circuitos integrados, tiene una alta movilidad de electrones, así como un bajo nivel de ruido, lo que permite que sea utilizado como canal en transistores de efecto de campo (FET).

En diciembre del 2008, IBM anunció que habían fabricado y caracterizado transistores que operaban a frecuencias de 26 GHz. En febrero del 2010, la misma empresa anunció que la velocidad de estos nuevos transistores alcanzaba los 100 GHz.

En septiembre del 2010 se alcanzaron los 300 GHz, la carrera por la velocidad es por tanto vertiginosa, sumando a esta el interés que ha puesto también Samsung prometiendo que llegara al THz antes de terminar 2012.

El uso del grafeno en el mundo de la electrónica no sólo se limita a la fabricación de los procesadores de próxima generación, sino que también podría ser utilizado en un futuro cercano en la fabricación de pantallas táctiles con una vida útil casi ilimitada, a un bajo costo y bastante flexibles.

Lo anterior es el resultado de sendas investigaciones realizadas en paralelo en la Universidad de Texas (Estados Unidos) y en la Universidad de Corea del Sur, en las que han logrado fabricar láminas rectangulares de grafeno con la capacidad de conducir electrones y de ser totalmente transparentes.

En el caso de las investigaciones realizadas en Estados Unidos se logró fabricar una lámina cuya diagonal mide 76 centímetros y que, gracias a las propiedades conductivas del grafeno, puede ser utilizada como pantalla táctil.

Por su parte los investigadores de Corea del Sur han logrado fabricar láminas de mayor dimensión que sus pares de Texas (30 pulgadas), con la finalidad de que sean utilizadas como reemplazo de las actuales pantallas. El objetivo principal de estos investigadores busca encontrar un material menos contaminante que los que, en la actualidad, se utilizan en la fabricación de las pantallas.

Claro que para demostrar que el grafeno puede ser utilizado como materia prima para la fabricación de pantallas, los investigadores deben demostrar que las hojas fabricadas con este material tienen una excelente calidad, dejando de lado los problemas de fracturas o discontinuidades que en la actualidad afectan su rendimiento.

Grafeno, el futuro del hardware - Parte I
Grafeno, el futuro del hardware - Parte I

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, 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,  podrán enrollarse “hasta formar un pequeño lápiz que nos pondremos tras la oreja”. Samsung también interesado en este aspecto del grafeno ya ha anunciado que en dos años comercializará un artilugio parecido.

¿Qué ocurrirá entonces con los netbooks, esos pequeños ordenadores que coparon el mercado el año pasado y que parecían el último grito? ¿Y qué será del iPad de Apple? En sus cuatro primeros meses de vida, se han vendido 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.

Según los especialistas mas aventurados esta nueva tecnologiano solo va a acabar con los portátiles más pequeños. Es que acabará con el libro y con el periódico y no hace falta esperar mucho en 10 años, y puede que incluso antes de cinco, este tipo de monitores inundará el mercado. Es cuestión de tiempo, solo depende de cuánto dinero se invierta”. Y de lo que tarde el precio en ser competitivo. De echo, ya existen webs que recomiendan a los inversores porque líneas de investigación deben invertir y a que empresas.

Desde que se sintetizó por primera vez en 2004, los avances en el campo del grafeno han sido espectaculares. Las publicaciones especializadas bullen con artículos que presentan a esta estructura de carbono como la panacea. Es transparente, pero conduce muy bien la electricidad, al menos 100 veces más rápido que el silicio. Una pantalla de grafeno es conductora por sí misma, por lo que no necesita de un entramado de circuitos por debajo. Al ser flexible, no solo puede enrollarse, sino que también puede recubrir superficies que no sean planas (¿pantallas esféricas, cónicas, cilíndricas?). Es barato porque forma parte del grafito que se encuentra en un lapicero cualquiera. La Universidad de Columbia asegura que es el material más resistente del mundo. Y además, no contamina.

Pero esta revolución no nos deja fuera a nosotros, la empresa “Avanzare Innovación Tecnológica, S.L“, con domicilio social en La Rioja, se ha convertido la primera firma española con mayor capacidad de fabricación de grafeno y nanografeno de Europa, materiales de los que en 2011 espera superar las 30 toneladas.

Para el directivo de esta empresa, que se plantea unas inversiones por valor superior a los dos millones de euros en investigación y producción de “grafenos” que tendrán muchísimos usos: la fabricación de ordenadores más eficaces, cables de nueva generación, materiales resistentes a la llama, materiales conductores, materiales de bajo desgaste, paneles solares o pantallas electrónicas flexibles.

Además del trabajo a escala industrial con el grafeno, esta empresa, en su apuesta por la I+D+I, descubrió el pasado año un nuevo método usando hielo seco (…. seguro que por ahí habría un overclocker) que, por primera vez, ha permitido entre el pasado año y el presente la producción industrial del grafeno y nanografeno -hasta ahora se producían a escala de laboratorio.

Varias empresas y grandes multinacionales de aeronáutica, plástico, automoción y electrodomésticos consumen este producto para sus procesos productivos y la firma riojana ha firmado acuerdos de distribución en varios países para la producción del grafeno nanografeno a escala industrial.

Investigadora en grafeno del CSIC de Madrid, considera que se han superado todas las expectativas: “Muchas de las teorías que ayer se calificaban de sueños se están haciendo poco a poco realidad”. Asusta ver las teorías de hoy, posibles realidades del futuro: microchips mil veces más rápidos y teléfonos móviles mil veces más potentes que los ordenadores que conocemos.

Pocos dudan de que en breve llegarán las asombrosas pantallas que renovarán el mercado de todo tipo de ordenadores y teléfonos móviles.Se pronostica que podrán comprarse de aquí a dos años. Pero para la verdadera revolución, para un mundo de chips y circuitos que no sean de silicio, habrá que esperar más, Al menos una década, aunque conociendo a las Multinacionales que están en plena carrera de patentes y desarrollo quien sabe si será menos.

Quien sabe, puede que en unos años el valle más famoso de la era de la informática tenga que cambiar de nombre…

Grafeno, el futuro del hardware – Parte I

  • Iago Crende

    Muy interesante el artículo… pero parece sacado de algún lado y no demasiado actual… Por la redacción, no es por trolear ni molestar, pero dice en algún momento que el año pasado fue el boom de los netbooks y cosas que diría alguien en 2012-13.
    El chip de IBM hasta donde lo seguí llegó a los 500Ghz usando helio líquido para refrigerarlo y de esto hace un par de años.
    El grafeno es 200 veces más resistente que el acero vale pero, ¿Que el diamante? Eso no es muy difícil, ¿No será la dureza la que comparan con el diamante?
    Lo de los átomos de helio los más pequeños… ¿No era el hidrógeno?
    Hasta mediados del año pasado sólo se oían hitos relacionados con el grafeno, pero desde entonces no he vuelto a oír más que alguna cosilla puntual. Se habían fabricado prototipos de paneles solares, geles hidrófugos, transistores más rápidos y con menos consumo, telas más resistentes que el kevlar, etc. Pero de un tiempo para aquí casi no tengo noticias de avances…. 🙁
    ¿Tenéis constancia de cómo va el tema hoy por hoy?
    Sólo he leído hoy la parte I, mañana iré con la II a ver qué tal, pero se agradece mucho el esfuerzo y el detalle que prestáis al apartado tecnológico y científico 🙂

    • hmmm.. mira la fecha de publicación:

      21 agosto, 2012

      😉

      Es uno de los muchos artículos que estamos importando de la web antigua de BH, es decir, la migración de contenido ha sido un proceso que no ha parado desde el lanzamiento de la nueva web (la tercera versión de BH, es decir, esta).

      • Iago Crende

        Tienes toda la razón!! jajaja, no me había fijado en la fecha, pues no fallé al situarlo xD
        Si no lo hubierais importado intuyo que ni me hubiera enterado de su existencia y está bastante interesante, seguid así y disculpad el error 😛
        P.D: ¿Os suena un problema con el scroll del ratón en vuestra página? En Windows 8.1 ya no me falla pero en el 7 a veces sencillamente dejaba de ir y había que mover la página con el teclado… :S

        • xDDD funny moment.
          Es lo que pasa, cuando haces articulos, cuando nadie hablaba de ello y por cierto documentado por estudios del MIT la mayoria, por lo que comentabas 🙂 Francisco, se metío un buen curro en hacer estos articulos y otro de witicridad, tambien por esas fechas.

          P.D El tema del scroll, si lo tenemos documentado y pendiente de revisión. Vamos por partes, como Jack the ripper xD

          • Iago Crende

            No encuentro el de witicridad y estária interesante de leer también 😛

            ¿Le habéis echado un ojo a los nuevos cristales nitrogenados bidimensionales?
            Parece que al final por simplicidad de fabricación serán más versátiles en el ámbito de la electrónica que el grafeno… pero tiempo al tiempo, jaja.