Grafeno
Mitos y realidades
Entrada basada en el siguiente hilo de Twitter:
El grafeno quizá sea el material + famoso de este siglo. Desde que Geim y Novoselov lo aislaron en 2004, dando lugar al Nobel de Física de 2010, hemos leído de todo; desde que se forma con cinta aislante hasta que revolucionará la electrónica. 20 años después, ¿es para tanto?🧵⬇️ pic.twitter.com/Jfz1PkomBZ
— Manuel Alonso (@ManoloAlonso1) April 22, 2024
Índice
El grafeno es quizá el material más famoso de este siglo. Desde que Geim y Novosiólov lo aislaron en 2004, dando lugar al Nobel de Física de 2010, hemos leído de todo; desde que se forma con cinta aislante hasta que revolucionará la electrónica. 20 años después, ¿es para tanto?
En entrada analizaremos 10 afirmaciones habituales sobre el grafeno. Algunas son ciertas y otras pecan de sensacionalistas, o confunden conceptos. La idea es que, para cada afirmación, primero votéis “mito o realidad” solo con lo que os diga vuestro instinto, para después leer mi explicación. Empecemos.
1. El grafeno es una capa atómica de grafito
Explicación
Realidad. Los enlaces de van der Waals, más débiles que los covalentes, unen las distintas capas de grafeno, dando lugar a grafito, y vice versa. Se suele llamar “grafeno bicapa” en el caso de tener 2 capas en vez de 1.
Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Graphit_gitter.svg.
2. Grafeno a partir de grafito
Explicación
Mito. La punta del lápiz no solo tiene grafito, sino que también contiene una grasa o arcilla especial. Con cinta aislante, se obtendrá un material basado en carbono de mala calidad, no grafeno.
3. Grafeno empleando cinta aislante
Explicación
Realidad. En vez de lápiz, partieron de grafito pirolítico. Es una forma sencilla y barata para hacer investigación básica, pero, teniendo en cuenta que aparecen zonas con más capas y mucho espacio vacío entre ellas, esta no es la forma de fabricar grafeno de manera industrial.
También se puede fabricar grafeno por deposición química de vapor, por exfoliación con disolventes… sin embargo, cuanto más “industrial” es la técnica, peor es la calidad del grafeno y por tanto peores son sus propiedades, alejándose de sus prometedores valores teóricos.
![https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702113700142#fig1](/blog/2024/05/30/grafeno/fabricacion-grafeno_hu9355999562611698891.webp)
4. Electrones a toda pastilla
Explicación
Realidad. Los electrones se mueven en el grafeno a una velocidad independiente de su energía, a diferencia de en la mayoría de materiales, pero como sí ocurre con la luz. Su velocidad es de un millón de metros por segundo, que es un 0.3 % de la velocidad de la luz en el aire.
![Estructura de bandas del grafeno. Los conos de Dirac muestran la dependencia lineal de la energía con el vector de ondas del electrón, dando lugar a la velocidad constante. Esto es más propio de la luz que de electrones en un material estándar. Fuente: https://www.researchgate.net/figure/a-Band-structure-of-graphene-b-Dirac-cones-residing-on-a-hexagonal-plane_fig3_325120643.](/blog/2024/05/30/grafeno/estructura-bandas-grafeno_hu14226371356138546995.webp)
5. El grafeno como sustituto del silicio
Explicación
Mito. Ahora mismo puedo comprar una buena oblea de silicio de 10 cm de diámetro por unos 20 euros. Nunca tendremos grafeno de alta calidad de ese tamaño a ese precio. Además, la electrónica del silicio se basa en que es un semiconductor, y el grafeno puro no lo es.
![Sustratos de silicio. Fuente: https://www.ferrotec-global.com/tech_1_2.php.](/blog/2024/05/30/grafeno/obleas-silicio_hu17570930103564512394.webp)
Nota: Si bien el grafeno puro no es un semiconductor (y por tanto, no hay ON y OFF), sí se puede “abrir el gap” de distintas formas, como por ejemplo a base de formar nanorredes (nanoribons) de grafeno. Aparte de que hay aplicaciones electrónicas que no requieren encenderse y apagarse, como las pantallas táctiles.
Eso no quiere decir que el grafeno no se use en electrónica. Se está trabajando mucho a nivel de laboratorio e incluso de empresa; tiene pinta de que el grafeno complementará al silicio en algunos productos de alta gama, donde se aprovechen sus propiedades y compense el mayor coste.
![Ejemplo del grafeno en electrónica: una matriz unida por alambre que contiene 64 acelerómetros nanoelectromecánicos fabricados a partir de cintas de grafeno de doble capa suspendidas con masas de prueba de silicio adheridas. Fuente: https://www.nature.com/articles/s41928-019-0312-4.](/blog/2024/05/30/grafeno/grafeno-electronica_hu8888544249586926965.webp)
6. Grafeno como superconductor
Explicación
Mito. Debajo veis una curva de corriente–voltaje (en negro, el grafeno puro). La resistencia, que es el voltaje entre la corriente, es baja, pero no es 0. Los electrones aún pierden algo de energía a través de defectos, como vacantes de carbono, y vibraciones de la red. El grafeno es un semimetal.
![Corriente (mA) frente a voltaje (V). Fuente: https://www.mdpi.com/1996-1944/14/9/2347.](/blog/2024/05/30/grafeno/corriente-voltaje_hu6132717587713718547.webp)
Por cierto, en este hilo que tanto os gustó mencioné un tipo especial de defecto cristalino en el grafeno, que de alguna forma está relacionado con algunas celdas en los paneles de las abejas que no son hexagonales:
Hoy hablamos de grafeno y del panal de abejas ¿Qué tiene de especial esa estructura? ¿Sabías que las abejas construyen algunas celdas que no tienen 6 lados como el resto? Vamos a ver el motivo y la relación con los átomos del grafeno, que también se ordenan así. 🐝🔬🧵 pic.twitter.com/t7QK3dgYvE
— Manuel Alonso (@ManoloAlonso1) October 17, 2023
7. El grafeno bicapa sí es superconductor
Explicación
Realidad. Es el llamado “ángulo mágico”, de 1.1 °. Ojo, no es superconductor a temperatura ambiente sino a menos de 200 grados Celsius bajo cero (poco por encima del cero absoluto). El descubridor de este efecto es un español que trabaja en el MIT llamado Pablo Jarillo Herrero y su grupo.
![https://news.mit.edu/2020/twists-magic-angle-graphene-map-0508](/blog/2024/05/30/grafeno/grafeno-bicapa_hu13490896888025221964.webp)
8. El grafeno es el material más fuerte que hemos desarrollado hasta ahora
Explicación
Realidad. Ahí tenéis un gráfico actual que muestra la tensión de rotura de los distintos materiales. Ahora bien, hay que tener en cuenta que el grafeno es 2D y que no se pueden fabricar láminas muy grandes sin grandes huecos o defectos, es decir, con zonas más frágiles.
![https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202306513](/blog/2024/05/30/grafeno/grafeno-fuerte_hu8338874399878925839.webp)
9. El grafeno como la gran revolución
Explicación
Para nada. Entiendo la frustración, que proviene de algunos titulares sensacionalistas tras el premio Nobel que no se van a cumplir, pero es normal que las nuevas tecnologías pasen por la época de desilusión. Del laboratorio al mercado hay un largo camino, que no siempre se completa.
Sería un error invertir solo en aquello con aplicaciones predecibles. La superconductividad pasó de ser un tema científico apasionante a usarse en aceleradores de partículas y trenes ultrarrápidos. Aparte de que sí, ya hay productos comerciales con grafeno como estas raquetas Head que usa, entre otros, el laureado tenista Novac Djokovic.
10. Las vacunas COVID tienen óxido de grafeno
Explicación
Mito. No encontraréis grafeno ni óxido de grafeno en la lista de componentes de las vacunas ni ningún estudio serio que lo avale. Si aún desconfiáis, echad un vistazo a este hilo; entre otras cosas, las vacunas tendrían otro color si tuvieran algo de grafeno:
Graphene oxide is distinct from graphene but liquids containing it in any significant amount also tend to be dark brown or black. Those vials on the right are only 0.05% graphene oxide by weight and look how dark they are! (First image from https://t.co/MtEJPiXWmL) 4/n pic.twitter.com/919c7Fo4t7
— Fully Vaccinated Matthew, Evaluating Distance (@MatSciMatt) July 11, 2021
Con esto terminamos. Espero que esta entrada os haya acercado al grafeno y os haya proporcionado una imagen más cercana a la realidad del material; especial en muchas facetas, pero, al mismo tiempo, cuyo desarrollo tecnológico aún tiene muchos retos por delante.
Discord
Participa activamente en la web comentando, dando tu opinión, realizando peticiones, sugerencias...