Lo cambiará todo. Y la prueba es que las principales instituciones científicas y empresas privadas de todo el mundo ya han destinado medios para investigar el grafeno. Compuesto por una sola capa de átomos de carbono, es el material más delgado y más deformable. También el más fuerte, flexible, transparente, impermeable... Francisco Guinea, del Instituto de Ciencia de Materiales (CSIC) y Medalla de la Real Sociedad Española de Física de este año, nos explica sus características. Además, El Cultural se cuela en algunos de los laboratorios especializados que estudian sus sorprendentes aplicaciones.

El grafeno ha sido una de las grandes sorpresas de la ciencia del siglo XXI. Se trata de una lámina formada únicamente por átomos de carbono. No existía anteriormente una estructura parecida. El espesor del grafeno, el radio de un átomo de carbono, no está bien definido, porque existe el Principio de Incertidumbre de Heisenberg, que afirma que el tamaño de un átomo depende de la forma en que se mide. Además de su estructura, el grafeno reúne una serie de propiedades únicas: es extraordinariamente robusto (por eso se puede manipular y estudiar), es un excelente conductor de la electricidad, no se ve afectado por reactivos químicos, conduce muy bien el calor... El aislamiento y la caracterización del grafeno, iniciado por el grupo dirigido por Andréy Gueim y Kostya Novoselov en la Universidad de Manchester en 2004 (y merecedores del Premio Nobel de Física en 2010) ha marcado un antes y un después, en muchas áreas de la ciencia y de la ingeniería. Su descubrimiento hace pensar en avances que, en el siglo XX, cambiaron nuestra percepción de la naturaleza y cuyas aplicaciones modificaron nuestra vida cotidiana, tales como el transistor o el láser.

En la punta de un lápiz

Geim y Novoselov buscaban materiales delgados, por su importancia en la miniaturización de los dispositivos electrónicos. En 2004 se podían obtener láminas con un espesor de unos pocos cientos de átomos. Estas láminas, sin embargo, eran más imperfectas cuanto más delgadas. En Mánchester optaron por una vía totalmente nueva: romper el grafito y descomponerlo en las láminas de carbono que lo componen. El grafito es el mineral que forma la mina de los lápices. El hecho de que funcionen muestra que el grafito se puede romper fácilmente. El grupo de Mánchester siguió un procedimiento muy simple para separar trozos del grafito: aplicaban una cinta adhesiva y luego la despegaban. Al repetir este proceso varias veces, consiguieron muestras cada vez más delgadas y transparentes. La caracterización de estas muestras puso en evidencia que algunas eran capas cuyo espesor era un solo átomo de carbono. Andre Geim, tras su llegada a Mánchester desde la Universidad de Nijmegen (Países Bajos), había creado un excelente laboratorio donde caracterizar todo tipo de materiales de interés en electrónica. En un período de extraordinario esfuerzo que resultó altamente productivo, se observaron toda una serie de propiedades que hacían del grafeno un material único en la naturaleza.

Pero ésta no ha sido la primera sorpresa que producen los materiales basados en el carbono (que, además, es parte fundamental de cualquier tejido biológico). En 1985 se descubrieron en el espacio interestelar los llamados fullerenos, bolas de carbono con la estructura de un balón de fútbol, que llevaron a sus descubridores al Premio Nobel de Química en 1994. Lo mismo ocurrió con un polímero orgánico y metálico llamado poliacetileno, y también existen unos cilindros de carbono con propiedades muy especiales llamados nanotubos de carbono. El grafeno dio una descripción unificada a este conjunto de materiales. Ha requerido una revisión profunda de muchos conceptos básicos para entender los materiales en general. Esto es así porque los electrones en el grafeno se comportan como si su masa fuera cero, de una forma parecida a las partículas elementales a altas energías. Además, se mueven en una estructura que se puede curvar y deformar de muchas maneras, en las que se cambia de forma muy exótica las propiedades de los electrones. Para justificar la concesión del premio Nobel en 2010, la Real Academia Sueca de Ciencias afirmó que una hamaca de grafeno de un metro cuadrado podría sostener a un gato de cuatro kilos. La hamaca sería transparente y de un peso menor al de un solo pelo del bigote del gato.

Múltiples usos

Las propiedades especiales del grafeno van a permitir que este material tenga muchos usos. De las muestras fabricadas con cinta adhesiva, cuyo precio comercial por gramo excede el producto interior bruto por año de la Unión Europea, hemos pasado a diversos métodos de producción a gran escala. Encontraremos el grafeno en microelectrónica, por su utilidad para transmitir datos a gran velocidad. También servirá para fabricar pantallas flexibles, sensores, células fotoeléctricas… Por su versatilidad, se ha comparado con los plásticos. El grafeno está dando resultados excelentes en el diseño de baterías o para reforzar estructuras en la industria aeronáutica. Su investigación ha tenido un desarrollo muy rápido.

El grafeno ya se ha convertido en una prioridad en la Unión Europea, en EEUU y en países como Japón, China, Corea o Singapur. Para financiar su investigación, la UE ha lanzado la llamada iniciativa Flagship. En lo que se refiere a nuestro país, la comunidad española tiene un papel muy activo tanto en el sector público como en el privado. La participación del sector industrial, que incluye empresas de todos los tamaños, ha sido comparable o superior a la de países con mayor tradición en este tipo de investigaciones.