El grafeno es tan sólo el comienzo

Una gran cantidad de nuevos materiales entra en escena para revolucionar la tecnología, y Brasil se ubica a la delantera de esos estudios

Por Heitor Shimizu, desde Barcelona

Agência FAPESP – Mucho se ha dicho en los últimos años sobre el grafeno, protagonista de una ola tecnológica que podrá llevar al desarrollo de ordenadores ultrarrápidos, transistores con el espesor de átomos, dispositivos médicos más seguros o aparatos electrónicos flexibles, que puedan doblarse y ponerse en el bolsillo. Todo eso y mucho más.

El potencial de este versátil material derivado del grafito se basa en sus notables propiedades: su dureza (es 200 veces más duro que el acero), asociada a su extremada levedad y mínimo espesor (un millón de veces más fino que un cabello), y su capacidad para conducir el calor y la electricidad, mayor que la de cualquier otro material que se conozca.

Pero el grafeno no está solo. Es apenas uno entre muchos nuevos materiales llamados bidimensionales –ya que están formados por capas planas y simples de átomos o moléculas– que llegan juntos con el potencial de desatar una revolución científica y tecnológica de dimensiones imprevisibles. Y la gran mayoría de ellos aún se desconoce, de acuerdo con Antônio Hélio de Castro Neto, director del Centre for Advanced 2D Materials and Graphene Research Centre da National University of Singapore.

“Hay muchos por descubrirse y por estudiarse. No se puede ni siquiera decir que estamos en la punta del iceberg. La cantidad de sistemas bidimensionales es inmensa y recién ahora estamos prestándoles atención”, dijo el físico brasileño, en el marco de la FAPESP Week Barcelona, realizada durante los días 28 y 29 de mayo en la capital de Cataluña.

“Existen también las heteroestructuras tridimensionales, cuyo campo, que aún está en su infancia, también será muy grande y tendrá un enorme valor económico, debido al potencial de sus aplicaciones”, dijo el investigador.

Castro Neto también es profesor visitante del Centro de Investigaciones Avanzadas en Grafeno, Nanomateriales y Nanotecnología (MackGraphe) de la Universidad Presbiteriana Mackenzie (UPM), con sede en São Paulo e inaugurado en 2014, que cuenta con el apoyo de la FAPESP.

“La UPM está invirtiendo 20 millones de dólares, y la FAPESP otros 5 millones de dólares a través del programa SPEC [São Paulo Excellence Chairs], una ayuda de la Fundación en la cual tengo el orgullo de ser investigador principal”, dijo.

“Esencialmente es una área que tiene mucho por ofrecer”, dijo. El MackGraphe y el centro de Singapur actúan en colaboración, mediante un acuerdo suscrito por la UPM con la University of Singapore.

Materiales complementarios

El trabajo de investigación para la obtención del grafeno –cuya existencia teórica había sido descrita hace décadas– les significó el premio Nobel de Física de 2010 a Andre Geim y Konstantin Novoselov, de la University of Manchester.

“El grafeno se obtiene del grafito, que no es otra cosa que un puñado de capas de grafeno ubicadas una arriba de la otra. Al exfoliar el grafito, obtenemos un material con el espesor de un átomo, hecho de carbono puro”, explicó Castro Neto.

El investigador comentó que en 2005, el potencial de los cristales bidimensionales –no sólo del grafeno– ya había sido destacado por Geim y Novoselov artículo publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences.

“Ellos se percataron de que el grafeno no era el único material que se podía obtener en forma aislada. En el fantástico artículo intitulado Two-dimensional atomic crystals demostraron que el mismo proceso utilizado para el grafeno podía emplearse en otros materiales”, dijo.

“Ese artículo abrió el nuevo campo de los cristales bidimensionales, aunque, en cierto sentido, el grafeno constituye un campo propio, toda vez que es el sistema más explorado, el más estudiado”, añadió. Muchos de estos nuevos materiales tienen propiedades complementarias, y podrán emplearse junto al grafeno, en una cantidad de combinaciones teóricamente ilimitada.

Castro Neto comenta que uno de los nuevos materiales es el disulfuro de molibdeno. Otro es el fosforeno, formado por hojas sencillas de fósforo y con propiedades semiconductoras, y que el grupo del investigador viene estudiando con gran énfasis en Singapur. Está también el TMDC (de “Transition metal dichalcogenide”). Y muchos otros que empiezan a aparecer en distintos laboratorios del mundo.

“Estos nuevos materiales tienen propiedades ópticas para nada triviales. Son delgados y suaves como membranas, no como los sólidos conocidos. Su suavidad se ve reflejada en sus propiedades electrónicas”, dijo.

“Suelo decir que ésta es la característica más particular de los materiales bidimensionales: el hecho de ser membranas. Tienen superficies puras, sin irregularidades, y sus propiedades electrónicas pueden modificarse mediante la aplicación de fuerzas. Podemos estirarlos o modificarlos químicamente. Una de las grandes ventajas cuando se trabaja con estos materiales es la funcionalización química”, dijo.

Castro Neto se refirió a algunos de los retos que se afrontan en el marco de la investigación con estos nuevos materiales, tales como la dificultad de producirlos en laboratorio y, más aún, a escala industrial.

“La exfoliación tarda mucho tiempo. Estamos esperando que los ingenieros creen nuevas tecnologías, capaces de manipular mecánicamente los cristales bidimensionales. Estimo que la robótica podrá ayudar mucho en tal sentido”, dijo.

“La ciencia de la computación también desempeñará un papel fundamental en esa exploración, sin ninguna duda. Como estamos hablando de materiales complejos, no podemos hacer modelados sencillos. Si no contamos con un buen poder computacional, no lograremos saber qué está sucediendo”, dijo Castro Neto.

“Es un campo fascinante y, a diferencia de lo que ocurre en otros, en él surgen sorpresas. Yo creo que eso es lo que más entusiasma de la ciencia: es cuando surgen sorpresas”, dijo.