más adecuado para actuar como semiconductor

Una alternativa china podría arrebatar a España el liderazgo en el grafeno

De momento es solo un trabajo teórico, pero el pentagrafeno podría ser el material que revolucione la industria de los semiconductores con sus propiedades

Foto: El grafeno tiene una estructura hexagonal, similar a un panal de abejas
El grafeno tiene una estructura hexagonal, similar a un panal de abejas

En el año 2010 la Academia Sueca de las Ciencias otorgaba el Nobel de Física a los investigadores Andre Geim y Konstantin Novoselov por un trabajo que, publicado en 2004, había conseguido aislar láminas individuales de grafito, el llamado grafeno, utilizando un simple sistema de pelado con cinta adhesiva, convirtiendolo en un material fácil de analizar e investigar.

Desde entonces, el grafeno es siempre el primero en la lista de los materiales del futuro. Sus características únicas (es un excelente conductor de electricidad a temperatura ambiente que se conoce, además del más duro, un excelente conductor del calor, flexible y transparente) lo han puesto en el punto de mira de todo tipo de industrias, especialmente la industria electrónica. 

España ocupa un campo importante en este sector, tanto en producción como en exportación de grafeno. Varias empresas nacionales han alcanzado un alto grado de especialización en la escena internacional. Potentes grupos de investigación desarrollan en nuestro país el conocimiento necesario para dominar este material y determinar todas sus funciones y sus futuras aplicaciones.

Ahora, un grupo de investigadores chinos asegura haber logrado redondear aún más el invento con una formulación alternativa del material que mejora algunas de sus prestaciones. El trabajo de la Universidad de Pekín, que de momento es una simulación puramente teórica, ha sido publicado este lunes en la revista estadounidense Proceedings of the National Academy of Science, y podría suponer, si termina materializándose en desarrollos experimentales y aplicados, un cambio en el escenario mundial del grafeno.

Grafeno basado en las aceras de El Cairo

La fórmula alternativa se basa en convertir la red hexágonal de átomos de carbono que forma el grafeno en una red pentágonal, "copiando el azulejado de las calles de El Cairo" como señalan en el paper Shunhong Zhang, del Centro de Física Aplicada y Tecnología de la Universidad de Pekín y sus colegas. Para lograrlo han convertido las láminas bidimensionales en estructuras ligerísiamente tridimensionales, dotando al grafeno de un relieve que no existe en su formulación, digamos, tradicional. Esto es posible partiendo de una de las muchas estructuras que la flexibilidad química del carbono le permite adoptar, llamada carbono T-12.

Lo que ha hecho el equipo de Wang, explica Eduardo Hernández, investigador del Centro de Investigación de los Materiales de Madrid (perteneciente al CSIC), es partir de esa estructura y aislar una de sus capas, formada por átomos de carbono en una estructura pentágonal. Utilizando modelos informáticos han demostrado que esta alineación alternativa no solo sería posible sino que además sería estable al someterla a altas temperaturas y presentaría una serie de propiedades que serían interesantes y con las que el grafeno no suele contar.

Utilizando modelos informáticos han demostrado que esta alineación alternativa no solo sería posible sino que además sería estable al someterla a altas temperaturas y presentaría una serie de propiedades que serían interesantes y con las que el grafeno no suele contar

Una de ellas está relacionada con su elasticidad. Este pentagrafeno tendría un coeficiente de Poisson negativo, algo que no es inaudito pero sí poco habitual. Para entender en qué consiste esta cualidad, imaginen una goma elástica: al tirar de ella verticalmente, se estrecha horizontalmente. Al dividir lo que se estira entre lo que se estrecha se obtiene el coeficiente de Poisson.

Lo habitual es que el dato sea positivo (como en el caso de la goma), pero existen algunos materiales, llamados augéticos, en los que el dato es negativo. Que este pentagrafeno cumpliese con esta característica sería interesante a nivel comercial, puesto que este tipo de materiales se utilizan para crear, entre otros, paredes resistentes a explosiones, chalecos antibalas y otras protecciones corporales, colchones más cómodos o hilo dental más eficaz.

Mejor semiconductor que el grafeno

Pero quizá lo más llamativo de la investigación de Zhang y sus colegas es que este pentagrafeno que han modelizado tendría una banda de energías prohibidas o band gap intrínseca que le daría cierta ventaja frente al grafeno ya conocido y que lo haría más adecuado para protagonizar la revolución de la industria de los semiconductores que llevamos años esperando.

La banda de energías prohibidas es una cualidad de algunos materiales que condiciona su poder conductor de electricidad. Se trata de una especie de barrera (aunque la palabra brecha sería más gráfica) que dificulta el flujo de electrones y marca la potencia energética que hay que aplicar para que la conducción se produzca. Los metales, por ejemplo, no tienen esta banda y por tanto los electrones transmiten su carga energética sin necesidad de grandes aportaciones de energía (siempre existe alguna resistencia, leve pero inevitable, debido a las impurezas presentes en el metal). Esto los hace buenos conductores de electricidad.

Otros materiales si tienen esta band gap, aunque es más ancha en unos que en otros. Esto quiere decir que hace falta aplicar cantidades de energía mayores para que la electricidad circule por ellos, lo cual los convierte en buenos aislantes (si la band gap es mayor) o en buenos semiconductores (si es menor). El silicio, el material en el que está basada la industria de la electrónica, es un semiconductor, de forma que puede interrumpir la corriente o reanudarla si se aplica una cantidad de energía suficiente. 

Existe mucho interés en todo lo que se refiere y se parece al grafeno, y esto es un ejercicio de cálculo perfecto. Pero hay muchas predicciones que nunca se cumplen. Cuando lo vea lo creeré

El grafeno es mejor conductor que el silicio, pero no tiene band gap en su fórmula más habitual, y eso es un problema a la hora de utilizarlo como semiconductor porque es difícil interrumpir la corriente. Lo que muchos investigadores en el mundo tratan de hacer es modificar químicamente su estructura, quizá incluyendo átomos de otro elemento que actúen a modo de cortafuegos, para crear artificialmente esa banda de energías prohibidas. El pentagrafeno de los investigadores chinos llevaría esa banda incorporada, de forma que sería potencialmente más sencillo y más barato utilizarlo a modo de semiconductor.

Hernández sin embargo llama a la cautela. Él también se dedica a modelizar distintos procesos basados en el grafeno y sabe que las predicciones tienen un valor relativo mientras no se lleven a la práctica. "Existe mucho interés en todo lo que se refiere y se parece al grafeno, y esto es un ejercicio de cálculo perfecto. Pero hay muchas predicciones que nunca se cumplen. Cuando lo vea lo creeré". 

Grafeno para pantallas flexibles

Su uso como semiconductor aún está por perfeccionarse, pero el grafeno ya se ha revelado como un material muy apropiado para la fabricación de pantallas para todo tipo de diapositivos. También este lunes ha sido publicado en la revista Nature Materials un estudio, liderado por el ya mencionado premio Nobel Konstantin Novoselov, que demuestra que es posible utilizar grafeno y otros materiales bidimensionales para crear dispositivos emisores de luz para una prósxima generación de dispositivos como móviles, tabletas y televisores. Como resultado, estos serían mucho más delgados, flexibles y semitransparentes. 

Al preparar las estructuras en un sustrato transparente y elástico, hemos demostrado que pueden ser la base de unos dispositivos electrónicos flexibles y semitransparentes

Su hallazgo ha consistido en insertar LEDs en el grafeno a nivel atómico combinando diferentes cristales, de forma que es el propio material de la pantalla el que emite luz, y lo hace desde toda su superficie. "Al preparar las estructuras en un sustrato transparente y elástico, hemos demostrado que pueden ser la base de unos dispositivos electrónicos flexibles y semitransparentes", explica Novoselov en el comunicado publicado por la Universidad de Manchester

El objetivo ahora es que las posibles aplicaciones de estas nuevas estructuras aumenten a medida que aumente también su disponibilidad y la calidad de sus funciones. 

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