Entre carbonos anda el juego

Los investigadores llevan 25 años estudiando las extraordinarias propiedades de los fulerenos, los nanotubos de carbono y el grafeno. Sin embargo, su comercialización no es ni rápida ni sencilla.

En los cuentos de hadas, el tercer lugar a menudo es el mejor: el tesoro suele estar en el tercer cofre y el tercer hijo es el que consigue la fama y la fortuna. La historia se puede repetir para el grafeno, la tercera forma de “nuevo carbono” y la última en descubrirse. Hasta ahora, ha sido escaso el impacto en la industria de las dos primeras: los fulerenos1, con forma de balón de fútbol y descubiertos en 1985, y los nanotubos de cabono2, cilindros huecos caracterizados por primera vez en 1991. En cambio, parece que los buenos augurios rodean al grafeno, una lámina plana de carbono del grosor de un átomo. Un claro ejemplo es la rapidez con la que los revolucionarios experimentos sobre sus propiedades se hicieron merecedores del Premio Nobel de Física de 2010.

Apenas habían pasado seis años desde que los galardonados, Andre Geim y Kostya Novoselov, de la Universidad de Manchester (Reino Unido) informaran por primera vez del uso de cintas adhesivas para obtener capas de grafeno del grosor de un átomo a partir de bloques de grafito3. No obstante, resulta que el material, que en esencia es simplemente un nanotubo sin enrollar, presenta unas propiedades casi milagrosas: una sola capa de grafeno es a la vez el material más fino, resistente y rígido del mundo, además de ser un excelente conductor del calor y la electricidad.

El grafeno ha acaparado la atención de los medios en tanto que las empresas compiten por explotar dichas cualidades en el mercado. El año pasado se escribieron alrededor de tres mil artículos de investigación sobre este material y se solicitaron más de 400 patentes relacionadas con él. Corea del Sur planea invertir cerca de 220 millones de euros para comercializar el grafeno y empresas de la talla de IBM o Samsung están realizando experimentos con aparatos electrónicos basados en él, caracterizados por su pequeño tamaño y rapidez, y que un día pueden llegar a sustituir a los chips de silicio. Las expectativas en torno al grafeno han alcanzado tales proporciones que quien no esté muy metido en el mundo de la tecnología puede preguntarse por qué no lo ha conquistado todavía.

La realidad, sin embargo, no se parece al cuento de hadas. Otros compuestos de carbono anteriores al grafeno generaron expectativas similares. Un ejemplo son los fulerenos, para los que apenas se han encontrado aplicaciones prácticas. A pesar de que los nanotubos han tenido mejor suerte, producirlos es caro y son difíciles de controlar. Su escaso impacto industrial demuestra lo difícil que puede llegar a ser la comercialización de un nuevo material.

Aun así, la historia de los nanotubos presenta algunos elementos esperanzadores. Las aplicaciones en dispositivos electrónicos de tecnología punta no llegarán hasta dentro de algunos años, pero otras con una tecnología menos avanzada se encuentran mucho más cerca de salir al mercado. Ejemplo de ello son las películas conductoras basadas en nanotubos usadas para almacenar energía y en pantallas táctiles. Otra aplicación relativamente sencilla, el uso de nanotubos para reforzar los materiales compuestos utilizados en aviones y automóviles, está llegando al mercado. En previsión de una subida de la demanda, los fabricantes de nanotubos han aumentado su producción, llegando a fabricar varios cientos de toneladas al año.

Por esa misma razón, puede que éste sea el momento oportuno para que los fabricantes de grafeno, siguiendo su ejemplo, comiencen a producir las láminas en masa. El grafeno sirve para el mismo tipo de aplicaciones que los nanotubos, pero presenta varias ventajas clave, como la facilidad de producción y manejo, además de beneficiarse de dos décadas de investigación con nanotubos. Asimismo, disponer de esta retrospectiva permite a los fabricantes de grafeno tener una mejor idea de qué aplicaciones merece la pena investigar y cómo evitar los mismo errores de los nanotubos durante su primera década.

Entre carbonos anda el juego

Las extraordinarias propiedades que presentan tanto los nanotubos como el grafeno surgen de su estructura común: una retícula a escala atómica de átomos de carbono que sigue el patrón de un panal de abejas. Los enlaces carbono-carbono son extremadamente fuertes y producen una relación excepcionalmente alta entre fuerza y peso. La fuerza del grafeno es tal que, por ejemplo, según el comité del Premio Nobel, una hamaca de un metro cuadrado de grafeno perfecto podría soportar el peso de un gato de 4 kg. La hamaca pesaría 0,77 miligramos, es decir, menos de lo que pesa el bigote de un gato, y sería invisible a efectos prácticos.

La simetría con la que se disponen los átomos en la red hexagonal también permite que las dos formas de nanocarbono conduzcan la electricidad de forma mucho más fácil que el silicio utilizado en los chips de los ordenadores. Por ese motivo, presenta una resistencia eléctrica mucho menor y genera mucho menos calor, una ventaja cada vez más útil ya que los chips que se fabrican tienen una densidad cada vez mayor de funciones en sus circuitos.

Además, se pueden generar muchas propiedades nuevas mediante pequeños cambios en la estructura del carbono. En el grafeno, por ejemplo, las propiedades eléctricas dependen de factores como el tamaño de una determinada lámina, la presencia o ausencia de defectos en la red de la lámina y si ésta se encuentra sobre una superficie conductora. De forma similar, en los nanotubos se puede hacer que una misma estructura sea semiconductora o metálica simplemente cambiando su diámetro, longitud o “giro” (ángulo entre las líneas de los hexágonos y la dirección del tubo). Asimismo, existen diferencias entre los tubos aislados y aquellos en los que los cilindros están anidados dentro de otros, denominados nanotubos de pared múltiple.

Estas propiedades han alimentado grandes esperanzas de revolucionar por completo las aplicaciones electrónicas y los investigadores han hecho grandes progresos en el laboratorio. En 1998, por ejemplo, los físicos presentaron un transistor fabricado a partir de un único nanotubo semiconductor4 y en 2007 se anunció la síntesis de un radiotransistor basado en nanotubos de carbono5.

Sin embargo, desde la perspectiva de la producción a escala industrial de estos circuitos, la elevada variabilidad de los nanotubos es una maldición. Éstos se suelen producir en reactores, en los que los catalizadores guían la formación de los tubos a partir de un vapor rico en carbono. Habitualmente se genera una multitud de

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