La panacea del carbono

por GEORGE SIMONS

Para entender el grafeno, acaso el material más prometedor en la industria tecnológica, habría que emprender un viaje a un mundo en miniatura, como en Los viajes de Gulliver, de Jonathan Swift: el de la nanotecnología. Éste se define no por el objeto de estudio, sino por la escala métrica con la que se aproxima uno a cualquier estructura física. Se trata, pues, de la explotación y manipulación de materiales, aparatos y sistemas funcionales del tamaño de un micrómetro: una millonésima parte de un metro.

La extensión de un átomo es el espesor de las láminas hexagonales de carbono que componen el grafeno. Éste, en sentido estricto, es una de esas láminas bidimensionales –y no tridimensionales, como el común de los objetos–  semejante a un panel de abejas en cuyos vértices hay un átomo de carbono. Si se enrolla una porción de una de esas láminas en forma de esfera, se las llama fullerenos; si son cilíndricas, reciben el nombre de nanotubos. Estas nomenclaturas se deben a la función que tales productos cumplen, pero se habla de grafeno para referirse al material del cual están hechos.

El grafeno se produce a partir del grafito, que es un mineral alótropo del carbono que se encuentra en grandes reservas en China, India y Brasil. En los laboratorios de las universidades se consigue el grafeno mediante la aplicación de cinta adhesiva a la pieza del grafito para, después, a escala nanométrica, separarla, repitiendo el proceso hasta obtener una única capa. Dicho método valió numerosos premios a Kostya Novoselov, catedrático de la Universidad de Manchester: el Premio Nicholas Kurti, el Europhysics Prize y el Premio al Joven Científico de la Unión Internacional de Física Pura y Aplicada (IUPAP). No obstante, su producción a escala industrial aún sigue evaluándose. Pero son muchas más las promesas que azuza el grafeno.

Qué hay de bueno

Si bien la sustancia fue descubierta en la década de 1930, y su enlace químico y su estructura de bandas electrónica fueron por primera vez estudiadas en 1949, recién en el 2008 Jaffrey Kysar y James Hone, profesores de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Columbia, testearon la dureza del grafeno utilizando un diamante de extrema dureza para intentar atravesarlo. Hone describió el experimento en la revista Technology Review como uno equivalente a colocar plástico en la boca de un cilindro para luego medir la fuerza que se requiere para traspasarlo con un lapicero. Si en lugar de plástico se pusiera una lámina de grafeno, se podría situar el peso de un automóvil sobre ella y la lámina no se rompería.

Precisamente estas cualidades podrían propiciar que los chalecos antibalas sean del grosor de una lámina de papel; ésta sería una de las tantas posibilidades que podría suscitar en la industria de armamentos. Pero, sobre todo, es en la exploración de las nuevas tecnologías de la información donde la industria virtualmente delira sobre las posibilidades que abre este nuevo material.

El periodista del diario español El País Miguel Calzada deja a las claras la revolución que supone: afirma que Silicon Valley (Valle del Silicio),  meca de la industria e investigación en alta tecnología, muy probablemente deba cambiar su nombre a GrapheneValley (Valle del Grafeno). Sucede que, en efecto, el grafeno es un semiconductor mucho más eficiente que el silicio. Los electrones que interaccionan en las celdas hexagonales del grafeno pueden llegar a una velocidad sólo cuatrocientas veces inferior a la velocidad de la luz. Incluso sin portar ningún electrón, la conductividad eléctrica del material no cae por debajo del valor mínimo, lo cual es contraintuitivo, ya que en cualquier otro material la conductividad eléctrica desaparece cuando no hay cargas. Si bien otros semiconductores logran lo mismo a muy bajas temperaturas, el grafeno lo hace a temperatura de ambiente. Y, lo más importante, hace valer su resistencia en los procesos de fabricación de microprocesadores, cuando la tensión y el calentamiento son extremos. Con seguridad las computadoras, del tipo que sean, serán mucho más poderosas con este material.

La siguiente puerta

¿Recuerda usted lo que se llamó revolución digital? Pues lo que hoy se conoce como tecnología digital tradicional tiene un límite, que viene dado por la nanoescala. Bienvenido sea, pues, a la computación cuántica.

Los transistores de silicio que fabrican empresas como Intel tienen un tamaño de 45 nanómetros (nm). De acuerdo con Intel, existen planes para diseñar transistores de 32 nm y 10 nm en el corto plazo; pero a partir de 10 nm el silicio deja de comportarse de forma estable.

Para superar esa barrera, se deben aplicar las leyes cuánticas a la computación, como lo hizo Paul Benioff a comienzos de los ochenta. En lenguaje sencillo: si en la computación tradicional los voltajes eléctricos son considerados como un bit cuyos únicos valores son 0 ó 1, en la computación cuántica, estos pueden superponerse de manera que puedan ser 0, 1 ó 0 y 1 a la vez. Ello se traduce en la realización simultánea de varias operaciones, según el número de qubits –cuya dimensión métrica es el nanómetro, del tamaño de un átomo de carbono–, que indica la cantidad de bits que pueden superponerse. Si las computadoras de hoy pueden efectuar miles de millones de operaciones, un computador cuántico de 30 qubits podría procesar millones de millones de operaciones en segundos. Y esta rapidez solamente es posible, a su vez, gracias a la rapidez con la que el grafeno transmite la electricidad.

Listo para el mercado

Normalmente un material nuevo tarda entre 15 y 30 años en pasar del ámbito académico al industrial, y después otros 10 años más para ser producido en serie. En este caso, ni siquiera han pasado cinco años desde su aparición y el grafeno ya está en el ámbito industrial.

En lo comercial también están anunciándose más novedades que mejores computadoras y tecnología de telecomunicación más poderosa facilitarán. Por ejemplo, ya se habla de pantallas táctiles que pueden doblarse y enrollarse, como la desarrollada por el instituto de nanotecnología de la Universidad Sungkyunkwan, de Seúl. Incluso Samsung, de acuerdo con el diario El País, sacará a la venta en los próximos años un televisor semejante de 30 pulgadas.

Por si fuera poco, la fabricación del material tendría un bajo impacto ecológico, aunque aún no se ha dado con un método de producción a gran escala. Sin embargo, el carbón puro, matriz del grafeno, se encuentra en abundancia en cualquier parte del mundo. Por ello, para producir estas láminas bidimensionales cuasi maravillosas, basta escribir con un lápiz en un papel lo siguiente: grafeno.