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1 de Junio de 2017
Materiales

Bienvenidos a Planilandia

Tras el descubrimiento del grafeno, una multitud de nuevos materiales bidimensionales acapara la atención de los investigadores.

Estructura simulada por ordenador de una lámina de grafeno, un material compuesto por átomos de carbono dispuestos según un patrón hexagonal en una capa de un solo átomo de espesor. [© BUMBASOR/iStockphoto]

En síntesis

En 2004 se demostró la posibilidad de obtener de manera relativamente sencilla el grafeno, el material bidimensional por excelencia, compuesto por una sola capa de átomos de carbono.

Desde entonces, la investigación sobre materiales bidimensionales ha hecho enormes progresos. Hoy se estudian centenares de ellos, algunos de tipo compuesto (formados por distintas especies atómicas) e inorgánicos (sin carbono).

Estos nuevos materiales bidimensionales podrían desbancar al grafeno como rey del mundo bidimensional. Algunos revisten gran interés por sus aplicaciones en electrónica y telecomunicaciones, aunque también podrían tenerlas en los ámbitos biomédico y energético.

Cuando en 2009 se estrenó Avatar, el cine pareció vivir una pe-queña revolución al pasar de las dos a las tres dimensiones. Los espectadores por fin podían sumergirse en las historias y experimentar la visualización tridimensional de los ambientes, personajes y giros de la trama. En nuestro sector, la ciencia de materiales, sucedía lo contrario: el mundo plano, bidimensional, se revelaba mucho más emocionante que el «clásico» mundo en 3D. Estábamos descubriendo una «Planilandia», nombre tomado de la novela que el británico Edwin Abbott publicaba en 1884, donde las nuevas experiencias se vivían en la superficie de los objetos, y no en su grosor.

Los materiales siempre han tenido tres dimensiones en el espacio. Por ejemplo, el silicio que podamos tocar o ver tiene una anchura, una altura y una profundidad muy precisas. Y el que se usa en todos los ordenadores es un material cristalino que se extiende por igual en las tres direcciones del espacio. Sin embargo, que una de las dimensiones se convierta en nanométrica (es decir, del orden de la milmillonésima parte de un metro) puede conferir a los materiales nuevas propiedades, en ocasiones excepcionales.

Es el caso de los polímeros, las largas cadenas de átomos que componen el plástico común. Los polímeros tienen longitudes de centenares de nanómetros, pero solo un átomo de espesor, por lo que pueden considerarse objetos unidimensionales. Su estructura no les fue evidente a los químicos de inicios del siglo pasado, habituados a los materiales clásicos como la roca o el metal, los que se utilizaban hasta entonces. Se pensaba que los polímeros se componían de micelas, unas frágiles estructuras globulares que se encuentran, entre otros lugares, en el jabón. Solo en 1920, gracias a la intuición del químico alemán Hermann Staudinger, quedó claro que los polímeros eran cadenas lineales de átomos, parecidos a espaguetis nanométricos. Esta característica ha permitido crear una gran cantidad de polímeros alineando las cadenas individuales para formar cadenas más largas, y empleando para ello numerosas clases de átomos y moléculas.

Las primeras líneas
Podemos imaginar que los polímeros fueron las primeras líneas descubiertas de esa Planilandia en la que estamos inmersos hoy, donde ser plano (mucho más ancho que grueso) constituye una ventaja. Empezamos a internarnos en ella a principios del siglo XXI con la consecución, a partir del grafito, de láminas de carbono de un solo átomo de espesor, en la que los átomos se disponían según una geometría hexagonal. Este material bidimensional recibe el nombre de grafeno.

Aunque una lámina de grafeno tiene el grosor de un solo átomo, su anchura puede ser de decenas de micrómetros cuando se sintetiza sobre un sustrato, o incluso de decenas de centímetros. Es decir, su espesor puede llegar a ser mil millones de veces menor que su anchura.

En el 2004, los físicos rusos Konstantin Novoselov y André Geim, ambos de la Universidad de Manchester, publicaron en Science que habían conseguido separar del grafito unas pocas capas de grafeno. Ello permitió estudiar sus características físicas, razón por la que en 2010 recibirían el Nobel de física: un momento importante en la historia de Planilandia.

Durante casi dos siglos, varios científicos habían intentado exfoliar el grafito, pero la técnica de Geim y Novoselov resultó particularmente sencilla: usaba cinta adhesiva, un método ya utilizado a principios de la década de los sesenta por Robert Frindt, de la Universidad de Cambridge, para la exfoliación de otros materiales estratificados y que ha permitido a decenas de investigadores lanzarse al estudio del grafeno.

Hoy se produce el grafeno mediante métodos mucho más refinados. En 2005, Paul L. McEun, de la Universidad Cornell, propuso la exfoliación del grafito en líquido utilizando ultrasonido, un método transferible a la producción industrial. Al año siguiente, el grupo de Klaus Müllen, del Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros, obtuvo la síntesis química del «nanografeno»: capas monoatómicas de carbono con dimensiones laterales de pocos
nanómetros construidas a partir de hidrocarburos policíclicos.

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