Deu anys de grafè

El grafè, descobert el 2004 per Andre Geim i Konstantin Novoselov (1), és una làmina de carboni d’un sol àtom de gruix, que condueix l’electricitat millor que el coure o la plata, és 100 vegades més forta que una làmina d’acer de les mateixes dimensions i té un potencial d’aplicacions que encara no han fet més que començar a desenvolupar-se.

Estructures de carboni
El carboni és un element químic que existeix en forma de diferents materials però del que, fins fa uns cinquanta anys, només es coneixien dos: el diamant i el grafit.

El diamant te una estructura cristal·lina cúbica centrada en les cares (2). Des del punt de vista químic, cada àtom de carboni té la possibilitat de formar enllaços o d’unir-se amb altres 4 àtoms. diamanteQuan aquests 4 àtoms són també de carboni, la necessitat de minimitzar les forces de repulsió elèctrica fa que els 4 àtoms se situïn tant lluny com els sigui possible uns dels altres. Així, les direccions dels enllaços formen una estructura tetraèdrica perfecta que es reflecteix a escala macroscòpica en la formació de cristalls amb la transparència, capacitat de reflectir la llum, duresa, … característiques de la pedra preciosa que és el diamant.

El grafit té una estructura cristal·lina hexagonal, diferent del diamant i per tant, com a material té altres característiques. Per a formar un cristall, s’han de donar unes condicions de temperatura, pressió, concentració de materials i repòs determinades.grafito En el cas del carboni, quan no es donen totes les condicions necessàries per que es produeixi la unió d’un àtom amb altres 4 per a formar un cristall perfecte com el diamant, es pot produir la unió d’un àtom amb només altres 3 àtoms. La mateixa condició esmentada abans de minimitzar les forces de repulsió elèctriques, fa ara que els 3 àtoms se situïn en un pla al voltant del primer, també tan allunyats uns dels altres com els és possible, donant lloc a les làmines o capes característiques del grafit. Però com que l’àtom de carboni té la possibilitat de formar quatre enllaços, aquesta tendència a formar un quart enllaç la satisfà amb un àtom d’una altra capa, la que tingui més propera. Aquest enllaç no és però tant fort com els enllaços que ha format amb els 3 àtoms anteriors. El conjunt d’enllaços dels àtoms d’una capa amb els àtoms de les capes properes, proporciona la força per a mantenir unides les capes del grafit i li dona les especials característiques que el fan tan diferent del diamant.

Aquestes unions entre àtoms situats en capes diferents són més febles que les unions entre els àtoms d’una mateixa capa i això explica, per exemple,
– la facilitat amb la que es desprenen les capes de grafit quan escrivim amb un llapis, per exemple, estenent capes de grafit sobre la superfície del paper, o
– la relativa facilitat de conducció elèctrica del grafit comparat amb el diamant, que fa que es pugui utilitzar com a material per a elèctrodes o arcs voltaics.

En els darrers 50 anys s’han descobert altres estructures de carboni (3):
– Als anys 1970’s es van estudiar làmines molt fines de grafit que, intercalades entre capes d’altres materials presentaven propietats superconductores.
– També als anys 1970’s es van estudiar polímers com el poliacetilè, que es pot considerar com una estructura lineal d’àtoms de carboni amb alguns àtoms d’hidrogen.poliacetileno
– Als anys 1980’s es va descobrir a l’espai interestelar el ful·lerè, que és una molècula de seixanta àtoms de carboni amb forma de baló de futbol.
– Als anys 1990’s es van descobrir els nanotubs de carboni, que consisteixen en unes làmines molt fines de grafit enrotllades en forma de tub.fullere_nanotubsPerò no va ser fins a la dècada següent, a finals de 2004, que es va trobar allò que semblava que no podia existir, un material que consistia en una sola capa de grafit, una capa de grafit aïllada. I no podia existir en forma estable, segons l’opinió de molts científics de l’època, perquè segons s’ha explicat abans, els àtoms de carboni presenten quatre possibilitats d’enllaç amb altres àtoms. En una sola capa de grafit, els àtoms de carboni només tindrien satisfetes tres possibilitats d’enllaç, el que feia pensar que, en cas de poder ser sintetitzat, tendiria a reaccionar ràpidament per a satisfer el 4t enllaç i, per això, seria molt inestable.

Grafè, un material molt especial
El 2004, Andre Geim i Konstantin Novoselov estudiaven a la universitat de Manchester mètodes per a obtenir làmines de grafit tan primes com fos possible. Van provar amb residus de grafit ja exfoliat, enganxant una escata de residu a sobre d’una cinta adhesiva i plegant una altra part adhesiva de la cinta a sobre. Obrint de nou la cinta, l’escata s’havia escindit en dues parts. Repetint el procés, obtenien cada vegada fragments més fins de grafit. Examinant els fragments, van trobar que alguns tenien només un àtom de gruix, que eren d’alta qualitat, només contenien àtoms de carboni i eren químicament estables, inclús a temperatura ambient. Allò que semblava que no podia existir s’havia obtingut. La publicació a la revista Science (1) va aixecar expectació en tot el món. Sis anys més tard, el 2010, els va ser concedit el premi Nobel (5).

– Propietats físiques
– El grafè és el material més prim que s’hagi pogut obtenir mai. Es considera d’un gruix de 3 Angstrom (3.10-10 m)
– És molt dur, 200 vegades més que l’acer i quasi tan dur com el diamant.
– És molt elàstic, més que qualsevol altre material cristal·lí. S’expandeix fins a un 10% en forma reversible.
– Te una alta conductivitat elèctrica i tèrmica.

Grafè. Imatge Wikimedia Commons.

– Propietats electròniques
Els materials es classifiquen en conductors, semiconductors i aïllants, segons els electrons es puguin desplaçar en el seu interior. En aquesta classificació, el grafè es troba entre els conductors i els semiconductors, participant del millor d’ambdós mons. Els seus electrons tenen facilitat per a desplaçar-se per l’interior com passa en els metalls o conductors i, com els semiconductors, el desplaçament dels electrons deixa forats dins de l’estructura de forma que, en el sí del grafè, es pot parlar de dos portadors de càrrega, els electrons i els forats.

Els electrons però es desplacen dins del grafè d’una manera molt diferent a com ho fan els electrons lliures en un conductor. Els electrons que constitueixen el corrent elèctric en un metall interaccionen amb la xarxa metàl·lica i es desplacen amb una velocitat molt inferior a la velocitat de la llum. En canvi, en el grafè, els electrons es desplacen sempre a velocitat constant tan sols 300 vegades inferior a la de la llum i, per interpretar el seu moviment, s’han de tenir en compte els efectes relativistes i utilitzar per tant l’electrodinàmica quàntica, teoria que havia estat fins ara exclusiva per el moviment de les partícules elementals en el buit.

El fet que el moviment dels electrons del grafè segueixi les lleis quàntiques obre la porta a la comprovació al laboratori de fets “insòlits” predits per la mecànica quàntica com l’efecte túnel, segons el qual, una partícula pot travessar una barrera de potencial de forma que, poc després d’acostar-se a la barrera per un costat, aparegui a l’altre costat. La situació seria equivalent, en mecànica clàssica, a un mòbil que s’acostés a una muntanya i aparegués poc després a l’altre costat sense haver hagut de pujar-la i baixar-la. La mecànica clàssica diu que això no pot ser, o que la probabilitat de que succeeixi així és nul·la. En el cas del grafè, la seva excel·lent conductivitat elèctrica, abona la predicció de l’electrodinàmica quàntica que diu que els seus electrons es trobarien a l’altre costat de la barrera de potencial amb una probabilitat del 100%.

L’electrodinàmica quàntica, camp de treball fins ara d’astrofísics i físics de partícules, te un nou camp d’aplicació en el grafè, fet que obre la possibilitat de comprovar prediccions teòriques amb instrumental de taula de laboratori en lloc de telescopis i acceleradors de partícules, amb la diferència de pressupostos que és fàcil d’imaginar (3) (4).

– Producció
En els deu anys que han passat des del seu descobriment, la producció ha estat en mans d’empreses emergents (startups) d’arreu del món que han vist la possibilitat de negoci. Però fins ara la fabricació no ha passat de l’escala de laboratori, degut a que també és a aquesta escala que s’estan fent proves per possibles aplicacions del nou material i, sobretot, per les dificultats inherents a l’obtenció d’un producte de suficient qualitat i puresa.

Jesús de la Fuente, director de Graphenea Nanomaterials (6), deia fa dos anys que «encara no eś possible la fabricació de grafè a gran escala» (8). La seves paraules encara continuen sent vàlides, però podrien deixar de ser-ho molt aviat. Graphenea és una empresa espanyola que fabrica grafè en làmina d’alta qualitat, per el procediment de deposició química en fase vapor (CVD), partint de gas metà. És un dels principals productors i subministradors mundials de grafè (7).

El grafè es comercialitza bàsicament en dues formes: làmina i pols. El grafè en làmina és més pur i s’utilitza per elèctrodes, pantalles tàctils, cel·les solars o elèctrònica. El grafè en pols no és tan pur, és més barat i s’utilitza, per exemple, mesclat amb altres materials com «composite» per la construcció (8). La taula següent mostra els procediments bàsics de fabricació del grafè, a escala de laboratori (9).

produccio_grafeEn els darrers mesos han aparegut notícies que mostren alguns dels últims intents de fabricació industrial del grafè.

La revista Nature (11) publica el 20 d’abril de 2014 que, al Trinity College de Dublín, un grup de científics del departament de ciència de materials dirigits per Jonathan Coleman, han aconseguit produir grafè d’alta qualitat. Posant mig litre d’aigua, 10-25 ml de detergent i 20-50 g de grafit en pols en un mesclador de cuina i agitant la mescla entre 10 i 30 minuts, el resultat ha estat un gran nombre d’escates de grafè, de dimensions de micres, en suspensió aquosa. La qualitat del material obtingut és de l’ordre de la millor que s’ha publicat fins ara, però amb una velocitat de producció centenars de vegades major. La qualitat de les escates de grafè no és però tan alta com la que van aconseguir Geim i Novoselov a la universitat de Manchester el 2004 i que els va suposar el premi Nobel de 2010.

Coleman diu que cada any es produeixen al món centenars de tones de grafè, de qualitat molt diversa, fins al punt que moltes companyies venen una matèria que difícilment es pot anomenar grafè. L’empresa Thomas Swan ha traslladat el procés de Coleman a escala de planta pilot i espera produir a finals d’aquest any, 2014, un quilogram de grafè al dia, en forma de pols sec o de dispersió líquida de forma que pugui ser nebulitzat sobre altres materials.

L’empresa emergent polonesa Nano Carbon (12) comença ara, el 2014, la producció comercial de grafè basada en el mètode de creixement epitaxial, segons el procediment de Wlodzimierz Strupinski de l’Institut Tecnològic de Materials Electrònics de Varsovia, publicat el 2011 (13). Aquest mètode és, segons Strupinski, eficient i barat, quan havia estat considerat fins ara de baix rendiment i de cost alt, segons la taula anterior. Jan Blaszczyk director de desenvolupament de Nano Carbon,    diu que estan invertint en màquines per a fer el salt a la producció massiva de grafè.
(14) (15).

Caldrà seguir amb atenció aquestes notícies de companyies europees, sense oblidar les companyies americanes o asiàtiques (Xina, Corea) (7).

– Aplicacions
Des del seu descobriment fa 10 anys, s’ha parlat de les seves nombroses aplicacions, algunes de les quals s’han començat ja a desenvolupar: millors components electrònics, ordinadors molt més ràpids i de molta més capacitat, millores en la telefonia mòbil, bateries de càrrega més ràpida, nous materials amb millors propietats de duresa i resistència, aplicacions per la industria d’automoció, aviació, alimentària, … (16)

Es poden remarcar algunes aplicacions que poden ser realment revolucionàries (17):
– El xip de grafè. A principis d’any 2014, IBM ha construït el xip més avançat del món, basat en el grafè, amb 10.000 vegades més rendiment que els anteriors basats també en el grafè. Es tracta d’un xip de silici, construït segons el procés de fabricació estàndard però amb una diferència respecte als anteriors intents: els transistors i els canals de connexió són de grafè i han estat afegits al final, per a evitar que la molt prima làmina de grafè, d’un sol àtom de gruix, patís danys. Es pot considerar que estem més a prop que mai de l’ordinador basat en el xip de grafè (18).
– Cables d’alta velocitat. Investigadors de la universitat de Manchester han construït un cable, combinant grafè i una nanoestructura metàl·lica, que genera energia elèctrica en presència de llum. És a dir, és de fet una cèl·lula solar elemental. El que és important però és que, degut a les propietats del grafè, la velocitat de transmissió en aquest cable és desenes o inclús centenars de vegades major que els més ràpids cables d’Internet actuals (19).
– Super bateries. Investigadors del Laboratori Lawrence Berkeley de Califòrnia han construït una bateria basada en sulfur de liti i òxid de grafè, que pot emmagatzemar el doble d’energia i pot fer almenys un 50% més de cicles de recàrrega que una bateria de liti convencional. Encara que la investigació es troba en una fase inicial, els investigadors creuen que aquesta bateria es podria utilitzar en ordinadors portàtils, cotxes i fins i tot en parcs eòlics. (20)
– Conversió de llum en electricitat. Frank Koppens i altres científics de l’ICFO, Institut de Ciències Fotóniques, depenent de la universitat Politècnica de Catalunya (UPC), han publicat el 2013 un article a la revista Nature Physics, en la que detallen els resultats de la prova de conversió de llum en electricitat mitjançant el grafè. Per cada fotó incident sobre la làmina de grafè s’obtenen molt electrons excitats, portadors per tant d’energia elèctrica. Els fotons d’alta energia, els de llum violeta, produeixen més electrons que els de baixa energia, els infrarojos, però, en tots els casos, el nombre d’electrons obtinguts era igual o superior al de fotons incidents. En la majoria de materials, es produeix només un electró per cada foto incident. (23) (24)

Hi ha però moltes altres aplicacions que s’estan desenvolupant (21):
– Emmagatzematge d’electricitat:  ànodes de grafè per bateries d’iò-liti de recàrrega ràpida, ultracondensadors que aprofiten una gran superfície de grafè.
– Elements de dispositius electrònics: Pantalles de baix cost en dispositius mòbils, transistors d’alta freqüència i circuits integrats de grafè, elèctrodes amb molta superfície i molt baixa resistència elèctrica fets per creixement de nanotubs de carboni sobre una làmina de grafè.
– Cèl·lules solars i de combustible: cèl·lules solars amb una estructura de grafè en forma de panel d’abelles en lloc de platí, o amb un elèctrode de grafè i ful·lerens i nanotubs de carboni per absorbir la llum i generar electrons, cèl·lules de combustible amb catalitzadors de grafè halogenat en lloc de platí, o amb dipòsits d’hidrogen fets amb superfície de grafè que permeten emmagatzemar una major quantitat d’hidrogen.
– Dessalinització d’aigua: una làmina de grafè amb forats d’un nanòmetre o menys pot ser utilitzat per treure ions de l’aigua a un preu inferior que l’osmosi inversa.
– Medicina: sensors per a poder diagnosticar certes malalties que combinen grafè amb una cadena d’ADN, i una molècula fluorescent.
– Nous materials: “composites”de resines epoxi i grafè, per pales de molins de vent o components d’aviació, o formats per plàstic i nano-cintes de grafè per parets de dipòsits de gas natural, més primes però igual de resistents. Membranes per separar gasos, fetes de làmines de grafè amb porus a escala nanomètrica.

– El projecte europeu: Graphene Flagship (22)
És la més gran iniciativa de recerca europea, amb un pressupost de 1000 milions d’euros. Va començar el 2013 i pretén portar el grafè des dels laboratoris acadèmics fins a la societat europea, en 10 anys, generant creixement econòmic, nous llocs de treball i noves oportunitats.
Coordinada per la Chalmers University of Technology. Gothenburg. Suècia.
El projecte te 16 línies de treball:
– Materials (CSIC)
– Salut i medi ambiental
– Ciència fonamental del grafè i materials 2D basats en el grafè
– Electrònica d’alta frecuència (comunicacions, commutació d’alta velocitat)
– Optoelectrònica (Institut de Ciències Fotòniques, Castelldefels)
– Espintrònica (aplicacions en magatzematge de dades) (Institut Català de Nanotecnologia, Bellaterra)
– Sensors
– Electrònica flexible
– Energia
– Nanocomposites
– Producció (de grafè)

Fonts d’informació utilitzades:
(1) “Electric field effect in atomically thin carbon films“. K. S. Novoselov, A. K. Geim i col·laboradors. Science, 22 d’octubre de 2004.     http://www.condmat.physics.manchester.ac.uk/pdf/mesoscopic/publications/graphene/Science_2004.pdf
(2) Introducción a la física del estado sólido. Charles Kittel. Ed. Reverté. 1995.
(3) Electrónica del grafeno, José González C., Ma. Ángeles Hernández V., Francisco Guinea, Investigación y Ciencia, setembre 2010
(4) Grafeno, André K. Geim i Philip Kim. Investigación y Ciencia, juny 2008
(5) http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2010/
(6) http://www.graphenea.com/
(7) http://www.graphene-info.com/companies
(8) Teresa Guerrero, Grafeno, el material del futuro. El Mundo 15/04/2012. http://www.elmundo.es/elmundo/2012/04/13/nanotecnologia/1334331314.html
(9) http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=25744.php
(10) Significat d’epitaxial segons l’Enciclopèdia Catalana
http://www.enciclopedia.cat/enciclop%C3%A8dies/gran-enciclop%C3%A8dia-catalana/EC-GEC-21417225.xml?s.q=epitaxial#.VA9MY61xOPI
(11) http://blogs.nature.com/news/2014/04/how-to-make-graphene-in-a-kitchen-blender.html
http://www.nature.com/nmat/journal/v13/n6/full/nmat3944.html . Article original.
(12) Empresa Nano Carbon, Polònia.  http://www.grapheneshop.pl/en/products/epitech
(13) http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl200390e
(14) http://cleantechnica.com/2014/02/09/graphene-production-poland/
(15) http://www.zdnet.com/in-graphene-we-trust-how-poland-is-putting-confidence-and-cash-in-a-material-still-on-the-starting-blocks-7000028144/
(16) http://www.infografeno.com/aplicaciones-del-grafeno
(17) http://www.fayerwayer.com/2013/06/siete-aplicaciones-revolucionarias-del-grafeno-para-la-tecnologia-moderna/
(18) http://www.extremetech.com/extreme/175727-ibm-builds-graphene-chip-thats-10000-times-faster-using-standard-cmos-processes
(19) http://www.manchester.ac.uk/discover/news/article/?id=7348
(20) http://www.theguardian.com/sustainable-business/breakthrough-batteries-lithium-sulphur-graphene
(21) http://www.understandingnano.com/graphene-applications.html
(22) http://graphene-flagship.eu/
(23) ICFO http://www.icfo.eu/newsroom/news2.php?id_news=1884
(24) http://www.lavanguardia.com/ciencia/20130225/54367731052/descubren-propiedades-grafeno-para-convertir-la-luz-en-electricidad.html

Emissió de Ràdio Banyoles, dins del programa d’Astrobanyoles
“Sopa d’estrelles” del 26 de febrer de 2015.

Aquesta entrada ha esta publicada en física, materials. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

Els comentaris estan tancats.