Esta mañana se ha anunciado la concesión del Premio Nobel de Física a André Geim y Konstantin Novoselov, profesores de la Universidad de Manchester, por la preparación y estudio de grafeno. La molécula de grafeno es un buen ejemplo de la utilidad de una sustancia química (es decir de la Química) como herramienta de trabajo para estudiar procesos físicos, aparte de su inmenso potencial práctico en electrónica molecular.
El grafeno es una molécula gigante formada por sólo átomos de carbono, que forman hexágonos, similares al benceno. El benceno es el prototipo de compuesto aromático, caracterizado por la existencia de 6 electrones pi. La existencia de este rasgo estructural confiere al benceno estabilidad termodinámica, reactividad química característica y propiedades eléctricas y magnéticas interesantes. La condensación y fusión de anillos hexagonales da lugar a compuestos aromáticos polianulares. Algunos ejemplos se muestran en la figura siguiente.
El grafeno es una molécula con un número inmenso (prácticamente infinitos, debido a la magnitud del número de Avogadro) de anilloa aromáticos fusionados y con el grosor de sólo un átomo de carbono. Esta es una peculiaridad responsable de las propiedades del grafeno: es una molécula plana con gran superficie. Debiodo a esta características, se pensaba que el grafeno no podría prepararse de manera eficaz. Este ha sido el mérito original de la investigación del grupo de Geim y Novoselov que utilizaron un método experimental novedoso para su preparación.
Hasta el descubrimiento y caracterización de los fullerenos (de lo que se ha cumplido hace unas semanas el 25 aniversario), el carbono se presentaba en dos formas alotrópicas: el grafito y el diamante. Las dos sustancias tienen la misma composición: carbono puro; pero que tienen propiedades físicas totalmente dispares. Mientras que el diamante es transparente, aislante eléctrico y muy duro; el grafito es negro, conduce la electricidad y blando, siendo fácilmente exfoliable. Estas diferencias son debidas a la distinta ordenación de los átomos de carbono en la estructura cristalina. Los átomos de carbono en el diamante están formando estructuras muy compactas, dónde cada átomo de carbono está unido a otros tres átomos con geometría tetraédrica. En esta estructura no hay electrones pi, con mayor movilidad que los sigma, y el diamante no conduce la electricidad. Por otro lado, el grafito está formado por capas de átomos de carbono formando estructuras hexagonales fusionadas con electrones pi con alta movilidad, que son los responsables de la conductividad eléctrica del grafito. Además, la gran cantidad de enlaces conjugados en las capas de carbono es responsable de su color negro. Las capas de grafito están unidas a través interacciones no-covalentes débiles, por dónde el grafito puede ser exfoliado. Si el grafito se muele en un polvo fino, resulta el carbón activo de estructura amorfa que tiene mucha superficie por unidad de masa y es un excelente adsorbente de sustancias químicas, usándose en una de las primeras etapas de la purificación de agua.
La figura siguiente muestra la relación entre el grafito, el grafeno, los nanotubos y los fullerenos.
Cada una de las capas carbonadas que forman el grafito es una molécula de grafeno. La obtención de una monocapa mejora considerablemente las propiedades del grafito. El grafeno es mejor conductor de la electricidad que el cobre, siendo mucho más ligero. El grafeno es transparente, muy duro, excelente conductor del calor, disipándolo eficazmente. Todas estas propiedades hacen de él un material para aplicaciones en electrónica molecular. Investigaciones futuras se enfocarán a la modificación química del grafeno con el objetivo de mejorar sus propiedades.
Como dato curioso, Geim recibió el Premio Ig Nobel en Física en el año 2000. Lo compartió con Michael Berry «por usar imanes para conseguir que las ranas leviten» (citación de la consecución del Ig Nobel). Aunque estos premios se conceden por investigaciones que al menos promueven una sonrisa, son importantes para observar como los campos magnéticos intensos afectan a las sustancias aparentemente no-magnética, debido a una pequeña respuesta diamagnética que, a nivel atómico y molecular, compensa la fuerza de la gravedad. Este tipo de experimentos sirven para modelizar entornos de gravedad cero. En 2001, Geim publicó un artículo (Physica B, 2001, 294-295, 736) en el que el coautor era su hamster.
Dentro de unas horas se anunciará la concesión del Premio Nobel de Química. Algunos merecedores: Whitesides, Schreiber, Schultz, Eschenmoser, Mukaiyama, Somorjai, Danishefsky, Marks, Parr, von Schleyer, Ziegler, Stoddart, Crabtree, Fréchet, Karplus, Lippard, Zare.
De las formas alotrópicas del carbono y su utilidad (y de otras utilidades de la Química, así como de su relación con otras ciencias) se hablará en la charla La Química: De “entre la Física y la Biología” a “entre la Biomedicina y la Ciencia de los Materiales”. Oportunidades de investigación en Química dentro del curso de divulgación Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad (jueves 7 de octubre en la sede del IQOG).
Bernard0 Herradón
IQOG-CSIC