La Verdad

Grafeno y siliceno, vaya par de gemelos
/ M. Casal

Grafeno y siliceno, vaya par de gemelos

  • En los últimos años, la búsqueda de nuevos materiales para su uso en la industria ha recrudecido la lucha entre ambos

Una de las ramas de la ciencia más apasionantes es la dedicada al desarrollo de nuevos materiales. Su uso en campos tan importantes como la electrónica, las comunicaciones o la medicina hace que la sociedad deba estar al día de sus propiedades. Hablemos hoy de ello.

Si hay dos elementos que me llevaron por la calle de la amargura durante mis años en la Facultad de Químicas fueron el carbono y el silicio. El primero por estar en infinidad de compuestos. El segundo por la curiosa forma que tiene de relacionarse con otros elementos de la Tabla Periódica. Su configuración electrónica y su teoría del enlace es tan especial que no había forma de entenderlo. Del carbono se ha hablado mucho pero del silicio no tanto, así que empezaré por este último, un elemento químico identificado por primera vez por el gran Antoine Lavoisier en 1787 y situado en el grupo 4 de la tabla periódica de los elementos con número atómico 14.

El silicio, un elemento que fue protagonista de películas como 'Star Trek' y 'Alien: el octavo pasajero', es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre después del oxígeno. Sus propiedades son intermedias entre las del carbono y el germanio. No podemos encontrarlo en estado libre en la naturaleza, sino que se encuentra en forma de dióxido de silicio y de silicatos complejos. El hecho de que presente propiedades parecidas al carbono le permite construir compuestos parecidos a las enzimas (zeolitas) y formar parte junto al oxígeno de las siliconas.

En cuanto a sus aplicaciones, el silicio se ha utilizado en aleaciones y, debido a que es un material semiconductor muy abundante, tiene un interés especial en la industria electrónica y microelectrónica como material básico para la creación de chips que se pueden implantar en transistores, pilas solares y una gran variedad de circuitos electrónicos. Por esta razón se conoce como Silicon Valley (Valle del Silicio) a la región de California en la que concentran numerosas empresas del sector de la electrónica y la informática.

Premio Nobel

La rivalidad entre el carbono y el silicio viene de lejos. Hasta ahora siempre había ganado el carbono pero, en los últimos años, la búsqueda de nuevos materiales para su uso en el sector industrial ha recrudecido la lucha. La culpa de todo ello la tienen dos nuevos materiales: el grafeno, formado a partir de átomos de carbono, y el siliceno, en cuya estructura dominan los átomos de silicio.

En 2010, el carbono pareció ganar la batalla de los nuevos materiales cuando se concedió el Premio Nobel de Física a Andre Geim y Konstantin Novoselov. Estos científicos realizaron los primeros experimentos sobre el grafeno, una lámina bidimensional de átomos de carbono que ha revolucionado el mundo de la nanotecnología.

El grafeno es una sustancia formada por carbono puro con átomos dispuestos en patrón regular hexagonal, similar al grafito, pero en una hoja de un átomo de espesor. Es un material muy ligero (una lámina de 1 metro cuadrado pesa tan solo 0,77 miligramos); 200 veces más fuerte que el acero; su densidad es aproximadamente la misma que la de la fibra de carbono y es aproximadamente cinco veces más ligero que el aluminio.

Presenta una alta conductividad térmica y eléctrica, es metálico, flexible, transparente y muy elástico. Además es resistente, sus constantes elásticas son las más altas que se han medido en un material, y admite tensiones muy elevadas sin romperse. Por otra parte es muy impermeable, ya que no permite el paso de átomos y moléculas a pesar de su pequeño espesor. Desde el punto de vista químico es un material inerte.

Dentro de las aplicaciones del grafeno destacan las halladas en el campo de la electrónica. El desarrollo de cables de alta velocidad en el área de las telecomunicaciones, la fabricación de superbaterías, el desarrollo de pantallas táctiles transparentes y flexibles o la creación de cámaras fotográficas muy sensibles son algunos ejemplos donde el grafeno puede tener un papel fundamental. Las aplicaciones del grafeno también se extienden a otros campos como la medicina, el medioambiente y muchos otros.

Pero el hecho de emplear grafeno en la industria electrónica presentaba un pequeño inconveniente: la mayoría de los componentes electrónicos de los chips actuales están hechos con silicio. Esto fue el detonante para que algunos investigadores se pusiesen a buscar alternativas al grafeno mirando al silicio. En 2007, Lok Lew Yan Voon y Gian Guzmán-Verri, ambos de la Wright State University en Dayton (Ohio), buscaron la forma de crear un material similar al grafeno, pero que emplease como 'ladrillos' básicos átomos de silicio. Se encontraron con un inconveniente: el silicio, por sí solo, es incapaz de formar la estructura típica del grafeno ya que no tiene de forma natural el tipo de enlaces necesarios para emularlo.

Material cerámico

Con el objetivo de solucionar este problema, investigadores de varias instituciones comenzaron a trabajar. La primera muestra de siliceno se consiguió depositando los átomos de silicio sobre una superficie de material cerámico que hacía las veces de soporte. Estos investigadores observaron mediante Rayos X que el siliceno tenía la misma estructura hexagonal de panel de abeja que el grafeno, presentando también una estructura sólida pero obtenida a partir de átomos de silicio. Además, el siliceno comparte con el grafeno buena parte de sus propiedades electrónicas.

A día de hoy tanto el grafeno como el siliceno son dos materiales con unas potencialidades y posibilidades enormes. Eso sí, hay que reconocer que mientras no se solucione definitivamente el principal problema del siliceno (que no se ha sintetizado aislado sino sobre soportes) muchas de sus características predichas teóricamente no terminan de concretarse.

Por si faltaba poco en esta lucha fratricida, ha aparecido un nuevo material revolucionario. Me refiero al siligrafeno, un híbrido entre el grafeno y el siliceno que, según investigadores chinos y alemanes, podría solucionar los problemas individuales que presentan el grafeno y del siliceno. ¿Será esto cierto? Ya veremos. La ciencia se construye poco a poco. Por ahora toca, como siempre, seguir investigando.