2010/10/19

2. grafeno

Como escribí aquí, el Premio Nobel de física de este año se otorgó a Geim y Novoselov por el descubrimiento del grafeno. ¿Qué es lo que hace al grafeno tán especial que se merece esta distinción?

El grafeno es una forma cristalina del carbono y uno de los pocos materiales que es bidimensional. Eso quiere decir que es muy fino y que está formado por sólamente un plano de átomos. Parecido a una hoja de papel, se extiende más en el espacio en dos dimensiones que en la tercera dimensión. La existencia de un material bidimensional por si sólo ya fue una noticia recibida con asombro en el mundo científico cuando se creó el grafeno por primera vez en 2004. Esto se debe al hecho de que se había demostrado teoricamente que no debía existir un material bidimensional. Debido a fluctuaciones en su estructura cristalina, resultando en la rúptura de la estructura 2D, cualquier material tan fino debería romperse. Pero para gran sorpresa de todos si resultó estable el grafeno cuando se logró su síntesis. Ya por eso es un material muy curioso, aunque en un principio el interés era más bien académico.

A pesar de su filigrana apariencia - el grafeno es tan fino que apenas absorbe luz y resulta casi transparente - es muy robusto. Es muy dificil romperlo y es 200 veces más fuerte que el acero.

Otra característica del grafeno es que es un buen conductor electrónico. Esto se debe a la organización de electrones en los enlaces químicos que forman los átomos de carbono en el plano. El carbono tiene cuatro electrones que pueden participar en la formación de estos enlaces, pero un átomo de carbono en el grafeno sólamente tiene tres vecinos. Los tres enlaces entre un átomo de carbono y sus vecinos se llaman enlaces σ (sigma) y son muy estables. Pero ya que sólo hay tres vecinos, sólo tres electrones de cada átomo estan fijados a un enlace σ. El cuarto electrón forma un enlace llamado π (pi), pero no sabe muy bien con cual de los tres vecinos. El electrón no se encuentra ni localizado ni fijado a ningún átomo. Son estos electrones en los enlaces π los responsable de la conductividad electrónica del grafeno. Igual que los electrones libres en un metal se mueven sin dificultad y representan los portadores de carga en la conducción electrónica, los electrones π en el grafeno se desplazan facilmente, contribuyendo así a la conducción. Por otra parte, este complejo comportamiento de los electrones en los enlaces σ y π son responsables de la naturaleza plana del grafeno y de su aspecto de panal de miel.

El grafeno cuenta además con una amplia variedad de características excepcionales como una alta conductividad térmica y una multitud de efectos cuánticos interesantes.

¿Tiene aplicaciones prácticas el grafeno? Tal vez en microelectrónica y en microprocesadores como transistores o circuitos integrados, aunque para que esto encuentre camino en la vida cotidiana aún tiene que pasar bastante tiempo. Otra posibilidad es mezclar polvo de grafeno con un plástico corriente. Con poca cantidad de grafeno el plástico aislante se puede transformar en conductor. Y gracias a su transparencia se puede usar como electrodo transparente. Probablemente veremos muchas aplicaciones del grafeno, y ya por eso se merece el Premio Nobel.

Para mi lo más curioso es cómo se logra fabricar el grafeno. No es un método químico muy elaborado, ni se necesitan instrumentos grandes y costosos. En el 2004, Geim y Novoselov usaron cinta adhesiva para pelar láminas de un cristal de grafito. Pegar estas láminas en una superficie de óxido de silicio resulta eventualmente en una lámina de grafeno encima de silicio. Fácil, ¿no?


Para los que buscan información más detallada sobre el grafeno, aquí hay dos textos de Andre Geim y Konstantin Novoselov (de acceso gratuito):
The Rise of Graphen: http://arxiv.org/abs/cond-mat/0702595
Graphene: Status and Prospects: http://arxiv.org/abs/0906.3799

2010/10/05

premio nobel de física para el grafeno

Hoy se ha anunciado que el Premio Nobel de Física 2010 se otorga a Andre Geim y Konstantin Novoselov de la Universidad de Manchester por la fabricación de grafeno. En los años 90 los dos consiguieron pelar grafito, el material que se usa como mina en los lápices, en láminas tan finas que al final se redujeron a una sola capa de átomos: el grafeno. Ambas cosas, grafito y grafeno, son formas puras del carbono y solamente este elemento es necesario para su síntesis. Es el material más fino que jamás se ha producido y tiene características físicas y químicas muy especiales. Por ejemplo, aunque no es un metal, es un buen conductor electrónico. También es transparente debido a su pequeño grosor. Realmente es un material excepcional que va a tener un impacto enorme en el desarrollo tecnológico.

modelo del grafeno: red hexagonal de carbono
Modelo de grafeno: cada bola gris representa un átomo de carbono. Cada átomo está conectado por un enlace químico con tres átomos vecinales, así van formando una red hexagonal.

Es el segundo Premio Nobel que se concede por resultados relacionados con el carbón puro. En el año 1996, el Premio Nobel de química se entregó a Robert Curl, Harold Kroto y Richard Smalley por el descubrimiento de la molécula C60. Se la conoce como el Buckminsterfulereno y consiste en una molécula en forma de balón de fútbol formada por 60 átomos de carbono.
Ya que actualmente hay tanto interés en la investigación de este tipo de materiales basados en carbono, voy a escribir aquí unos artículos sobre ello. En cuatro partes, trataré de explicar cada uno de los estados en que se puede encontrar el carbono:

0. Buckminsterfulereno
1. nanotubos de carbono
2. grafeno
3. grafito y diamante

Aún no estoy del todo seguro en que orden los voy a escribir pero igual empiezo por el número 2 ya que es el más actual. Así que si les interesa, les invito a que vuelvan periódicamente para leer los nuevos artículos.

imagen que representa la relación entre el grafeno y los buckminsterfulerenos, los nanotubos de carbono y el grafito
Aquí una imagen que representa la relación entre el grafeno y los buckminsterfulerenos, los nanotubos de carbono y el grafito. Trozos de grafeno se pueden curvar para amoldar fulerenos, enrrollar para crear nanotubos o apilar para formar grafito. La imagen se encuentra en la publicación The Rise of Graphene de Geim y Novoselov, a la que se puede acceder libremente aquí.

2010/10/01

se encuentra el primer planeta en zona de habitabilidad

ResearchBlogging.org
El agua líquida es una premisa fundamental para la vida tal como la conocemos. Casi cualquier tipo de vida se basa de alguna manera en la presencia de esa molécula que consiste en un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno. El 50 % de la masa de nuestro cuerpo humano se debe al agua. Para que se mantenga líquida en un planeta, se requiere una presión atmosférica adecuada y una temperatura media adecuada. Circulando la estrella Gliese 581 se ha encontrado un planeta que puede tener justo los valores adecuados de presión y temperatura para albergar agua líquida, y así uno de los módulos necesarias para la vida. El exoplaneta con nombre planeta G se encuentra en la zona de habitabilidad, que significa, a una distancia de la estrella en que las temperaturas no son ni muy altas ni muy bajas. También tiene una masa parecida a la de la Tierra, posibilitando una atmósfera parecida a la nuestra. Estos dos factores en conjunto significan que puede existir agua liquida en su superficie.

Steven Vogt de la Universidad de California Santa Cruz y sus colaboradores describen aquí el nuevo análisis de sus datos. A lo largo de 11 años acumularon espectros de la estrella Gliese 581, y, comparando estos con los datos adquiridos por otras técnicas, llegan a la conclusión de que existen dos planetas adicionales a los cuatro ya conocidos. Lo interesante es que por primera vez se observa un planeta justo en medio de la zona de habitabilidad. Ya he escrito antes sobre la búsqueda de exoplanetas con el telescopio espacial Kepler: planetas que circulan a otras estrellas y no al Sol. Aunque el Kepler cada vez encuentra mas exoplanetas, estos nuevos resultados se adquirieron con telescopios estacionados en la Tierra, sobre todo con el observatorio W. M. Keck en Hawaii. Se mide con un espectrómetro la radiación emititda por la estrella. Pequeños cambios en la longitud de onda de dicha radiación indican la presencia de planetas. La magnitud del cambio de la longitud de onda depende de la masa del planeta y de su distancia a la estrella.


Imagen: Comparación de las órbitas de Mercurio, Venus y de la Tierra con las del sistema solar de Gliese 581. El sistema de Gliese 581 es mucho más pequeño que nuestro sistema solar. (imagen de Steven Vogt, http://www.ucolick.org/~vogt/)

El planeta G tiene por lo menos tres veces la masa de la Tierra. Es bastante para atrapar gas en su superficie y crear una atmósfera. La Luna, en comparación, no tiene atmósfera debido a su pequeña masa, un sexto la de la Tierra. Un año en el planeta G sólo tiene 37 días y la distancia a su sol es aproximadamente un sexto de la del Sol a la Tierra. En nuestro sistema solar esto significaría temperaturas muy altas en su superficie. Pero Gliese 581 es una enana roja, menos brillante y más fría que el Sol. Las temperaturas en planeta G pueden ser parecidas a las nuestras. También es curioso que no existan los días. Tal como siempre vemos la misma cara de la Luna desde la Tierra, el planeta G siempre muestra el mismo lado hacia Gliese 581. Así en un lado siempre es de día mientras en el otro gobierna una oscuridad perpetua.

Claro que los resultados no confirman la presencia de agua líquida en el planeta. Lo único que permiten decir es que hay cierta probabilidad de que exista en su superficie. Y con el agua, la vida extraterrestre se convierte en una posibilidad real.

Steven S. Vogt, R. Paul Butler, Eugenio J. Rivera, Nader Haghighipour, Gregory W. Henry, & Michael H. Williamson (2010). The Lick-Carnegie Exoplanet Survey: A 3.1 M_Earth Planet in the Habitable Zone of the Nearby M3V Star Gliese 581 arXiv arXiv: 1009.5733v1