dimarts, 17 de setembre del 2013

el grafè


Aquest mes de setembre començo amb una descoberta. Darrerament tots hem sentit parlar del grafè, n'hem llegit alguna cosa, però el que sabem fins ara no és res amb el que en sentirem a parlar d'ara endavant.

Dos dels invents genials que hem utilitzat al llarg de la nostra vida han estat el llapis i la goma d’esborrar. En un segon pla (ja que podíem utilitzar altres utensilis) hi ha la maquineta de fer punta al llapis. Tot el que hi havia abans –ploma d’ànec i tinta– i el que ha vingut després –ploma estilogràfica, "bolis", pilots…– també ho hem sabut aprofitar, peró no tenen la versatilitat d’aquests dos instruments gràfics.
El llapis –aquest estri format per una petita funda de fusta amb una ànima d’un material de color gris fosc– és una eina que aviat vam descobrir que ens permetia fer un traç, escriure una paraula o fer un dibuix; una eina amb la qual, amb molta facilitat, podíem escriure els nostres pensaments o dibuixar la nostra imaginació. I recordem fer-ho sense por d’equivocar-nos ja que podíem esborrar l’errada (paraula o dibuix) i tornar a escriure, a sobre, ara sense l’errada comesa: sense taques, sense tatxadures, gairebé sense ni que es notés la correcció…

De menuts ens preguntàvem ¿què era això que feia que podéssim escriure amb tanta facilitat, ho poguéssim esborrar –fer-ho desaparèixer!– i continuar escrivint com si res no hagués passat? I quan s’acabava el tros de mina que sortia per la punta, agafavem la maquineta de fer punta al llapis i treiem un altre tros de punta, afuada, per continuar treballant.

De menuts tots havíem tingut un llapis als dits, tots havíem constatat l’encís que ens produïa guixar amb un llapis, i tots no vam parar fins esberlar, per primera vegada, la fusta protectora de l’ànima del llapis per tal de poder contemplar amb els dits allò que ens permetia plasmar amb tanta facilitat la nostra imaginació. Amb un ganivet ben esmolat obrírem –de dalt a baix– la fusta i va aparèixer davant nostre –amb molta sort sencera– la “mina” una cosa fina, prima, dèbil, que es trencava amb facilitat si no teníem cura i que ens va embrutar de negre els dits mentre la remenàvem: vam tenir la primera experiència amb un material desconegut per a nosaltres i vam rebre una esbroncada de la mare per haver espatllat un llapis.
De més grans, quan al col·legi estudiàvem física i química, vam aprendre que la base de tota la vida coneguda a la terra és el Carboni i que aquest es presenta a la Naturalesa sota dues formes al·lotròpiques pures (un mateix element que té estructures químiques diferents): el diamant (del grec adámas, inalterable) i el grafit (del grec graphein, escriure). I quina va ser la nostre sorpresa quan vam saber que la “mina” del llapis és de grafit. La nostra pregunta va sorgir immediata: ¿com és possible que un mineral es pugui presentar sota dues formes tan diferents i oposades com diamant, el mineral més dur i transparent, i el grafit, el més tou i de color negre?


*           *           *
Tot aquest preàmbul és per parlar del grafè, material que va ser preparat i identificat com una capa aïllada constituent del grafit. L’estructura del grafit fa molts anys que és coneguda i des de feia molt de temps els científics intentaven aïllar-ne les capes constituents que, cada una d’elles, és com una tela de galliner sobreposada sobre una altra per dèbils forces. Molts esforços s’havien fet en el camp químic i micromecànic i s’havien arribat a aconseguir mostres de 10-12 capes, però mai s’havia arribat a aïllar una capa sola.

L’any 2004 Andre K. Geim –un holandès nascut a Rússia– i Konstantin Novoselov –de nacionalitat russa i britànica– professors de la Universitat de Manchester, van aconseguir, amb una tècnica rudimentària (com tots els grans descobriments), preparar i identificar una capa constituent del grafit del gruix d’un àtom: havia nascut el grafè. ¿I com ho van fer? Van fer una ratlla amb un llapis en un paper i a sobre hi van posar cinta adhesiva. La van arrencar i aquesta la van cobrir amb un altre tros de cinta adhesiva, van separar els dos trossos de cinta  i van repetir el procés unes trenta vegades fins que el microscopi els va indicar que el residu tenia una sola capa: s’havia obtingut el grafè.
¿I què té d’especial el grafè? Doncs, com diu el Dr. Josep Castells*: per primera vegada en la història de la humanitat, hom disposava d’un objecte, d’una realitat material que és un objecte bidimensional. En aquest món totes les altres coses són tridimensionals i no sembla probable que en molt temps, la humanitat disposi de cap altra realitat bidimensional. Tant important és l’esdeveniment que el 2010 els seus descobridors van rebre el Premi Nobel de Física. El grafè és una forma de Carboni d’un gruix d’un àtom, i aquesta forma plana té unes propietats tan excepcionals que la seva aplicació en el món tecnològic d’avui ens farà canviar moltes de les nostres maneres de funcionar. La seva estructura és com una tela de galliner o com un rusc d'abelles i les seves característiques físiques són realment espectaculars.
El grafè és el material:
  1. més prim (3M de fulls de grafè, un sobre l’altre, fan un gruix d’1mm)
  2. amb una àrea superficial més gran (2630m2/g)
  3. més fort mai mesurat (200 vegades més fort que l’acer): faria falta un elefant, reposant sobre un llapis, per travessar un mocador de coll fet de grafè
  4. més rígid o dur (més que el diamant)
  5. és el cristall més “estirable” i plegable (20% d’elasticitat)
  6. té el rècord de conductivitat tèrmica (superior a la del diamant)
  7. té la més alta densitat de corrent a temperatura ambient (1M de vegades la del Cu)
  8. és completament impermeable (no el travessen ni els àtoms d’He)
  9. té la mobilitat intrínseca més alta (100 vegades la del Si)
  10. condueix l’electricitat en el límit of no electrons (això és pels entesos)
  11. portador de càrrega més lleuger (massa zero en repòs)
  12. té el més llarg pas mitjà lliure a temperatura ambient (interval de l’ordre de la micra)
  13. genera electricitat quan li incideix la llum
  14. capaç d’autoreparar-se si es produeix un forat a la seva estructura
Moltes d’aquestes coses probablement no les arribem a entendre, però aquesta troballa supera les teories de la relativitat i la mecànina quàntica. Es mou en la teoria de l’electrodinàmica quàntica (QED, quantum electrodinamics).
El grafè és un material completament nou i això farà que es crein nous materials i aparegui una electrònica innovadora: els transistors ja no seran de silici, els computadors seran mès eficients, les pantalles tàctils transparents, lluminoses i flexibles, s’aplicarà a dispositius de memòria, als elèctrodes, a sensors electroquímics… llàstima que Steve Jobs ja no sigui entre nosaltres per deleitar-nos amb una de les seves meravelloses aplicacions.
S. Dalí: La persistència de la memòria (1934)
 coneguda com  Els rellotges tous (MOMA)
¿Rellotges de grafè fa 80 anys?
Que és una de les descobertes extraordinàries dels darrers temps ho fa palès les inversions en investigació i aplicacions que s’estan fent arreu del món i les patents que ja s’han enregistrat. La Comissió Europea va anunciar, el mes de gener, que invertiria 2000M d’euros en dues línies d’investigació: el Projecte Cervell Humà i el Projecte Grafè. En aquest darrer hi tindrà un paper rellevant Catalunya ja que una de les nou institucions que hi participen és l’Institut Català de Nanotecnologia (ICN), ubicat al campus de la UAB.
Pel que fa a les patents Asia i els USA s’han avançat a aquesta indústria: la Xina té 2204 patents, els USA 1754 i Corea del Sud 1060. Ha començat una carrera que no se sap on acabarà.
 _____________________________________
* Josep Castells i Guardiola, doctor en Ciències Químiques, Ph. D. per la Universitat de Manchester, investigador associat a la Universitat d'Oxford, professor del CSIC, catedràtic emèrit de Química Orgànica a la UB, membre de l'IEC, expert de la UNESCO en tècniques electroscòpiques, membre de la Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. La majoria de les dades que cito figuren al discurs d’inauguració del curs acadèmic 2012-2013 de la Reial Acadèmia de Ciències i Arts de Barcelona, de la que també forma part, i que pronuncià sota el títol El grafè