el grafè: la conquesta de la galàxia

El darrer MWC ha posat de moda el grafè i s'han començat a veure les ilimitades aplicacions i avantatges que té aquest material. Però, ¿què és el grafè?

Uns dels invents genials que hem utilitzat fins avui han estat el llapis i la goma d'esborrar. El llapis –estri format per una petita funda de fusta amb una ànima d'una cosa grisosa– 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 qualsevol errada i tornar a escriure sobre el mateix full de paper: sense taques, sense tatxadures, sense que es notés la correcció… 

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

Tots hem tingut un llapis als dits, tots hem constatat l’encís que ens produeix guixar amb un llapis, 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 vam obrir –de dalt a baix– la fusta i va aparèixer –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: el grafit.

De més grans, quan vam començar a estudiar física i química, vam aprendre que la base de tota la vida coneguda a la terra és un element químic anomenat carboni, element sòlid, no metàl·lic, tetravalent, base de la química orgànica: totes les formes de vida que es coneixen estan formades de molècules  compostes de carboni. En el mateix cos humà el carboni és el segon element més abundant després de l'oxígen. 

El carboni 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 element es pugui presentar sota dues formes tan diferents i oposades com diamant, el mineral més dur i transparent, i grafit, el més tou i de color negre?

*           *           *

Bé, això és el preàmbul 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 una 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 a 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 doctor 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.

Les característiques físiques del grafè són realment espectaculars.

1. és el material més prim (3M de fulls de grafè, un sobre l’altre, fan un gruix d’1mm)
2. té l'àrea superficial més gran (2630m2/g)
3. és el material més fort mai mesurat (300 vegades més fort que l’acer): faria falta un elefant, reposant sobre un llapis, per travessar un mocador de coll fet de grafè
4. és el 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. és el portador de càrrega més lleuger (massa zero en repòs)
12. té el pas mitjà lliure més llarg a temperatura ambient (interval de l’ordre de la micra)
13. genera electricitat quan li incideix la llum
14. és capaç d’autoreparar-se si es produeix un forat a la seva estructura

Moltes d’aquestes coses probablement no les entendrem mai, 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 amb unes possibilitatsd'aplicacions sense límit a tot l'entorn de l'home. Això farà que es crein nous materials i aparegui una electrònica innovadora. Podem començar a parlar de l'Edat del Grafè com de l'Edat de Pedra, la del Ferro o la del Coure. Si ja fa temps que hem passat de la ciència ficció a la realitat, ara amb el grafè podem començar a parlar de la regeneració celular i de la conquesta de la galàxia. La nostra vida ordinària, la llar…, tot canviarà.

Salvador Dalí: La persistència de la memòria (1934)
coneguda com  Els rellotges tous (MOMA)

¿Rellotges de grafè fa més de 80 anys?

Junt amb la impressió en 3D el grafè és una de les descobertes mes extraordinàries dels darrers temps. Ho palesen 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 2013, 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 Apple, Samsung i Google n'estan acumulant una gran quantitat. Asia i els USA s’han avançat a aquesta indústria: la Xina té 5000 patents, Corea 4250, els USA 3560, Japó 1580. Europa… només 100! Ha començat una carrera que no se sap on acabarà.

Però ja ha sortit el grafè low cost, una patent espanyola, del CSIC, que per abaratir els costos obté el grafè del carbó de coc i no del grafit, ja que així l'aconsegueixen amb temperatures de 1000ºC (en comptes dels 2800ºC necessaris amb grafit) i només en tres passos: oxidar el coc, exfoliar l'òxid de grafè i reducciò tèrmica. A més els materials intermedis serveixen per química fina, catàlisi i biomedicina.

Llàstima que Steve Jobs ja no sigui entre nosaltres per deleitar-nos amb una de les seves meravelloses aplicacions.