Un sueño hecho realidad

Mientras escribo en este blog, estoy sentado delante del ordenador con una taza de café y buscando imágenes de moléculas para poner en una presentación que he de hacer dentro de poco. Todas esas imágenes son dibujos, en su mayor parte, bolas unidas a otras bolas mediante unas varillas, y en donde cada tipo de átomo se relaciona con un color. En otros casos, las moléculas se representan en un dibujo plano, como los que aparecen en mis apuntes de orgánica…hasta que he llegado a una foto que, desde la primera vez que la vi, sentí que ese pequeño químico que llevo dentro cumplió un sueño: ver una molécula de verdad.

Fig 1. Representaciones usuales de moléculas en química. A la izquierda, representación en el plano de un derivado del anhídrido maléico obtenido mediante la reacción de Diels-Alder, una de las reacciones más bonitas en química. A la derecha, representación en 3D mediante el modelo de bolas y varillas del cubano, un reto sintético.

Desde que Lavoisier, allá por el siglo XVIII, empezase a sentar las bases de una ciencia tan bonita como la química, los químicos siempre han tenido curiosidad de saber realmente qué es lo que estudian. Yo mismo, desde que empecé a entrar en contacto con el mundo de los átomos y las moléculas en las clases de física y química del instituto, quise saber cómo eran realmente esas pequeñas cosas que forman la materia, quería ver  las moléculas tal como son en realidad.

Una vez llegué a la carrera, aprendí que hay una parte de la química que utiliza las herramientas de la Física y el lenguaje de las Matemáticas para describir los procesos químicos, la Química Física, lo que, paradójicamente, hace que sea una parte de la Ciencia realmente hermosa y odiada por estudiantes de todas las facultades de ciencias en el mundo. Esta parte de la química me enseñó lo que para mí es la parte más filosófica de la química. Desde el advenimiento de la Mecánica Cuántica a principios del siglo XX, el concepto de que lo más profundo de la materia se comporta de manera probabilística, aparte de resultar un desafío intelectual, supone una paradoja filosófica importante. Dejando de lado esta faceta de la Ciencia, la Mecánica Cuántica nos permite describir las moléculas en base a la naturaleza de su distribución electrónica, energías, enlace…lo cual permite llegar a las bases de la Termodinámica y la Cinética Químicas utilizando la Termodinámica Estadística como puente.

Entre los grandes logros de la Mecánica Cuántica, se encuentra la descripción del efecto túnel. Sin entrar en mucho detalle, pues esto daría para una sola entrada en el blog, el efecto túnel se basa en una propiedad fascinante de las partículas subatómicas…y atómicas si se trata de un átomo de hidrógeno. Imaginaos que vais por la calle, y de repente hay un muro delante de vosotros. Sin ninguna preocupación, seguís andando y lo atravesáis. ¿Os resulta extraño? Pues esto ocurre constantemente en el mundo cuántico, en donde las partículas están atravesando muros de tamaños muy diversos. Para explicar este concepto, hay que saber que en el mundo cuántico, las partículas están definidas por una función de onda, es decir, se comportan como ondas. Esa función define cual es la probabilidad de encontrar una partícula en un punto del espacio. En el caso del efecto túnel, lo que ocurre es que cuando llega la partícula (onda) a uno de los extremos del muro, la probabilidad de encontrar a la partícula más allá del muro no es cero, por tanto podremos encontrar a esa partícula detrás de ese muro. Por cierto, si queréis que sea más riguroso cambiad la palabra muro por potencial.  En la siguiente imagen podréis verlo gráficamente.

Fig 2. Representación del efecto túnel. Para entenderla, imaginad que la partícula viene descrita por la función de onda roja, que viene desde la izquierda de la región I. Cuando llega al “muro”, en vez de rebotar lo atraviesa, llegando a la región II, en donde se observa que la probabilidad de encontar a la partícula es menor, pero no cero. Imagen tomada de las diapositivas del profesor que tuve en Química Física II, desde aquí, mi agradecimiento por haber hecho que tenga más pasión por lo que estudio.

El desarrollo de técnicas experimentales basadas en la Mecánica Cuántica, con inspiración de las técnicas ya existentes, permitieron obtener aparatos realmente sorprendentes que nos permiten ver moléculas.

Uno de los más sofisticados es el Microscopio de Efecto Túnel o de barrido (STM por sus siglas en inglés), cuya base es la que os he comentado antes. Fue inventado por Binning y Rohrer en 1981, y se basa en una punta muy fina que va barriendo la muestra a analizar. En este proceso, la punta actúa como “muro” y los electrones que componen las sustancias de la muestra son los que sufren el efecto túnel. De este modo, cuando la punta va pasando por la muestra es sometida a una diferencia de potencial y los electrones pasan de la muestra a la punta del detector por efecto túnel. Este comportamiento es registrado y permite obtener una imagen en 3D de la la muestra analizada a escala atómica y nanométrica.

Fig 3. Esquema del Microscopio de Efecto Túnel.

Vídeo 1. Funcionamiento de un Microscopio de Efecto Túnel.

Algunas de las imágenes más sorprendentes de esta técnicas las ha conseguido la empresa IBM. En su página web  podéis ver algunas de estas imágenes, con la explicación de cómo se obtuvieron. Yo os dejo dos aquí:

Fig 4. A la izquierda la foto denominada “corral cuántico” formado por 48 átomos de hierro sobre cobre. En esta imagen se observa la densidad eletrónica de dichos átomos, así como estados cuánticos representados por las oscilaciones en rojo, lo que permitió a los investigadores aproximarse al problema conocido en Mecánica Cuántica como “el problema de la partícula en una caja”. A la derecha el logo de IBM formado por átomos ordenados específicamente para formar dicho logo.

Esta técnica, desarrollada por el IBM ha permitido obtener imágenes sorprendentes de los átomos. Mediante la obtención de diferentes imágenes por STM de átomos colocados convenientemente por los científicos se pudo  filmar una película, “El niño y su átomo”:

Vídeo 2. Película "El niño y su átomo".

Otro de los microscopios más chulos es el Microscopio de Fuerza Atómica (AFM por sus siglas en inglés). Como se puede ver en la figura 5, la base de esta técnica es la oscilación que sufre un rayo láser  que es reflejado por la punta del microscopio. Dicha punta recorre la superficie de la muestra que se quiere analizar. Como la superficie presenta rugosidad, la punta oscilará de arriba abajo, con la consiguiente oscilación del rayo láser que, tras reflejarse en dicha punta llega a un espejo que lo dirige a un detector que interpreta los resultados. Con este aparatito, se han conseguido imágenes que, bajo mi punto de vista, son fascinantes.

Fig 5. Esquema de un AFM. El cantilever (punta) recorre la superficie. El láser se refleja en dicha punta y las oscilaciones son detectadas para formar una imagen.

Vídeo 3. Funcionamiento de un AFM.

Algunas de las imágenes obtenidas con este tipo de microscopía son:

Fig. 6. Primera reacción química obtenida mediante AFM. En la imagen se observa el reactivo que, tras ser sometido a una temperatura superior a 90 ºC experimenta una serie de reacciones de ciclación para formar los productos. Imagen obtenida por la Universidad de Berkeley (California) en colaboración con la del País Vasco, mayo de 2013, publicada en Science .

Fig. 7. Imagen obtenida en el centro Nacional de Nanociencia y Tecnología  de China. En la imagen se observa el enlace de hidrógeno establecido entre los grupos eletroatrayentes (N y O) y los H deficientes de carga negativa entre moléculas de 8-hidroxiquinolina.

Fig. 8. Imagen de dibenzonaftoperileno por AFM.

Fig. 9. En la primera columna, imágenes de una ftalocianina por AFM. En la columna 2 análisis de la densidad de carga por métodos teóricos (DFT). En la columna 3 podemos apreciar en color la distribución de carga de la molécula obtenida mediante AFM con sonda Kelvin, una variante de la técnica que permite analizar cómo está distribuida la carga electrónica en una molécula.

Fig. 10. Imagen de un fullereno a color obtenida mediante AFM.

Fig.11.  Imagen de un fullereno C 60 (modelo teórico en A, diferentes imágenes del mismo por AFM, B-E) y la distribución de carga y variación de la distancia de enlace entre átomos (imagen F) al interaccionar la molécula con la punta del microscopio.

Fig. 12. Imagen de la molécula de pentaceno diseñada con un ordenador (A). En (B) encontramos la imagen de la molécula obtenida por STM, mientras que en (C) se obtuvo mediante AFM. En (D) encontramos la imagen de seis moléculas de pentaceno obtenida mediante AFM.

Como veis, desde hace no muchos años, hemos sido capaces de ir más allá, pasar de imaginar a ver, en definitiva, hacer lo que hace un científico…hacer visible lo invisible haciendo realidad los sueños de algún que otro personajillo.

Finalmente, agradecer a mis amigas y futuras químicas, Patricia (@patrisawyer) y Carolina (@CarolIzquiero5), el haberme inspirado para escribir este post, ¡gracias chicas!

¡Saludos!

Javier Corpas.

25 años cotilleando el Universo.

‘Equipped with his five senses, man explores the universe around him

and calls the adventure Science.’

E. P. Hubble en The Nature of Science.

Todo empezó cuando un pequeño proyecto frustrado de abogado  decidió estudiar Física y especializarse en el estudio de los astros y el Universo. Sí, estamos hablando de Edwin Powell Hubble (1889-1953), ese físico que con su mirada al cielo revolucionaría el modo de entender el Universo.

Si hoy día sabemos que hay algo más allá de la Vía Láctea, tenemos que agradecérselo a este gran astrónomo, que revolucionó nuestro entendimiento  sobre la naturaleza y la escala del Universo. Antes de que Hubble estudiase el comportamiento de cuerpos celestes, se creía que todo lo que había en el Universo estaba en la Vía Láctea, pero él demostró, a partir de la observación meticulosa, que había cosas fuera de la Vía Láctea.  Cuando los astrónomos de la época miraban a través de un telescopio, observaban, en muchos casos, unas manchas en el espacio, que fueron denominadas nebulosas por su similitud con una nube, y las ubicaban dentro de nuestra galaxia.

Hubble, haciendo uso de una ley conocida como de “período-luminosidad” o “método de las variables de tipo Cefeida”, pudo determinar la distancia a la que se encontraba una de esas nebulosas de nosotros, y el resultado que obtuvo no concordaba con un cuerpo inmerso en nuestra galaxia, de este modo, el día 1 de enero de 1925, Hubble aumentó nuestros horizontes hasta límites insospechados.

Más tarde, se dedicó a analizar el espectro de diferentes cuerpos (hoy día sabemos que eran galaxias) y determinó que esos objetos se movían. La manera que tienen los físicos para determinar si algo se mueve en el espacio es analizando su luz. Hubble encontró que había objetos que presentaban un corrimiento hacia el rojo, esto es, al analizar su espectro, las longitudes de onda se desplazaban hacia valores mayores. Una vez estudió diferentes cuerpos en el universo y lo organizó todo, se dio cuenta de que estos cuerpos se alejaban los unos de los otros, y no de cualquier forma, si no que la velocidad a la que lo hacían era proporcional a la distancia entre dichos cuerpos, lo que le llevó a la regla que él mismo popularizó como ‘the further, the faster’ (cuanto más lejos, más rápido). He aquí uno de los problemas a los cuales se enfrentan hoy en día miles de físicos en el mundo, ¿por qué se expande el Universo de manera acelerada? Una pregunta con mucha ciencia detrás y en busca de una respuesta, ya que, según esta teoría, el Universo es una pelota que, al tirarla al suelo, rebota y sale disparada más allá del punto donde la tiramos…todo un dilema detrás de ello.

Fig. 1. Edwin Powell Hubble.

¿ Y a cuento de qué viene esto?

En la época de los 40, un físico teórico estadounidense llamado Lyman Spitzer (1914-1997) se dio cuenta de la faena que era tener encima de nosotros una ingente cantidad de aire que distorsionaba la luz que llegaba de los astros y cuerpos celestes, por lo que describió las ventajas que suponía lanzar un telescopio fuera de nuestra atmósfera, dando lugar a lo que hoy día los físicos denominan “astronomía en el espacio”.

Fig. 2. Lyman Spitzer.

En el año 1968 la NASA empiezó a elaborar un proyecto para lanzar un telescopio fuera de la atmósfera y mantenerlo en órbita, proyecto que fue conocido como ‘Large Space Telescope’ (LST) y que no sería aprobado hasta el año 1978, cuando la NASA y la ESA se juntaron para realizar dicho telescopio.

Por fin, en el año 1983 el LST es una realidad y se le bautiza como ‘Telescopio Espacial Hubble’, en honor Edwin Powell Hubble. 

Fig. 3. Telescopio espacial Hubble.

Una de las maravillas de este telescopio, en la época, fue el espejo que tenía, de 2.4 m de diámetro, perfectamente pulido y sin impurezas.

Fig. 4 a y b. Espejo reflector del Hubble.

Por fin llegamos al 24 de abril de 1990 y la NASA envía al espacio al telescopio. Todas las esperanzas de los astrónomos estaban puestas en un puñado de espejos, maquinaria compleja y tornillos bien apretados, en ese momento, enfocaron el telescopio al Universo y...

Fig. 5. Imagen de Plutón y Caronte. A la izquierda desde la Tierra, a la derecha

desde el telescopio orbital Hubble.

Como veis, tampoco fue para tanto, las esperanzas puestas en el Hubble, se fueron al garete…¿o no?

Como a los americanos no les gusta quedar mal, y menos en un proyecto con tantos dólares de por medio, tras la decepción generalizada al ver las primeras imágenes del Hubble, se realizó un concurso en el cual los ingenieros, científicos y técnicos del país, debían buscar una solución para el problema generado y…¡voilá! Las ideas proliferaron hasta dar con la solución.

En principio el telescopio estaba bien construido, el espejo impoluto, pero…a la hora de pulir el espejo, se pulió con la concavidad contraria a la que debería, así que la NASA no reparó en gastos y tras la lluvia de ideas que llegaron para solventar el problema, ganó aquella que proponía poner una lente externa al espejo para corregir la distorsión de la luz, así es señores, ¡pusieron gafas al telescopio! Y todo arreglado.

Es así como empezaron a ver imágenes maravillosas de todo lo que nos rodea ahí fuera. Pero claro, siendo americanos y pudiendo ir a más, a por más que fueron.

Tras darse cuenta de que el telescopio sufría desgaste en la órbita en la que estaba (a unos 559 km de la superficie terrestre) enviaron sondas para reparar y mejorar el telescopio acorde a los avances tecnológicos que iban surgiendo, así, se fueron dando diferentes versiones mejoradas del telescopio.

Desde que se lanzara en 1990, el telescopio ha pasado por el taller varias veces. La primera fue en 1993, misión conocida como SM1, en la cual se amplió el campo y se le incorporó una segunda cámara planetaria, paneles solares, giroscopios y el COSTAR, siglas por las cuales se conoce la correción óptica mencionada anteriormente.

En el 1997, en la misión SM2, se le acopló, entre otras cosas, una cámara de infrarrojo, en el 1999, misión SM3A,  se le volieron a implantar giróscopos y se le dotó de un sistema operativo más avanzado, así como de sensores. Finalmente, en el 2002 y el 2009, misiones SM3B y SM4 respectivamente, se realizaron mejoras sustanciales para el mantenimiento del telescopio.

Viendo cómo avanza la tecnología la pregunta sería, ¿no hay más misiones sobre el Hubble, no se le realizan mejoras? Bueno, pues la respuesta es que no, y el futuro del Hubble es negro…bastante negro, ya que se calcula que dentro de unos 5 años, el telescopio caerá sobre la superficie terrestre (a no ser que seas marinero no tienes porqué asustarte, caerá sobre el agua) y morirá. 

Fig. 7. Evolución del Hubble.

La razón por la cual el futuro del Hubble es tan desalentador es porque el ir a repararlo es bastante peligroso.  Tras las catástrofes del transbordador espacial Challenger, en enero de 1986, y del Columbia, en febrero del 2003, la NASA decidió, con buen criterio, suspender toda misión que involucrase salidas con características similares a las que se llevaron a cabo en estas misiones. 

Fig 8. Explosión del transbordador espacial Challenger tras su despegue.

Fig. 9. Imagen de la desintegración del transbordador espacial

Columbia a su paso por la atmósfera.

No obstante, la NASA permitió la salida de una última misión, con carácter excepcional, en mayo de 2009 para realizar los últimos ajustes en el Hubble, lo que permitió la salida del transbordador Atlantis.

Las maravillas del telescopio orbital Hubble.

Ahora toca detenernos en la razón de ser de este post. El pasado sábado 10 de octubre, asistí a una conferencia que dio el profesor J.Miguel Mas Hesse  en el Museo de Ciencia y Tecnología de Alcobendas sobre todos estos temas, y tanto me llegaron las fotos que mostró, que quería compartirlas con vosotros. Las fotos están tomadas por el telescopio en diferentes momentos de su vida, y os las dejo a continuación, un espectáculo digno de admirar, el Universo en su máximo esplendor.

Fig. 10. Anillos de Saturno.

Fig. 11. Triple eclipse en Júpiter.

Fig. 12. Los Pilares de la Creación (imagen de 1995 vs imagen de 2014).

Fig. 13. Montaña mística.

Fig. 14. Nebulosa cabeza de caballo.

Fig. 15. Nebulosa mariposa.

Fig 16. Nebulosa reloj de arena.

Fig. 17. Nebulosa ojo de gato.

Ya veis que este telescopio es una maravilla, pues nos ha permitido saber la edad del Universo, ver el núcleo de muchas galaxias, comprender la formación de los planetas, ver que hay mundos alrededor de otras estrellas y acercarnos al borde del Universo.

Me encantaría seguir poniendo fotos obtenidas por este telescopio, pero os remito…¡qué digo remito!, ¡os obligo! a visitar la página web oficial del telescopio Hubble, a la cual podéis acceder desde aquí,  para que sigáis disfrutando de las maravillas que nos puede dar. Espero que os haya gustado.

¡Saludos!

Javier Corpas.

La alfombra mágica

“Me preguntan a veces cómo elijo el tema de mis ensayos científicos. La respuesta es clara y determinante: no lo sé.” I.Asimov

En esta entrada hablaremos del carbono y principalmente de un material muy especial, que, en los últimos años, ha creado grandísimas expectativas dentro y fuera de la comunidad científica. El grafeno. 

A todo esto, soy Darío, el otro padre del blog, ¿sabéis el típico padre que salió a por tabaco y no volvió? Pues ese soy yo. Solo que en mi caso me habría olvidado del tabaco. Pero bueno. He vuelto.

Así que comencemos por el comienzo, como diría la Liebre de Marzo, y permitidme hacer un pequeño inciso y que os explique qué es una forma alotrópica. Así de golpe, nada más empezar, pero no os preocupéis, que es un concepto muy sencillo.  

Se puede entender como formas alotrópicas las moléculas formadas por un solo elemento y que poseen además distinta estructura molecular. (¿Veis como no era para tanto?) 

Ahora, el pequeño Sócrates que lleváis dentro ya os estará preguntando: Pero Darío, ¿Por qué carajo nos cuentas esto? Paciencia, lectores y lectoras, que es la madre de la ciencia (mentira). 

Todos conocemos a nuestro buen amigo el elemento número 6, el carbono. Por su configuración electrónica 1s2 2s2 2p2, el átomo de carbono es muy versátil, y tiene la capacidad de unirse con otros elementos o consigo mismo (no olvidemos que es el padre de la química orgánica) a través de distintos tipos de enlace. Vamos a introducir ahora sus distintas formas alotrópicas, y estoy seguro que, sin saberlo, conocéis por lo menos, dos de ellas. 

El grafito: 

El cual lo podemos encontrar en las minas de nuestros lápices. Se trata de hexágonos de C dispuestos en láminas, que se aceptan juntas de manera ABAB las cuales se unen unas a otras paralelamente por fuerzas de Van der Waals (fuerzas atractivas o repulsivas entre moléculas o entre partes de una misma molécula.) (Fig 1a)

Fig 1a Estructura tridimensional del grafito.

Cada átomo de carbono tiene una disposición trigonal plana sp2. El orbital restante (pz), se dispone perpendicular al plano, y lo utilizará para formar enlaces pπ- pπ, por lo tanto en las láminas habrá electrones deslocalizados. (Fig 1b)

Fig 1 b Representación de orbitales sp2.

El color negro del grafito se debe a estos electrones deslocalizados, se producen saltos electrónicos que absorben toda la longitud de onda de la luz dando el ya dicho color negro. (Si aún no habéis leído la entrada de Javi ‘Y colorín, colorado…con la ciencia hemos topado’ sobre la química y el color os la recomiendo encarecidamente.) 

Se cuenta que en torno a 1600 un depósito enorme de grafito fue descubierto en Seathwaite Fell, Inglaterra. Y fueron los pueblerinos los que descubrieron sus beneficios al comenzar a utilizarlo para marcar a sus ovejas.  

Debido a su aspecto y a la corta edad de la química de la época fue erróneamente confundido con una forma del plomo, por lo tanto, fue llamado plumbago (en latín, del plomo). El valor del grafito pronto pasó a ser enorme y el control de las minas fue asumido por La Corona británica. Pasa así el grafito a formar parte de la lista de compuestos químicos que alcanzaron precios de mercado completamente desorbitados en el momento de su ‘descubrimiento’. (Fig 2a y 2b)

Fig 2a. Tal fue el caso del aluminio, que en 1884, era considerado el metal precioso más valioso. Es por esto que un prisma de aluminio corona el famosísimo Washington Monument.    

     
 

Fig 2b. Imagen actual real (lo juro) del Washington Monument.

El diamante:

Todos hemos visto alguna vez en nuestra vida un diamante (en la tele por lo menos). Esta piedra preciosa, con un 10 en  la escala de dureza de Mohr, ha llegado a provocar guerras por su belleza y valor (más lo segundo que lo primero). Es además la piedra preciosa obligatoria a robar si quieres ser un buen ladrón de película americana o que debes comprar si quieres conquistar a Audrey Hepburn. A diferencia del grafito su estructura es tetraédrica (sistema cúbico). (Fig 3)

Fig 3 Estructura tridimensional del diamante

 Es químicamente inerte, debido a que el enlace C-C es muy fuerte y está coordinativamente saturado. Esto último quiere decir que el carbono no tiene la capacidad de expandir su octete, es decir, sólo puede compartir 8 electrones de valencia, por lo que no puede formar más enlaces. Su dureza se debe al tipo de enlace covalente. Aquí os dejo un enlace por si no sabéis de lo que hablo.

Además hay planos con un número de átomos menor que otros planos, por ello es muy duro, pero fácil de tallar, como podéis observar en la figura 3. El diamante en la naturaleza no tiene el aspecto que podríamos ver en el escaparate del famoso Tiffany’s, el diamante en bruto tiene un aspecto bastante menos llamativo, y para llegar al comercial hay que seguir un laborioso procedimiento de tallado según la dirección de las vetas, así se consigue el máximo brillo. (Fig 4)

Fig 4. Diamante en bruto y vista preliminar de su tallado.

Os dejo por aquí un video de la talla del diamante:  

Una gran diferencia con el grafito es que el diamante no tiene electrones deslocalizados, que, si recordáis era lo que dotaba al grafito de su característico color negro. Al no haber electrones deslocalizados, no hay saltos electrónicos, si no hay saltos electrónicos no absorbe de ninguna longitud de onda y si no hay absorción de ninguna longitud de onda no hay color [coge aire]. Así de simple.

Pero aquí vuestra pequeña vocecilla socrática vuelve a la carga y dice. Pero Darío, ¿no había diamantes de colores? Y sí. Efectivamente. Todos conocemos a la Pantera Rosa, la misma que fue robada por Beyoncé en la película homónima. La coloración del diamante, (azul, morado, verde, rosa…) se debe a la presencia de impurezas químicas o defectos estructurales de la red cristalina. Estas hacen que el diamante absorba determinada longitud de onda y refleje su color complementario. 

Es decir, para que el diamante sea rosa, ¡debe de absorber en el  verde! (Pero bueno, como ya he dicho antes quien no entienda esto que vaya corriendo a leer la entrada de Javi ‘Y colorín, colorado…con la ciencia hemos topado’). 
En el caso de un diamante rosa el tipo de defecto es estructural, y son mucho menos comunes que los provocados por cualquier impureza y por esto los diamantes rojos o rosados son los más caros de todos. (Maldita Beyoncé.)

Por último, después de todo esto, llegamos (¡por fin!) a la forma alotrópica del carbono que es el gran protagonista de esta entrada. El grafeno.
Respondamos a la primera pregunta que aparecería en nuestra cabeza si es que fuera la primera vez que escuchásemos hablar de este material. 

Ingenua voz socrática: - ¿Qué es el grafeno?

Darío: - El grafeno es (¡sorpresa!) una alotropía del carbono. Consiste en átomos de carbono dispuestos en un patrón regular hexagonal similar al grafito, pero solo en una hoja de un átomo de espesor. Así de simple. (Fig 5)

Fig 5 Estructura del grafeno

Aunque es cierto que el hecho de que durante estos últimos años el grafeno ha despertado el interés científico, y parezca  que este se trate de un material completamente nuevo, en realidad se conoce y ha sido descrito desde 1930. (Concretamente su estructura y enlace químico se describieron durante el decenio de 1930.) 
Al grafeno se le prestó poca atención durante décadas al pensarse que era un material inestable termodinámicamente, ya que se pensaba que las fluctuaciones térmicas destruirían el orden del cristal dando lugar a que el cristal 2D se fundiese. 

Y no fue hasta 2004 que se descubriera lo contrario, cuando Andrew Geim y Konstantin Novoselov, utilizando un sistema que, cuando lo lees, parece que podrías reproducirlo sentado en la taza del váter de vuestra casa, fueron capaces de aislar el grafeno. (Fig 6)

Fig 6. No, no es una portada de una comedia francesa. Son Geim y Novoselov

El método consiste en pegar, entre dos trozos de cinta adhesiva o celo, un pedazo de grafito. Tras separar las cintas adhesivas se quedan pegados trozos más finos de grafito en cada una de ellas y si este proceso se repite varias veces al final en alguna de las cintas se quedan pegados trozos de grafito de unas pocas capas atómicas de espesor. Este descubrimiento les fue finalmente galardonado con el Premio Nobel de Física en 2010. 

Entremos un poco más en materia. Como el carbono tiene 4 electrones de valencia, 3 de ellos se alojan en los orbitales sp2 que son los que forman el esqueleto del grafeno mediante enlaces covalentes. El electrón restante se coloca en un orbital perpendicular al plano tipo pz. Esto permitirá el solapamiento lateral de varias capas de grafeno superpuestas unidas por fuerzas de Van Der Waals, dando lugar al grafito, como hemos visto antes. 

El grafeno puede hacerse una pelota para formar fullerenos, enrollarse para formar nanotubos, o apilarse para formar grafito. Es por esto que la mayoría de los materiales de carbono con hibridación sp2 se pueden considerar formados por ‘unidades grafénicas’. Aunque, para ser justos. Tanto los fullerenos como los nanotubos tienen una hibridación intermedia entre sp2 y sp3, que no es sino lo que les permite tener estructuras tridimensionales cerradas (la introducción de anillos pentagonales permite la formación de curvaturas.) (Fig 7)

Fig 7. Grafeno, nanotubos y fullerenos

Y ahora, pongámonos serios. Son bien conocidas las extraordinarias propiedades del grafeno, como que es un excelente conductor térmico, capaz de soportar radiación ionizante o que es tan denso que ni el mismísimo helio puede atravesarlo. Pero, posiblemente, la característica más interesante del grafeno, y en la que vamos a centrarnos más es su conductividad eléctrica. Se comporta como conductor y como semiconductor, en el que los electrones se mueven a gran velocidad. 

Más concretamente, el grafeno es un semiconductor sin espacios en el que la valencia y la banda de conducción de energía son funciones lineales de impulso. Esta propiedad implica que la velocidad de los electrones en el grafeno es una constante vF, independiente del momento, al igual que la velocidad de los fotones es la constante c (velocidad de la luz), ya que al seguir una velocidad constante, su relación entre energía y momento es lineal.  

En un material plano, como el grafeno, las ondas de electrones se propagan en un plano, luego el número de onda tiene sólo dos componentes kx y ky, siendo la relación de dispersión una superficie plana. Las dos relaciones de dispersión son idénticas pero de signo opuesto. 

Al sumarlas (los cálculos son sencillos) se observa una sorprendente propiedad:

Y es que la relación de dispersión tiene la forma de un doble cono (Fig.8) (esto únicamente quiere decir que la relación es lineal (E (k) = ±v|k|). Este doble cono se comporta como un cono de luz en teoría de la relatividad, siendo v la velocidad máxima que pueden alcanzar las ondas de electrones en el grafeno.  Esta velocidad es v ≈ c/300, donde c es la velocidad de la luz en el vacío. 
¡Es decir, en las láminas de grafeno los electrones se mueven a una velocidad aproximada de 10^6 m/s! 

Fig.8

En el grafeno los electrones se mueven libremente a lo largo de la lámina y no se quedan aislados en zonas de las que no pueden salir. Estos se comportan como cuasipartículas, o sea, como partículas cargadas eléctricamente pero con masa igual a cero. Estos cuasifermiones, conocidos como fermiones sin masa, o de Weyl-Dirac, son vitales en la Teoría Relativista. Otra propiedad teórica del grafeno que cabe destacar respecto a su conductividad, es el efecto Hall cuántico, por el cual la conductividad perpendicular a la corriente electrónica toma valores discretos, o cuantizados, significando con esto que la conductividad del grafeno no puede desaparecer.

Como podéis ver, hay una cantidad de información ENORME en estas láminas de carbono, puede que en un futuro haga otra entrada sobre esto en donde explique mejor todo esto de los fermiones de Weyl-Dirac o el efecto Hall cuántico, pero por hoy esto es todo. 

                                      ¡A comerse el tarro! 

                                             ¡Saludos!