Hi ha un nou material meravellós que pot canviar el nostre futur. Imagini una tassa de

cafè que transmet els titulars del dia en temps real. O una olla que pot detectar la

presència de bacteris E. coli que podrien emmalaltir-te. O una pantalla de televisió que

és tan flexible i fina com un tros de paper. Totes aquestes aplicacions podrien ser una

realitat si aquest material meravellós, anomenat grafè, arriba a assolir l’èxit.

Malla feta de carboni

El grafè va aparèixer en el món de la química l'any 2004 quan els científics van

descobrir que tenia propietats molt notables: conduïa millor l’electricitat que qualsevol

altra substància semblant, era el material conegut més prim -només un àtom de gruix- i

era més fort que l'acer!

Després de tot, el carboni és un dels elements més comuns i més familiars dels elements

químics coneguts, de manera que els científics es sorprengueren al trobar que aquesta

nova forma de carboni tenia propietats tan sorprenents.

El carboni ve en moltes formes cristal·lines, anomenades al·lòtrops, els més coneguts

són el diamant i el grafit. Els al·lòtrops són formes diferents del mateix element amb

arranjaments d'enllaç diferents entre àtoms, resultant estructures que tenen propietats

químiques i físiques diferents. La manera en què es connecten els àtoms en materials

sòlids té un gran impacte en les seves propietats generals.

Un diamant i un tros de carboni són tan diferents que no mai dirien que tots dos estan

fets del mateix element, el carboni. Un diamant és un mineral dur i transparent que és

expulsat a la superfície des de l’interior de la Terra a través d’erupcions volcàniques,

mentre que el grafit és un material lleuger i negre extret del carbó.

En el diamant, cada àtom de carboni està connectat amb altres quatre àtoms de carboni.

Aquesta és una disposició que fa el diamant un dels material coneguts més forts. En el

grafit, cada àtom està enllaçat amb altres tres en capes de formes hexagonals (sis cares),

que s’assemblen a la malla de pollastre. Els enllaços en les fulles hexagonals són fortes,

però cada capa està feblement atreta a la pròxima, el que permet que les capes llisquin

una de l’altra.

En 2004, Andre Geim i Konstantin Novoselov, dos químics de la Universitat de

Manchester, Regne Unit, utilitzaren aquesta propietat per a produir mostres de grafè i

per a descobrir les seves notables propietats. Empraren cinta adhesiva per a separar les

capes de carbó en el grafit. Per a tenir una idea de com funcionava la seva tècnica, s’ha

de pensar en una cinta adhesiva posada al damunt d’un tros de grafit i treure-la, deixant

la superfície adhesiva coberta de filloles de grafit. Després, pressioni la cinta adhesiva a

si mateix i separi-la. Repeteixi, i després d’unes quantes rondes d’això, algunes filloles

en la cinta seran una capa de tan sols un àtom d’espessor − el grafè pur.

Les mostres inicials de grafè eren molt petites − soles un parell de mil·límetres quadrats

de grandària cadascuna − però lo suficientment gran per a provar. Com que el grafè

soles fa un àtom de gruix, es considera un material de dues dimensions, el primer

exemple d’una cosa així en el món real. Malgrat ser el material més prim conegut que

existeix, també és el material més fort mai provat − 100 vegades més fort que l’acer.

Encara més sorprenent: els electrons no es dispersen tant quan es mouen, com fan amb

altres materials, com ara el silici. Això va portar al investigadors a fer transistors basats

en grafè que són dues vegades més ràpids que els transistors tradicionals de silici, els

quals podrien fer que els ordinadors funcionen molt més ràpid.

Panells solars flexibles

El grafè ha despertat l'interès dels enginyers que intenten fer nous, més lleugers, i més

flexibles panells solars que podrien utilitzar-se per cobrir la superfície exterior d'un

edifici, a més del sostre que ja s'hagi utilitzat.

El grafè gairebé és transparent a la llum − no només a la llum visible sinó també a altres

formes de radiació electromagnètica, com la llum ultraviolada i la infraroja. El grafè

absorbeix només el 2% de la llum que cau sobre ell, tan se val si és llum ultraviolada,

infraroja, o totes les altres longituds d'ona. Combineu això amb la capacitat del grafè per

a conduir l'electricitat, i ja teniu uns conductors elèctrics molt eficients que són

transparents, prims, flexibles, i barats.

Aquest nou tipus de panells de cèl·lules solars està actualment en desenvolupament i

consta de cel·les fotovoltaiques orgàniques intercalades entre fulles de grafè. Una

cèl·lula fotovoltaica és un petit dispositiu que converteix l'energia del sol en electricitat.

Quan una cel·la fotovoltaica és intercalada entre dues fulles de grafè, la llum travessa

les fulles de grafè i xoca contra la cel·la fotovoltaica. Com a resultat, la cel·la

fotovoltaica genera electricitat, la qual és transportada per les fulles de grafè.

Aquests panells de cèl·lules solars lleugers i flexibles podrien ser modelats per encaixar

un cos d'automòbil o ser embolicats al voltant de mobles o roba. Quan són afegits a

qualsevol superfície, podrien recollir la llum i produir electricitat.

Telèfons mòbils plegables

Fins fa poc, la majoria dels aparells electrònics eren controlats pressionant els botons,

escrivint en un teclat, o utilitzant un ratolí. Avui en dia, la majoria dels telèfons mòbils i

ordinadors tipus tableta tenen pantalles tàctils que permeten a l'usuari realitzar accions

tocant les icones o lletres directament a la pantalla.

La idea bàsica de com la majoria d'aquests aparells funcionen és simple. Una capa que

emmagatzema càrrega elèctrica es col·loca en el panell de vidre de la pantalla. Quan un

usuari entra en contacte amb la pantalla amb el seu dit, o amb un llapis òptic, una part

de la càrrega electrònica es transfereix a l'usuari, d’aquesta manera la càrrega

electrònica sobre la capa disminueix. Aquesta disminució es mesura mitjançant sensors

ubicats a cada cantonada de la pantalla, i aquesta informació es transmet a un

processador a l'interior de l'aparell, que determina quin tipus d'acció cal prendre.

Tot això és possible perquè aquests aparells utilitzen pantalles que tenen els

recobriments prims i transparents que són conductors i poden mantenir una càrrega. La

majoria dels aparells portàtils d’avui en dia tenen les pantalles recobertes amb una capa

conductora feta d'òxid d'estany indi. Però aquest material és fràgil, per la qual cosa es

col·loca sota el vidre per a protegir-lo i donar-li suport. Això crea pantalles gruixudes i

inflexibles.

Les pantalles tàctils fetes amb grafè, com el seu element conductor, podrien imprimir-se

en plàstic prim en lloc de vidre perquè siguin lleugeres i flexibles, obtenint telèfons

mòbils tan prims com un full de paper i suficientment plegables per lliscar a la nostra

butxaca. També, degut a la increïble força del grafè, aquests telèfons mòbils serien

gairebé irrompibles. Els científics esperen que aquest tipus de pantalla tàctil sigui el

primer producte de grafè que aparegui en el mercat.

Aparells biònics

Degut a que el grafè és prim i flexible, es podria integrar en els aparells “biònics” que

s'implantin en el teixit viu. El terme “biònic” −una barreja entre “biologia” i

“electrònic”− fa referència als aparells que ajuden o milloren un òrgan o teixit, com cors

artificials o implants coclears, que ajuden a les persones amb pèrdua d'audició.

El grafè és resistent a les solucions iòniques salades a l’interior del teixit viu, per la qual

cosa els aparells biònics de grafè podrien tenir una llarga vida útil, inclús durar tota la

vida. Al contrari del que ocorre amb les parts metàl·liques que es poden corroir després

d'uns anys, alliberant d’alguna forma metalls tòxics en el cos.

També, degut a que el grafè condueix els senyals elèctrics, pot connectar amb les

neurones, que també envien senyals elèctrics febles de cèl·lula a cèl·lula. Aquests

senyals elèctrics es creen quan una neurona bomba ions −principalment ions de sodi

) i els ions de potassi (K+

(Na+

potencial elèctric dins i fora de la cèl·lula.

Per exemple, imagini posar transistors fets de grafè al llarg d'una medul·la espinal

danyada. Aquests transistors podrien detectar impulsos nerviosos en la secció danyada

de la medul·la espinal i dirigir-los cap a l'àrea danyada dels nervis en els músculs. Això

podria permetre que les persones recuperin l'ús dels braços o cames després d'una lesió

de medul·la espinal.

Aquest tipus de tecnologia podria utilitzar-se per controlar una cama o un braç artificial

mecànic. En extremitats mecàniques artificials, s'utilitzen petits motors en lloc dels

músculs per a crear moviment. L'aparell biònic de grafè podria transmetre senyals

elèctrics als petits motors en una extremitat artificial, que els faria moure.

Disponible aviat?

Hi pots haver notat que les paraules “és possible” i “podria” s’han utilitzat moltes

vegades en aquest article. És perquè encara hi ha un llarg camí per recórrer abans que

qualsevol d'aquestes aplicacions es faci realitat.

Un dels obstacles que cal superar és com fer les fulles de grafè el suficientment grans i

purs (que només continguin carboni) per a ser útils. Qualsevol àtom que no sigui de

carboni pot pertorbar el patró hexagonal perfecte del grafè. Moltes de les mostres

produïdes per les investigacions són només uns pocs mil·límetres quadrats de grandària,

però han estat reportades fulles de fins a 76 centímetres de diàmetre, i semblen sorgir

avanços cada mes.

La clau és que la capa ha de ser de només un àtom de gruix i que tinguin tots els seus

àtoms disposats en anells perfectes de sis cares. Això és molt difícil de controlar quan es

produeixen cristalls purs. Un mètode que s'usa comunament, anomenat deposició

química de vapor, consisteix en fer passar gas de metà (CH4) a través d'una làmina de

coure. A altes temperatures (800-1000 °C), el metà diposita el seu carboni −en làmines

hexagonals idealment perfectes− i l'hidrogen és alliberat.

En un altre mètode, el grafit es dissol en un dissolvent i després es ruixa en capes

primes fent servir impressores d'injecció de tinta. El dissolvent s'evapora i queda el

grafè.

Però, encara cap d'aquests mètodes s’ha perfeccionat. La cursa consistirà en saber qui

serà el primer en demostrar si aquest material meravellós pot arribar a l'altura del seu

potencial!