Física y Quimica

Premio Nobel de Física 2010

Premios Nobel

 

 

 

Fotos y esquemas: Fundación Nobel

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  nobelprize.org

 

Premio Nobel de Física 2010

Andre Gleim

Konstantin Novoselov

Andre Gleim (1958). Rusia

Konstantin Novoselov  (1974). Rusia

 

"Por sus novedosos experimentos sobre el grafeno bidimensional"

 

Traducción del inglés  Documento Fundación Nobel traducido

Una fina escama de carbono, justamente del espesor de un átomo, se encuentra tras el Premio Nobel de Física. Andre Geim y Konstantin Novoselov han mostrado que el carbono en forma plana tiene  propiedades excepcionales, cuya explicación se encuentra en el dominio de la física cuántica.

El grafeno es una forma de carbono. Un material completamente nuevo, no solo el más delgado, también el más fuerte. Como conductor de la electricidad es tan bueno como el cobre y como conductor del calor supera a todos los materiales conocidos. Es completamente transparente y tan hermético que ni las pequeñas moléculas del gas helio pueden pasar a través de él.

Las exóticas propiedades del grafeno permiten a los científicos confirmar sus teorías. Además, una gran variedad de aplicaciones prácticas nuevas parecen posibles, incluyendo la creación de nuevos materiales y  la fabricación de dispositivos electrónicos innovadores.

El carbono, la base de la vida en nuestro planeta, vuelve a sorprendernos.

No ha sido fácil obtener grafeno. El milagroso material proviene del grafito ordinario que podemos encontrar en los lápices.

El grafeno consiste en un entramado plano de átomos de carbono, similar a la estructura de los panales, pero de tan sólo un átomo de espesor. Un milímetro de grafito consta de tres millones de láminas de grafeno apiladas una encima de la otra. La unión entre las láminas es muy débil, siendo por tanto muy fáciles de separar. La posibilidad de escribir con un lápiz se debe precisamente a esto: láminas de carbono se desprenden de la mina y acaban en el papel.

El grafeno es una red perfectamente regular de átomos de carbono con sólo dos dimensiones, largo y ancho. La unidad básica que se repite consiste en seis átomos de carbono enlazados. El grafeno, al igual que otras formas de carbono conocidas, consiste en miles de millones de átomos de carbono unidos formando un patrón hexagonal.

Grafeno. La lámina casi perfecta tiene un espesor de sólo un átomo. Consiste en átomos de carbono unidos en forma hexagonal formando un patrón parecido al de un panal.

Muchos científicos pensaron que sería imposible aislar materiales tan finos: deberían arrugarse a temperatura ambiente o simplemente desaparecer. A pesar de ello algunos intentaron obtenerlo, aunque intentos anteriores habían fracasado. Se habían logrado obtener películas con un espesor de menos de100 átomos, de hecho se habían obtenido películas tan finas que resultaban transparentes.

Andre Geim y Konstantin Novoselov sólo fueron capaces de obtener micro escamas del nuevo material, pero, a pesar de lo minúsculo de las muestras, pudieron comenzar a investigar las dos rasgos más notables del grafeno que influyen en sus propiedades eléctricas.

El primero es su perfecta composición. La ausencia de errores en la red es debido a la fortaleza de los enlaces entre los átomos de carbono. Al mismo tiempo los enlaces son lo suficientemente flexibles para que las láminas puedan ser estiradas hasta un 20% de su tamaño. La red también permite que los electrones recorran largas distancias sin sufrir perturbaciones.

En los materiales conocidos los electrones rebotan contar los átomos como una bola en una máquina de pinball. Estos choques hacen que el  rendimiento del conductor disminuya, ya que parte de la energía de los electrones se pierde como calor.

El otro rasgo sorprendente del grafeno es que los electrones se comportan como partículas de luz carentes de masa (fotones) que se mueven el vacío a una velocidad de 300 millones de metros por segundo. Los electrones circulan por el grafeno como si no tuvieran masa y a una velocidad constante de un millón de metros por segundo. Esto abre la posibilidad de estudiar ciertos fenómenos más fácilmente. Disponemos de electrones moviéndose a velocidades elevadas sin la necesidad de usar grandes aceleradores de partículas.

Pliegues de un lámina de grafeno depositada sobre una superficie de silicio. La imagen se obtuvo con un microscopio electrónico y está ampliada 5 000 veces.

El grafeno también ha permitido probar a los científicos algunos extraños fenómenos cuánticos sólo predichos de forma teórica. Uno de estos fenómenos es una variante del efecto túnel de Klein, formulado por el físico sueco Oskar Klein en 1929. El llamado efecto túnel es un fenómeno cuántico según el cual algunas partículas pueden atravesar barreras que, según la física clásica, serían imposible de atravesar. Cuanto mayor sea la barrera menor será la probabilidad de que las partículas cuánticas la atraviesen. Sin embargo, esto no se aplica a los electrones que viajan en el grafeno: en algunas circunstancias se mueven como si las barreras no existieran.

La conductividad del grafeno ha levantado un gran interés. Se ha predicho que los transistores de grafeno serán sustancialmente más rápidos que los de silicio actuales. Los procesadores de los ordenadores serán más pequeños, más rápidos y más eficientes. Los que se construyen actualmente con silicio tienen un límite de tamaño a partir del cual dejan de funcionar. El límite para el grafeno es mucho más pequeño, el número de componentes que se podrá empaquetar en un chip será, por tanto, mucho mayor que el actual.

Como el grafeno es prácticamente transparente (casi al 98%), y al mismo tiempo puede conducir la electricidad, sería adecuado para la construcción de pantallas táctiles transparentes, paneles luminosos y, tal vez, células solares. También algunos plásticos podrían convertirse en conductores mezclados con 1% de grafeno.

Del mismo modo mezclando grafeno en un proporción de sólo un uno por mil se aumentaría la resistencia al calor de materiales plásticos en unos 30˚C mientras que, al mismo tiempo, se vuelven más robustos mecánicamente

Los laureados de este año piensan que la investigación puede ser divertida. Han trabajado juntos durante mucho tiempo. Konstantin Novoselov (de 36 años), comenzó a trabajar con Andre Geim (de 51) como un estudiante de doctorado en Holanda. Posteriormente siguió a Geim al Reino Unido. Ambos estudiaron y comenzaron su carrera como físicos en Rusia. Ahora ambos son profesores en la Universidad de Manchester.

Antes, en 1997, Andre Geim logró que una rana levitase en un campo magnético; una ingeniosa forma de ilustrar los principios de la física. La levitación de la rana le valió el Premio Ignobel en el año 2 000. Uno de los objetivos del premio es "que la gente primero ría y luego piense".

Ahora, con el grafeno, Andre Geim y Konstantin Novoselov han escrito sus nombres en los anales de la ciencia.