El grafè vol sortir del laboratori

El 1859, quan Edwin Drake va perforar el primer pou de petroli a Pennsilvània (EUA), és probable que no pogués imaginar el món que es construiria sobre aquell líquid viscós. Fins al 1888 no es van comercialitzar els primers automòbils de gasolina i fins al 1909 no es va desenvolupar la tecnologia que va donar començament a l'era del plàstic. Aquella matèria primera va interessar des del principi, però la tecnologia va transformar el seu significat per al món.

Fa una dècada, en un laboratori de la Universitat de Manchester (Regne Unit), dos homes nascuts a la Unió Soviètica van realitzar un descobriment l'abast del qual també acabaria sorprenent-los a ells mateixos. Andréy Geim, director del laboratori de nanotecnologia de la Universitat, va proposar al seu alumne Konstanin Novoselov que investigués els residus del treball d'altres investigadors, que per estudiar el grafit, en netejaven les capes superficials enganxant cinta adhesiva i estiraven, com depilant-lo d'imperfeccions. Novoselov va observar que el que quedava enganxat eren capes de grafè, un material d'un sol àtom de gruix amb unes propietats que des de llavors no han parat de donar sorpreses. Més resistent que l'acer, més bon conductor que el coure i al mateix temps flexible, aviat es va començar a considerar com un material miracle.

Europa lidera la investigació, però Àsia controla les patents sobre les aplicacions 

La febre del grafè no ha parat de pujar els últims anys i tothom vol participar d'aquesta promesa. De moment, Europa lidera la publicació d'articles científics sobre el material, és la regió que més aporta al seu coneixement. Tot i això, Corea del Sud, la Xina i el Japó tenen molt avantatge a l'hora d'assegurar les patents, la propietat intel·lectual per aprofitar el valor d'aquests coneixements quan es comencin a utilitzar per produir telèfons mòbils, bateries o panells solars. A més, des del descobriment d'aquest derivat del grafit, s'han incorporat altres materials bidimensionals amb característiques excepcionals que multipliquen les possibilitats d'aquest camp. Per no perdre aquesta carrera per al control del grafè i els seus cosins, la Unió Europea va anunciar el 2013 el llançament de la iniciativa Graphene Flagship, un projecte que pretén unificar els esforços dels principals equips humans del continent, des dels investigadors més bàsics fins a grans companyies. Amb 1.000 milions d'euros i 76 centres d'investigació acadèmics i empresarials de 17 països, és el programa d'R+D més gran de la història de la UE.

L'abast i els objectius d'aquesta proposta han quedat detallats en un document que es publicarà les properes setmanes en la revista Nanoscale. Les possibilitats, encara que de moment són només això, podrien col·locar el grafè en gairebé tots els àmbits de la vida. “L'alta conductivitat elèctrica del grafè i la seva gran àrea de superfície per unitat de massa en fan un material interessant per a l'emmagatzematge d'energia”, s'apunta a l'informe, liderat per Andrea Ferrari, investigador de la Universitat de Cambridge i president del Consell Executiu de la Graphene Flagship.

Una de les aplicacions que semblen més a prop són les bateries

A més de permetre bateries més lleugeres i amb més capacitat, seria possible carregar-les en minuts en lloc de les hores que calen ara. Aquesta qualitat no només alliberaria els usuaris dels telèfons intel·ligents de l'amenaça de la bateria baixa, també podria tenir un gran impacte en el desenvolupament dels cotxes elèctrics i de les energies renovables. Aquests automòbils podrien incorporar bateries molt fines distribuïdes per tota l'estructura de l'automòbil, i s'evitaria ocupar la gran quantitat d'espai que requereixen les actuals. També es podrien carregar en minuts en lloc d'hores, millores que convertirien aquest tipus de vehicles en una alternativa més atractiva als impulsats per combustibles fòssils. Aquesta és una de les aplicacions del grafè menys llunyanes perquè la versió del material que es necessita, amb cavitats i defectes, no necessitaria tant mestratge.

“L'interessant d'aquestes grans iniciatives és que es coordinen esforços, i s'evita que en diferents parts d'Europa es faci el mateix i permet una connexió directa amb la indústria”, explica Frank Koppens, investigador de l'Institut de Ciències Fotòniques de Barcelona (ICFO) i un dels autors del full de ruta per al grafè. A més d'accelerar el pas del laboratori al mercat, la connexió amb la indústria “ofereix informació sobre les seves necessitats, cosa que també ajuda a millorar la investigació fonamental”, afegeix. Koppens va descobrir l'any passat una nova qualitat extraordinària del grafè, la seva gran capacitat per transformar els fotons de la llum en electrons. Si aquest fenomen es pogués mantenir a gran escala, aquest material es convertiria en un gran recurs per construir panells solars.

Superordenadores ecològics

No gaire lluny de Koppens, també a Barcelona, hi treballa un altre dels cervells que lideren aquesta cursa per traslladar a la vida quotidiana els superpoders que el grafè mostra al laboratori. Stephan Roche, investigador ICREA a l'Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia, és colíder de l'àrea d'espintrònica del Flagship. Aquesta tecnologia emergent pretén utilitzar les qualitats del grafè per explotar l'espín (rotació) dels electrons. Fins ara, els circuits que es troben als ordinadors o als mòbils s'imprimeixen sobre silici, el material sobre el qual es va construir la revolució informàtica. Permetent el pas o no d'electricitat a través d'aquests circuits, és possible codificar en sistema binari la informació amb la qual busquem ofertes a Internet o enviem missatges de text. El sistema permet aplicacions fantàstiques, però, com fan patents els ordinadors quan s'escalfen i els seus ventiladors xiulen, requereix un consum d'energia important.

Al grafè, els electrons es mouen amb molta més llibertat, 200 vegades més ràpid que sobre el silici, consumeixen molta menys energia i produeixen menys calor. A més dels descobriments d'investigadors com Roche, al grafè és contemplable manipular l'espín dels electrons, una característica magnètica de les partícules que, com en el cas de la interrupció o no del pas de l'energia sobre el silici, permetria codificar informació. “Mai s'ha pogut construir un dispositiu amb aquestes característiques perquè fins ara no s'ha aconseguit actuar en l'espín a temperatura ambient en absència de corrent elèctric”, explica Roche. Fer-ho permetria introduir molta més capacitat de càlcul en menys espai i amb una fracció del consum energètic.

Com va passar en el cas del petroli i amb altres progressos científics, és possible que la tecnologia realment transformadora arribi quan el grafè es trobi amb un coneixement que encara no s'ha aconseguit. Els participants del Graphene Flagship estan convençuts que en qualsevol cas aquest impuls econòmic —important per a la ciència, però molt petit si es compara amb gairebé qualsevol gran inversió de la UE— servirà per impulsar aquest tipus de trobades entre el grafè, els seus cosins i les tecnologies sobre les quals es construirà el segle que ve.