GRAFENO SINTONIZABLE por el Prof. Dr. D. Alberto Requena Rodríguez, académico de número

El grafeno se premió con el Nobel en 2010  a André Geim (Sochi, Rusia, 1958) y a Konstantin Novoselov (Nizhny Tagil, Rusia, 1974) un material de carbono, transparente y buen conductor de electricidad. Nuevo material hoy muy conocido y utilizado en la producción de pantallas táctiles, paneles de luz, paneles solares y un largo etcétera, que no deja de sorprendernos con frecuencia por sus descubiertas nuevas propiedades para nuevas aplicaciones.

Ambos investigadores asentados en la Universidad de Manchester, el director André Geim alemán-ruso y asentando en el Centro de Meso-Ciencia y Nanotecnología en Manchester y el colaborador, Konstantin Novoselov británico-ruso que se había doctorado en Holanda y había recalado también en la Universidad de Manchester. Tenían establecido una especie de divertimento que incluso denominaban “experimentos del viernes por la noche” en los que invertían tiempo al final de la semana por distraerse de los trabajos habituales. En cierta ocasión pensaron en realizar un transistor de grafito y por esa vía dieron con el material que se denominaría grafeno y por el que en tan solo 6 años después, se les otorgaría el Nobel. Rápida forma de alcanzar la gloria desde fuera de esas interminables listas de científicos que corren por ahí de la que algunos llegan a sentirse satisfechos con un lugar en el limbo y dónde otros, por la vía de la competencia irrumpen desde fuera de las listas para sorprendernos con avances como el que supuso el grafeno. Hay que suponer que, desde la humildad de estar fuera de esas listas, algunos logran lo que tantos otros no son capaces de alcanzar. La Ciencia siempre ha sido compatible con la humildad de los científicos que creen en el trabajo honesto, desde donde la inspiración los sorprenderá y bendecirá algún día con algo importante, por lo que luchan en el silencio y la discreción tanto tiempo.

Una capa de grafito de espesor tan solo un átomo, imperceptible, por tanto, le otorga unas propiedades muy singulares como flexibilidad, fortaleza, ligereza y una excelente conducción del calor. Se llega a referir que es unas doscientas veces más resistente que el acero y unas cinco veces más ligero que el aluminio. Todo ello ha configurado una carrera para aprovechar sus cualidades y a un desarrollo sin límites de aplicaciones.

Se puede considerar que el siglo pasado es el siglo de los electrones y de los fotones. Si repasamos todas y cada una de las décadas del siglo XX, encontramos en todas ellas una aportación, sugerencia, pronóstico o realización, concreción y utilización de alguna faceta en la que los protagonistas son los electrones o los fotones. Algunas de las tecnologías tuvieron que esperar mucho tiempo para poder convertirse de “solución sin problema”, como lo fue durante unos sesenta años el láser, a “problema con solución”, como fue a electrónica, primero y la nanoelectrónica después, o la fotónica primero y la cuántica como sustento teórico-técnico después. La luz cabalga sobre los fotones, al igual que la electricidad lo hace sobre los electrones.

Pero este siglo XXI visualiza nuevos protagonistas en las “carreras” de fondo como son el sonido y el calor que cabalgan sobre el fonón. Viene a ser la traslación del fotón en las vibraciones mecánicas transmitidas a través de un medio, como por ejemplo la red atómica de un sólido. Los metamateriales, tanto ópticos como acústicos tienen muchas aplicaciones, desde la insonorización hasta los materiales termoeléctricos. El espectro fonónico es amplio, cubriendo desde los infrasonidos con frecuencias en torno a 1 Hercio, hasta los hipersonidos en el rango del gigahercio, pasando por el sonido y ultrasonido.  Los dispositivos como el sonar están en el rango de sonidos e infrasonidos, los ultrasonidos son típicos de los dispositivos de imagen y ahora los cristales fonónicos abarcan transversalmente desde los hipersonidos, con frecuencias típicas de gigahercio, hasta los sonidos y caminan a infrasonidos. Es la región típica de la optomecánica y los diodos sónicos. Por tanto, las ondas acústicas corresponden a frecuencias bajas y recorren grandes distancias, mientras que las ondas de calor responden a frecuencias altas, como los terahercios, pero el alcance es una corta distancia. En la región de terahercios se centran las ondas térmicas. Los critales fonónicos cubren gran parte del espectro fonónico grancias a unas estructuras periódicas de factura artificial que incluye una banda prohibida, parecida a las de los cristales fotónicos o los semiconductores, que permiten construir dispositivos análogos a los electrónicos, desde filtros sónicos a guía ondas o cavidades resonantes.

Los diodos sónicos funcionan como algo parecido a los electrónicos. Como en la generación del segundo armónico en los cristales birrefringentes, incide una onda sonora en una banda prohibida del cristal y se transforma en una octava mas alta, duplicando su frecuencia. Ahora bien si la onda acústica incide sobre la cara opuesta, entonces se refleja con la misma frecuencia de entrada. La invisibilidad acústica, por analogía, también, consiste en generar una capa que guiará a las ondas acústicas bordeando el objeto y lo hará indetectable. Cuestión de metamateriales acústicos, de forma que las propiedades elásticas, la compresibilidad o la densidad no son ni anisótropas ni homogéneas, por tanto. Hasta ahora se ha conseguido con objetos diminutos. También se han acoplado fotones y fonones en dispositivos optoacústicos, integrando sonido y luz directamente. Con el calor se ha logrado desarrollar también dispositivos fonónicos transmitiendo unidireccionalmente aquél. La dificultad en este caso deriva de que la frecuencia de los fonones es muy elevada, de terahercios. Se han desarrollado en nanotubos de carbono e integrando un nanotubo de nitruro de boro, logrando una propagación muy baja en la dirección inversa. Hay una amplia variedad de dispositivos acústicos y térmicos ya desarrollados gracias a los cristales y a los metamateriales fonónicos centrados en la nanoescala y microescala

Ahora se abren nuevas perspectivas con la propuesta de los equipos de investigación de la Universidad Libre y del Centro Helmholtz de Berlín de un cristal fonónico construido a partir de un microscopio de iones helio empleando grafeno y logrando un dispositivo con una frecuencia ajustable en un rango extenso. Hasta ahora los dispositivos de cristales fonónicos fuancionaban a frecuencias de vibración fijas, de forma que no se ofrecia la opción de cambiar sus modos de vibración de forma controlada. Con el haz de iones helio se constriyó un patrón periódico de agujeros en el grafeno. El resultado es que en un rango concreto no caben modos vribracionales (análogo a la estructura de bandas electrónicas de los sólidos). Esta zona se puede utilizar para localizar modos individuales y protegernos del entorno. Se puede sintonizar el sistema entre 50 MHz y 217 MHz empleando presión mecánica, a su vez inducida de forma fácil mediante un voltaje.

Se multiplican las aplicaciones en las que se pueden desarrollar tecnologías novedosas de los nuevos cristales fonónicos. La Ciencia sirve de base para nuevos desarrollos que, a su vez, impulsan nuevos descubrimientos científicos en una espiral explosiva en la que, tras descorrer una cortina con un nuevo descubrimiento, aparecen muchos más interrogantes de nuevo cuño, incentivados por lo que hemos aprendido. Y así viene sucediendo desde siempre y, al parecer, seguirá aconteciendo hasta ni sabemos cuándo. Parece una ley de evidencia, sujeta a contrastación constante a lo largo de la vida con una flecha claramente establecida que hace enrojecer a los ingenuos, que creen que todo está hecho y que solamente quedan detalles, sin importancia.