El grafeno y su maravillosa capacidad de transistor de 100 GHz

El grafeno es el maravilloso supermaterial que está literalmente fuera de este mundo, no sólo porque su creciente lista de aplicaciones y capacidades potenciales parece sacada de un cómic de Marvel, sino también porque, como ha ocurrido durante un tiempo, el grafeno es totalmente impracticable. Las aplicaciones son amplias, pero su utilidad no lo es, sólo 1 pulgada cuadrada cuesta aproximadamente 60 dólares, mientras que se ha propuesto ampliamente que el grafeno necesita alcanzar sólo 1 dólar por pulgada cuadrada para que sea viable en aplicaciones tecnológicas, mientras que para aplicaciones de pantalla táctil 10 centavos por pulgada cuadrada es el marcador.

El grafeno es una sensación, ya que está formado por una capa alveolar de átomos. Es una capa singular de átomos que se puede recoger, lo que es absolutamente increíble. Es el primer material 2D del mundo y ha hecho estallar a científicos e industriales, y con razón. El consorcio Graphene Flagship, del que forma parte Nokia, acaba de recibir una enorme subvención de la UE para el desarrollo y la investigación del grafeno durante los próximos 10 años. El grafeno está hecho de grafito, el mismo grafito que se encuentra en su lápiz, fue descubierto en 2004 en la Universidad de Manchester y 6 años más tarde, el profesor Andre Geim y el Dr. Kostya Novoselov recogieron el Premio Nobel 2010 por sus problemas.

Se cultiva mediante un proceso llamado exfoliación mecánica y, aunque es difícil, se puede reproducir combinando polvo de grafito, agua y líquido lavavajillas a alta velocidad y ya está, el material más resistente conocido por la humanidad. Aunque la mayoría de las técnicas a escala consiguen menos de medio gramo por hora, la verdadera demanda es una producción a mayor escala y más barata. Los avances son muy interesantes: la resistencia es un factor fundamental (una fracción de grafeno mejora la resistencia de los poliésteres en un 50%), pero son las propiedades térmicas las que están estimulando a las industrias, que dependen en gran medida de la tecnología y carecen de aplicaciones en la vida real.

Si colocáramos una lámina de grafeno sobre una hoja de papel blanco, podríamos ver una capa de átomos con nuestros propios ojos Los científicos han diseñado un transistor basado en el grafeno que consume muy poca energía y que, en última instancia, podría utilizarse para aumentar la velocidad de reloj de los procesadores hasta la asombrosa cifra de 100 GHz. Los transistores actuales permiten que los electrones -accionados por una fuente de energía- salten a través de una barrera energética para alterar la corriente al otro lado, y tal y como funcionan hay muy poco margen para mejorar la eficiencia y, por tanto, el rendimiento global.

Los transistores de túnel consumen menos energía que los transistores estándar. Permiten a los electrones atravesar la barrera energética por efecto de túnel cuántico; el problema, de momento, es que la corriente que pasa al otro lado de la barrera energética es demasiado pequeña para las aplicaciones prácticas. Los investigadores del Instituto de Física y Tecnología de Moscú han aprovechado las inusuales propiedades electrónicas bidimensionales del grafeno utilizando dos capas de grafeno unidas entre sí. Esta bicapa de grafeno tiene una banda de energía parecida a un sombrero, no la forma parabólica de la mayoría de los semiconductores. Los electrones que rodean el borde de este "sombrero" tienden al infinito y cuando se aplica un pequeño voltaje una gran cantidad de esos electrones hacen un túnel a la vez, de ahí un cambio brusco en la corriente al otro lado de la barrera de energía, el resultado final es el mismo, pero requiere un voltaje significativamente menor, utilizando menos energía, generando menos calor, lo que permite aumentar las velocidades de reloj sin la preocupación de que el exceso de calor destruya el chip.

Se ha observado ampliamente la falta de avances en las velocidades de procesamiento en los últimos 10 años, llegando a alrededor de 4GHz en 2005 y muy poco desde entonces. Un transistor basado en grafeno tiene un rango de tensión de funcionamiento de 150 mV, frente a los 500 mV de los transistores de silicio, por lo que el grafeno podría ser el siguiente paso para aumentar drásticamente la potencia de cálculo.

La densidad del grafeno es un millón de veces superior a la del cobre y su movilidad intrínseca es cien veces mayor que la del silicio. Puede transportar electricidad con mayor eficacia, precisión y rapidez que cualquier otro material, lo que abre un amplio abanico de aplicaciones cotidianas, como baterías con una capacidad de retención eléctrica diez veces superior a la de cualquier otro material disponible en la actualidad. Es el único material que se contrae cuando se calienta y se expande cuando se enfría, lo que lo convierte en el primer y único ejemplo material de membrana conductora de electricidad.

La banda de energía del grafeno

Ni siquiera los átomos de helio pueden atravesar el material más impermeable descubierto, que parece empeñado en pulverizar todos los récords que puede batir un material. Esto significa que funcionaría como un fantástico detector de gases e incluso se ha utilizado para destilar vodka a temperatura ambiente. Como ya se ha dicho, el potencial de los transistores es impresionante, pero, evidentemente, esto abre la puerta a la cuántica al hacer posibles experimentos enormemente complejos de física cuántica de alta velocidad.

Los transistores son sólo el principio, sus propiedades ligeras, finas, flexibles y duraderas son perfectas para componentes eléctricos en pantallas, circuitos, células solares, así como procesos médicos, químicos e industriales que podrían mejorarse con este descubrimiento absolutamente asombroso que casi suena descabellado, pero desde 2004 el hijo adoptivo de la ciencia ha seguido y seguirá sorprendiendo.

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