Ocho años después de que el grafeno fuera aislado por primera vez a partir del grafito, el mercado continúa esperando la llegada de su primera aplicación comercial. Al mismo tiempo, la fabricación de otros materiales que imiten sus propiedades y sorteen las dificultades asociadas habitualmente a su proceso fabricación, durante el que es difícil controlar sus propiedades electrónicas, podría marcar un antes y un después en campos como la telefonía, la aeronáutica o la biomedicina.

Ahora, un equipo de investigadores en el que ha participado Francisco Guinea, físico del Instituto de Ciencias de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC), en España, acaba de dar un paso más hacia esta meta al crear por primera vez un grafeno artificial, es decir, un material con unas cualidades similares al grafeno atómico en el que, además, el proceso de ensamblamiento se ha realizado con un nivel de control extremadamente elevado. El estudio ha sido publicado en el último número de la revista científica Nature.

“Nuestro trabajo demuestra que algunas propiedades exóticas del grafeno son muy generales y que se pueden conseguir otros sistemas con las mismas propiedades”, afirma Guinea. “En este material análogo al grafeno se puede controlar que cada ‘átomo artificial esté en una posición predeterminada con mucha precisión, lo que resulta imposible con materiales formados por átomos normales”, añade.

Junto al grupo del profesor Hari Manoharan, en la Universidad de Stanford (Estados Unidos), donde se ha realizado la fabricación y caracterización del modelo teórico desarrollado por Guinea, este equipo ha colocado una serie de moléculas de óxido de carbono sobre una superficie de cobre, formando una estructura en forma de panal. Estas partículas, ‘empujadas’ una a una sobre el cobre mediante un microscopio electrónico de barrido, han permitido alterar la propagación de los electrones a lo largo de la superficie del sustrato.

“Una vez que las partículas de óxido de carbono están en su lugar, el material se comporta como el grafeno”, afirma Juan José Vilatela, investigador del Instituto Madrileño de Estudios Avanzados (IMDEA) que trabaja actualmente en el consorcio español para el desarrollo de materiales basados ​​en el grafeno. “Obtienen de antemano las propiedades electrónicas que desean porque controlan dónde están ubicadas unas moléculas con respecto a otras”, explica. Según este experto, Guinea y sus compañeros obtienen un material en cuyo ensamblaje hay mucho más nivel de control que el que se consigue actualmente en la fabricación del grafeno.

Este material, formado por una sola capa de átomos de carbono colocados en una red hexagonal, destaca porque es transparente, impermeable, duro y elástico, y tiene ciertas deformaciones que dan lugar a campos magnéticos muy elevados. Sin embargo, a partir de ahora, la puerta a que puedan existir otras estructuras nanoscópicas con similares características y potenciales aplicaciones ha quedado abierta, y la electrónica y la biotecnología serían algunas de las áreas que más se beneficiarían del desarrollo de estos ‘grafenos análogos’.

“Han ideado una manera de replicar las propiedades del grafeno simplemente posicionando de manera controlada otras moléculas”, continua Vilatela. “Es su estructura y la forma de agrupar los átomos lo que le da sus propiedades, no es un fenómeno único de las moléculas que han utilizado”.

En este caso, dichas moléculas están hechas de óxido de carbono, que en opinión de Rosa María de la Cruz, profesora del Departamento de Física de la Universidad Carlos III de Madrid (España), “no sería difícil de fabricar”, sin embargo, la profesora apunta que quizá podrían haberse empleado para el sustrato otros materiales, como oro, plata o diamante.

Según Vilatela, la selección del sustrato viene determinada por la idoneidad del cobre para aportar una configuración geométrica apropiada que favorezca que la interacción entre este y la molécula que va a posicionarse sobre él. “El cobre tiene electrones localizados en la superficie que, modificados por la presencia del óxido, dan lugar al grafeno artificial”, confirma Guinea.

La principal dificultad del planteamiento de los investigadores de Stanford y el ICMM consiste en que no es posible disponer de volúmenes de material suficiente para su fabricación a gran escala. No obstante, gracias a la elevada precisión del control molecular a una escala muy pequeña los científicos obtienen efectos que podrían ser de interés para fabricar sensores o materiales inteligentes en los que no se requieren grandes aportes de material.

“En electrónica también hacen falta a menudo tierras raras, que son muy escasas, pero las cantidades que se manejan son pequeñas”, recuerda Vilatela, que asegura que este material sí podría utilizarse para dispositivos “del día a día” porque se puede miniaturizar. “Así se requiere mucho menos material para realizar las mismas funciones”, comenta el experto del IMDEA.

Además de este obstáculo, existen otros factores que podrían convertirse en barreras limitantes de un futuro uso generalizado, como la temperatura a la que se realiza el posicionamiento de las moléculas de óxido de carbono (menos 270 grados celsius aproximadamente) y el complejo equipamiento necesario.

“Es un sistema interesante por su similitud con la física del grafeno pero seguramente todavía está lejos de las aplicaciones reales por la manera sofisticada en que ha sido preparado y estudiado”, afirma José María de Teresa, profesor del departamento de Física de la Materia Condensada del Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón, en España.

En esta línea, Guinea asegura que si las moléculas no se mueven de nuevo una vez posicionadas, el material tiene una estructura “muy estable”. Por su parte, Vilatela sugiere que es posible que haya que mantener esas temperaturas para mantener los efectos, lo que plantea “una serie de retos tecnológicos en su aplicación a dispositivos electrónicos”. No obstante, en opinión de este investigador, esta capacidad de generar desafíos que demuestra el trabajo publicado en Nature no es sino “una medida más de su éxito”.