Hidrógeno metálico, el último superconductor

Fue uno de nuestros primeros posts y también uno de los que más lectores ha tenido. Corría diciembre de 2010 cuando los investigadores hablaban maravillas del grafeno. El material del futuro que revolucionaría por completo el universo digital por su conductividad. Una revolución que todavía no ha llegado a la electrónica de consumo y que sigue dejando al silicio como el rey del mercado.

Sin embargo, mucho más silenciosa ha sido la investigación que durante décadas diferentes científicos han llevado a cabo sobre el hidrógeno metálico. El hidrógeno es el material visible más abundante del universo, está en todo lo que conocemos pero siempre en estado líquido, gaseoso o plasma. No obstante, un grupo de investigadores parecen haber dado con la clave para encontrarlo en un nuevo estado: el metálico sólido.

El hidrógeno es el más ligero de los elementos químicos ya que su átomo solo tiene un protón y suele presentarse siempre como en su forma molecular -un gas diatómico nombrado con la fórmula H2-. Tiene diferentes propiedades como volverse líquido a muy bajas temperaturas (lo que ha permitido que se pueda usar como combustible para cohetes); convertirse en un gas ionizado (plasma) sometido a muy altas temperaturas -como ocurre en la capa exterior de las estrellas- y, después de más de 80 años de investigación se cree haber conseguido confirmar que si se somete a condiciones extremas de presión sin grandes alteraciones de temperatura se convierte en un metal sólido.

Hasta ahora todas las investigaciones habían conseguido resultados poco concluyentes o no habían conseguido mantener estable el material, pero ahora, según ha publicado Nature, un equipo de investigadores internacional que ha usado celdas de yunques de diamante han conseguido someter al hidrógeno a presiones superiores a los 325 gigapascales (3,21 millones de veces la presión atmosférica terrestre) a una temperatura de 26 grados celsius. En ese punto los enlaces covalentes del hidrógeno se rompen dejando libres los electrones y convirtiéndolo en un elemento sólido de propiedades metálicas.

Lo más interesante es que si se cumplen las expectativas la ciencia por fin habría dado con el ansiado superconductor que revolucione la electrónica además de otros campos como la astronomía ya que ayudaría a comprender mejor planetas jovianos como Júpiter.

Grafeno, ¿en qué quedó la revolución?

Muy pocos materiales han causado tanto revuelo como el grafeno a principios de década. Sin embargo, a pesar de los esfuerzos de instituciones públicas y privadas por potenciar su desarrollo, el material llamado a ser determinante en la revolución tecnológica del siglo XXI no consigue dar el salto de los laboratorios a las cadenas de montaje para suplantar al plástico y al silicio. ¿Por qué?

Si nos damos un paseo por las instituciones continentales veremos que en 2013 la UE puso en marcha el programa Graphene Flagship con una dotación de 1.000 millones de euros y con el fin de que crear una estructura continental con todos los avances que los investigadores habían conseguido de modo que el Viejo Mundo se pusiera al frente de su irrupción industrial.

En el Reino Unido también se puso en marcha una iniciativa similar llamada Instituto Nacional del Grafeno con una dotación superior a los 50 millones de euros por parte de Londres y una financiación de casi 90 millones para este 2015. Así, en esta guerra del grafeno la Universidad de Manchester estima que se han gastado unos 2.400 millones de dólares en investigación en todo el mundo desde 2010.

Uno de los ejemplos más llamativos es el de China que ha creado una docena de parques industriales de grafeno. Inversiones a fondo perdido cuyo fin es poner en contacto investigadores y empresas que estén dispuestas a implementar este material en sus productos. El resultado es ambiguo: en 2014 las firmas chinas AWIT y Galaxy Microsystems comercializaron 32.000 terminales que incorporaban grafeno en sus pantallas, baterías o chasis. Una cifra mínima comparada con el multimillonario mercado internacional (y local) y con las enorme inversión de Beijing.

De facto, estudios demuestran que hay muchos productos con este preciado material que se están vendiendo por debajo del precio de producción porque hay multitud de compañías que necesitan deshacerse del stock de grafeno que acumularon durante los años en los que parecía que su irrupción era inmediata e inevitable.

¿No funciona el mercado? No exactamente. El crecimiento interanual ronda el 50%. De este modo se espera que pase de los 12,5 millones de dólares de hace dos años a los 120 en 2020. El problema es que, de nuevo, las expectativas eran tan altas que un resultado sobresaliente -y que ya quisiera para sí cualquier otro mercado en plena crisis- no es suficiente.

El problema reside en que los costes de extracción en condiciones óptimas siguen siendo excesivamente altos y el proceso demasiado complejo. Un metro cuadrado de grafeno cuesta en China unos 400 yuanes, una cifra muy superior a la del Óxido de Indio, el material estrella para la construcción, por ejemplo, de las pantallas LCD.

Por eso la investigación ha pasado en muchos centros de qué hacer con el grafeno a cómo obtener el material. Procesos que permitan separar sus capas de una forma mucho más sencilla y con un coste menor que lo conviertan en una materia accesible y rentable. Eso permitiría que el grafeno se extendiera de los productos tecnológicos a otros. Buen ejemplo son las raquetas que Head construye para Novak Djokovic y Maria Sharapova.

Una start up nacida en la Universidad de Manchester tiene preparadas unas bombillas LED con una mayor duración y rango de luminiscencia que debería ver la luz este mismo año y otras empresas de la isla, como G20, ha desarrollado láminas con grafeno que permiten simplificar el proceso de purificación del agua.

Pero para que todo esto llegue a buen puerto es necesario que por fin se dé el salto del laboratorio a la producción. Si no, todas estas iniciativas que podrían facilitarnos mucho nuestro día a día se verán abocadas a la desparición.

Grafeno, futuro para Europa

Uno de los primeros posts de contenido científico de esta bitácora tuvo que ver con el grafeno. Corría diciembre de 2010 y anunciábamos que Andre Geim y Konstantin Novoselov, dos físicos de la Universidad de Manchester, iban a ser premiados con el Nobel por sus trabajos con láminas de grafeno. Desde entonces, esta estructura laminar de carbono de un átomo de grosor con forma de panal de abeja y que muchos gurús aseguran será el nuevo silicio, ha estado en boca de todos.

 

Curiosamente, en un escenario en el que las empresas tecnológicas europeas tienen un papel secundario frente a Silicon Valley y las pujantes corporaciones asiáticas (sobre todo coreanas) y en el que la investigación pública -la principal en Europa- sufre de lleno la fuga de capitales y cerebros a causa de la crisis que asola el Viejo Continente, este material de futuro tiene su principal aliado a este lado del Atlántico.

 

Buen ejemplo es que hace tan sólo dos días la Comisión Europea que los proyectos ganadores de un concurso europeo de Tecnologías Futuras y Emergentes -dotado con mil millones de euros para la investigación- han sido los relacionados con el grafeno y el cerebro humano. De este modo, casi 200 institutos colaborarán durante los próximos 10 años en investigaciones de primer orden mundial para cruzar proyectos sobre ciencia y tecnología.

 

El denominado «Proyecto Grafeno» se centrará en investigar y explotar las cualidades de este material derivado del carbono y que combina propiedades físicas y químicas que lo hacen único: es el más fino, conduce la electricidad mucho mejor que el cobre, es entre 100 y 300 veces más fuerte que el acero y tiene propiedades ópticas únicas. Un material que se muestra clave para industrias como la tecnológica, aeroespacial, automovilística y la óptica, sectores donde Europa tiene un papel relevante y en los que puede asegurar su futuro -sobre todo las tres últimas-.

 

En este proyecto, dirigido por Jari Kinaret de la Universidad de Chalmers en Suecia, contará con 136 investigadores entre los que destacan 4 premios Nobel.

 

Por otra parte, el «Proyecto Cerebro Humano» se ayudará de la construcción del centro experimental más grande del mundo para elaborar el modelo del cerebro humano más detalla hasta el momento que sirva para conocer mejor su funcionamiento y saber cómo tratar enfermedades neurológicas y afines. Con la colaboración del Centro Nacional de Supercomputación de Barcelona -los cálculos a nivel molecular se realizarán en el supercomputador MareNostrum-, el fin de esta investigación será mejorar la calidad de vida de millones de ciudadanos europeos.

 

En cuanto al proyecto sobre el cerebro, trabajarán en él investigadores de 87 centros repartidos por todo el continente y será dirigido por Henry Markram de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (Suiza).

 

Esta inversión llevada a cabo por la Comisión Europea por el grafeno y el cerebro humano tiene como fin consolidar «la posición de Europa como superpotencia del conocimiento», algo que «depende de su capacidad de concebir lo inconcebible y explotar las mejores ideas», según Neelie Kroes, vicepresidenta de la Comisión Europea.

 

El premio está enmarcado en el proyecto Horizonte 2020 que tiene como objetivo hacer de Europa el centro mundial de la investigación científica y para lo que será necesario que los 15 Estados miembros y el Parlamento Europeo aprueben unos fondos para investigación tan ambiciosos como generosos. La Comisión, de momento, ha propuesto que se dediquen 80.000 millones de euros durante los próximos 10 años a proyectos que, sin duda, puede garantizar el futuro cercano de la Unión Europea.

Grafeno, IBM cumple su promesa

El grafeno y sus posibilidades fueron tratados en uno de los primeros posts tecnológicos de esta bitácora. Un material cuyo descubrimiento -y sobre todo el de sus aplicaciones- nos acercaron a un futuro que hace poco nos parecía impensable. Los dos premios Nobel que lo habían acercado a nuestras vidas nos advertían de que lo más maravilloso de todo esto es que su plazo de aplicación en la tecnología «doméstica» iba a ser mucho más rápido que con cualquier otro elemento anterior -el silicio-. Tenían razón. Sólo un año y cuatro meses después de que los científicos de IBM presentaran el primer transistor de este material capaz de funcionar a una frecuencia de 100 Ghz, la misma centenaria compañía ha presentado el primer circuito integrado de grafeno que permitirá fabricar procesadores, sensores y sistemas de comunicación mucho más rápidos que los actuales.

Este hito, desvelado por la revista Science, nos habla de un mezclador de radiofrecuencia de banda ancha construido sobre «una oblea de silicio» que trabaja a 10 Ghz. Sin embargo, la importancia de este avance -tan complicado de entender para los que somos ajenos a la ciencia- radica en sus aplicaciones cotidianas (donde la gran mayoría de las personas disfrutamos de lo que descubren los científicos).

Elisa Martín Garijo, directora de Tecnología e Innovación de la multinacional estadounidense, lo explica así: «este mezclador supone el primer paso para demostrar que ya podemos fabricar circuitos integrados de grafeno. Y de la misma manera en que se fabrican los de silicio -presentes en el corazón de casi todos nuestros dispositivos-, porque el mismo proceso sirve para ambos materiales. El próximo paso será fabricar el chip de grafeno«.

Hablan de primer paso porque este circuito de grafeno ha sido creado en un laboratorio y su capacidad de cálculo todavía es bastante limitada. No obstante, explican que ya se puede emplear en «sensores, dispositivos móviles y pantallas«.

Las esperanzas puestas en el grafeno, carbono en estado puro aislado hace sólo siete años por Andre Geim y Kostya Novoselov, radican en sus características físicas a medio camino entre semiconductor y metal, así como su resistencia -200 veces superior a la del acero-, gran flexibilidad y conductividad eléctrica.

Martín Garijo dice que su empleo permitirá crear dispositivos electrónicos cada vez más pequeños y baratos gracias a su «extraordinaria conductividad«, si bien, anticipa que convivirá bastante tiempo con el silicio. IBM ha cumplido su promesa, el futuro está llegando.

Grafeno, el futuro ha llegado

El pasado viernes 10 de diciembre dos físicos de la Universidad de Manchester -Andre Geim y Konstantin Novoselov- acudieron a Estocolmo a recoger el Premio Nobel por haber conseguido extraer láminas de grafeno. Este material, del que cada vez oímos hablar un poco más y que, casi seguro, en unos diez años será la nueva base de toda la tecnología, es considerado por los expertos el mayor descubrimiento de la ciencia aplicada desde que se desarrolló la tecnología del silicio. La pregunta inmediata es, ¿qué es el grafeno? y, sobre todo, ¿por qué es tan importante?

Si buscamos en wikipedia al respecto del material, encontramos que se trata de una estructura laminar plana de un átomo de grosor. Está compuesto por átomos de carbono que forman un entramado con forma de panal de abeja. Por todo ello sabemos que el preciado grafeno se encuentra abundantemente en la naturaleza: el interior de un lapicero es un buen ejemplo.

Pero el interés científico por este material no es nuevo. Ya en 1930 se describieron sus características físicas y no fue hasta 1994 cuando se cambió su nombre de «monoplaca de grafito» a grafeno. Sus características, tan interesantes para los estudiosos son las siguientes:

  • Alta conductividad térmica y eléctrica, esto hace que consuma menos electricidad para una misma tarea que el silicio. La razón es que se calienta menos que cualquier otra sustancia al conducir los electrones. Ello hace que los científicos empiecen a hablar ya de la era del grafeno del mismo modo en el que el silicio supuso superar y mejorar con un éxito sin precedentes la anterior era del plástico.
  • Alta elasticidad y dureza. Tiene una resistencia 200 veces superior al acero e impenetrabilidad superior a la del diamante. Su secreto reside en que está formado por unos paquetes de átomos tan compactos que ni siquiera los átomos de helio -los más ligeros de la naturaleza- pueden colarse en su «panal de abeja».
  • Además, es más ligero y flexible que otro material que maravillo hace años al mundo: la fibra de carbono.

Todo ello le otorga una gran capacidad de desarrollo, a lo que hay que sumar que puede combinarse con una gran cantidad de materiales para formar compuestos diferentes con diferentes cualidades. Como veis, estas pequeñas placas transparentes superan, en teoría, las características del geek más soñador de una película de ciencia ficción.

Aplicación en el mundo real. El desarrollo científico y tecnológico

No obstante, muchas tecnologías descubiertas se han deshinchado posteriormente. Así que decidí buscar si este descubrimiento tenía, realmente, aplicación en nuestro día a día. Todas sus características invitaban a pensar que sería un componente perfecto para el desarrollo de circuitos -del mismo modo que el silicio al que tan fácilmente «supera»-.

En diciembre de 2008 IBM anunció que había creado transistores con una velocidad de transmisión de frecuencia de hasta 100 megaherzios, muy superior a cualquiera desarrollado hoy día sobre silicio. De hecho, ordenadores hiperpotentes luchan ahora por tener procesadores de 8 o 61 gigaherzios. Su potencia en grafeno podría multiplicarse fácilmente. Su precio no. La única complicación de laminación desde el grafito es obtener el grosor adecuado de cada placa de grafeno para cada utilidad.

Algunos científicos como el físico holandés Walt De Heer considera que el grafeno, precisamente por estas dificultades, nunca será sustituto del silicio, sino complemento. Del mismo modo que los «aviones y los barcos se complementas. Los aviones nunca sustituirán a los barcos».

Grandes posibilidades de desarrollo

La repercusión de este Premio Nobel de física ha sido tal que ha llegado, incluso, a los medios de comunicación generalistas. Así, estos han publicado las posibilidades más espectaculares que se barajan para esta panacea de la naturaleza.

A los chips de ordenador ultrarrápidos se le suman chalecos antibalas del grosor de una camisa, aviones más ligeros e, incluso, pantallas transparentes y enrollables para los dispositivos electrónicos. La multinacional surcoreana Samsung -de la que ya hablamos en otro post- ha llegado a poner fecha a este último avance: a lo largo de 2011 comercializará estas maravillas.

Geim, uno de los premiados, afirmaba hace poco en una entrevista que «a menudo la imaginación corre más deprisa que la razón», «pero en el casodel grafeno sí que hay humo detrás del fuego». La razón para tanto optimismo es que «mientras que un nuevo material tarde entre 15 y 16 años en pasar del ámbito académico al industrial y, después, otros diez para ser producido en serie», el grafeno «ha pasado en cinco años al ámbito industrial».

Fácil de obtener

Según los científicos holandés y británico premiados, el descubrimiento se consiguió tras unas pintas de cerveza. Cogieron un poco de celo y un lapicero. Rasparon el lapicero para que se soltaran pequeñas placas de grafito de la mina del lápiz y, posteriormente, pegaron y despegaron el celo sobre la hoja y el descubrimiento había llegado. Microscópicas fibras de grafeno millones de veces más delgadas que una folio de papel estaban pegadas al celo.

Curiosamente, no han patentado el grafeno. Ni su método de obtención. Todo lo contrario, cedieron algunas de las fibras obtenidas a colegas para que investigaran sus posibilidades. Muchas veces la ciencia nos demuestra que el hombre funciona. Yo voy a hacer el «experimento» en mi casa ahora mismo. Os animo a que hagáis lo mismo y participéis de un futuro prometedor… y no tan lejano.