Este material es transparente, flexible, mejor conductor eléctrico que el cobre y más duro que el diamante. Gracias a estas propiedades, ya se utiliza en dispositivos electrónicos y en aplicaciones médicas avanzadas. 

Es flexible, transparente y conduce electricidad mejor que el cobre. Se llama grafeno y es uno de los materiales más prometedores de la ciencia actual. En la Universidad de La Serena, el Dr. Luis Palma-Chilla, decano de la Facultad de Ciencias, lidera una investigación teórica que explora cómo pequeñas “impurezas” pueden modificar sus propiedades termodinámicas, abriendo nuevas posibilidades para su uso en tecnología, en la medicina, y otras innumerables aplicaciones.

“Lo primero que uno tiene que tener claro es que el grafeno es un material que se construye en el laboratorio”, explica el Dr. Palma-Chilla. “Se elabora usando átomos de carbono. Este constituye una red cristalina como un panal de abejas, es decir, está formado por una celda hexagonal donde en cada arista se ubica un átomo de carbono. Ese es el grafeno”.

Esta estructura en forma de malla hexagonal le da al grafeno su forma bidimensional: tiene un espesor del orden de 1,42 x 10⁻¹⁰ metros. A pesar de su delgadez, es un material altamente estable termodinámicamente, lo que lo hace único.

“La gracia que tiene es que se puede construir en dos dimensiones. Todos los estudios anteriores han mostrado que materiales en dos dimensiones no tienen estabilidad termodinámica. Pero este material sí”, apunta el investigador y decano de la Facultad de Ciencias.

Propiedades que asombran

La estabilidad no es su única virtud. El grafeno es transparente, flexible, mejor conductor eléctrico que el cobre y más duro que el diamante. Gracias a estas propiedades, ya se utiliza en dispositivos electrónicos y en aplicaciones médicas avanzadas.

“Se incorpora en pantallas, incluso se construyen paletas de ‘padel’ (pantallas táctiles). Está en muchas partes. Incluso hay estudios donde, como son láminas tan delgadas y flexibles, se colocan en el cerebro para producir conexión entre las neuronas y mejorar problemas de conexión entre ellas, como por ejemplo en el Alzheimer”, ilustra el decano.

¿Qué pasa si cambiamos su estructura con “impurezas”?

El Dr. Palma-Chilla se preguntó qué ocurriría si, en lugar de tener carbono en todos los vértices de la malla, se reemplazara uno o más átomos por otros elementos como boro o nitrógeno. Esta técnica, conocida como dopaje, introduce “impurezas” que pueden cambiar las propiedades del grafeno.

“¿Qué pasa si cambio esos átomos de carbono por otro material? Como puede ser boro, nitrógeno. Pero no todos, solo algunos puntos, porque si no se desarma la red. Es como colocar una impureza en el material. Y se ha demostrado que esas impurezas cambian de alguna manera las propiedades del material”.

Entonces, la investigación se desarrolló completamente mediante simulaciones y modelación teórica. Utilizando un método de imágenes desarrollado por el Dr. César Flores, de la Universidad de Tarapacá (UTA). El equipo analiza una representación 3D de la relación de dispersión del material. Y a partir de esa información, obtiene imágenes del espectro con las que se calcula la entropía termodinámica.

El investigador USerena explica que “teniendo la entropía termodinámica, yo puedo encontrar toda la termodinámica del material: como es la energía interna, la capacidad calórica y la temperatura en función de una variable que podría ser la energía”.

El concepto de entropía puede parecer abstracto, pero es esencial para comprender la estabilidad de los materiales. “La entropía es como cuando un sistema está ordenado o desordenado. Cuando está desordenado, su entropía es muy alta, lo que genera inestabilidad”, señala el Dr. Palma-Chilla.

Y aunque los cambios observados dependen del tipo de dopante, ya hay tendencias marcadas. “Nuestros resultados ponen de relieve los complejos efectos que los dopantes pesados tienen sobre las propiedades termodinámicas del grafeno, sentando las bases para futuros estudios experimentales sobre el grafeno dopado. Además, nuestro modelo muestra compatibilidad con otros modelos destacados de la ciencia de materiales”, apuntan las conclusiones del estudio publicado en la revista Entropy, realizado en conjunto a Juan Lazzús, investigador del Departamento de Física USerena.