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Física

Colmenas de carbono

Cinco siglos después de su descubrimiento, el grafito sorprende a los físicos con sus propiedades eléctricas y magnéticas poco comunes.

Inclinado sobre una mesada de fórmica blanca, el físico peruano Juan Medina Pantoja pega una cinta adhesiva en una de las caras de un bloquecito plateado cuadrangular de tamaño menor que la uña de un pulgar. El material que sostiene entre sus dedos es una muestra de grafito ultra puro, que sólo en ciertas condiciones se comporta como un metal. Producido a temperaturas altísimas, cercanas a las encontradas en las regiones más profundas del planeta, éste es el grafito pirolítico altamente orientado, llamado así a causa de su estructura: los átomos de carbono se ordenan en hexágonos regulares como los alvéolos de una colmena y forman capas de un átomo de espesor, las hojas de grafeno, que se superponen unas sobre otras.

Capas más finas
Medina retira lentamente la cinta y despega una película de grafito con unas pocas capas de grafeno. Inmediatamente, pega esa muestra entre dos láminas de vidrio que secarán bajo el efecto de una luz muy fuerte. Fue más o menos así, a comienzos de este año, que verificó la posibilidad de reducir aún más el espesor de las muestras de grafito. Bajo esa temperatura, los átomos de carbono comienzan a desprenderse del grafito y a combinarse con oxígeno del aire, formando dióxido de carbono, explica el físico Yakov Kopelevich, coordinador del laboratorio del Instituto de Física de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp), en São Paulo, donde Medina es investigador. Al acrecentar la etapa de secado, Kopelevich y Medina creen haber encontrado una forma de obtener láminas de grafito aún más delgadas que las obtenidas con la utilización de la cinta adhesiva.

Conductor o aislante
Pero los avances de ese equipo no se restringen a esa refinada colada. Como resultado de las investigaciones que contaron con una inversión de 1 millón de reales por parte de la FAPESP y del Consejo Nacional de Investigación y Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq), Kopelevich y dos alumnos, Medina y Robson Ricardo da Silva, identificaron propiedades eléctricas y magnéticas que jamás se imaginó que el grafito pudiera presentar y que ayudan a comprender por que el grafito puede comportarse ora como un metal, y conducir la electricidad, ora como un material aislante.

Efecto Hall
Una de esas propiedades es el denominado Efecto Hall Cuántico, que coordina el movimiento de partículas eléctricamente cargadas  en el caso del grafito, los electrones  en superficies planas. Descubierto por Klaus von Klitzing, físico del Instituto Max Planck que recibió el premio Nobel en 1985 por cuenta de ese descubrimiento, ese efecto es la versión para el mundo microscópico de un fenómeno identificado un siglo antes por el físico norteamericano Edwin Hall. Hall observó el efecto que lleva su nombre al aplicar un campo magnético a una barra conductora atravesada por una corriente eléctrica. El campo magnético, perpendicular a la corriente, causa un desvío en la trayectoria de los electrones, que se acumulan en una de las extremidades de la barra, generando un campo eléctrico en dirección transversal al de la corriente.

Resistencia variable
Hall reunió esos conceptos, bastante abstractos para la mayoría de las personas, en una ecuación de apenas tres términos que prevé como varía la capacidad de un material para conducir corriente eléctrica, en la medida en que se altera la intensidad del campo magnético. Utilizada por los físicos en la investigación de las propiedades eléctricas y magnéticas de metales o semiconductores, esa ecuación demuestra que la resistencia Hall crece de modo continuo con el campo magnético. Pero este fenómeno sólo se verifica para objetos macroscópicos, en los cuales, las partículas eléctricamente cargadas se mueven en las tres dimensiones profundidad, largura, y altura. En el universo de las partículas, regido por las leyes de la física cuántica, poco comprendidas aún por los mismos especialistas, todo es diferente.

A los saltos
Cuando los físicos someten un material cualquiera a bajas temperaturas y al influjo de un campo magnético, el aumento de intensidad de ese campo ocasiona que la resistencia Hall crezca en saltos proporcionales, permaneciendo constante entre un aumento y otro. Ese fenómeno toma la forma de gráficos que recuerdan los tramos de una escalera intercalados con descansos o plataformas. Fue ese patrón de aumento de la resistencia Hall como consecuencia de la variación del campo magnético, lo que el equipo de Kopelevich detectó en el grafito y lo publicó en forma detallada en un artículo en la Physical Review Letters. La resistencia al paso de la corriente eléctrica entre una lámina y otra de grafeno es 100 mil veces superior a la resistencia a lo largo del plano, dice Kopelevich, quien hace 13 años cambió su trabajo en el Instituto Físico-Técnico de A. F. Ioffe, en la helada San Petersburgo, en Rusia, por el calor bochornoso de Campinas. Ni siquiera los físicos, quienes dos décadas atrás imaginaban haber descubierto todo respecto del grafito, esperaban esos resultados. Resulta sorprendente que el Efecto Hall Cuántico haya sido observado en el grafito, comenta Douglas Galvão, de Unicamp, quien estudia las propiedades de otro material compuesto por carbono, los nanotubos, conformados por láminas de grafeno enrolladas.

Misterio
Aún no se sabe con certeza por que el Efecto Hall cuántico, anteriormente observado en el silicio y en otros materiales semiconductores, también se presenta en el grafito sometido a temperaturas de alrededor de  -200 ºC y a campos magnéticos razonablemente intensos. Una explicación proviene de la propia estructura atómica del grafeno, cuyos electrones, en esas condiciones, sólo pueden moverse en dos dimensiones. Los electrones responsables por la conducción de corriente eléctrica se localizan ligeramente arriba y debajo del plano de los átomos de carbono, situados en los vértices de los hexágonos y unidos unos a otros por la interacción entre los demás electrones. En el grafito, las láminas de grafeno se encuentran débilmente unidas unas con otras  por ello se desprenden fácilmente y dejan un trazo ceniciento cuando un prosaico lápiz corre sobre un papel.

Superconductividad
En otro artículo de la Physical Review Letters, Kopelevich e Igor Lukyanchuk, de la Universidad de Picardie Jules Verne, en Francia, revelaron otra propiedad del grafito. Variando la intensidad del campo magnético, constataron que los electrones libres de ese material exhiben un comportamiento atípico, descrito por ecuaciones de física cuántica desarrolladas en 1928 por el físico inglés Paul Dirac: esos electrones se mueven como partículas sin masa, en modo semejante al de las partículas de luz, los fotones. En 2005, Andre Geim, en Inglaterra, y Philip Kim, en Estados Unidos, observaron en láminas de grafeno ese mismo efecto. Los resultados obtenidos por el equipo de Unicamp y publicados en 2003 también indican la relación entre el Efecto Hall Cuántico y la superconductividad.

Como un imán
De hecho, Kopelevich, Sergio Moehlecke, José Henrique Spahn Torres y Vladislav Lemanov habían descrito la superconductividad en el grafito puro, seis años antes en la Physics of the Solid State. Ese efecto necesita ser confirmado, pero reitera la posibilidad de que ese material pueda obtener otras aplicaciones tecnológicas: Kopelevich también verificó que el grafito, en condiciones específicas, puede funcionar como un imán.

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