Aprender sobre el grafeno | Shou-En Zhu | TEDxDelft

Esta charla es de un evento TEDx, organizado de manera independiente a las conferencias TED.

El grafeno, una nanoestructura, tiene usos muy diferentes. Mientras trabajaba en un doctorado sobre la investigación del grafeno en la Universidad Técnica de Delft, Shou-En Zhu emprendió un nuevo proyecto: diseñar y construir una máquina que pudiera producir grafeno desde cero y con un presupuesto muy bajo.

Los nanomateriales y las nanoestructuras
están por todo nuestro mundo natural.

Miren las alas de la libélula.

Si ampliamos la imagen 100 000 veces

y miramos la membrana transparente,

podemos ver las nanoestructuras,

que son invisibles a simple vista.

El grafeno es transparente.

Este es un modelo molecular de grafeno.

Para que sea visible, fue ampliado

más de 280 millones de veces.

El grafeno consta de
un solo elemento:

carbono.

Es así de simple.

Pero el grafeno tiene muchas
propiedades especiales.

Es el material más fino; tiene
solo el grosor de un átomo.

Es el material más resistente
que se haya medido.

El enlace de carbono en
el plano es más resistente

que el enlace de carbono
tetraédrico en un diamante.

Al mismo tiempo, es
flexible y elástico.

El grafeno se puede doblar por
completo y estirar hasta un 20 %.

Tiene la conductividad térmica más alta
entre los materiales, incluido el cobre.

Puede soportar la densidad de corriente
más alta a temperatura ambiente;

tiene la movilidad intrínseca más alta,

que es 100 veces más que la del silicio.

Es el material más impermeable;

ni siquiera los átomos más chicos
de helio lo pueden atravesar.

El grafeno cambiará el mundo.

Sin dudas, habrá una sociedad
inteligente totalmente diferente

dentro de 10 o 20 años.

Tomémonos un momento para
pensar sobre el futuro.

Imaginen si todas las
ventanas de vidrio transparente

pudieran generar electricidad
constante bajo la luz del sol

y suministrar energía
a todos los edificios.

Imaginen si todos los vehículos
y aparatos eléctricos

pudieran cargarse en 10 minutos
y durar con carga por varios días.

Imaginen si se pudiera desalinizar
el agua de mar con un aparato de bolsillo

para convertirla en agua
potable en todos lados.

Imaginen si se pudieran incorporar
aparatos electrónicos en la ropa,

y algunos, incluso,
implantar bajo la piel.

Imaginen si los materiales
compuestos livianos

pudieran ser más resistentes que nunca,

y se conviertan en el
material estructural principal

para el casco de los barcos,
vehículos y aviones.

Imaginen si los chips electrónicos
pudieran hacer cálculos

mil veces más rápido

con plasmones en vez de electrones.

Un día todos estos sueños se harán
realidad y revolucionarán la sociedad;

y creo que esto sucederá
en nuestros tiempos,

gracias al estudio de este
nuevo nanomaterial.

Pero cómo producir grafeno
es un problema serio.

Aunque se sabe que el grafeno
se encuentra en el grafito,

la mayoría de los científicos
creía que era imposible

aislar un grafeno estable.

En los 30, Landau y Peierls afirmaron

que los cristales 2D serían
termodinámicamente inestables,

por lo tanto no podrían existir.

30 años después, Mermin presentó
los resultados analíticos

que reafirmaban esa hipótesis.

Hasta 2004, cuando 2 científicos,

Andre Geim y Kostya Novoselov,

usaron cinta adhesiva
para producir grafeno.

Al poner cinta en láminas
de grafito varias veces,

cada vez despegando una capa,

el grafito se hace cada vez más delgado.

Aunque casi toda el área consta
de láminas delgadas de grafito,

algunas pequeñas partes de
una capa individual de grafeno

pudieron ser aisladas.

Desde entonces, miles de científicos
empezaron a investigar

en base a esta pequeña parte
de capa individual de grafeno

usando el método de la cinta adhesiva.

¿Pueden creer que
el Premio Nobel de Física de 2010

fue entregado a estos 2 científicos

por el experimento innovador
de la cinta adhesiva? (Risas)

Claro que no es un método práctico

para producir grafeno en masa
y crear productos útiles.

Hoy en día, toneladas de pequeñas
láminas de múltiples capas de grafeno,

estrictamente hablando,
láminas delgadas de grafito,

se pueden producir usando
el método de exfoliación química.

Puede ser usado en raquetas
de tenis o cubiertas de bicicleta

para mejorar la resistencia y reducir
el peso de los componentes.

Sin embargo, el material
producido es negro,

lo que es contradictorio con
la propiedad transparente del grafeno.

Si es negro, significa que
las láminas son muy gruesas.

Al mismo tiempo,
las láminas son muy chicas

para hacer todas esas
cosas asombrosas que les dije.

Como investigador experimental
que trabaja con grafeno,

necesito muchas capas individuales
de grafeno de gran tamaño

para mis experimentos.

Pero no pude encontrar
ningún grupo de investigadores

que pueda proveerme de
grafeno de alta calidad

en los Países Bajos en ese momento.

Viajaba de la universidad de Leiden
a la de Delft todos los días,

y trataba de descubrir cómo podía
crear muestras grandes de grafeno.

Con las instalaciones
existentes disponibles,

no pude aislar grafeno de alta calidad,

ya fuera porque el equipo tenía
un muy mal control del flujo de gas,

o porque el área de
calentamiento era muy chica

para crear muestras
más grandes de grafeno.

Ni siquiera la potencia del
calentador era suficiente

para alcanzar los 1000 °C.

Todos los días, me despertaba a las 6

y volvía a casa a media noche.

Intenté todas las posibilidades
que se me ocurrían.

Pero lo único que conseguía era
frustrarme y repetir los problemas.

Pensé: "Si sigo así,

nunca terminaré
mi investigación doctoral".

Después de 4 meses, decidí
dejar de perder tiempo

y yo mismo construir un horno.

Gracias a mi director de tesis
y al cuerpo docente,

recibí un presupuesto
extra para los equipos.

Al mismo tiempo, también gané
el premio Young Wild Idea,

que es de 10 000 EUR,

lo que me permitió gastar
libremente la plata en el material.

Todavía recuerdo ese martes
17 de abril de 2012.

Luego de todo un año de
largas jornadas de trabajo,

empecé la primera prueba
de mi propio equipo.

La bomba de vacío que tomé
de algún lugar del laboratorio

tenía más de 8 años y había
funcionado por más de 29 000 horas.

Y no solo eso, sino
que dejaba de funcionar

cuando la temperatura superaba los 40 °C.

Así que compré un ventilador
chico de 30 EUR,

que servía para enfriar la bomba.

Este es el horno que construí.

Explicaré las ventajas
de este equipo casero.

El horno puede calentar
el tubo de cuarzo de 2,5 cm

a más de 1000 °C

con una fluctuación de
temperatura de menos del 1°C.

Tiene una cubierta Lexan
transparente a prueba de balas,

que puede proteger contra
cualquier posible explosión de gas

y garantizar la
seguridad del investigador.

Tiene un pequeño volante que controla,
a distancia, el movimiento del horno

a la izquierda

y a la derecha,

con un engranaje y una cadena,

como las cadenas en las bicicletas.

Con este diseño, pude calentar
y enfriar la muestra

10 veces más rápido que
con un equipo comercial.

El costo de esta instalación
es de menos de 20 000 EUR,

7 veces más barato que cualquier
equipo comercial disponible.

Se pueden optimizar todos los
componentes, y son fáciles de usar.

Tiene un rendimiento mucho mejor.

Disfruté llevar a cabo
el experimento con mi propio equipo.

Este es el grafeno que creé.

Los cristales de grafeno se crean
como los cristales de nieve.

El gas metano,

que representa cerca del 80 % del
gas natural que se usa para cocinar,

puede descomponerse en átomos de carbono

sobre un sustrato de cobre

a los 1000 °C en un
ambiente de gas inerte.

Los átomos de carbono se unirán entre sí

y formarán anillos de carbono
con estructura alveolar,

como en el grafito.

Puedo usar el isótopo de carbono
para marcar el proceso de creado.

¿Pueden creer que el tamaño
de un solo cristal de grafeno

sobrepasó unos cuantos milímetros,

lo que es un millón de veces más grande
que el tamaño del átomo de carbono?

¿Pueden creer que esta muestra
se hizo hace 6 meses,

y que la capa individual de grafeno aún
puede proteger al cobre de la oxidación?

Los cristales de grafeno
se harán cada vez más grandes,

y se conectarán con cristales
de grafeno cercanos,

hasta formar una película continua.

Una vez que no queda más cobre desnudo,

la creación de grafeno se detendrá.

Finalmente, tendremos una película de
grafeno de una capa y de alta calidad.

Con mi colega demostramos,
por primera vez,

que la calidad de ese grafeno sintético

es tan buena como la del
método de la cinta adhesiva;

sin embargo, es bastante más grande.

Para producir grafeno en masa
y reducir su costo considerablemente,

se diseñó y construyó
un horno más grande y mejor.

El horno tiene un tubo
de cuarzo más grande,

y siempre mantiene
una temperatura constante.

Una vez que se terminó
la creación del grafeno,

lo único que tengo que hacer
es separar el horno del tubo

y tomar la muestra de grafeno.

Y puedo comenzar el segundo ciclo
de creación de grafeno de inmediato.

La eficiencia de la creación
de grafeno de alta calidad

puede mejorar entre 10 a 20 veces,

y el consumo de energía
será mucho más bajo.

Si construimos cientos
de hornos más grandes,

la producción masiva de grafeno
pronto será posible.

Acá hay una capa de grafeno
en un sustrato transparente.

Puedo verlos a través de esta.

Pero tiene algo especial.

Es conductora

y flexible.

(Aplausos)

Imaginen todos los tipos de
aplicaciones futuras con este grafeno.

Actualmente, el costo de este
pequeño pedazo de grafeno

es de 1000 EUR.

Creo que el costo de este grafeno
se reducirá a menos de 1 EUR

en unos años,

porque el material que usamos
para producir grafeno,

como

el gas natural y la lámina de cobre,

son muy accesibles.

Todos tendremos acceso
al grafeno en un futuro cercano,

y cumpliremos este sueño.

Recuerden que les dije que
vamos a tener un mundo mejor.

Ahora, no puedo mostrarles las
ventanas de vidrio transparente

que podrían generar electricidad,

y no puedo mostrarles
la electrónica en mi ropa.

Pero puedo mostrarles algo
que nunca han visto.

Acá hay un grafeno transparente
con estructura de cables

sobre esta ala de polímero transparente.

El grafeno es tan especial

que cuando le aplicamos un pequeña
cantidad de energía, se contrae.

Y el grafeno es tan fuerte
que puede levantar

esta ala de polímero,
que es mil veces más pesada,

e imitar el aleteo de un biorobot.

Miren lo que he hecho y
logrado en estos pocos años.

Con ustedes involucrados con mi esfuerzo

de producir de forma masiva grafeno
de alta calidad y en gran escala,

creo que juntos podemos
hacer este sueño realidad.

Gracias.

(Aplausos)