Imaginemos una superficie muy plana, mucho mucho más que un folio; de solo un átomo de altura. Todo el mundo tiene en su mente lo que es un milímetro; pues, si lo dividimos en diez partes, ese sería el tamaño de un cabello; y un cabello es, aproximadamente, 80.000 veces más grande que un átomo, es decir, mide más o menos un nanómetro. Parece imposible que una superficie de tan solo un átomo de grosor pueda verse, pero el grafeno, capa monoatómica de carbono, se ve. No como algo evidente, sino como una pequeña marca, una mancha, sobre otra superficie que nos dice que «ahí hay algo».

Un descubrimiento sobre la luz y el grafeno es el que le ha valido un premio a Pablo Alonso, investigador del grupo de nanoóptica de CIC Nanogune. Este asturiano ha recibido el reconocimiento del mejor investigador novel en física experimental de la fundación BBVA. «Novel significa menor de 35 años», precisa. Hay que tener en cuenta que no es fácil llegar a destacar en este campo siendo tan joven. La investigación la ha llevado a cabo un equipo liderado por el profesor de IkerBasque Rainer Hillenbrand, por lo que Alonso considera que el premio es para todos, aunque esté a su nombre, porque se trata de un reconocimiento a su carrera y, en especial, al trabajo que ha realizado estos últimos años.

A finales de 2011 CIC Nanogune empezó a investigar sobre la teoría de Andre Geim y Konstantin Novoselov, premios Nobel de Física por haber descubierto el grafeno, que decía que este material sería capaz de absorber la luz. Sin embargo, nadie había podido probar esta afirmación. «Se predecía que el problema era conseguir una lámina pura de grafeno pero fueron decapando el grafito con celo hasta que les quedó una sola capa de carbono. Es lo mismo que el grafito pero con una estructura diferente. Dijeron que el grafeno tiene unas propiedades muy importantes porque los electrones viajan superrápido en esa capa sin chocar entre ellos y, por lo tanto, es un boom para aplicaciones de electrónica», comenta Alonso. «Si tienes un dispositivo donde pones los electrones y otro en el que los recibes para tener una señal, en dispositivos normales los electrones viajan muy rápido entre ellos, pero los átomos chocan entre sí y por eso se calientan los aparatos. En el caso del grafeno, se supone que pueden viajar más rápido». El equipo de CIC Nanogune comenzó a investigar cómo respondía el material y se dieron cuenta de que los electrones que hay en esa capa de grafeno atrapan los fotones y concentran la luz.

«Los transistores de un ordenador trabajan con ceros y unos, abren y cierran una puerta para dejarles pasar o no. Así se consigue resolver problemas. Esto mismo se podría hacer con luz. Y es más rápido, pero el inconveniente es que los fotones son más grandes; la luz es una onda y entre cresta y cresta mide entre 400 y 700 nanómetros. Sin embargo, en los transistores de hoy en día, la puerta que deja pasar los electrones mide 20 nanómetros. Por eso, si queremos hacer un dispositivo que trabaje con luz hay que concentrarla y el grafeno lo permite. Los electrones atrapan la luz y la confinan en un espacio 100 veces más pequeño que la longitud de onda, como si fuera un embudo. Así, tenemos las propiedades de la luz, que va más rápido, pero en un tamaño mucho menor. Podremos hacer dispositivos ópticos, como los ordenadores de hoy en día, pero con fotones en lugar de electrones. Esa es la idea para el futuro», explica el experto de la manera más sencilla que le es posible.

Por lo tanto, el reto que se les presentaba era comprobar que los electrones del grafeno atrapan la luz, cosa que ningún otro científico había conseguido antes. «Rainer Hillenbrand había pasado diez años diseñando un microscopio de campo cercano para otro tipo de aplicaciones. Cuando nos enteramos que había teorías sobre esto, se nos ocurrió que el microscopio podía ser útil».

Redirigir la luz

Este microscopio especial tiene una punta de oro que es como si fuera el bastón de una persona invidente. Lo acercan tanto a la superficie que rozan la onda que viaja en el grafeno y así se refleja un poco de luz. Esta punta actúa a modo de receptor pero también de emisor, puesto que a través de ella lanzan el láser hacia el grafeno. «Si iluminas el grafeno con luz directamente no la atrapa. Necesitas un embudo para que se meta en los electrones. La punta del microscopio permite que salgan las olas de luz. Fuimos los primeros en hacer eso porque iluminando no se veía nada, necesitábamos la punta».

Una vez han visto que, en efecto, los electrones del grafeno atrapan y comprimen la luz, actualmente trabajan intentando dirigir esa luz para llevarla a donde quieran; algo así como en los experimentos que se hacen en primaria sobre la luz pero a nanoescala. «Pusimos una capa de grafeno con forma de prisma sobre la capa inicial y vimos que la luz se curvaba. La antena de oro también la curvamos, haciendo una parábola, y vimos cómo se concentraba. Intentamos entender las herramientas adecuadas para poder guiar la luz».

En el laboratorio cuentan con un sistema de espejos que deben utilizar para dirigir el láser hasta la punta de oro del microscopio. Si no están todos correctamente alineados no se consigue el efecto. Este es uno de los puntos más delicados. De esta manera consiguen focalizar la luz en esa punta y pueden continuar con los experimentos.

«El prisma utilizado es el más pequeño que se ha hecho nunca porque solo mide un átomo de espesor», comenta siendo consciente de que no es nada fácil imaginarse algo de un tamaño tan pequeño. «A mi también me costaba al principio. Hace diez años, cuando empecé la tesis, todo el mundo me hablaba de nanómetros, micras y tal, y se me olvidaba en seguida porque no tenía la noción. Pero luego entra dentro de la jerga habitual del día a día y me hice una idea del tamaño. Puedes empezar con el tamaño de un amstrong, que es el más pequeño que existe en la naturaleza. Un glóbulo rojo mide 10 micras, es decir 10.000 veces un nanómetro».

Posibles aplicaciones

El grafeno es el material más duro que existe, explica el científico, pero hay que tener en cuenta su tamaño, puesto que «no se puede tener una pieza grande solo de grafeno, no puede ser gordo porque dejaría de ser grafeno». Por eso, la capa monoatómica es frágil y no se puede manipular con las manos. «Ponen la lámina de grafeno sobre cobre; después hacen un ataque químico y le quitan el cobre en un medio líquido; el grafeno queda flotando y parece una telaraña; cogen el sustrato sobre el cual quieren posarlo y hacen una pesca; y al evaporar el agua, se queda sobre el sustrato», detalla. Así es como consiguen las piezas de material sobre las que experimentan.

Aunque todavía se trata de una tecnología de futuro, ya saben para qué podría utilizarse, además de para hacer ordenadores más rápidos y eficientes que no se calienten tanto. «Se podrían hacer sensores de luz, fotodetectores, cuya respuesta sería más rápida que los que hay ahora. Los sensores que se utilizan hoy en día en el campo del visible son de silicio, mientras que los de arseniuro de galio e indio se utilizan en el infrarrojo. El grafeno es el único que con un campo eléctrico puede absorber luz en un rango muy grande, que es lo que llaman broadband. Por ejemplo, las cámaras de fotos tienen un sensor CCD, pero cuando no hay luz, a no ser que sea de infrarrojos, no se ve nada. El grafeno es capaz de medir bien en todos los rangos. Se conseguiría una cámara finita en la que se podría ver bien tanto de día como de noche. Para eso queda mucho, aunque hay gente que está haciendo prototipos de detectores», afirma.

Estas son posible aplicaciones en el campo de la luz, pero tiene más posibilidades: «como es un material muy resistente, se utiliza en forma de composites mezclado con otros materiales para aumentar la robustez, también para detectores de explosivos e, incluso, hay empresas que hacen raquetas de tenis con un poco de grafeno porque dicen que son más rígidas -los populares tenistas María Sharapova y Novak Djokovic las utilizan-. Pero yo creo que eso es todo un poco vender la moto...», comenta.

Inversión de la Unión Europea

El premio concedido al novel investigador servirá para que continúe trabajando: «Me hace mucha ilusión porque es difícil en esta época con la poca subvención que tenemos en el Estado conseguir contratos de larga duración. Eso te frustra bastante y estas cosas ayudan a sentirse bien en la ciencia y seguir adelante». De hecho, si han podido investigar en este campo es, en gran medida, gracias al programa Graphene Flagship impulsado por la Unión Europea. «Han invertido mucho dinero y en total quieren invertir algo así como mil millones de euros en investigar el grafeno hasta 2020. Quieren que se desarrolle una nueva tecnología que intente competir con la del silicio. Si queremos hacer las cosas más pequeñas, más rápidas y con mejor respuesta tenemos que utilizar un material mejor que el silicio».

Alonso es consciente de que existen muchos intereses comerciales para que el silicio continúe ejerciendo su liderazgo. «Imagina todo el dinero que han invertido algunas empresas en máquinas para hacer silicio, ¿cómo van a cambiar ahora de tecnología? Se puede demostrar que la tecnología basada en el grafeno es mejor pero para poder llevarlo a la aplicación hay que luchar contra otros intereses. La Unión Europea quiere competir con la tecnología del silicio porque toda la fabricación de informática se hace en Estados Unidos, Japón y Corea. Si quieren competir con ellos, hay que invertir dinero. Esto es lo que en el Estado español no se entiende pero en Europa sí», subraya el científico premiado.