Quan vaig veure que el grafè era superconductor, gairebé tinc un infart”, recorda Pablo Jarillo-Herrero, físic espanyol de l’ Institut de Tecnologia de Massachusetts (MIT). “La teoria deia que, si posem dues capes de grafè l’una sobre l’altra, i les rotem amb l’angle adequat, la velocitat dels electrons ha d’anar a zero”, cosa que feia pensar que el grafè havia de ser aïllant. “Però vam descobrir una cosa que ningú no havia pensat que pogués passar. Segons com afegíem els electrons, podia ser aïllant o superconductor”, que és just el contrari.
Material pioner
Va ser el primer d’una família de materials bidimensionals que tenen propietats extraordinàries”
Per aquella investigació que va demostrar l’existència de l’anomenat angle màgic del grafè, publicada el 2018, Jarillo-Herrero va rebre el premi Wolf de Física, considerat l’avantsala del Nobel perquè al voltant del 40% dels guanyadors reben després el premi de l’ Acadèmia Sueca. Jarillo-Herrero conversa amb La Vanguardia durant una recent visita a l’ Institut de Ciències Fotòniques ( ICFO), institució amb la qual col·labora en investigacions sobre grafè i on té una posició de professor distingit visitant.
Expectatives irreals
“Al principi les expectatives sobre el grafè es van inflar desmesuradament; és molt difícil treballar-lo”
Quan es va descobrir el grafè, fa vint anys, es va presentar com un material meravellós que s’incorporaria a tota mena de productes. Per què no s’han complert les expectatives?
Crec que hi ha dues raons. Una és que al principi les expectatives es van inflar desmesuradament. El grafè és un material extraordinari que ha canviat la física, això ningú no ho discuteix. Però és tan diferent de tots els anteriors que és molt difícil treballar-lo i trobar-li aplicacions.
L’altra raó?
Avui dia som una mica impacients. Des que es va fabricar el primer transistor als anys quaranta fins que va ser habitual tenir ordinadors a casa van passar 40 anys. Vint anys per al grafè tampoc no és tant, tenint en compte que mai abans no hi havia hagut un material d’un sol àtom de gruix. És molt diferent de qualsevol altre material amb què els enginyers treballen.
Des de quan es dedica al grafè?
Quan vaig acabar la meva tesi el 2005, vaig anar a Manchester a visitar Andre Geim i Konstantin Novoselov, que havien aïllat el grafè l’any anterior, per aprendre com obtenir-lo. Després vaig anar a Nova York a investigar en grafè com a postdoc al grup de Philip Kim. I després vaig crear el meu propi grup d’investigació al MIT.
En aquell moment ja li semblava que les expectatives no eren realistes?
Molta gent exagerava. Per exemple, quan es deia que el grafè substituiria el silici en l’electrònica. Els físics i els enginyers sabíem que hi ha una diferència fonamental, i és que el silici és semiconductor i el grafè d’entrada no ho és. Però si crees una startup i busques finançament, ¿pots proposar que el grafè es podrà manipular per fer-lo semiconductor i substituir el silici? Esclar que ho pots proposar, perquè no viola les lleis de la física. Pots garantir que ho faràs en poc temps? Això ja no. Però normalment les startups es concentren en el que és possible, no en els obstacles.
El grafè ha estat més important com a avenç científic que tecnològic?
Abans del grafè, hi havia un teorema matemàtic que deia que els materials bidimensionals no podien existir. Geim i Novoselov van desafiar el que estava acceptat i van demostrar que sí que poden existir. El grafè va ser el primer d’una àmplia família de materials bidimensionals que tenen propietats extraordinàries i diferents de les dels materials tridimensionals convencionals. Per això van rebre el Nobel, perquè van inaugurar tot un nou camp de la física de la matèria condensada i l’enginyeria de materials. Avui dia hi ha una immensa comunitat científica de químics, físics i enginyers que investiguen aquests materials.
En quins productes hi ha grafè actualment?
En un estadi de prototip, hi ha molts productes en què es comença a posar grafè. Per exemple, en bateries, posar-hi grafè en lloc de grafit pot reduir el temps de càrrega. El problema és com aconseguir una quantitat suficient de grafè amb un cost assequible. Per això encara es comercialitzen molt pocs productes amb grafè.
En raquetes de tennis com les de Djokovic?
Diuen que juga amb raquetes amb grafè, però no sé si és gaire determinant. Segurament guanya més perquè és Djokovic que no pas perquè té grafè a la raqueta.
Llavors, les raquetes de grafè són un engany?
El grafè és molt fort, molt flexible i molt lleuger, així que en teoria pot ser útil per a productes com raquetes, bats de beisbol o bicicletes. La qüestió és quant grafè s’hi pot posar, quant millora les prestacions i quant augmenta el preu.
Per què costa tant d’aconseguir grafè en prou quantitat?
Perquè, com que té un sol àtom de gruix, no és fàcil transferir-lo des del substrat en què creix fins al producte en què es vol posar. Imagini que ha de portar un paper film de plàstic d’una superfície a una altra sense que hi aparegui ni una sola arruga. Doncs el grafè és un milió de vegades més fi i, si hi apareixen defectes, les seves propietats es deterioren.
Si els primers vint anys del grafè han estat els de l’enlairament científic, com veu els pròxims vint?
Ens hem adonat d’una cosa extraordinària i és que, si posem unes capes de grafè sobre les altres, les propietats canvien, de vegades de manera dramàtica. Les propietats canvien segons el nombre de capes, que han d’estar rotades en un angle precís. Estem creant estructures helicoidals i investigant-ne les possibilitats. És un nou camp de recerca que anomenem twistrònica [de l’anglès twist , que vol dir girar].
Quines propietats apareixen?
Veiem que totes les propietats que busquem es poden obtenir només amb grafè. Conductivitat, aïllament, magnetisme, ferroelectricitat... Les podem aconseguir totes jugant només amb el nombre de capes, l’angle entre si, la densitat d’electrons i el substrat sobre el qual les posem. Potencialment no necessitaríem cap altre material. Ja no necessitaríem metalls rars. Tot ho podríem fer amb carboni [l’element del qual està fet el grafè], que, si fes falta, podríem extreure de l’atmosfera.
Tem que les expectatives es tornin a inflar en excés?
Les aplicacions de la twistrònica trigaran un temps a arribar. Si és difícil transportar una sola capa de paper film sense arrugues, imagini haver de transportar diverses capes les unes sobre les altres. Estem començant i aprenent sobre la marxa. Els pròxims anys estarem més a prop de veure aplicacions del grafè en monocapa.
Quines espera veure?
Una aplicació prometedora són càmeres de detecció d’infrarojos, per a les quals el grafè pot ser més adequat que el silici. També és concebible que, en els pròxims deu o vint anys, se substitueixin les connexions de coure per grafè en dispositius de nanoelectrònica, perquè el grafè és millor conductor quan es redueixen molt les dimensions. I com que és un material amb propietats noves, és esperable que es desenvolupin aplicacions completament noves en les quals encara no ha pensat ningú. Requerirà molt esforç i molta creativitat.
