Pulickel Ajayan, el inventor de la batería de papel que quiere manipular los átomos de los materiales cuánticos

Pulickel Ajayan, nacido en Kodungallur (India), cumplirá 60 años el mes próximo. Tuvo un largo recorrido como estudiante y postgraduado, desde su país natal hasta Estados Unidos, Japón, Francia y Alemania.

Como docente e investigador, sigue la misma pauta. Monta su campamento base en la Universidad de Rice, en Houston (EE.UU.), donde tiene un equipo “de unas 30 o 40 personas”, y luego reparte el año, como profesor visitante, por los países en los que estudió, además de China.

Ajayan se doctoró como ingeniero metalúrgico, pero el nombre de su titulación es anecdótico. Es una eminencia mundial en el campo de los nuevos materiales, en el que lleva 25 años. Especialmente, nanotubos (estuvo en el equipo que los descubrió en NEC, en los años 90), grafeno y otros nanomateriales.

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Uno de sus más sorprendentes hallazgos es la batería de papel. Una batería plenamente funcional, con sus electrolitos, separadores, su ánodo y su cátodo, construida con papel. Fue a partir de una propuesta de hace 15 años.

“Tienes todos estos nanomateriales y puedes pensar en hacer estructuras que sean completamente flexibles, plegables. La batería normal es una pieza de estructura sólida, tiene electrodos y electrolitos empaquetados en un bloque. Nos planteamos que si se podían hacer las partes lo suficientemente delgadas, con estructura multicapa, podríamos hacerla completamente flexible. Y usamos papel como plataforma.  Esencialmente, se utiliza celulosa infiltrada en nanotubos de carbono. Toda la estructura que hicimos fue muy flexible”, detalla Ajayan con naturalidad, como si fuera una sencilla receta de cocina.

Treinta patentes

De ese trabajo surgió una empresa para comercializar la idea, pero Ajayan, que tiene 30 patentes en explotación, pero claramente se inclina por la investigación, no le da mayor importancia: “Muchos profesores en Estados Unidos se involucran en nuevas compañías. Otros salieron de mi laboratorio buscando traducir ideas en empresas. Algunas tienen éxito y otras no. Es parte de la vida”.

Ajayan, accesible y con sentido del humor, se ríe cuando le explicamos el retruécano en español de preguntar por “el papel de la batería de papel en el futuro”.

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“Flexibilidad”, es el resumen de su respuesta. “Piense en una nueva generación de teléfonos móviles, con estructuras totalmente plegables. Una electrónica flexible, e imprimible”, sugiere, incluyendo ideas como la impresión 3D usando múltiples capas de nanotubos.

D+I tuvo ocasión de conversar con ‘el sabio de los nuevos materiales’, aprovechando su presencia en Madrid para dar una conferencia en la Fundación Ramón Areces. Pero hay personajes con los que al periodista apenas le toca sugerir un tema y escuchar, porque cada cinco minutos de explicación resultan una lección magistral. Así, por ejemplo, la primera cuestión es concretar diferencias entre nanotubos y grafeno. Permitan que se lo explique Ajayan.

Pulickel Ajayan junto a Julio Miravalls, periodista de D+I.

Fullerenos y nanotubos

“Nano es, básicamente, una dimensión de longitud muy, muy, muy pequeña. Unos pocos átomos juntos. Ha habido mucho interés e inversión para conseguir estructuras a nanoescala. Si nos fijamos en los dispositivos y semiconductores, su tamaño está disminuyendo y queremos hacer que algo más pequeño funcione con la mayor eficiencia y el mejor rendimiento”.

“En los años 80 hubo un descubrimiento significativo en la Universidad de Rice, por unas personas que recibieron el Premio Nobel de Química [Robert Curl, Harold Walter Kroto, Richard Smalley y su equipo]. Estaba relacionado con una molécula particular de carbono llamada fulllereno, o carbono 60, buckyball, soccer ball... Fue el comienzo de la nanotecnología basada en el carbono”.

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“Sabíamos del carbono como grafito o diamante. Aquellos científicos se dieron cuenta de que a muy pequeña escala puedes crear moléculas hermosas con ciertas simetrías, muy únicas”, explica Ajayan.

“A partir del descubrimiento de los fullerenos, con estructura de pelota, la gente ha estado fascinada por el carbono de ingeniería, carbono puro, a nanoescala”.

“A principios de los 90 se descubrió el nanotubo, en la corporación NEC en Japón.  Yo estuve en ese laboratorio con Sumio Iijima, el descubridor de los nanotubos de carbono. Encontró con el microscopio electrónico que, entre muchos de los materiales de carbono que estaba tratando de preparar, había unas agujas muy pequeñas, a nanoescala altamente cristalinas, muy perfectas”.

“Al mirar más detenidamente se dio cuenta de que se trataba de cilindros huecos de carbono, con una gama de tamaños desde un nanómetro hasta 10 o 20 nanómetros.  Podrían ser monocilíndricos, o cilindros coaxiales. Se forman a temperatura muy alta y, por supuesto, nadie los había visto antes”.

Del panal hexagonal al ascensor espacial

Los estudios de Iijima mostraron que estos cilindros están hechos de carbono grafítico. El enlace que aplica el carbono en el caso del grafito tiene capas planas de panal hexagonal. En el diamante es un enlace isotrópico tridimensional de carbono, aclara Ajayan. “En esos nanotubos las capas se apilan y cada una forma parte de una red perfecta de panal hexagonal.  Si coges una de esas capas y la doblas para hacer un cierto cilindro perfecto, ese es el nanotubo”.

“Se vio que se pueden formar tubos a nanoescala perfectos, muy largos, los nanotubos de carbono. Y que, en la red, eran diferentes de dos en dos. Si trato de doblar en forma cilíndrica una celosía hexagonal de panal, dependiendo de cómo se doble, se pueden seguir los hexágonos en la celosía como una estructura quiral [propiedad geométrica de un objeto con dos partes simétricas respecto al eje, pero desiguales entre sí] en el cilindro que se forma”.

Pulickel Ajayan.

“La orientación de la celosía, con respecto al eje del tubo cambia de unos a otros. Y, dependiendo de esta quiralidad, la estructura electrónica de este material también cambia. Algunos son metálicos, otros semiconductores… con el mismo carbono, al hacer esta estructura como un tubo a nanoescala, con un pequeño giro las propiedades electrónicas cambiarán”.

“Ese fue el comienzo de toda esta idea de ingeniería a nanoescala. El carbono, que era solo un grafito ordinario que la gente usaba para calentarse, se podía ver como un material electrónico. Tal vez podría para reemplazar algún día las tecnologías basadas en silicio. Además, eran estructuras con muy pocos defectos, por lo que uno podría pensar en ellas como la fibra más fuerte. Había mucha imaginación y se pensaba en hacer ascensores espaciales…”.

En busca del grafeno

Y así llegamos al grafeno: “Para formar un nanotubo se tomaría una capa de grafito y se dobla en cilindro. Pero si puedo aislar esta capa y explorar sus propiedades, da lugar a una física fascinante y ahí llega el descubrimiento del grafeno, el material más delgado, con sólo un átomo de espesor”.

Es otro hallazgo que valió un Premio Nobel. En este caso, el de Física de 2010, para Andréy Gueim y Konstantín Novosiólov.

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A Ayajan le hace gracia subrayar que “el descubrimiento de estas moléculas, fullerenos, nanotubos y grafeno, en realidad ocurrió de manera inversa, porque los fullerenos son probablemente los más complicados de imaginar, y el grafeno es el más simple”.

“El descubrimiento de los nanotubos fue fortuito. Pero el grafeno fue un descubrimiento intencional, al tomar el grafito y ‘pelarlo’ capa por capa para ver cómo se comportan esas capas”.

“Con el grafeno se pudieron verificar por primera vez muchas de las predicciones en física sobre estos materiales bidimensionales. Antes nadie era capaz de hacer material 2D de un solo átomo de espesor. La movilidad de los electrones en estas estructuras es muy hermosa”. 

“Este campo se expande para considerar muchos compuestos, no solo carbono, y crear materiales de capa atómica. Estamos empujando los límites de lo que podemos hacer en la ciencia de materiales. Cómo hacer materiales a esa escala y manipular sus propiedades mediante modificación estructural, modificación química, patrones… hay mucho procesamiento posible para crear propiedades de valor añadido a estos elementos básicos”.

Demasiadas promesas e impaciencia

Y entonces, pregunta el periodista, cuando ya todo el mundo ha oído hablar del grafeno desde hace años, ¿para qué sirve realmente? ¿Qué se está haciendo con el grafeno?

“Es una pregunta interesante también respecto a los nanotubos. La comunidad académica hace descubrimientos que traen una nueva comprensión de lo conocido. Estos materiales nos dan una comprensión de cómo se pueden diseñar estructuras a esa escala. Pero muchas de estas cosas son a largo plazo. Siempre se pueden encontrar algunas aplicaciones rápidas y fáciles: crear resinas, tal vez baterías -creo que el grafeno se está usando en algunas baterías-, recubrimientos para ciertas aplicaciones…  pero las tecnologías revolucionarias que imaginamos aún no han llegado”.

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Ajayan asume que tal vez hay demasiada impaciencia, “en parte debido a las promesas que se hacen cuando aparece un nuevo material. Pero hay que ser realista: muchos de estos materiales están compitiendo contra tecnologías muy sofisticadas que funcionan correctamente". 

"Si tuviera que imaginar cambiar con grafeno el paradigma de los dispositivos electrónicos, no gastaría mucho tiempo en ello, porque gran parte de la inversión se ha destinado a las plataformas actuales que construyen este tipo de tecnologías”.

“Por supuesto, hay algunos desafíos intrínsecos con estos materiales.  Estamos tratando de entender cómo hacerlos escalables y de buena calidad...  todas estas cosas toman tiempo. La tecnología de silicio tardó mucho en llegar al punto en el que estamos hoy”.

Confiesa que el propio científico no es inmune a dejar volar la imaginación: “Cuando estábamos en los primeros días de los nanotubos, pensábamos en aplicaciones como las pantallas de TV. Creo que no hubo éxito por problemas de ingeniería y otros materiales competidores que tomaron el lugar muy rápidamente”.

Fabricación átomo a átomo

Aun así, Ajayan sigue creyendo que “muchos de estos nanomateriales podrían ser muy útiles para sensores, que van a ser ubicuos en el mundo. Y como son tan pequeños y sensibles, ese tipo de aplicaciones podrían ser mucho más fáciles en comparación con la plataforma electrónica tradicional”.

Pero, prosigue, cree su deber “decir honestamente que hay una división entre la academia y la industria en muchas de estas cosas. Muchos descubrimientos en la academia observan algunas propiedades físicas fascinantes y, a veces, haces ciertas promesas que realmente no se conectan con los requisitos reales de la industria. Es una especie de carrera alrededor de un círculo, cuando propones algo y luego te das cuenta de que es un objetivo difícil de perseguir y descubres que se puede hacer de otra manera [más sencilla]”.

“Hay factores intrínsecos y extrínsecos.  Los intrínsecos son cosas como la consistencia en los defectos de escalabilidad. Los extrínsecos son el coste y aspectos de integración e ingeniería, que también son importantes. Con lo que hemos aprendido de los nanomateriales, estos nos llevarán a las próximas tecnologías que se verán en el futuro. Pero no puedo decir cuántos años habrá que esperar”.

Un futuro, para el que no desea presumir de profeta cuando sugiere que se habla de “materiales cuánticos, más allá de la escala nano. Pensar en cómo puedo manipular átomos individuales de un solo espín, con la máxima flexibilidad. Un objetivo a largo plazo de la nanotecnología debería ser la fabricación con átomos, el control completo de cada átomo presente en el material, por lo que los efectos cuánticos se vuelven prominentes a esa escala. Los materiales quantum se convierten en algo importante, con impacto en casi todos los campos de las tecnologías, desde sensores de dispositivos electrónicos hasta cosas como filtros de purificación de agua”.