El grafeno: ¿Aquí para quedarse?

Desarrollado por los doctores Konstantin Novoselov y Andre Geim en el año 2004, el grafeno ha sido numerosamente proclamado como el Santo Grial de la tecnología, considerándolo el sustituto de materiales tan importantes como el silicio.

​A pesar de que este nuevo material haya suscitado gran interés tanto en el sector económico como en el científico, a día de hoy todavía no se ha integrado en nuestras vidas.

Konstantin Novoselov(derecha) y Andre Geim (izquierda)

Historia

A pesar de que el interés científico en este material se relativamente reciente, su existencia se conoce desde hace más de medio siglo. En la época (conocido como “monocapa de grafito") se le prestó poca atención porque se pensaba que era un material termodinámicamente inestable. Es por ello por lo que el gran avance estuvo en manos de los doctores Novoselov y Geim en el año 2004, que consiguieron aislarlo a temperatura ambiente. Hoy en día, muchas nanoestructuras recientemente descubiertas están relacionadas con este material.

Nanoestructura del grafeno

¿Qué es?

​La característica más destacable del grafeno sea quizás que está compuesto por una sola capa de átomos de carbono, agrupados en celdas hexagonales. Es decir, es prácticamente un material bidimensional. Esto lo convierte en el material más resistente hasta ahora descubierto.

​El grafeno se obtiene a partir del grafito, que a su vez deriva del Carbono (uno de los elementos más importantes y abundantes en la naturaleza).

¿Cuáles son sus propiedades?​

​El grafeno aglomera gran cantidad de propiedades que no dan juntas en otros compuestos. A continuación se enumeran algunas de ellas:

  • FLEXIBILIDAD: puede flexionarse hasta un 20% sin dañarse y además es muy elástico
  • DUREZA: es 100 veces más fuerte una lámina de acero del mismo espesor
  • ALTA CONDUCTIVIDAD: conduce hasta 100 veces mejor que el cobre
  • CONSUMO: consume menos electricidad que el silicio, para la misma tarea
  • RESISTENCIA: es el material más resistente del mundo
  • AUTORREPARACIÓN: cuando se quiebra la estructura de la lámina, se genera un “hueco” que atrae átomos vecinos para taparlo
  • LIGEREZA: es tan ligero como la fibra de carbono, pero más flexible
  • ROBUSTEZ: Soporta radiación ionizante
  • RESISTIVIDAD: se calienta menos al conducir electricidad por efecto Joule
  • VERSATILIDAD: se puede dopar y hacer reaccionar químicamente con otros elementos.

Especificaciones técnicas

​El grafeno es un alótropo del carbono, con átomos dispuestos en un patrón regular hexagonal, enlazados de forma covalente. El enlace se genera a partir de la superposición de orbitales híbridos sp2.

La denominación “grafeno” proviene del cambio “ito”-“eno” de la palabra “grafito”. El sufijo “-eno” es propio de los carbonos con enlace doble. Esta similitud es debida a que el grafito se puede considerar como un apilamiento de láminas de grafeno superpuestas, enlazadas mediante fuerzas de Van der Waals.​

El grafeno es un material muy ligero

¿Para qué se podrá utilizar?

Por sus propiedades, el grafeno puede ser aplicado a campos muy dispares, desde la construcción de edificios a la de nanodispositivos. Sin embargo, es en este último, el campo de la electrónica, donde tendrá mayor repercusión: las propiedades del grafeno lo hacen ideal para ser utilizado como componentes de circuitos integrados.​

Sin embargo, son numerosísimos los distintos usos que, en el ámbito de la electrónica, pueden darse a este compuesto.

Cables de alta velocidad​

El grafeno es capaz de captar una gran cantidad de luz y por ello se puede utilizar en la creación de cables de fibra óptica cientos de veces más veloces que los actuales. Evidentemente esto supondría un gran avance en el ámbito de las telecomunicaciones (redes más veloces, con mayor capacidad).

Superbaterías eléctricas​

Uno de los descubrimientos más innovadores es el relacionado al campo de las baterías. Este sea quizás el ámbito que menos desarrollo ha sufrido en las últimas décadas, en el campo electrónico. Tenemos baterías que duran poco y tardan mucho en cargar. Pues bien, el grafeno, que es capaz de acumular grandes cantidades de energía, sería la solución.

​Pantallas táctiles flexibles

Investigadores de la Universidad de Tejas y la Universidad de Corea del Sur descubrieron que una lámina de grafeno puede emplearse en el desarrollo de pantallas táctiles. Una lámina, sensible a la conducción eléctrica, podría ser el soporte de un panel de píxeles gracias a su capacidad conductora y reducido efecto Joule.​

Equipos de sonido profesionales

Qin Zhou y Alex Zettl (investigadores de la Universidad de California) son dos nombres que comenzaremos a escuchar más a menudo. Su propósito es revolucionar el mercado del sonido creando auriculares y altavoces de grafeno. El trabajo consistiría en crear un diafragma de este material y colocarlo en medio de dos electrodos para crear un campo magnético. El grafeno, expuesto a dicho campo, comenzaría a vibrar y producir sonido. Una vez conseguido esto, tras un afinado y tratamiento correcto y sencillo, se conseguiría un producto que competiría con los productos actuales de alta gama.

Cámaras fotográficas

Las cámaras de fotos están compuestas por una lente que deja pasar la luz hasta un sensor, que la capta y la transforma en información digital. Investigadores de la Nanyang Technological University (Singapur) descubrieron que si el sensor estuviera compuesto de grafeno, la mejora sería terriblemente alta. La sensibilidad del dispositivo aumentaría mil veces con respecto a las tecnologías actuales CMOS o CCD, mejorando las capturas en cualquier condición. Por si no fuera poco, estos sensores consumirían diez veces menos energía y serían hasta cinco veces más económicos de producir.

Aplicación en medicina

En el campo de la medicina, su uso es también muy prometedor. Además de servir como sustitutivo del material protésico actual, podría, por ejemplo, sustituir el material de las máquinas utilizadas para las radiografías. Estas máquinas funcionan mediante radiaciones ionizantes, que hacen que los materiales se desgasten muy pronto. Sin embargo, el grafeno, resistente a esta radiación, ofrecería una duración casi infinita.

Por otro lado, científicos de la Universidad de Manchester han conseguido demostrar que el óxido de grafeno puede actuar como anticancerígeno. En los tratamientos actuales, se eliminan tanto las células buenas como las malas. El grafeno podría actuar exclusivamente sobra las células malignas, reduciendo los efectos secundarios que sufre el paciente. Aunque este es un campo que aún requiere numerosas investigaciones y estudios, supondría un avance vertiginoso para la medicina occidental.

Aplicación en el Medio ambiente

Además, el grafeno tiene la capacidad de generar electricidad a través de energía solar. Si se construyeran placas solares con este material, podrían generar varias veces más energía por unidad de tiempo que el material actual.

Este sería un gran avance en el mundo de las energías renovables y una posible solución a la crisis energética prevista cuando se agoten las reservas de petróleo.

Además, y aunque aún se encuentre en fase de investigación, láminas de grafeno podrían utilizarse como sustitutas de las membranas en el proceso de ósmosis inversa para la desalinización del agua. Se aumentaría la eficiencia y se requerirían menores cantidades de energía.

¿Cómo se obtiene?

Viendo las grandes aplicaciones que podría tener este material en nuestras vidas, quizás te estés preguntando: ¿por qué no se emplea aún?

El problema principal que impide la explotación del grafeno es que la producción de grandes muestras es limitada. Para que el grafeno conserve todas las propiedades mencionadas, el mineral tiene que ser de la mejor calidad posible. Hoy en día, con los métodos tradicionales de obtención del grafito la calidad es óptima, pero la cantidad es mínima e insuficiente para un uso industrial.

Por otro lado, empleando métodos que optimicen la cantidad de grafeno sustraída, resultan en un empeoramiento de su calidad.

Actualmente existen dos formas comerciales en las que podemos ver el grafeno:

  • Grafeno en lámina: empleado en campos electrónicos o informáticos. Su producción es muy costosa.
  • Grafeno en polvo: empleado en ámbitos que no requieren que el material sea de alta calidad. Por supuesto, renuncia a parte de sus propiedades en virtud de que su obtención sea más barata y su producción mayor.

Una vez descubiertas las propiedades y los beneficios que el grafeno puede implementar, nuestro gran reto reside en encontrar un método para fabricarlo de manera masiva y a un precio razonable.

España, pionera en el control del grafeno

A pesar de nuestra habitual posición en los vagones de cola de la innovación, España se sitúa a la cabeza del mercado europeo de producción del grafeno.

La fiebre del grafeno está presente en nuestro país, y las empresas buscan la forma de ser cada vez más competitivas.

En particular, la ‘startup’ guipuzcoana Grahpenea Nanomaterials lidera la producción de grafeno en lámina, compitiendo con empresas coreanas y norteamericanas. Su CEO, Jesús de la Fuente, afirma que a pesar de que de momento la demanda sea a nivel experimental, espera que a partir de este año se vaya trasladando al nivel comercial. De momento, están vendiendo a multinacionales como Nokia, Phillips, Nissan y Canon, entre otras. Actualmente los precios son elevados (10-50€ el centímetro cuadrado) debido al pequeño volumen de venta. Sin embargo, a medida que la demanda crezca se espera que el precio se reduzca hasta los 50 céntimos e incluso a los 3 céntimos a largo plazo.

En competición directa se encuentra la empresa levantina Graphenano, que ha desarrollado un método de producción en masa más efectivo que los conocidos hasta ahora. El vicepresidente José Antonio Martínez aclama que sus sistemas de producción permiten fabricar cantidades industriales en láminas, cables, polvo y piezas tridimensionales. Además, afirma estar cerrando acuerdos con un gran empresa de automoción alemana.

About the Author Julia Olano

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