El grafeno, el supermaterial del futuro

El grafeno, el supermaterial del futuro

Pronto empezaremos (todavía más) a escuchar por todos lados esta palabra: grafeno

Se trata de un nuevo súper material que desde hace algunos años está siendo desarrollado en diversos centros de investigación de alrededor del mundo y que se encuentra casi listo para utilizarse en un sinnúmero de productos como smartphones transparentes, autos autónomos, transportes, procesadores más potentes y con menor consumo de energía, por solo mencionar unos ejemplos.

Esta molécula basada en carbono tiene una serie de propiedades que han hecho que muchos investigadores y científicos la comparen con el Rey Midas que, de acuerdo a la mitología, todo lo que tocaba se convertía en oro.

Y es que, aunque se conoce de su existencia desde 1930, sus aplicaciones prácticas comenzaron a hacerse evidentes con el crecimiento de la industria de la electrónica de consumo, ya que la estructura química del grafeno lo hace un material ideal para el desarrollo de circuitos integrados, una de sus múltiples aplicaciones.

En 2010, Andre Geim, considerado el padre del grafeno, recibió el premio Nobel de Química, junto con su colega Konstantin Novósiolov, por este logro. En la entrevista que el investigador holandés radicado en Reino Unido ofreció a la Academia del Nobel describió su sentir en torno a este material:

“Al estar involucrado en la investigación del grafeno, no soy inmune a pensar también en para qué sirve este material. Tengo una lista de superlativos: el más delgado, el más fuerte, el mejor conductor eléctrico, el mejor conductor térmico, el más flexible, etcétera. Cuando piensas en estos superlativos, naturalmente piensas en lo que puedes hacer con el grafeno y en cómo puede mejorar nuestras vidas”.

Abundó: “el grafeno ha abierto una clase de materiales completamente nueva. Encontrar un nuevo material es muy bueno e importante, pero que una molécula dé paso a toda una clase de nuevos materiales, esto ocurre muy raramente en la historia de la humanidad. ¿Qué hacer con estos materiales? Todavía no lo sabemos. Mi esperanza es que este descubrimiento será tan importante para la humanidad como el descubrimiento del bronce o el hierro”, señaló en aquella ocasión el científico.

Así, el desarrollo de materiales más resistentes y livianos para la construcción y su potencial como componente para circuitos electrónicos son los que mayormente han llamado la atención de empresas y grandes corporativos. Y es que el material es tan innovador que incluso podrían crearse prendas de vestir capaces de cargar dispositivos electrónicos con su solo uso o, rascacielos que aprovechen el movimiento de personas para generar electricidad.

Difícil de obtener

A pesar de su bajo costo, uno de los principales obstáculos que habían evitado una mayor investigación en torno al grafeno era su dificultad para ser producido. Con la técnica que se estaba utilizando hasta hace algunos meses se podía producir muy poca cantidad de grafeno a partir del grafito.

Sin embargo, a principios de 2017, investigadores de la Universidad de Illinois descubrieron una nueva forma de producir grafeno relativamente sencilla y a bajo costo. Esta consiste en utilizar agua carbonatada y un electrolito para descomponer químicamente el grafito y así separar el sustrato del grafeno. Esta nueva técnica ha permitido que el material esté disponible en cantidades mucho mayores para los investigadores que trabajan con él en todo el mundo.

Destaca investigación mexicana

Otro uso que comenzó a investigarse es el de la aplicación del grafeno como componente para el combustible de los vehículos del futuro. Este descubrimiento en particular, se debe a un mexicano: Marcelo Lozada Hidalgo, un becado de posgrado del Conacyt que trabaja en el laboratorio de André Geim.

En videoconferencia con el Conacyt (Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de México), el mexicano habló de su descubrimiento: “en particular, el uso de monocapas de grafeno y nitruro de Boro hexagonal en celdas de combustible se vuelve muy atractivo debido a que los materiales son muy buenos conductores de protones y, además, como son impermeables a todos los gases, es posible incrementar considerablemente la eficiencia de la celda”, declaró el destacado investigador.

Añadió que esto ha generado mucho interés porque las celdas de combustible son consideradas como la alternativa a los motores de combustión interna pero, hasta antes de su descubrimiento, el principal problema era el tema de la eficiencia que se podía alcanzar.

“La conductividad que medimos en nuestras membranas representa un avance significativo en esta área. De hecho, nuestros resultados exceden los valores fijados por el Departamento de energía de los Estados Unidos como la meta para el 2020 en conductividad de membranas en celdas de combustible”, concluyó Lozada Hidalgo.

Otro de los talentos mexicanos que están investigando las propiedades del grafeno es el doctor Gerardo García Naumis, investigador del Instituto de Física de la UNAM. El científico explicó que el grafeno es un material con muy alta conductividad de electrones pero, hasta el momento, no se podía frenar el paso de electrones a voluntad, ya que éstos no pueden ser detenidos por la estructura de la molécula. Entonces, el investigador encontró que, aplicando ciertas ondas electromagnéticas, podía transformarse la estructura del grafeno en un transistor y poder así dejar pasar o detener los electrones a voluntad

“El grafeno es un material nuevo, por lo tanto, aún estamos investigando todas las propiedades que puede tener y las aplicaciones potenciales que se le pueden encontrar. Nosotros notamos que, por su estructura química, no podía funcionar de manera normal como un transistor, así que lo modificamos químicamente para poder lograr que el paso de electrones pudiera realizarse de manera voluntaria, es decir, que pudieran pasar o detenerse de acuerdo a las necesidades del usuario”.

“Es un material muy interesante ya que está presentando una gran cantidad de aplicaciones potenciales. Muchas de ellas todavía tienen que ser validadas y se les tiene que encontrar una aplicación real. Sin embargo, habemos muchos investigadores en el mundo entusiasmados con las potenciales utilidades que tiene esta nueva molécula que además, al estar derivada del grafito, que es el material con el que están hechos los lápices, el costo de adquirir y desarrollar el material para investigar y trabajar con él es relativamente bajo”, destacó el investigador.

Aplicaciones disponibles

Pero no todo es teoría. De hecho, el uso de grafeno ya tiene aplicaciones comerciales. Una de las más conocidas es la de Gra- phenano, una compañía española que utiliza el grafeno para crear embarcaciones sobre pedido. Un yate construido a partir de grafeno puede tener un costo de 280 mil euros. Sin embargo la compañía asegura que el material es lo suficientemente resistente a la degradación por el agua marina así como también es ligero y por lo tanto permite una mejor aprovechamiento de la energía generada por los motores para desplazarse.

De acuerdo a la consultora Marketing Research, especializada en hacer predicciones del uso que tendrán diversos materiales, el grafeno tiene un potencial de mercado muy alto. Sin embargo, este solamente detonará hasta después de 2021, una vez que sus usos potenciales hayan comenzado a aplicarse en productos como baterías, pantallas de teléfonos inteligentes, nuevos materiales para construcción, textiles e incluso componentes para la industria aeroespacial.

De acuerdo con los analistas, las principales industrias que tendrán un mayor uso del grafeno incluirán la aeroespacial, de defensa, automotriz, de electrónicos, energía y de salud. Las

Industrias aeroespacial y de defensa son consideradas como los principales usuarios del grafeno ya que se predice que tendrán alrededor del 15% del valor de mercado del material para 2024.

En tanto, en la industria automotriz, se prevé que se utilizará este nuevo material como cobertura para las carrocerías de los vehículos. Con esto se logrará hacerlas más ligeras y resistentes. Esto podría ocupar cerca del 5% de toda la producción de grafeno para el 2022.

Al respecto, el empresario y emprendedor Elon Musk, fundador de la empresa Tesla, ha señalado que se encuentra actualmente en fase de investigación para incluir el grafeno en las baterías de sus vehículos eléctricos con lo cual espera incrementar el rendimiento y la potencia de sus autos hasta en un 200%.

Pero no todos son noticias optimistas: el grafeno se encuentra aún lejos de ser un material ampliamente disponible. Entre los principales obstáculos que tanto investigadores como industria encuentran para que el uso del grafeno detone como el verdadero material del futuro se encuentra en el alto costo del equipo que es necesario para producirlo así como los procesos actuales de producción que son un tanto riesgosos para la salud y producen muy poco grafeno invirtiendo mucha energía.

Una vez resuelto el tema de la producción, el foco deberá centrarse en la calidad del material. A los investigadores les preocupa que, una vez que se haya solucionado el problema de la producción masiva de grafeno, este material comience a perder calidad o que existan defectos de fabricación.

Es por ello que los propios investigadores no ven un futuro real comercial para el grafeno sino hasta mediados de la década siguiente, una vez que la tecnología haya avanzado lo suficiente para resolver los problemas actuales de producción.

Si bien nadie duda que es el material del futuro, tal y como se muestra en algunos usos actuales en sectores industriales y de consumo, aún faltan algunos años para que el grafeno sea verdaderamente la promesa del material mágico que tiene “el toque del Rey Midas” y que cambiará las industrias y la vida de todos en el planeta.

¿Qué hace tan especial al grafeno?

Hasta mediados de 2017, estas son algunas de las propiedades comprobadas que se le atribuyen al grafeno:

Es extremadamente duro: 200 veces más resistente que una lámina de acero del mismo espesor.

Es muy flexible y elástico.

Es transparente.

Tiene conductividad térmica y eléctrica altas.

Tiene gran ligereza, como la fibra de carbono, pero más flexible.

Menor efecto Joule: se calienta menos al conducir los electrones.

Para una misma tarea que el silicio, tiene un menor consumo de electricidad.

Genera electricidad al ser alcanzado por la luz.

Se autorrepara; cuando una lámina de grafeno sufre daño y se quiebra su estructura, se genera un ‘agujero’ que ‘atrae’ átomos de carbono vecinos para así tapar los huecos.

En su forma óxida absorbe residuos radiactivos.

El Universal/GDA