DESARROLLO DE NUEVOS MATERIALES

Grafeno (pasa el cursor por la palabra" Grafeno" y te lleva al video demostrativo)

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Miguel Ángel de Pedro Navarro (dosolmos@gmail.com) 
Fuente:http://triplenlace.com/2013/07/01/grafeno-alguien-da-mas/

Desde hace una década se viene hablando del grafeno ⁽¹⁾ como el material del futuro. Sin embargo, ya se había teorizado sobre él en el pasado. Una vez sintetizado se ha podido estudiar a fondo descubriendo nuevas y asombrosas características. Es por su simpleza y su uso potencial en numerosas aplicaciones de diversos campos por lo que los investigadores lo consideran el material que revolucionará el siglo XXI.

Pero ¿qué es el grafeno?(2)

Es tan sencillo como una lámina bidimensional de átomos de carbono enlazados. El carbono, además de disponer de una gran facilidad para enlazarse espontáneamente a otros elementos como el oxígeno, lo encontramos en la naturaleza uniendo sus átomos entre sí y, en ocasiones, formando distintas estructuras ordenadas -formas alotrópicas⁽³⁾- generando diferentes materiales de propiedades dispares. Por ejemplo, el diamante es una estructura cristalina de átomos de carbono extremadamente dura pero frágil ⁽⁴⁾ mientras que el grafito es muy blando, como comprobamos al utilizar las minas de los lapiceros negros.

La diferencia el diamante y el grafito⁽⁵⁾ es que, este último está compuesto de varias capas bidimensionales de átomos unidos por enlaces fuertes que a su vez se apilan gracias a enlaces más débiles por lo que es tan fácil separarlas en láminas finas. Cada una de estas capas de un átomo de espesor es de grafeno.

Por tanto, al igual que con el continente americano, se habla de su “descubrimiento”, siempre ha existido y ya era conocido a nivel teórico en los años 30 con la denominación de “capa de grafito” pero se consideraba que imposible de estabilizar. Su reciente “conquista” se debe a los experimentos⁽⁶⁾ que dos físicos rusos (Geim y Novosalev) realizaron sobre proyectos difíciles de financiar, los denominados “experimentos del viernes por la tarde”⁽⁷⁾ . En 2004, al fin consiguieron sintetizarlo en una sola capa de tal forma que se pudiera emplear para investigar sus características. El resultado de sus investigaciones, así como la generosidad al compartir sus conocimientos con otros grupos de trabajo libre de patentes, hicieron que trascendiera su importancia. El impulso definitivo es debido a la concesión del Nobel de Física en 2010 por sus estudios sobre el material⁽⁸⁾.

Andre Geim                                            Konstantin Novoselov

Volvamos a la estructura y propiedades del grafeno.

A nivel atómico, el grafeno es una malla plana de celdas hexagonales en cuyos vértices encontraríamos los átomos de carbono⁽⁹⁾. Por eso, al describirla como una lámina de carbono se incide en que su espesor es de un átomo.

Aquí encontramos ya dos de sus propiedades: es un material ultrafino formado por un componente de fácil acceso en la corteza terrestre, el carbono. De hecho, su espesor es tan reducido que se podría considerar un material invisible al ojo humano⁽¹⁰⁾ y extraordinariamente ligero. Se ha conseguido crear un aerogel de grafeno eliminando el agua de una estructura de nanotubos de grafeno, que se ha considerado el material más ligero del mundo⁽¹¹⁾.

Otra de las propiedades estudiadas es su dureza⁽¹²⁾. Como hemos dicho, las láminas de grafeno están apiladas una encima de otras en el grafito y unidas entre ellas por enlaces débiles. Se ha comprobado que cada una de estas láminas, siempre a nivel experimental sobre nanomuestras, tiene la misma dureza del diamante. El término dureza es muy relativo. Teniendo en cuenta la proporción entre fuerza y superficie, en las pruebas se ha comprobado que el grafeno podría superar diez veces la resistencia del acero, material empleado por su resistencia a nivel industrial, e incluso al aluminio, su alternativa de menor peso. Frente a ambos, además de ser extremadamente duro, el grafeno es un material muy flexible⁽¹³⁾ .

A nivel práctico, una de sus características más destacadas es su gran conductividad⁽¹⁴⁾. Sin entrar en sus motivos, el grafeno tiene una conductividad eléctrica superior al cobre que actualmente es el metal referente tanto para distribuir la electricidad como en aplicaciones de electrónica y telecomunicaciones. No es por tanto una locura pensar que, a largo plazo, el cobre, el tercer material más empleado por el ser humano, se vea sustituido por el grafeno teniendo en cuenta su abundancia en la corteza terrestre. Si además tenemos en cuenta que presenta una superior conductividad térmica, supone que tendrá un menor calentamiento, es decir un mejor autoenfriamiento⁽¹⁵⁾, con lo cual también nos podemos ir despidiendo del silicio como material semiconductor en electrónica.

Resumiendo, tenemos un material tan fino que se considera bidimensional, transparente, ligero, que presenta a la vez una gran resistencia y flexibilidad y que destaca por ser un gran conductor pero que no se calienta. Esto no es todo. El grafeno es un material tan novedoso y ha despertado tanto interés que cada cierto tiempo descubrimos nuevas propiedades, cada cual más asombrosa: se puede volver magnético⁽¹⁶⁾, es inerte, impermeable⁽¹⁷⁾ y, tal vez lo más novedoso, es capaz de autorrepararse⁽¹⁸⁾.

Con este listado de propiedades, el desarrollo potencial es tan alto que podemos especular con aplicaciones cercanas a la ciencia ficción en el momento que su producción masiva sea real y barata. Como se ha dicho, en electrónica, al sustituir al cobre y al silicio, ya se habla del grafeno como el artífice de la Segunda Revolución⁽¹⁹⁾ con el desarrollo de más eficientes nanoprocesadores⁽²⁰⁾ o pantallas de móviles, tabletas y portátiles táctiles ligeras y flexibles⁽²¹⁾. Es por esto que empresas como Nokia⁽²²⁾, Samsung⁽²³⁾ e IBM⁽²⁴⁾ participan en la investigación sobre el futuro del grafeno y hayan empezado a incorporarlos en sus equipos.

Como material, ya se ha experimentado no solo se ha experimentado con su forma laminar, sino que se está en la construcción de nanotubos y fulerenos⁽²⁵⁾, y macroscópicamente fibras y materiales textiles⁽²⁶⁾ o papel⁽²⁷⁾ de extraordinaria resistencia y capacidad electrónica. También es interesante su desarrollo medioambiental, ya que se está comprobando su utilidad en la depuración y desalinización de aguas utilizando membranas de grafeno⁽²⁸⁾. Empresas innovadoras como Basf⁽²⁹⁾ y 3M⁽³⁰⁾ están compitiendo para descubrir nuevas ventajas del grafeno como material.

En el campo de la energía se está investigando su capacidad para convertir la luz en energía eléctrica con el objetivo de crear una nueva generación de células fotovoltaicas⁽³¹⁾. También se espera emplear también en mejorar la capacidad de las baterías⁽³²⁾. Indirectamente, también supondría una reducción de consumo de energía al sustituir el acero y el aluminio de los vehículos por un material más ligero. ¿Quién no querría una bicicleta de montaña más resistente a los golpes y que costara menos esfuerzo pedalear debido a que su cuadro ultraligero estuviera hecho de grafeno?

Si al principio, es decir, hace tan solo unos cinco años, la producción del grafeno⁽³³⁾ se centraba en crear pequeñas láminas para determinar sus características en laboratorios, la industria está investigando su producción masiva. Entre los problemas que hay que solucionar para que, al fin, el grafeno se convierta en el “material del presente” es poder producirlo en mayores dimensiones, reducir su precio y eliminar las imperfecciones en su estructura para mejorar su conductividad. La buena noticia que en España se ha situado a la cabeza de la producción y exportación del grafeno a nivel internacional⁽³⁴⁾.