domingo, 10 de enero de 2016

La revolución de los nuevos materiales: el grafeno

Estructura microscópica del grafeno
El grafeno es un material innovador extremadamente delgado y resistente con unas propiedades superiores a los ya existentes. Se trata de un cristal de carbono puro en el que los átomos están dispuestos siguiendo un patrón regular hexagonal. Sintetizado por primera vez en 2004 por los científicos de origen ruso Andre Geim y Konstantin Novoselov por el que recibieron el Premio Nobel de Física 2010, el grafeno es tan buen conductor de la electricidad como lo es el cobre y mejor conductor térmico que todos los materiales conocidos. Además, es casi completamente transparente y es tan denso que ni siquiera el helio, el átomo de gas más pequeño, lo puede atravesar. Estos investigadores obtuvieron a partir del carbono grafito una lámina de grafeno de un átomo de espesor, constituyendo el cristal más bidimensional de la naturaleza.

Ello le confiere unas características muy particulares, como por ejemplo: pocos defectos, una rigidez excepcional y la posibilidad de expandirse mucho más que cualquier otro material cristalino, de forma reversible hasta un 10%, mientras que la mayoría de los sólidos dejan de ser estables para deformaciones inferiores al 3%.
De esta manera, las membranas de grafeno pueden soportar átomos de metales pesados, de masa cuatro o diez veces mayor, prácticamente sin deformarse. Sin embargo, las muestras de grafeno nunca son completamente planas, presentando rugosidades a escala nanoscópica.
“Introducing Graphene” (Cambridge University): https://youtu.be/dTSnnlITsVg

Pero, ¿qué lo hace tan especial?

Entre las propiedades más destacadas del grafeno se incluyen:
  • Alta conductividad térmica y eléctrica, calentándose menos al conducir electrones.
  • Consume menos electricidad para una misma tarea que el silicio.
  • Totalmente impermeable.
  • Muy duro y muy elástico.
  • Muy ligero y muy flexible.
  • Es el material más resistente de los conocidos hasta ahora.
  • Soporta la radiación ionizante.
  • Es químicamente muy reactivo con otras sustancias para formar compuestos, por lo que se trata de un material con gran potencial de desarrollo.

Sin embargo y a pesar de sus prometedoras aplicaciones, este material aún se encuentra en fase de desarrollo. El principal obstáculo en la actualidad es que todavía no es posible fabricarlo a gran escala, por lo que trabajar con él aún está limitado. Es por ello que actualmente hay muchas empresas focalizadas en intentar proveer de los métodos y mecanismos de escalado industrial que proporcionen la suficiente cantidad de grafeno para satisfacer esta creciente demanda a un precio razonable.

Hablemos de dinero

España lidera la producción europea de este material con varias empresas punteras: Graphenano, Graphenea Nanomaterials, Avanzare o Granph Nanotech, entre otras.

Empresas españolas líderes en fabricación de grafeno

El mercado aún es pequeño, moviendo 9 millones de dólares en 2012, pero en crecimiento y con continuas promesas de comercialización argumentando que pueden ser más baratos que el silicio. Por ejemplo, Graphenano, empresa con un 90% de capital español y 10% de capital alemán cuya planta de producción está en Ciudad Real, ya ha abierto una delegación en Alemania. Su producción facturó 300 millones de Euros en 2013. Nombres como BMW o Toyota han contactado con ella para incluir grafeno en sus vehículos.

Jesús de la Fuente, CEO de la empresa guipuzcoana GrapheneaNanomaterials explica: “De momento, la demanda es a nivel experimental. Aunque esperamos que a partir de 2016 se traslade al nivel comercial. Nosotros ya estamos vendiendo a Nokia, Philips, Nissan, Canon y otras grandes empresas multinacionales del sector. Tenemos una línea piloto para producir 50.000 centímetros cuadrados de grafeno en láminas al año. Ahora mismo, los precios son caros porque el volumen de venta es pequeño, pero realmente ya estamos en disposición de ser más baratos que el silicio si hablamos de grandes consumos, por debajo de 50 céntimos de euro el centímetro cuadrado. A largo plazo, incluso los 3 céntimos. Para eso necesitamos compromisos, porque hay que invertir. Para pedidos individuales el precio oscila ahora mismo entre los 10 y los 50 euros el centímetro cuadrado”.

La compañía riojana Avanzare es la primera productora mundial de grafeno en polvo desde finales de 2012, superando a la nortemericana XG Sciences. El director comenta: “Sólo trabajamos con industrias que consumen cantidades suficientes de grafeno. No trabajamos con laboratorios. Si no se consigue un precio razonable el grafeno será residual. Hay un problema de precio, y esto consiste en que tú compites con alguien. Siempre hay otro material como alternativa, y el negocio consiste en ser más baratos que esa alternativa. A nivel industrial, nosotros lo somos”.

Por otra parte, la producción de grafeno de la empresa burgalesa Granph Nanotech es más pequeña en volumen y está enfocada en su caso a la investigación y a la experimentación, con resultados también valiosos.

A nivel internacional las compañías más punteras son: Graphenest, Graphene Frontiers, Graphene Technologies, entre otras.


¿Quién está interesado en él?

El grafeno tiene cabida en muchos campos: la industria aeronáutica, en el procesado de hidrocarburos y, debido a que es transparente, podría tener aplicación en la industria fotovoltaica, en las baterías y en los supercondensadores por su alta capacidad de almacenamiento de carga eléctrica y energía. Hay numerosas empresas de la industria electrónica que ya están trabajando en grafeno y han demostrado la compatibilidad de su inserción en las cadenas de producción con base de silicio. Más concretamente en los siguientes:
  • Electrónica: Debido a que la movilidad de los electrones en el grafeno es 200 veces mayor que en el silicio, podría emplearse en la fabricación de microchips o de transistores, ambos elementos imprescindibles en prácticamente todos los dispositivos electrónicos. Existen diversas empresas, como la surcoreana LG Displays, que ya están desarrollando tintas conductoras a partir de grafeno. Estas tintas conductoras son un tipo de tinta que conduce la electricidad y que se emplea para imprimir circuitos.
  • Informática: Su uso en la fabricación de ordenadores permitirá el desarrollo de dispositivos mucho más rápidos y con un menor consumo eléctrico que los actuales de silicio. Además, se estima que un disco duro de este compuesto del mismo tamaño que uno de los empleados actualmente podría almacenar hasta mil veces más información.
  • Telefonía móvil: Con el grafeno se crearía una nueva generación de dispositivos adaptados a la fisionomía del ser humano, con pantallas flexibles, plegables y táctiles. Por otra parte, diversos estudios recientes han comprobado cómo nanocircuitos de grafeno podrían mejorar de manera significativa la velocidad y calidad de las comunicaciones inalámbricas. En 2013, Samsung lanzó sus pantallas flexibles de grafeno y ahora está desarrollando antenas micrométricas de este material con capacidad de transmitir información a gran velocidad en distancias muy cortas.
  • Sector energético: Por sus propiedades energéticas, el grafeno permitirá la creación de baterías de larga duración que apenas tardarán unos segundos en cargarse. Nokia y Philips tiene algunos prototipos interesantes de baterías flexibles. En el campo de las energías renovables, las placas solares recubiertas de este material serán mucho más eficientes y permitirán una forma más ecológica de consumo energético.
  • Industria del blindaje: Su extrema dureza, unida a la capacidad de moldearse y a su ligereza, lo hace un compuesto ideal para ser empleado en esta industria para fabricar chalecos antibalas o cascos más ligeros y duros que los ya existentes en el mercado.
GTA Spano, coche español y el primero del mundo
en incorporar grafeno en sus componentes
  • Industria automovilística: Su aplicación en el chasis de los vehículos los haría mucho más resistentes, por lo que el número de muertes en accidente de circulación anuales se podría reducir drásticamente. Un ejemplo es el GTA Spano, un deportivo español fabricado por Spania GTA en Valencia, el primer coche del mundo en incorporar grafeno en varios de sus componentes. Por otra parte, los coches híbridos se convertirán en una alternativa real, debido a la posibilidad de crear baterías de larga duración y con tiempos de carga mínimos.
  • Industria del motor y los combustibles: Hará de ambos más ecológicos y eficientes. Un ejemplo de ello es que el Pentágono ha invertido una gran cantidad de dinero para fomentar el desarrollo de un aditivo basado en el grafeno con la finalidad de mejorar el rendimiento de los aviones militares en lo que a consumo y rendimiento se refiere.
  • Industria alimentaria: Científicos chinos del Shanghai Institute of Applied Physics elaboraron papel de óxido de grafeno y estudiaron el crecimiento de las bacterias y las células humanas en la superficie del material. Observaron que las bacterias fueron incapaces de crecer en el papel, al mismo tiempo que vieron que no tenía efecto adverso en las células humanas. Por tanto, se llegó a la conclusión de que el grafeno tiene propiedades antibacterianas y que sería ideal para el envasado de alimentos.
  • Tratamiento de aguas: La desalinización del agua es clave, sobre todo en aquellos lugares donde el acceso al agua potable es limitado. El método tradicional para desalinizar el agua del mar es la ósmosis inversa mediante una membrana. Así, aprovechando la peculiar estructura de alta densidad permeable al agua del grafeno, la empresa estadounidense Lockheed Martin patentó un filtro de grafeno con poros de nanómetros de diámetro, suficiente para que las moléculas de agua puedan pasar y se retenga la sal y otros compuestos. Este filtro se denominó ‘Perforeno’ y, al estar compuesto de una única capa de átomos de carbono, el proceso de filtrado resulta más fácil. Uno de los ingenieros responsable del invento declaró que es “500 veces más fino que el mejor filtro del mercado, y mil veces más fuerte”. Adaptando este filtro a los sistemas actuales de potabilización de agua se reduciría el gasto energético que se consume en el proceso de desalinización, abaratándolo.

Variaciones del grafeno: un mundo de posibilidades infinitas

Se está investigando mucho acerca de la modificación estructural del cristal de grafeno para experimentar obteniendo nuevas propiedades. Algunos compuestos se describen a continuación:
  • Grafano: Fue la primera variación que se llevó a cabo del grafeno. Es un hidrocarburo de dos dimensiones unido por enlaces covalentes, pero con la diferencia de que éste no conduce la electricidad, ya que está hidrogenado. Esta combinación con hidrógeno es precisamente lo que convierte al grafano en un material aislante. Aun así, si se consiguiese controlar la ubicación de estos átomos de hidrógeno en una malla de grafeno se podrían construir materiales con zonas conductoras y zonas aislantes. 
  • Fluorografeno: También conocido como superteflón, al cambiar radicales de carbono por flúor el grafeno se vuelve magnético. Es capaz de resistir hasta 400º C y puede utilizarse como aislante de gran calidad para vehículos, naves espaciales, electrónica o utensilios de cocina. Será más barato que el teflón ya que se obtiene del grafeno, es decir, del grafito. 

  • Óxido de grafeno: Permite que pase el agua pero no los gases. Este derivado ha dado buenos resultados como destilador de alcoholes, ya que es impermeable a gases y líquidos. De esta manera, el agua se evapora con esta membrana como si no tuviese grafeno, pero no el alcohol. Además, científicos de la Universidad Pohang de Ciencia y Tecnología en Corea del Sur han realizado experimentos con óxido de grafeno y ácido hialurónico en tratamientos contra el cáncer de piel o melanomas. De esta manera, al aplicar radiación sobre los tumores con luz infrarroja, las partículas adheridas de óxido de grafeno generan una cantidad de calor suficiente para destruir las células cancerosas.

Líneas futuras: un reto para la comunidad científica y la industria

Recapitulando, la dificultad de utilizar grafeno estriba en la producción del mismo. Los costes actuales se encuentran entre los 10 y 50 € el centímetro, ya que por ahora no se produce a gran escala. En particular, investigadores de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) están trabajando con el grafeno en el Insituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología (ISOM).

“Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología” (Universidad Politécnica de Madrid): https://youtu.be/pDnnKz7bWxM

Lo que sí está claro es que todavía queda mucho por hacer. Tomás Palacios, director del Centro para Investigaciones del Grafeno del MIT, profesor del Departamento de Ingeniería Electrónica y Ciencias de la Computación de la misma Universidad e Ingeniero de Telecomunicación por la UPM señala: “Es relativamente sencillo utilizarlo en aplicaciones ya existentes, pero lo que es más difícil es inventar aplicaciones completamente nuevas que son posibles únicamente gracias al grafeno”.

Todo apunta a que cuando la sustitución de gran parte de los materiales empleados hoy en día por grafeno sea una realidad, será un mercado imparable.


Andrea Escudero Palmeiro es estudiante de Ingeniería Química con especialidad de Procesos en la ETSI Industriales UPM, a falta de la presentación del Proyecto Fin de Carrera. Disfrutó de una estancia de un año en la Linköpings Tekniska Högskola (Suecia). Actualmente trabaja en el Centro de Apoyo a la Innovación tecnológica CAIT-UPM en el programa de Comercialización de Tecnologías UPM Innovatech.

Referencias


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