Nano-tecnología novedosa.

Grafeno, el material del futuro

Es transparente, flexible, extraordinariamente resistente, impermeable, abundante, económico y conduce la electricidad mejor que ningún otro metal conocido. Hablamos del grafeno, el material que tiene fascinados a científicos y a la industria debido a sus fantásticas propiedades.
Aunque fue sintetizado por primera vez en 2004, saltó a la fama en 2010 cuando sus descubridores, los investigadores de origen ruso Andre Geim y Konstantin Novoselov, recibieron el premio Nobel de Físíca. Como ya apuntó entonces Andre Geim, las aplicaciones potenciales del grafeno son tantas que ni siquiera eran capaces de enumerarlas.
Los prototipos de baterías fabricadas con electrodos de grafeno son diez veces más duraderas y se cargan en mucho menos tiempo
Este versátil material permitirá fabricar desde dispositivos electrónicos con pantallas flexibles y transparentes y baterías ultrarrápidas a potentes paneles solares, sin olvidar aplicaciones en aeronáutica, medicina y otros sectores que se investigan en la actualidad. Además, supone una base excelente para crear nuevos materiales a medida, en función de las necesidades específicas. Es decir, algo así como materiales a la carta.
Todos hablan de este material aunque pocos lo han visto. Y es que pese a sus prometedoras aplicaciones, todavía se encuentra en fase de desarrollo. El grafeno es una lámina extremadamente delgada (sólo tiene un átomo de grosor) compuesta de carbono . El grafito del que se obtiene es el mismo que se extrae de las minas de carbón y se usa para fabricar lápices, frenos de coches o aceros, por lo que se trata de una materia prima muy abundante en la naturaleza. Para conseguir grafeno se puede partir del grafito natural (las minas españolas son ricas en este mineral) o del grafito sintético.
Existen varias formas de producir grafeno. La cinta adhesiva (exfoliación mecánica) fue el método que utilizó Geim para aislarlo por primera vez y puede servir para algunos experimentos, pero no es un método válido para la industria. Básicamente se comercializa de dos maneras: en formato lámina y en polvo.
Grafeno en lámina
Graphenea, con base en San Sebastián, es una de las tres principales productoras de grafeno en lámina a nivel mundial (sus dos competidores son estadounidenses): "Es el grafeno de alta pureza y el que reune las mejores propiedades. Se emplea para fabricar electrodos de baterías, pantallas táctiles, células solares, electrónica digital y analógica de alta frecuencia o composites avanzados para aeronáutica", explica De la Fuente en conversación telefónica.
Para producirlo no se utiliza grafito, sino gas metano, que se transforma mediante una tecnología denominada deposición química en fase vapor (Chemical Vapor Deposition, CVD): "Es una de las grandes ventajas, pues no dependemos de ningún producto mineral", señala

                                             
"Se realiza en un reactor CVD donde se introduce un gas con carbono. Mediante la aplicación de energía se despositan los átomos de carbono sobre un substrato metálico. El siguiente paso es transferir la lámina de grafeno al substrato final que puede ser un polímero, vidrio, silicio u otros, dependiendo de la aplicación", explica.
El precio varía según los tamaños y las propiedades. En los últimos años ha caído ya a la mitad. Una lámina de grafeno cuesta entre 300 y 1.000 euros, una cifra muy asequible para el consumo de investigación pero elevada para otros usos. De la Fuente explica que esperan que el precio siga descendiendo progresivamente y, "a medio plazo (unos cinco años) , sea más barato que el silicio, que en la actualidad cuesta alrededor de 50 euros". "A medida que el mercado vaya avanzando el precio irá bajando. Prácticamente cuesta lo mismo producir una lámina que 100.000", afirma.
Baterías mucho más duraderas
"El grafeno que vendemos se utiliza, sobre todo, para ensayos. Se está trabajando mucho en almacenamiento de energía. En ultracondensadores (para automóviles, trenes eléctricos y para mejorar el rendimiento de las líneas de distribución eléctrica) y en baterías. Se ha demostrado que con electrodos de grafeno se consiguen baterías diez veces más duraderas".
De hecho, este material podría solucionar uno de las grandes desventajas de los teléfonos inteligentes, cuyas baterías apenas duran un día. Sin embargo, habrá que esperar algunos años para disfrutar de estas baterías. Según De la Fuente, Nokia (su principal cliente) no prevé comercializar dispositivos fabricados con grafeno hasta dentro de cinco años.
"El grafeno también podrá usarse en televisores OLED (Organic LED), que estarán fabricados con materiales orgánicos y más sostenibles con el medio ambiente: Ahora se utiliza como material tierras raras, como el indio, que tienen un impacto ambiental muy grande. Además su precio se ha multiplicado por diez". La industria busca un sustituto más económico y sostenible, por lo que el grafeno se perfila como una de las alternativas.
Grafeno en polvo
El grafeno en polvo se utiliza en aplicaciones que requieren un material más barato, como composite para construcción (se suele mezclar con otros materiales). "El proceso de producción de grafeno en formato polvo básicamente parte del grafito como materia prima y consiste en realizar una oxidación violenta y un proceso de ultrasonificación para separar las pequeñas láminas de grafeno que componen el grafito", explica Jesús de la Fuente.
Sus propiedades no son tan buenas como el grafeno en lámina y conduce peor la electricidad. La demanda de este producto, cuyo precio depende de su pureza, sigue siendo pequeña. El de baja calidad cuesta menos de 10 euros el gramo mientras que el de alta calidad ronda los 100 euros.
"Trabajamos también con equipos de alta competición de vela, que necesitan complementos para las fibras de carbono (el grafeno las mejora)". También se han hecho algunos ensayos en laboratorio para incorporarlo a la construcción aunque De la Fuente ve difícil su uso en este sector ya que "hacen falta volúmenes muy grandes y precios baratos".
Los científicos estudian también las posibles aplicaciones en medicina. Por ejemplo, para fabricar biosensores y detectar ADN. "También se especula con la posibilidad de producir implantes neuronales y regenerar tejidos nerviosos dañados", señala De la Fuente, aunque advierte que, aunque estos avances médicos lleguen llegan a lograrse, tardarían años en aplicarse.
Por su parte, Elsa Prada, investigadora del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid del CSIC, señala que el grafeno podría usarse también en biodispositivos, en envoltorios bactericidas de medicinas y alimentos y como parte de materiales compuestos más ligeros y resistentes (para aviones, coches, etc.).
Grafeno artificial
Pese a sus extraordinarias cualidades, el grafeno no es perfecto. Sin embargo, sí parece una base muy adecuada para desarrollar nuevos materiales inspirados en él y que incorporen nuevas ventajas. Es decir, algo así como un grafeno perfeccionado. Uno de los últimos desarrollos en esta línea es el llamado grafeno artificial, una investigación publicada recientemente en la revista 'Nature' y en la que participa el español Paco Guinea, uno de los mayores expertos en grafeno del mundo.
Junto a colegas estadounidenses de la Universidad de Stanford (California), el investigador del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (CSIC) ha conseguido fabricar un material que, según explica a este diario, "permite manipular las propiedades más exóticas del grafeno con gran precisión". El denominado grafeno artificial es un primer paso para sintetizar a gran escala materiales con propiedades cualitativamente similares al grafeno. "Se pueden estudiar propiedades que aún no se han observado en el grafeno real, por no tener la pureza necesaria", señala a través de un correo electrónico.
Una de las fases de producción de grafeno en la empresa Graphenea, en San Sebastián.
Este nuevo material ha sido fabricado colocando y moviendo moléculas de óxido de carbono sobre una superficie de cobre, aunque según señala Guinea, "se pueden usar otros metales". De momento, "el artificial es más costoso de producir que el otro grafeno".
Inspirador de otros materiales
Entre los otros materiales bidimensionales que ha inspirado el grafeno, Elsa Prada destaca el fluorografeno, el nitruro de boro hexagonal , el disulfuro de molibdeno o el siliceno.
Prada, que ha trabajado con Konstantin Novoselov, uno de los descubridores del grafeno, destaca el alto nivel de la ciencia española en el estudio de este material: "El nodo español del proyecto Flagship de la UE es uno de los más activos, y promueve la investigación básica a la par que la transferencia de este conocimiento a la industria", una labor que, si logra éxito, "supondrá una gran cantidad de fondos para la investigación y el desarrollo de la tecnología de grafeno en España", añade Prada.
"En estos tiempos de crisis, nuestro país tiene que apostar por convertirse en productora (y no sólo consumidora) de soluciones y productos con potencial y demanda. En particular, el grafeno puedo brindarnos la posibilidad de ser líderes y exportadores a nivel mundial de una tecnología de futuro", concluye. 

Mi Opinión

                                        

Después de haber leído esta crónica el 19/04/2012 me pareció que el Grafeno, es un excelente material, debido a sus propiedades, a sus posibles formas de uso y a sus cualidades.  Lo que más me impacto, fue que el Grafeno, puede ser utilizado para crear baterías muy resistentes y duraderas, que no necesitan mucho tiempo de carga (menos de media hora). Es un material novedoso nuevo, por lo menos para mi, y muy interesante. Fue descubierta en 2004 por Andre Geim y Konstantin Novoselov (ambos recibieron el Premio Nobel de Física). Fue investigado por Jesús De La Fuente, Elsa Prada, Paco Guinea y otros pocos institutos especializados en grafeno y otros materiales. Es interesante que tenga tantos usos a pesar de ser tan delgado, en formato de lámina, y tan común a simple vista en polvo.