Grafeno y aplicaciones

1. El grafeno

El grafeno es un material relativamente nuevo. Se trata de un alotrópico del carbono que se extrae del grafito ya que la estructura del grafito se puede considerar como una pila de muchas láminas de grafeno superpuestas.

La estructura del grafeno es muy especial ya que solo mide un átomo de espesor, lo que significa que es nanométrico (0.1nm) y está formado por átomos de carbono empaquetados en una red cristalina hexagonal plana y unidos mediante enlaces covalentes que se generan por la superposición de los híbridos sp2 de los carbonos enlazados.  [pic 1]

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Hace más de 50 años que los físicos empezaron a investigar con el grafito para comprenderlo mejor y con esto descubrieron que estaba formado por numerosas capas de una estructura bidimensional, que en el 1986, Boehm bautizó como el llamado grafeno, que es un término derivado de la combinación de la palabra “grafito” con el sufijo –eno que se refiere a hidrocarburos insaturados.

Estos físicos estudiaron sus propiedades matemáticas, siendo una de ellas que un material como este no podía existir ya que se pensaba que si se consiguiera aislar una capa del grafito, no se mantendría estable a temperatura ambiente al ser la membrana más fina posible.

Esto quedó refutado en 2004 cuando dos investigadores del Centro de la Mesociencia y la Nanotecnología de la Universidad de Manchester, Andre Geim y Konstantil Novoselov junto con sus colaboradores, consiguieron aislar el grafeno por primera vez. El propósito inicial era fabricar películas de grafito lo más delgadas posible para utilizarlas como semiconductores, pero lo que encontraron superó sus expectativas. Este descubrimiento llevó a que los dos científicos recibieran el premio Nobel en el 2010 por este espectacular descubrimiento, ya que se ha conseguido aislar el material más fino posible de forma estable.

Este material parece que sea todo ventajas, pero de momento no es un material que tenga una obtención fácil, ya que es bastante nuevo, pero se está investigando como producirlo a gran escala.

Puede obtenerse de varias maneras, como por exfoliación micromecánica, que trata de separar la capa más externa del cristal de grafito y así obtener grafeno que se puede realizar mediante raspado con cualquier objeto de superficie sólida o utilizando cinta adhesiva. Para saber si se ha conseguido el grafeno se utiliza un microscopio óptico, técnicas de microscopía de fuerza atómica y microscopía electrónica de barrido.

Otro método para obtener grafeno es por exfoliación electroquímica controlada de grafito. Esto se basa en producir grafito expandido por intercalación anódica y catódica de grafito en una solución de ácido perclórico, del grafito expandido se extraen las láminas de grafeno por calentamiento mediante microondas.

Un equipo de investigadores, liderado por Swastik Kar, del Rensselaer Polytechnic Institute, ha desarrollado una técnica nueva para producir grafeno a gran escala y de manera sencilla. Se sumerge el grafito en una disolución de ácido orgánico, alcohol y agua y luego se expone al sonido ultrasónico. El ácido separa las hojas de grafeno del grafito y hace grandes cantidades de grafeno de alta calidad disperso en el agua. “Existen otras técnicas conocidas para la fabricación de grafeno, pero nuestro proceso es ventajoso para la producción en masa, ya que es de bajo costo, se realiza a temperatura ambiente, carece de productos químicos perjudiciales, y por lo tanto es amistosa a un número de tecnologías donde existen limitaciones ambientales y de temperatura”, dijo Kar. Y añadió: “El proceso no necesita cámaras de ambiente controlado, lo que aumenta su sencillez sin comprometer su capacidad de ampliación. Esta simplicidad nos permitió demostrar directamente aplicaciones de alto rendimiento relacionadas con detección ambiental y almacenamiento de energía, que se han convertido en temas de importancia global”.

Existen más técnicas de obtención del grafeno, y con forme pasa el tiempo aparecen más debido a la necesidad de obtener este material puro.

Este relativamente nuevo material tiene unas propiedades muy distintas al resto de materiales comunes y eso lo hace aún más sorprendente. De las numerosas propiedades que tiene, nombraremos algunas:

El grafeno es un material muy ligero, lo que sorprende de esta propiedad es que aun así tiene una resistencia mecánica de 42N/m, es decir, que comparado con una lámina de acero del mismo espesor que nuestro material, el grafeno sería 100 veces más resistente que el acero. Su dureza y resistencia son debidas a que los enlaces que unen los átomos de carbono hasta formar el grafeno son extraordinariamente rígidos, y al ser un material compuesto de un solo elemento, como es el carbono, hace que no haya defectos en la estructura que se forma y así impide su rotura.

Tiene una alta flexibilidad, y puede ser estirado hasta un 20% de su superficie de manera reversible, es decir sin sufrir ningún tipo de deformación, mientras que la mayoría de sólidos no superan el estiramiento del 3%.

Otra propiedad es que es impermeable hasta con las moléculas pequeñas, como el helio. Pero según una investigación publicada del Massachusetts Institute of Technology (MIT), la propiedad impermeable del grafeno podría no ser tan impenetrable como se pensaba anteriormente, ya que se han descubierto unos poros en la finísima lámina de grafeno. Estos poros en la estructura hacen que puedan pasar moléculas pequeñas pero no moléculas más grandes que no pudieron penetrar. Estos estudios revelan que estos agujeros podrían dar lugar a otras tantas aplicaciones a nivel molecular.

Por otra parte, se ha descubierto que los agujeros que se forman en la hoja de grafeno son consecuencia de la reacción de este con otros metales. Esto ocasionaría una desventaja para futuras aplicaciones, pero eso no es todo. Tras analizar detenidamente la hoja de grafeno, han descubierto que algunos de los agujeros que aparecieron en la reacción del grafeno con otros metales, se han cerrado espontáneamente por acción de los átomos de carbono de alrededor de dicho agujero, ya que “arreglaron” la estructura del grafeno. Por tanto, esta propiedad de autorreparación aumenta las aplicaciones del material.

Otra propiedad de nuestro grafeno es que es un material casi transparente, que puede ser una desventaja o una ventaja, dependiendo que aplicaciones queramos llevar a cabo con él. Sólo absorbe cerca de un 3% de la energía de la luz y esto hace que muchas de las ondas de luz que pasan a través del grafeno no generen corriente eléctrica. Pero por el contrario, que sea transparente ayuda en la creación de posibles electrodos transparentes que son necesarios en pantallas táctiles, células solares, etc. [pic 3][pic 4]

Respecto a la conductividad térmica de estas finas láminas, se dice que conduce el calor unas 100 veces mejor que el cobre. Y por lo que trata de la conductividad eléctrica también supera al cobre e incluso es 100 veces mejor que el silicio. Estas dos propiedades hacen que este material pueda cambiar la electrónica de tal y como la conocemos ahora.

Estudios hechos por Massachusetts Institute of Technology (MIT) revelan que las propiedades del grafeno pueden variar dependiendo de la presencia o no de otros materiales. Se esperaba que, como el grafito, independientemente de la sustancia que hicieran reaccionar con el grafeno, éste no cambiara su forma de comportarse, pero esto no ha sido así. Según el MIT, este hecho hará que se amplíe el uso del grafeno.

Sin duda, hay numerosas propiedades sorprendentes de este material, y aún muchas están por descubrir ya que la investigación con el grafeno sigue en marcha. Gracias a estas propiedades encontradas, los científicos tienen en mente muchas aplicaciones posibles en un futuro para darle un gran protagonismo al grafeno.

1. Resultados y aportaciones a la ciencia y al conocimiento humano.

Los investigadores, en poco tiempo, han conseguido darle mucha utilidad al material descubierto, y cada vez aparecen más aplicaciones nuevas que serán posibles en un futuro gracias a este material y a sus propiedades extremadamente sorprendentes.  Muchas de las aplicaciones que poco a poco se irán haciendo realidad según los estudios, son realmente alucinantes ya que parecen ciencia ficción. Desde una televisión delgada y flexible como un papel, una olla de cocina que emitirá una advertencia si detecta la bacteria E. coli, posibles tratamientos para médulas espinales dañadas, chalecos antibalas tan finos y flexibles como una hoja de papel y hasta un acelerador de partículas como el CERN de Ginebra pero que ocupe solamente 1cm2.

Podemos diferenciar entre varios tipos de utilidades: más relacionadas con la química, y más relacionadas con la electrónica. 

Empezaremos con aplicaciones más relacionadas con la química como un método para la obtención del gas natural y la filtración del CO2. Después de algunos experimentos, se ha descubierto que gracias a la impermeabilidad característica del grafeno se puede hacer separar moléculas de gas por su tamaño, utilizando los poros de la hoja de grafeno.

Con ello, se ha propuesto crear membranas más eficientes energéticamente para producir gas natural y para disminuir el CO2 que desprenden las centrales térmicas y filtrarlo en los tubos de escape de los vehículos. Se propone hacer estas membranas de grafeno porque para atravesarlas, las moléculas no necesitan  mucha energía.[pic 5]

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