Grafeno, un material casi perfecto

Corría el año 2004 cuando dos científicos lograron aislar por primera vez y a temperatura ambiente el grafeno. Un hito histórico, ya que, -aún habiéndose intentado desde la década de los treinta-, nadie anterior a Andre Geim y Konstantin Noselov había logrado hacer del grafeno un material estable (se le consideraba termodinámicamente inestable). Un hecho que fue suficiente mérito para que en 2010 fuesen premiados con el Nobel de Física.

Componentes, pantallas, filtros, baterías, recubrimientos o satélites…dentro de algún tiempo, podremos constatar en la vida real lo que ya es considerado por algunos como uno de los descubrimientos más importantes de este siglo: el grafeno, un elemento al que muchos catalogan como «el material de Dios».

Definiendo al grafeno

El grafeno es una de las formas alotrópicas del carbono, es decir, una de las estructuras moleculares que podemos encontrar de este elemento orgánico, junto al grafito, diamante, los nanotubos, fulereno o la nanoespuma.

El grafeno es el primer material cristalino de dos dimensiones con un grosor de un átomo, según se extrae de la fundación Nobel.

Cuando en 2004 se aisló este material, se decía que lo revolucionaría todo y de hecho, lo está haciendo en el mundo de la tecnología móvil, robótica y dispositivos cada vez más finos y flexibles.

Entre sus propiedades están una dureza similar al diamante, una elasticidad y ligereza cuyas aplicaciones se pueden ver en wearables o en medicina con retinas fabricadas en grafeno, y sobre todo, por su capacidad conductora de electricidad y temperatura.

La Cambridge University lo explica de manera brillante a continuación:

Cualidades del grafeno

Andre Geim explicaba en la revista New Scientist algunas de las propiedades que hacen del grafeno un material tan interesante:

«El grafeno es más fuerte y más rígido que el diamante, sin embargo, se puede estirar en una cuarta parte de su longitud, como el caucho. Su superficie es la más grande conocida para su peso «.

Os cuento algunos de sus peculiares atributos:

• Permeabilidad selectiva: En 2008 se descubrió que el grafeno es impermeable al helio, elemento que contiene las moléculas más pequeñas que existen, pero no al hidrógeno.
• Elasticidad y flexibilidad: es un material idóneo para muchos tipos de soporte y superficies, pudiendo moldearse, gracias a que es más flexible que la fibra de carbono. Un ejemplo de aplicación serían las nuevas pantallas curvas usadas para ciertos móviles, tablets o PC que están apareciendo en el mercado.
• Conductividad térmica y eléctrica: permite el paso de la electricidad y/o el calor a través de él:
  • Conductividad eléctrica: conduce electricidad mejor que el cobre, -uno de los materiales con mejor conductividad eléctrica del mundo-.
  • Conductividad térmica: requiere menos gasto de energía que materiales como el silicio, -un conductor térmico magnífico-, lo que supondrá que sea aplicado por ejemplo en las baterías, haciendo que duren más tiempo que con los materiales actuales (el propio Silicio, o el Litio).
• Dureza: posee una dureza más alta que la del diamante (entendiendo dureza por alteraciones, ralladuras, abrasión, penetración, o cortes), -y unas doscientas veces superior a la del acero. Esta característica, le confiere un posible uso muy interesante en aplicaciones que deban resistir grandes pesos y/o deban soportar un fuerte desgaste -como pueden ser elementos en el sector de la construcción, y por lo tanto un material muy a tener en cuenta en el diseño industrial.
• Transparencia. El grafeno es prácticamente transparente, lo cual le permite ser idóneo en aplicaciones como pantallas, o incluso para los escáneres cubiertos de resonancia magnética, ya que los actuales generan sensación de claustrofobia.
• Ligero: es el material más fino que se conoce con un grosor de uno o dos átomos de carbono.
• La capacidad de reacción con otras sustancias. Esto hace que se puedan crear otros materiales con propiedades diferentes y con un mundo increíble de posibles aplicaciones
• Resistencia a las bacterias: Se ha comprobado que las bacterias no crecen en el grafeno, lo que implica su posible uso tanto en el sector salud como en el sector de la alimentación con envases resistentes aislantes.

Aparte de las mencionadas, -y otras muchas como su capacidad de soportar la radiación ionizante, la resistencia, la auto-reparación, o el generar electricidad a partir de la luz-, se están descubriendo nuevas propiedades como la capacidad de pasar de ser un aislante a un superconductor con una rotación de 1,1º (conocido como ángulo mágico).

Pero no todo es blanco, el grafeno como todo, puede tener zonas grises. Según un estudio elaborado por Jacob D. Lanphere, Brandon Rogers,y otros en la revista Environmental Engineering Science, el grafeno también puede llegar a ser tóxico para nosotros.

Al ser un material tan ligero y con una capacidad de ser reducido para su uso en nanotecnología, se puede dar el caso de que el óxido de grafeno se pueda inhalar afectando a nuestras células. Eso no le resta la importancia de ser uno de los hallazgos del siglo.

El propio Konstantin Noselov lo explica aquí haciendo una gran matización; lo importante no es el grafeno, sino toda esa familia de cristales bidimensionales y sus combinaciones (Grafeno, Grafino, Fosforeno, Siliceno o Boron)

Estadísticas del mercado del grafeno

En un estudio elaborado por la consultora TRM, Graphene Electronics Market – Global Industry Analysis, Size, Share, Growth, Trends and Forecast 2015-2025, se muestran datos que nos hablan del alcance económico de este material. Estas son algunas cifras:

• Según Bloomberg, para el 2027, el mercado global de productos con base grafeno se estima cercana a los $25bn.
• Durante el periodo 2015-2025, se estima un crecimiento de un 60,7%.
• Tres de las cuatro compañías con mayor número de patentes de grafeno en el mundo que cotizan en el mercado regular son americanas (IBM, Xerox y Sandisk). La cuarta es coreana (Samsung)
• En 2014, las baterías y supercondensadores representaron más del 63% del total del mercado electrónico del grafeno.

En el informe Predicciones de Tecnología, Medios de Comunicación y Telecomunicaciones para el año 2016 Deloitte mostraba varios datos curiosos sobre el Grafeno. Entre ellos destacan:

• El gramo de Grafeno cuesta cien dólares y se estima que las ventas de este material lleguen a los 100 millones de dólares a finales de la década.
• Varios organismos públicos están apostando fuertemente por proyectos de I+D relacionados con el grafeno. Destaca el Grafene-Flagship, el mayor programa de I+D de la UE, con 17 países implicados y una inversión de 1.000 millones de euros.

En esta gráfica, extraída de Statista (basada en información de BBC), podemos ver la estimación del valor de los productos con base Grafeno para el 2025.

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Lo lógico es que ante estas previsiones, la demanda de la materia prima de la que se compone el grafeno (el grafito), aumente, máxime cuando en un milímetro de grafito hay tres millones de capas de grafeno. En ese sentido, Statista nos ofrece una interesante información acerca de los países que lideran las reservas de grafito en el año 2018. En el top 3 se sitúan Brasil, China y Canadá.

Sin embargo, la extracción de grafeno a partir del grafito no es nada sencilla.

El grafeno y sus posibilidades ilimitadas

En una entrevista al diario Público durante el año 2011, Konstantin Noselov -premio Nobel de física por aislar por primera vez este material-, comentaba lo siguiente:

«Ya se puede pensar en sustituir todos los materiales existentes por grafenos, para conseguir mejores resultados en todas las aplicaciones avanzadas»

El único problema que existe por ahora, es que su fabricación a nivel industrial es costosa y difícil. A continuación, os mostramos algunos ejemplos de algunos prototipos y proyectos que usarán grafeno.

1. Redefiniendo el papel

La compañía china Guangzhou OED Technologies, desarrolló el pasado año el primer papel electrónico de grafeno. Y es una tecnología que sin duda, va a suplantar a la tinta electrónica ya que la capacidad de transmisión de luz que aporta el Grafeno, mejora en mucho a las mejores pantallas con E-Ink.

También para volver a usar el papel para el prototipado 3D (gracias a maravillosa propiedad del plegado que tiene el papel). ¿Recordáis los famosos origamis en papel? Pues con el grafeno, volveremos a verlos pronto.

2. Impresión 3D

Si ya de por si la tecnología de impresión 3D es novedosa, y el grafeno es una revolución, ¿cómo puede ser su combinación?

Investigadores del MIT (Instituto Tecnológico de Massachussets), experimentaron técnicas de impresión 3D con varios materiales. Y de entre todos ellos, se les ocurrió probar con el grafeno.

Al imprimir con este material (mediante la compresión de sus partículas con variación de presión y temperatura) obtuvieron un nuevo material que contaba con únicamente un 5% y a la vez superaba en diez veces la fuerza del acero. En definitiva, descubrieron que la forma en la que se imprimiese el grafeno potenciaba de una u otra manera su fuerza.

3. Sustitución de los materiales actuales

Resistencia, conductividad, dureza, flexibilidad, o ligereza…son algunas de las propiedades que hacen del grafeno un material mucho mejor que muchos de los materiales actuales usados en tecnología.
En ese sentido, proyectos como Nanomaster, -iniciativa europea cuyo objetivo es reducir el plástico de un componente en un 50%-, pretenden sustituir esos materiales por el grafeno añadiéndole además propiedades adicionales.

En el caso de la industria metalúrgica donde el acero y el cobre siguen siendo metales destacados, el grafeno supone una amenaza. El grafeno tiene una conducción electríca superior al cobre en 10 veces, lo que invita a especular sobre su posible sustitución.

4. Obra y construcción

Su extremada dureza, su elasticidad, flexibilidad, y conductividad térmica, le confieren unas posibilidades enormes en este campo, ya que mejorará muchos de los procedimientos actuales. Se usará en revestimientos, reformas, o readaptaciones en base al entorno.
Un ejemplo lo tenemos en la propia Zara, que encargó en 2015 a la empresa española Graphestone, la pintura de su tienda de Broadway. Una pintura compuesta de nanofibras de grafeno, lo que le confiriere una duración y resistencia mucho mayores que las soluciones actuales.

5. Potabilización del agua

Que una de las propiedades del grafeno sea que únicamente permita el paso del agua, puede dar con una de las aplicaciones más importantes para la humanidad: abastacer con agua potable a toda la población mundial.

¿Qué puede lograr este material? Abaratar y mejorar los procesos de desalinización del agua marina a través de la utilización de una membrana de nanoporos de grafeno.

Esta magnífica propiedad permitiría no solo desalinizar el agua marina, sino además limpiar aguas residuales, algo que la empresa Lockheed Martín puso en marcha con la patente de su filtro de última generación Perforene, cuya aplicación se analiza en los residuos procedentes de las perforaciones en la extracción de petróleo y gas.

6. Baterías

Las baterías de grafeno son un viejo anhelo para grandes industrias como la automoción. Y es fácil entender el porqué: ahorro de costes y aumento considerable de la autonomía de los vehículos. Si en la actualidad, las baterías de ión-litio del Tesla model S ofrecen una energía aproximada de 300 Wh/Kg, las baterías de ánodo de Silicio-Grafeno prácticamente multiplicarán por 5 esa cantidad, llegando a los 1050 Wh/Kg con una reducción del coste estimado de un 70%.

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¿Qué otros ejemplos de aplicaciones y usos del grafeno conocéis?

Algunas fuentes usadas

• Graphene: Status and Prospects
• Graphene Electronics Market – Global Industry Analysis, Size, Share, Growth, Trends and Forecast 2015 – 2025
• Graphene: The worldwide patent landscape in 2015
• The Nobel Prize in Physics 2010 – Press release Nobel prize
• Stability and Transport of Graphene Oxide Nanoparticles in Groundwater and Surface Water – Jacob D. Lanphere, Brandon Rogers, Corey Luth, Carl H. Bolster, and Sharon L. Walker
• Predicciones de Tecnología, Medios de Comunicación y Telecomunicaciones para el año 2016 – Deloitte
• Andre Geim: Why graphene is the stuff of the future – New Scientist
• CIT Network septiembre 2018 – Ejemplar nº18 de la revista de la Asociación Red de Centros de Investigación Cooperativa del País Vasco