¿Qué es el grafeno?

“Los chips del futuro podrían ser 10 veces más rápidos gracias al grafeno”, “El grafeno podría utilizarse en la detección del COVID-19” y “El grafeno permite que las baterías se carguen 5 veces más rápido” son sólo algunos de los impactantes titulares que has podido ver recientemente en la prensa.

El grafeno es un material increíblemente ligero, resistente y duradero formado por una sola capa de átomos de carbono. Con estas propiedades, no es de extrañar que los investigadores lleven décadas estudiando la forma en que el grafeno podría hacer avanzar la ciencia y la tecnología de los materiales.

El grafeno es un material fascinante, tal y como sugieren sus sensacionales titulares, pero apenas hay, de momento, intentos reales de aplicaciones viables. El problema no radica en las propiedades del grafeno, sino en que su fabricación a escala comercial sigue siendo muy difícil y cara.

Red hexagonal del grafeno. Un átomo de carbono en cada vértice.

¿Qué es el grafeno?

El grafeno se define sencillamente como una sola capa de átomos de carbono unidos en una estructura hexagonal en forma de lámina. El grafeno puro es como una hoja de papel de seda de carbono de una sola capa de átomos de grosor y que resulta ser el material más resistente de la Tierra.

El grafeno suele presentarse en forma de polvo compuesto por pequeñas láminas individuales con el diámetro aproximado de un grano de arena. Una lámina individual de grafeno es 200 veces más resistente que un trozo de acero igual de fino. Además, el grafeno es extremadamente conductor, se mantiene estable a temperaturas de hasta 700º C, resiste los ácidos y es flexible y muy ligero.

Gracias a estas propiedades, el grafeno podría ser extremadamente útil. El material puede utilizarse para crear componentes electrónicos flexibles y para purificar o desalinizar agua. Además, añadir sólo 1 gramo de grafeno a 5 kilos de cemento aumenta su resistencia en un 35%.

A día de hoy, que sepamos, la marca de automóviles Ford es una de las únicas empresas que utilizan grafeno a escala industrial. A partir de 2018, Ford empezó a fabricar plástico para sus vehículos con un 0,5% de grafeno, lo que aumenta la resistencia del plástico en un 20%.

Los investigadores fabricaron la primera pieza de grafeno separando capas de carbono del grafito -o mina de lápiz- con cinta adhesiva.

Cómo hacer un supermaterial

El grafeno se produce de dos formas principales que pueden describirse como proceso descendente y proceso ascendente.

La primera hoja de grafeno del mundo se creó en 2004 a partir de grafito. El grafito, el material que encontramos comúnmente en las minas de lápiz, está compuesto por millones de láminas de grafeno apiladas unas sobre otras. La síntesis descendente, también conocida como exfoliación del grafeno, consiste en desprender del grafito las capas de carbono más finas posibles. Algunas de las primeras láminas de grafeno se fabricaron utilizando cinta de celofán para desprender capas de carbono de un trozo de grafito.

El problema es que las fuerzas moleculares que mantienen unidas las láminas de grafeno en el grafito son muy fuertes y resulta difícil separarlas. Por eso, el grafeno producido con métodos descendentes suele tener muchas capas de grosor, agujeros o deformaciones y puede contener impurezas. Las fábricas pueden producir unas pocas toneladas de grafeno exfoliado mecánica o químicamente al año, y para muchas aplicaciones -como mezclarlo con plástico- este grafeno de menor calidad funciona bien.

Los copos de grafeno fabricados con métodos descendentes suelen tener más de un átomo de grosor y presentan impurezas como pliegues y roturas, como se ve en esta imagen.

El grafeno exfoliado de arriba abajo dista mucho de ser perfecto, y algunas aplicaciones necesitan esa única lámina de carbono prístina. En esos casos no nos sirve.

La síntesis ascendente construye las láminas de carbono átomo a átomo durante unas horas. Este proceso, llamado deposición de vapor, permite a los investigadores producir grafeno de alta calidad con un átomo de grosor y hasta 75 centímetros de diámetro. Así se obtiene grafeno con las mejores propiedades mecánicas y eléctricas posibles. El problema es que la síntesis ascendente puede tardar horas en producir incluso 0,00001 gramos, lo que no es lo bastante rápido para usos a gran escala como, por ejemplo, la electrónica de pantalla táctil flexible o los paneles solares.

¿Cuál es el problema?

Los métodos actuales de producción de grafeno, tanto “ascendentes” como “descendentes” son caros y consumen mucha energía y recursos.

Algunas empresas fabrican grafeno y lo venden por entre 60.000 y 200.000 dólares la tonelada. Hay un número bastante limitado de usos prácticos que tengan sentido a esos costes.

Mientras que pequeñas cantidades de grafeno pueden satisfacer las necesidades de los investigadores, para las empresas incluso el mero proceso de creación de prototipos de un nuevo material, aplicación o proceso de fabricación requiere muchos kilos de grafeno en polvo o cientos de láminas de grafeno y mucho tiempo y esfuerzo. Se necesitaron importantes inversiones y más de cuatro años de estudio, desarrollo y optimización antes de que el grafeno llegara a la línea de producción de Ford.

La producción actual apenas puede cubrir la experimentación, y mucho menos el uso generalizado. Tendremos que esperar.

Mejorar la fabricación

A pesar de lo dicho anteriormente, para ser un material que sólo existe desde 2004, se ha avanzado mucho en la mejora de los procesos de producción y aplicación del grafeno.

Hay indicios de que el grafeno está empezando a abrirse paso a nivel comercial. Hay un gran número de empresas emergentes relacionadas con el grafeno que estudian una amplia gama de usos, desde el almacenamiento de energía a los materiales composites o la estimulación nerviosa. Grandes empresas, como Tesla, LG y el gigante químico BASF, también investigan cómo utilizar el grafeno en baterías recargables, electrónica flexible o portátil y materiales de última generación.

El grafeno está maduro para un avance que abarate el coste y aumente la escala de producción, y éste es un campo de intensa investigación científica. Una nueva técnica descubierta en 2020, denominada calentamiento instantáneo por julios (la unidad de energía en Física, no el nombre de pila), es especialmente prometedora. Los investigadores han demostrado que el paso de grandes cantidades de electricidad a través de cualquier fuente de carbono reorganiza los enlaces carbono-carbono en una estructura de grafeno. Gracias a este proceso, es posible fabricar kilos de grafeno de alta calidad a un coste relativamente bajo a partir de cualquier material que contenga carbono, como carbón o incluso basura. Una empresa llamada Universal Matter Inc. ya está a punto de comercializar el proceso.

Cuando baje el coste del grafeno, llegarán las aplicaciones comerciales. Las ganas de utilizarlo son enormes, pero pasará algún tiempo antes de que este material esté a la altura de su potencial.

Puedes activar los subtítulos en español, con el icono de subtitulos (abajo, derecha)

Artículos Relacionados

Respuestas