Grafeno: El material del presente con mucho futuro

Actualización 24 de marzo de 2020: Grafeno para combatir la pandemia del Covid'19

El grafeno no deja de ser un material curioso. Su existencia es conocida desde los años treinta. Ya en 1949 Philip Russell calculó su estructura electrónica de bandas, pero han tenido que pasar varias décadas para que se volviera a hablar de este material debido a que era un material altamente inestable donde las fluctuaciones térmicas podrían destruir el orden del cristal dando lugar a su fusión. Concretamente, no fue hasta el año 2004, cuando los científicos Andréy Geim y Konstantín Novosiólov consiguiesen aislar el grafeno a temperatura ambiente por el método de la cinta adhesiva, lo que les valió el premio Novel de Física en 2010 y abrió las puertas a este nuevo material. Ni tan siquiera la palabra grafeno se adoptó desde el inicio, sino a partir de 1994, después de haber sido designada de diversas formas, como, por ejemplo, monocapa de grafito. A partir de esta fecha el interés por el grafeno no ha hecho más que crecer.

Pero ¿que es lo que hace al grafeno un material tan especial? El grafeno es una estructura de carbono 2D constituida por una sola capa de átomos de carbono sp2 en una red hexagonal, similar al grafito. De hecho, el carbono es uno de los elementos químicos más comunes y conocidos, de forma que los científicos se sorprendieron al encontrar que esta nueva forma de carbono tenía propiedades tan sorprendentes. El carbono presenta muchas formas cristalinas, llamadas alótropos, siendo los más conocidos el diamante y el grafito. Los alótropos son formas diferentes del mismo elemento con enlaces entre átomos distintos, resultando estructuras que tienen propiedades químicas y físicas diferentes.

La forma en que se enlazan los átomos en materiales sólidos tiene un gran impacto en sus propiedades generales. Así, por ejemplo, un diamante y un trozo de grafito son tan diferentes que nunca se diría que ambos están compuestos del mismo elemento, el carbono. Un diamante es un compuesto duro y transparente que es extraído del interior de la Tierra, donde está sometido a grandes presiones, mientras que el grafito es un material ligero y negro extraído del carbón. En el diamante, cada átomo de carbono está conectado a otros cuatro átomos de carbono, lo que le confiere una dureza y un brillo excepcional. En cambio, en el grafito, cada átomo de carbono está enlazado con otros tres átomos en capas de formas hexagonales que se parecen a una colmena de abeja.

Los enlaces dentro de las capas hexagonales son fuertes, pero cada capa está unida con fuerzas de enlace más débiles con la próxima, lo que permite que las capas se deslicen unas sobre otras. Andrey Geim y Konstantin Novoselov utilizaron esta propiedad de laminación para producir muestras de grafeno y para descubrir sus notables propiedades. Las muestras iniciales de grafeno eran muy pequeñas, de solo un par de milímetros cuadrados, pero lo suficientemente grandes para comprobar sus propiedades. Al tener solo un átomo de grosor, el grafeno es el único material conocido bidimensional. A pesar de ser tan delgado, también es el material más resistente, siendo unas 100 veces más resistente que el acero. También es destacable que sus electrones tengan poca dispersión cuando se mueven, dispersión mucho menor que la que presentan otros materiales, tal como el silicio, lo que permite crear transistores basados en el grafeno dos veces más rápidos que los creados con silicio, potenciando la velocidad de los equipos informáticos.

Propiedades del grafeno

El grafeno por definición posee unas características muy interesantes, algunas absolutamente asombrosas. Su grosor de tamaño nanométrico le hace ser transparente y muy flexible, pero al mismo tiempo, es un material muy duro y resistente. En los últimos años ha generado muchas expectativas debido a sus excelentes propiedades tanto mecánicas, como eléctricas, ópticas y térmicas. Entre éstas cabe destacar que el grafeno absorbe fotones en el rango del visible al infrarrojo con una rápida transición inter-bandas que permite obtener una eficaz respuesta eléctrica. Estas propiedades, junto a la abundancia de carbono en forma de grafito en la naturaleza, lo hacen especialmente interesante. De forma resumida podemos destacar del grafeno las siguientes propiedades:

• Es bidimensional y ligero (1m2 pesa 0,77 mg), y cuenta sin embargo con una gran superficie específica (2600 m2/g), lo que le confiere una cierta capacidad de autoenfriamiento. Es flexible, elástico, maleable, de forma que admite elongaciones del 10% de forma reversible y puede doblarse un 20% sin sufrir daño alguno. Se puede enrollar para crear nanotubos o adoptar cualquier otra forma. Las superficies de los materiales en los que se aplica el grafeno por tanto, tienen menos posibilidades de quebrarse y son más duraderos.

• Es más duro y resistente que el diamante, siendo unas 100 veces más resistente que el acero a igualdad de espesor. Aparte, es rígido, con lo que soporta grandes esfuerzos sin apenas deformarse, disponiendo de una tensión mecánica a la rotura de 42 N/m. Asimismo es más transparente como el vidrio, debido a su poco espesor, absorbiendo solamente el 2% de la luz blanca incidente. También es uno de los mejores conductores térmicos, siendo su conductividad térmica del orden de 5.000 W/mK, mayor que la del cobre, el diamante o la plata, lo que le permite disipar el calor y soportar intensas corrientes eléctricas sin calentarse. Por otro lado, el grafeno conduce la electricidad tan bien como el cobre, siendo su conductividad eléctrica del orden de 0,96 · 108 (Ω · m-1).

• Es un material híbrido, por lo que no puede considerarse como conductor, semiconductor o aislante, compartiendo características de los conductores y semiconductores. A nivel cuántico, debido a su disposición espacial y al tipo de enlace entre los carbonos que lo componen, los electrones se desplazan sobre la superficie del grafeno a una velocidad muy alta (solo 300 veces menor que la de la luz, pero muy superior a los metales), comportándose como partículas sin masa conocidas como fermiones de Dirac. Esto permite que láminas muy pequeñas de grafeno permitan experimentos que hasta ahora solo podían realizarse en aceleradores de partículas.

• Soporta la radiación ionizante, ya que, al incidir la luz sobre él, emite energía, pero sin llegar a ionizarse, y por tanto, el electrón no llega a desprenderse del átomo. La radiación ionizante tiene aplicación en el campo de la sanidad, en el que se utilizan aparatos que emiten estas radiaciones, como los sistemas de radioterapia.

• Es un multiplicador de frecuencias, de forma que, si se le aplica una señal eléctrica de cierta frecuencia, el grafeno genera ondas del doble o triple de esta frecuencia, permitiendo aumentar así las velocidades de intercambio de información de los procesadores.

• Es muy denso e impermeable, incluso a la penetración de las moléculas más pequeñas que existen, las del gas helio. Sin embargo, deja pasar el agua sin dificultad. Esta propiedad podría ser muy importante, permitiendo la separación y filtración de sustancias, la destilación de ciertos líquidos, la producción de biocombustible, la eliminación de tóxicos en el agua o la purificación de ciertos productos químicos.

• También es bactericida, capaz de inhibir el crecimiento de microorganismos como bacterias, virus y hongos, pero que, sin embargo, no afecta al ADN humano y, por ser carbono, se ha demostrado que permite el crecimiento de células, lo que lo convierte en un sustrato con un potencial muy interesante para la medicina regenerativa o para la industria alimentaria.

• Reacciona bien con otras substancias. El grafeno es sensible a cualquier molécula que se deposite en su superficie y puede reaccionar con otras sustancias para formar composites con diferentes propiedades, lo que dota a este material de gran potencial de desarrollo.

• Finalmente, es autoreparable. Si una capa de grafeno pierde algunos átomos de carbono por cualquier motivo, los átomos cercanos al hueco pueden interactuar con átomos vecinos y reducir el tamaño de dicho hueco, aunque en esta zona aparece un defecto estructural. Esta capacidad puede aumentar la longevidad de los materiales fabricados con grafeno.

Métodos de obtención

A priori resulta curioso que una única lámina (grafeno) sea más dura y resistente que la superposición de muchas (grafito). Esto es debido a que, en el grafito, las láminas de carbono están unidas por las fuerzas de Van der Waals (fuerzas atractivas entre moléculas), que son fuerzas mucho más débiles que las uniones covalentes entre los átomos de carbono que forman una lámina de grafeno con hibridación sp2. El grafeno se puede extraer del grafito por simple exfoliación, pero también puede conseguirse a partir de diversas fuentes basadas en el carbono. La producción del grafeno depende del método utilizado para sintetizarlo. Cuanto más puro se desee obtener el grafeno, es decir, de mayor calidad, el proceso será más complicado, la cantidad obtenida más pequeña y el coste más alto. Por eso la producción de grafeno siempre ha estado restringida a nivel de laboratorio. Las diferentes técnicas tradicionales de fabricación por orden ascendente de escalabilidad son:

• Exfoliación con cinta adhesiva: "Scotch Tape"
• Deposición desde la fase vapor: "CVD (Chemical Vapor Deposition)"
• Exfoliación con disolventes: "Liquid Phase Exfoliation"
• Mediante descarga de arco eléctrico y generación de plasma
• Exfoliación mediante Oxidación del grafito y Reducción del GO (Oxido de grafeno obtenido)

La calidad de las muestras va en sentido contrario al de la escalabilidad: a más escalabilidad del proceso menor calidad de las muestras. El método llamado deposición química de vapor, consiste en hacer pasar el gas metano (CH4) a través de una lámina de cobre. A altas temperaturas (800°C o 1000°C), el metano deposita su carbono, idealmente en láminas hexagonales perfectas, y el hidrógeno es liberado. En otro método, el grafito se disuelve en un disolvente y luego se rocía en capas delgadas usando impresoras de inyección de tinta. El disolvente se evapora y se obtienen las láminas de grafeno. También se puede sintetizar grafeno a partir del azúcar común a 800°C siendo el grafeno resultante de alta calidad.

Otra nueva técnica de fabricación pasa por la oxidación del grafito obteniéndose un polvo llamado óxido de grafito. Posteriormente se suspende en agua y se coloca en un equipo de ultrasonidos con lo que se inicia el proceso de exfoliación. Los ultrasonidos separan las láminas oxidadas de grafito y permiten obtener escamas de grafeno a nivel nanométrico.

En la actualidad, el grafeno se comercializa bajo dos formas: en lámina y en polvo.

• Grafeno en lámina. Es de alta calidad y se emplea en campos como la electrónica, la informática o incluso en sistemas de telecomunicaciones y satélites, donde se requiere obtener un material muy resistente. Su producción es muy costosa.

• Grafeno en polvo. Se utiliza en aquellos ámbitos en los que no se requiere de un material de alta calidad. Su proceso de obtención es más barato y permite una mayor producción del producto, pero teniendo que renunciar a gran parte de sus propiedades, ya que es muy complicado obtener monocapas de grafeno.

Aplicaciones del grafeno

El elevado número de propiedades del grafeno, o de los materiales basados en el grafeno, hacen que su espectro de potenciales aplicaciones sea muy amplio, prácticamente ilimitado. Así, ordenadores, teléfonos móviles, TV, equipos de música, son componentes que podrían mejorar sus propiedades con la utilización de este material. El grafeno también puede servir como material en la fabricación de drones, satélites o automóviles, haciéndolos más ligeros pero seguros. También en la construcción de edificios, pues los convertiría en más resistentes. Pero, sobre todo, destacan sus aplicaciones en el campo de la electrónica, donde a través de su capacidad para almacenar energía podría dotar a las baterías de una mayor duración y un menor tiempo de carga, establecer conexiones más rápidas, e incluso contribuir a mejorar el medio ambiente sustituyendo los materiales contaminantes que hoy en día nos vemos obligados a utilizar.

Asimismo, el grafeno es capaz de generar electricidad a través de la energía solar, lo que le convierte en un material muy prometedor en el campo de las energías limpias. Si se construyeran con grafeno las placas solares, podrían generar varias veces más energía por hora que las actuales. Y tampoco hay que olvidar su relevancia en el ámbito de la salud. Su futuro en terrenos como la medicina se presenta realmente prometedor. Las investigaciones han demostrado que puede ser utilizado en el transporte de fármacos, contribuir a la secuenciación del ADN, o bien utilizarse como biosensor, servir para la creación de prótesis, e incluso se podría aplicar para mejorar el tratamiento de algunas enfermedades y para rastrear el entorno celular para la regeneración de tejidos.

Cuándo podremos disponer de este material

Todavía hay un largo camino por recorrer antes de que cualquiera de estas aplicaciones pueda hacerse realidad, siendo uno de los retos más difíciles obtener hojas de grafeno lo suficientemente grandes y de alta pureza para poder utilizarse en los múltiples aplicaciones que se espera para este material. Muchas de las muestras producidas para las investigaciones hasta la actualidad son solo de unos pocos milímetros cuadrados de tamaño. La clave es que la capa debe ser de un solo átomo de espesor y disponer de todos sus átomos formados en anillos hexagonales perfectos. Esto es muy difícil de controlar cuando se producen cristales puros, y por ahora ninguno de los métodos utilizados ha llegado a este nivel para producciones potencialmente industriales.

Otro aspecto a considerar, esta vez negativo y que todavía se están analizando, es su posible toxicidad, ya que es un material potencialmente biocompatible. Los estudios hasta el momento han revelado que el óxido de grafeno no es tóxico para las células biológicas en concentraciones bajas y medias (0,1 mg y 0,25mg), mientras que para dosis altas (0,4 mg) puede llegar a ser peligroso, por lo que el grafeno puede ser dañino para la salud debido a los residuos derivados de su producción. Sin embargo, ya oxidado tiene efectos de estrés oxidativo. Faltan más análisis para valorar la importancia de estos inconvenientes de forma objetiva.

Parece que la clave actual de la investigación está en quien será el primero en demostrar si este fantástico material puede llegar a la altura de su potencial.

Autores

Ramon Mujal Rosas
Dept. Ingeniería Eléctrica-UPC

Xavier Colom Fajula
Dept. Ingeniería Química-UPC

Xavier Salueña Berna
Dept. Ingeniería Mecánica-UPC

Referencias

(1 )Brody, H. “Graphene,” Nature Outlook, Supplement to Nature, March 15, 2012, 483 (7389), March 15, 2012, Supplement pp S29–S44: http://www.nature.com/nature/outlook/graphene/ [accedida agosto 2012].

(2) Geim, A. K.; Kim, P. Carbon wonderland, Scientific American, April 2008, 299, pp 90–97: http://www.nature.com/scientificamerican/journal/v298/n4/pdf/scientificamerican0408-90.pdf [accedida agosto 2012].

(3) García, F. J. B. (2012). Nuevos materiales para la fabricación de dispositivos electrónicos. Técnica Industrial, 299, 62-67.

(4) Chávez-Castillo, M. D. R., Rodríguez-Meza, M. A., & Meza- Montes, L. (2013). Grafeno y Siliceno: una nueva vida gracias a la sutileza de los materiales bidimensionales. CIENCIA ergosum, 20(2).

(5) Fernández Merino, M. J. (2013). Grafenos preparados por métodos químicos: características y aplicaciones.

(6) Solís Fernández, P. (2011). Modificación superficial de materiales de carbono: grafito y grafeno.

(7) Gordillo, C. A. C., Cepeda, L. F., Aguilar, N. V. P., & Hernández, E. H. (2013). Nanocompuestos a base de polímeros dispersos y nanofibras de carbono.Revista Iberoamericana de Polímeros, 14(3), 108-116.

(8) Martín, D. J. M. T. Electrónica basada en Grafeno.

Páginas Web:
http://diarioecologia.com/pilas-que-no-necesitan-recarga-ni-iran-a-parar-al-basurero-porque-se-alimentan-sencillamente-del-aire-que-respiramos/
https://www.heraldo.es/noticias/sociedad/2016/01/21/grafeno-material-del-futuro-mas-presente-716734-310.html

Este artículo aparece publicado en el nº 508 de Automática e Instrumentación, págs. 72-76.