Tema 5: La importancia del carbono
Competencias digitales
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Grafeno, el material del futuro
Una lámina de grafeno sobre un soporte. | Justy García Koch.
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 (Sochi, 1958) y Konstantin Novoselov (Nizhny Tagil, 1974) recibieron el Premio Nobel de Física. 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.
El estudio de las propiedades del grafeno mantiene ocupados a una gran cantidad de científicos en todo el mundo, entre los que destacan las aportaciones de los físicos teóricos españoles.
En fase de desarrollo
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 compuesta de carbono (sólo tiene un átomo de grosor). 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.
El principal obstáculo en la actualidad es que aún no es posible fabricar grafeno a gran escala, según explica Jesús de la Fuente, director de la empresa española Graphenea Nanomaterials, una de las pocas compañías que de momento, producen este material. Avanzare y GranphNanotech son otras dos empresas españolas que trabajan con él.
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 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 principales competidores son estadounidenses): “Es el grafeno de alta pureza y el que reúne 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.
Muestra de grafeno sobre lámina de silicio. | Graphenea
“Se realiza en un reactor CVD donde se introduce un gas con carbono. Mediante la aplicación de energía se depositan 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.
Esta empresa suministra material a sus clientes desde el verano de 2011, tanto a centros de investigación como a grandes empresas. “El 99% de nuestra producción la vendemos en el extranjero, aunque en España hay una gran actividad de investigación. Las empresas ‘start-up’ están llevando a cabo algunas iniciativas mientras que las grandes empresas están a la espera”, añade.
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. Los prototipos de baterías fabricadas con electrodos de grafeno son diez veces más duraderas que las que llevan los teléfonos que se venden en el mercado y se cargan en mucho menos tiempo (aproximadamente media hora).
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, más respetuosos con el medio ambiente: “Ahora se utilizan 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.
Por lo que respecta a los paneles solares, De la Fuente explica que el objetivo es conseguir células con un 42% de eficacia (es decir, que conviertan en electricidad el 42% de la energía solar que reciben). Las que hay ahora en el mercado tienen una eficiencia de aproximadamente el 16%.
Grafeno en polvo
El grafeno en polvo se utiliza en aplicaciones que requieren un material más barato, como composite para construcción. Lo más frecuente es mezclarlo con otros materiales. “El proceso de producción de grafeno en formato polvo parte del grafito como materia prima y básicamente 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.
Óxido de grafeno y grafeno en polvo. | Graphenea.
“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. Sin embargo, De la Fuente ve complicado su uso en este sector debido a 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. No obstante, aunque estos avances médicos lleguen llegan a lograrse, cree que tardarían años en aplicarse.
Por su parte, Elsa Prada, investigadora del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (CSIC), señala que el grafeno podría usarse también en biodispositivos, en envoltorios bactericidas para medicinas y alimentos o para fabricar materiales compuestos más ligeros y resistentes (para aviones, coches, etc.).
Grafeno artificial
Pese a sus extraordinarias cualidades, el grafeno no es perfecto. 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 mundiales en este material.
Junto a colegas estadounidenses de la Universidad de Stanford (California), el también investigador del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid 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 que encontramos en la naturaleza. “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”.
Antes de ver productos fabricados con grafeno, Guinea cree que será necesario que “se abaraten los costes”. El investigador espera “que la demostración de que se puede fabricar grafeno artificial lleve a que otros grupos contribuyan a mejorar las técnicas de producción”.
Inspirador de otros materiales
Entre los otros materiales bidimensionales que ha inspirado el grafeno, Elsa Prada destaca el fluorografeno (análogo bidimensional del teflón, con propiedades lubricantes y aislantes extraordinarias), el nitruro de boro hexagonal (aislante cristalino y transparente, de gran dureza, que combinado con el grafeno mejora sus propiedades electromecánicas), el disulfuro de molibdeno (otro cristal bidimensional con prometedoras propiedades para la construcción de una nueva clase de transistores) o el siliceno (versión del grafeno hecho de silicio. Tiene algunas propiedades en común con el grafeno, y como ventaja se podría integrar fácilmente con la electrónica actual basada en el silicio).
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 con potencial y demanda. En particular, el grafeno puede brindarnos la posibilidad de ser líderes y exportadores a nivel mundial de una tecnología de futuro”, concluye.