Materiales III corte

Carlos Alberto Bohrquez-2092

En espera del grafeno

Tiene un tomo de espesor y promete ser el material del futuro, ser cierto?

Grafeno. Este material repunta como el protagonista de la nueva revolucin

tecnolgica. / Crditos: QUO Mircoles 13 de mayo de 2015

Imagina un telfono celular que se dobla y lo puedes llevar como pulsera, que su batera se carga en 16 segundos y,

adems, es biodegradable. Piensa en un coche mucho ms ligero y resistente, pintado con un compuesto que absorbe la

luz solar y la transforma en energa elctrica. Fantasea con una cmara que puede tomar una imagen en un ambiente casi

oscuro sin usar flash, o con un marcapasos al que nunca hay que cambiarle las pilas. En el centro de todas estas promesas

de tecnologa est el grafeno, material que provoca revuelo en laboratorios cientficos y empresas de innovacin de todo el mundo, porque se le mira como el protagonista de la nueva revolucin tecnolgica.

El grafeno se integra por tomos de carbono, ordenados de tal manera que forman una malla hexagonal, y con un solo

tomo de espesor, explica al telfono Gerardo Garca Naumis, investigador del Instituto de Fsica de la UNAM. Su chiste est en que es el material ms delgado del mundo, muy flexible y casi irrompible, ya que es de la misma familia de

materiales que el diamante; conduce la electricidad mejor que el arseniuro de galioy el calor, mejor que la plata.

Con semejante hoja de vida, no es extrao que centros de investigacin y empresas hayan puesto grandes esperanzas en l.

Naumis, por ejemplo, experimenta en cmo utilizarlo para hacer transistores, contaminndolo qumicamente para que se convierta en un semiconductor, o en cmo se puede deformar para alterar sus propiedades electrnicas.

Justo en esta idea tambin trabaja Andre Geim, el ruso que, junto con su compatriota Konstantin Novoselov, sintetiz en

2004 este material por primera vez para, solo seis aos despus, recibir el Premio Nobel de Fsica.

Experimento de viernes

El carbono es el pilar de la qumica orgnica. Cuando se organiza en capas bidimensionales unidas en forma muy dbil

entre s, se obtiene el grafito, material que est en el corazn de los lpices. Fue justo con grafito como los investigadores

Geim y Novoselov comenzaron a investigar en la Universidad de Manchester, Reino Unido.

Los dos investigadores y otros tenan lo que llamaban los experimentos de los viernes, una suerte de ideas poco ortodoxas y difciles de justificar en el presupuesto de una institucin cientfica, las cuales realizaban cuando las labores

normales haban llegado a su fin. Gracias a esta tcnica de trabajo Geim gan, en el ao 2000, un Ig Nobel parodia del famoso galardn y que premia lo inusual en la ciencia por hacer levitar magnticamente a una rana.

Durante uno de esos viernes de experimentos, Geim propuso buscar en el grafito, tratando de hallar un metal lo ms fino

posible. Novoselov, entonces estudiante de posgrado, tuvo la idea de usar, en un laboratorio de alta tecnologa, un mtodo

rudimentario: con una cinta adhesiva, fueron quitando capas de grafito, pegando y tirando, como si depilaran la muestra.

En la cinta quedaban lminas de material, que depositaban sobre xido de silicio y estudiaban con el microscopio.

Mucho antes de los experimentos de Geim y Novoselov, ya se teorizaba sobre las propiedades del grafeno. En 1947, el

canadiense y fsico terico Philip Russell Wallace public el artculo The band theory of graphite; Russell trabajaba en teoras de reacciones nucleares y las propiedades de materiales relevantes como el grafito. Sin embargo, para la

comunidad cientfica la existencia del grafeno era imposible ya que, de aislar una sola capa, sera defectuosa y dbil.

Antes se pensaba que los cristales bidimensionales no podan existir debido a su inestabilidad termodinmica, comenta Guillermo Orts-Gil, coordinador del Nano-grupo en el Instituto Max Planck de Coloides e Interfases en Golm, Alemania.

Por eso la sorpresa de Geim y Novoselov fue mayscula al encontrar, mientras miraban por el microscopio, monocapas y

bicapas de grafeno que no eran inestables a temperatura ambiente y, adems, tena una conductividad elctrica 100 veces

ms rpida que el silicio. La revista Nature rechaz publicar sus hallazgos. Segn dijo Geim en su discurso de aceptacin

del Nobel, no consideraron que constituyera un avance cientfico suficiente.

Guillermo Orts-Gil resalta que es importante discernir bien lo que es estrictamente grafeno: una sola capa de tomos de carbono. Y con lo que se trabaja normalmente tiene de tres a cien capas de grafeno, ya que las propiedades de unos y otros

pueden ser sustancialmente diferentes Adems hay que tener en cuenta que no representa an una revolucin tecnolgica real.

El investigador Orts-Gil pone como ejemplo el caso de los nanotubos de carbono, material sobre el que se han publicado

varios artculos y que, junto con el grafeno y los fulerenos, molculas de carbono en forma de baln de futbol, forman lo

que podramos llamar la triloga del nuevo carbono.

Hubo muchas empresas que empezaron a producir nanotubos de carbono en toneladas antes de que existiera realmente un mercado que demandara su uso, y esto hizo que algunas de esas empresas quebraran y que se generara descontento con

los nanotubos de carbono, asegura Orts-Gil. Deberan aprender de esto y no cometer los mismos errores que se tuvieron con el grafeno. Si va a ser una revolucin, es algo que est por verse, con el gran proyecto europeo Graphene Flagship.

Buque insignia

El proyecto Graphene Flagship, lanzado a finales de 2013, es pionero en el panorama cientfico europeo. Por primera vez

en la historia de Europa, ms de 150 organizaciones de todo el continente trabajarn de manera coordinada en un

consorcio para impulsar, en la misma direccin, el desarrollo del grafeno y su paso del laboratorio a la fbrica. El proyecto

cuenta con un presupuesto de unos mil millones de euros (alrededor de 1,350 millones de dlares), para la prxima

dcada; la suma es aportada por la Unin Europea, que tambin financi el ao de trabajo previo que se requiri para

ponerlo en marcha.

No me gusta la expresin material milagro, ya que necesitamos ser honestos y realistas acerca del grafeno y cualquier tecnologa basada en l, advierte al telfono Andrea Ferrari, de la Universidad de Cambridge, Reino Unido, y presidente del consejo ejecutivo de Graphene Flagship.

Formado por 16 miembros tanto de la academia como del mundo empresarial, su cometido es dibujar la hoja de ruta,

decidir dnde se invertir el dinero y asegurar que todos remen en la misma direccin. Prueba de la versatilidad del

grafeno es que el proyecto se divide en 16 reas de inters. Es cierto que es un material nico y el que tiene mayor potencial, pero este todava tiene que ser logrado y necesitamos trabajar duro concede Ferrari. Estamos al principio del camino, no al final.

Ferrari considera posible que durante los prximos cinco aos [van] a ver aplicaciones interesantes como dispositivos interactivos que, adems sean flexibles, bateras y supercondensadores, adems de polmeros y hasta membranas para

filtracin de agua. Segn su vaticinio, en diez aos comenzaramos a ver pticas y telecomunicaciones, fotones y lseres.... todos esos aspectos en los que la luz interacta con el grafeno. Si nos vamos al plazo de 20 aos, Ferrari cree que veremos nuevos transistores o sistemas similares, descubrimientos aplicables a la informtica.

En los primeros campos descritos por Ferrari ya existen patentes y prototipos. Hace unos meses, el doctor Santhakumar

Kannappan, del Instituto Gwangju de Ciencia y Tecnologa de Corea del Sur, anunci que haban logrado construir un

supercondensador de grafeno, el cual se puede cargar en 16 segundos, con la misma capacidad que una batera de iones de

litio.

Cada vez se escuchan ms anuncios de nuevos plsticos y metales con un tanto por ciento de grafeno; adems, ya existe

una raqueta que usa la versin menos pura del material para distribuir el peso de una manera ms eficiente. En otras reas

como la aeronutica los avances son mucho ms lentos; all el grafeno supondra una verdadera revolucin al lograr

aligerar los aparatos y con ello su consumo de combustible.

Hasta ahora, es la industria de los telfonos inteligentes un campo que movi 264,000 millones de dlares en 2013 la que est provocando un inters comercial ms evidente y la que concentra la mayora de las ms de 7,000 patentes sobre

grafeno que se han registrado en los ltimos aos.

Un informe de la Intellectual Property Office de la corona britnica, publicado en marzo de 2013, seala que China

encabeza el nmero de patentes; pero es Europa en donde se produce ms conocimiento bsico.

La empresa surcoreana Samsung es una de las grandes en este juego. A principios de 2014 patent una pantalla tctil

flexible de grafeno; para ello, en colaboracin con la Universidad de Sungkyunkwan, utiliz un nuevo mtodo para

sintetizar una larga pieza del material en una sola capa. Lo habitual para crear una pieza grande es unir pequeas partes de

grafeno, como un mosaico. Nokia, por su parte, ha desarrollado unas bateras flexibles utilizando material desarrollado por

Graphenea. Esta empresa vasca, fundada en 2009 por Jess de la Fuente, antiguo consultor en PricewaterhouseCoopers,

suministra material a los socios de Graphene Flagship: Nuestros clientes son departamentos de I+D de grandes empresas como Philips, Intel, IBM, Canon... y tambin universidades y centros de investigacin, explica De la Fuente por telfono.

Con una inversin inicial de tres millones de euros, ahora tiene 12 empleados y en 2013 factur unos 370,000 euros, cifra

que piensan duplicar en 2014. El mercado del grafeno es todava pequeo, resalta desde su visin comercial. Su empresa sintetiza grafeno por dos medios. Una es la exfoliacin qumica, con la que a partir de grafito logran xido de

grafeno, usado como aditivo en plsticos o resinas.

Tambin publican sus propios artculos, como en el que demostraron que si a los materiales cermicos usados para

prtesis o piezas de naves espaciales les aades un 0.2% de xido de grafeno logras mejorar sus propiedades mecnicas un 40 por ciento.

El otro medio para sintetizar el grafeno es la deposicin qumica de vapor, que utiliza gas metano. Con esta tcnica hacemos lminas de altsima pureza, que se usan para las aplicaciones ms avanzadas como sensores, electrnica,

biomembranas..., explica De la Fuente. Esta versin del grafeno siempre necesita un soporte y en el caso de Graphenea optaron por un sustrato muy conocido y bien caracterizado: el silicio.

De la Fuente pone como ejemplo el silicio para, como el resto de los entrevistados, bajar los humos sobre el grafeno: El silicio necesit 20 aos para llegar al mercado; la fibra de carbono requiri 40. Cuando se publica un artculo cientfico,

con algn avance, la gente cree que podr ir al supermercado al da siguiente y comprarlo; eso puede generar

frustracin A raz del Premio Nobel (otorgado a los creadores del grafeno) se ha generado mucha expectacin.

Tormentas a la vista

Justo ese paso, el de llevar del laboratorio a la fbrica, es donde se prev que estar el mayor escollo en el camino que

debe recorrer el grafeno. El nuevo material es relativamente bueno en el laboratorio; si quiero crear algo la mayora de las veces tengo xito asegura Ferrari, el problema es que ir desde all a la industria es diferente.

Andrea Ferrari, presidente del consejo ejecutivo de la Graphene Flagship, pone como ejemplo los prototipos

dedispositivos flexibles que se anuncian como funcionales, pero si miras con detalle, no todos los pixeles funcionan. En la universidad no es un problema, pero si eres un cliente no vas a comprar un dispositivo en el que funcionen la mitad de

los pixeles.

El fsico mexicano Mauricio Terrones, especialista en nuevos materiales e investigador de la Universidad Estatal de

Pensilvania, explica que ese es el problema del grafeno y de cualquier material que se produce a nanoescala: no es nada

fcil su produccin a nivel industrial. Cuando bajas las dimensiones, te enfrentas a problemas tcnicos. Es ms fcil controlar la calidad de un material macro que de un material micro.

Otro de los retos ser simplificar los procesos para sintetizar grafeno. No es que sea complicado de hacer, pero la tcnica ms comn usa el cobre como sustrato y necesitas calentarlo a 1,000 grados. Todo eso es muy caroexplica Andrea Ferrari. Por eso aproximaciones diferentes son muy interesantes, aunque el grafeno que logres tenga menor calidad.

En el Centre for Research on Adaptative Nanostructures and Nanodevices (CRANN), del Trinity College, en Dublin, han

desarrollado un mtodo en el que usan grafito en polvo y un lquido exfoliante, mezclndolos a gran velocidad en una

batidora, para producir grandes cantidades.

La produccin en masa de grafeno generalmente necesita materiales complicados y contaminantes o reacciones qumicas que, aunque pueden ser corregidos, crean defectos estructurales, cuenta Keith Paton, investigador en la empresa Thomas Swan, que ha desarrollado una planta piloto de produccin en masa de grafeno con esta tecnologa y ya venden su

produccin.

En nuestro proceso, el grafeno es exfoliado por la rotacin del lquido, que es la que aplica la fuerza sobre el grafito, como si fuera una baraja de cartas de donde vas sacando una a una, destaca Keith Paton.

Nuevos retos

Otro de los grandes asuntos, tanto que hasta el gran programa europeo Graphene Flagship le dedica en exclusiva uno de

sus apartados, es el de la salud y el medio ambiente. Un par de estudios, uno de la Universidad de Brown y otro de la

Facultad de Ingeniera Riverside Bourns de California, apuntan en esta direccin.

El primero, elaborado por bilogos, ingenieros y cientficos de materiales, seala que las esquinas afiladas y las protuberancias dentadas en los bordes del grafeno pueden entrar fcilmente en las membranas de las clulas y alterar su

funcionamiento normal.

El segundo estudio, que investiga el comportamiento en el agua del xido de grafeno ese material que se usa como aditivo en polmeros, concluye que tiene una gran movilidad y puede causar problemas medioambientales si hay un derrame.

La preocupacin por los posibles riesgos para la salud y el medio ambiente provienen del hecho de que, muchas veces, lo que tenemos son pequeas lminas de grafeno, llamadas en ingls nanoplatelets. Y eso entra en un campo que se conoce

como nanotoxicologa. Al ser un campo relativamente nuevo, sin estandarizacin, genera una gran cantidad de

informacin pero que es difcilmente comparable, explica Orts-Gil.

De momento se acepta que las nanopartculas son seguras mientras estn atrapadas en una matriz slida de la que no se pueden escapar, como un plstico asegura el coordinador del Nano-grupo en el Instituto Max Planck de Coloides e Interfases en Golm, Alemania. Pero una vez liberadas en el aire o en el agua es ms difcil predecir su peligrosidad.

Ferrari comenta que tambin se debe tener en cuenta que el grafeno viene del grafito y todo el mundo que usa un lpiz ha estado en contacto con l. Evidentemente si tomas un pedazo de grafeno y lo inyectas en una clula puede matar, pero

tambin si tomas una pieza de madera y la metes en tu cuerpo, tampoco sers muy feliz.

Si el grafeno logra superar estos escollos, an le queda mucho por recorrer. En varias ocasiones, Geim el Nobel que lo sintetiz hace 10 aos ha reflexionado que no sabe dnde acabar su criatura; qu campos, hoy vistos como prometedores y seguros, pueden no cumplir con las expectativas y otros, en los que nadie haba pensado, pueden ser

protagonistas de una autntica revolucin.

Mientras, el comn de los mortales, sigue esperando al material del futuro que, con un tomo de espesor, la flexibilidad de

una goma y la dureza del diamante, amaga con cambiar el mundo.

En este artculo podemos apreciar el desarrollo tecnolgico que ha tenido el estudio de los

materiales, logrando tener aqu una proyeccin de lo que ser la vida en un futuro, a partir del

desarrollo de un solo concepto como lo fue el grafeno.

Combina muchas propiedades que no se dan en otro material siendo muy duro, ligero y flexible a

la vez, lo que permite moldearlo a las necesidades de cada uso. Conduce tanto la electricidad

como el calor y permite generar electricidad a travs de la energa solar. Tambin permite

almacenar energa dotando a las bateras de una mayor duracin y un menor tiempo de carga,

superando incluso al cobre como conductor de electricidad.

Caractersticas que entre otras le ha valido la denominacin de material del futuro, y que en algn

momento nos ser bastante familiar su uso.