Grafeno, el material de batalla del futuro

Por Felipe Sánchez Banda

Saltillo, Coahuila. 3 de abril de 2018 (Agencia Informativa Conacyt).- En 2004, a raíz de sus investigaciones en la Universidad de Mánchester, los doctores Andre Geim y Konstantin Novoselov lograron aislar un material bidimensional conocido como grafeno, y debido esencialmente a este proyecto recibieron el Premio Nobel de Física en 2010.

A partir de entonces, inició una fuerte oleada de investigación, innovación y desarrollo en torno al potencial del grafeno y otros materiales bidimensionales, que ha progresado vertiginosamente en los últimos trece años.

Actualmente, en México, diversas instituciones de educación superior y centros de investigación se mantienen a la vanguardia estudiando las propiedades y alcances de este y otros materiales bidimensionales.

En entrevista exclusiva para la Agencia Informativa Conacyt, el doctor Salvador Fernández Tavizón, coordinador e investigador del Laboratorio Nacional de Materiales Grafénicos del Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA) y miembro nivel I del Sistema Nacional de Investigadores (SNI), explica qué es, su origen, propiedades y aplicaciones comprobadas hasta el momento, de este material del que aún falta mucho por estudiar. 

Agencia Informativa Conacyt (AIC): ¿Qué es el grafeno?

Salvador Fernández Tavizón (SFT): El grafeno es un material bidimensional, característica que le confiere —y a otros materiales bidimensionales también porque el grafeno no es el único que existe— propiedades distintas que pueden ser empleadas con ventaja sobre las propiedades de materiales similares desde el punto de vista químico.

Está hecho de átomos de carbono (C) dispuesto en una laminilla, que tiene el grosor del tamaño del átomo de carbono. Estos átomos están unidos en esa lámina bidimensional en una red de bencenos. Es decir, son átomos aromáticos con la peculiaridad de tener electrones dispuestos en un orbital perpendicular a la lámina, lo que permite que se compartan con los átomos contiguos. Viéndolo así, este material bidimensional es una nube de electrones sobre la superficie original de carbono y esa nube de electrones le confiere muchas de las propiedades. 

AIC: ¿Cuándo fue descubierto el grafeno?

SFT: Aunque objeto de interés teórico que predecía su existencia, podemos decir que su descubrimiento lo define su aislamiento. En la comunidad científica hasta muy recientemente se consideraba que los materiales bidimensionales no podían existir porque su comportamiento termodinámico sería estar en continuo movimiento, y este movimiento continuo introduciría energía suficiente como para desmembrar el material mismo.

La comunidad científica se debatió por 50 años sobre si podían existir los materiales bidimensionales. Andre Geim (quien recibió posteriormente el premio Nobel por el aislamiento del grafeno) no se lo tomó muy en serio y uno de sus estudiantes, Konstantin Novoselov, aisló una lámina de grafeno y demostró dos cosas: una, que se puede aislar y que termodinámicamente es suficientemente estable como para existir; pero además de eso demostró su enorme capacidad de conducción eléctrica.

Esto se publicó en 2004 y a partir de esta fecha ha habido una explosión de información, investigación y materiales bidimensionales. Incluso comenzaron a aislar otros materiales bidimensionales con propiedades similares.

AIC: ¿Con qué propiedades comprobadas cuenta el grafeno?

SFT: La bidimensionalidad es una característica que le confiere propiedades distintas que podemos aprovechar. El grafeno es el mejor conductor térmico y eléctrico que existe, muy superior al cobre, porque como se dijo antes, lo podemos equiparar a una lámina cubierta por una nube de electrones, y la electricidad es la conducción de electrones. El grafeno, dada esta nube, puede conducir electrones con toda facilidad sin tener dificultades de difracción del haz electrónico, el movimiento electrónico es extremadamente rápido. Esta es una de las primeras propiedades descubiertas sobre el grafeno.

Es un material que físicamente se puede manipular con pinzas sin que se destruya y esto da un indicio de la resistencia y robustez del grafeno.

Doctor Salvador Fernández Tavizón.El material tiene propiedades mecánicas muy superiores a las del acero, considerando el mismo peso, conduce mejor la electricidad, es el mejor conductor térmico que existe, es flexible y transparente, etcétera. Todo demostrado después de muchos años de investigación.

AIC: ¿Qué aplicaciones tiene actualmente?

SFT: Se está usando en algunas aplicaciones de alta densidad económica, que por ahora son las que pueden pagar el costo de vencer las dificultades que hay que superar para manipularlo; sin embargo, estas son apenas un atisbo de lo que se va a lograr al cabo de cinco, 10 o 15 años o los que sean.

Ya se está usando en las pantallas de celulares, específicamente en la parte inferior de la pantalla táctil; al presionar, cierras un circuito eléctrico con el grafeno como base; de esta forma los futuros celulares serán flexibles, como lo serán otras muchas aplicaciones como las computadoras. Se utiliza también en algunas pantallas de los televisores más caros que hay en este momento.

Comienza a utilizarse para la fabricación de circuitos electrónicos, esto es tintas electrónicas o tintas de conducción eléctrica.

Ya hay circuitos electrónicos fabricados con tintas de grafeno y, recientemente (21 días), acaba de ser publicado un artículo en donde pasan un haz de láser de alta energía sobre un material orgánico con el que se quema, literalmente, el material orgánico para crear carbono amorfo. Después le da otras ‘pasadas’ con un láser desenfocado y ese carbono amorfo se  convierte en grafeno. Es decir, con un láser se pueden hacer los circuitos electrónicos sobre cualquier material que contenga carbono.

AIC: ¿Cuáles son las ventajas y desventajas del grafeno?

SFT: El grafeno tiene la ventaja sobre otros materiales de estar formado por carbono, y todo organismo vivo fundamentalmente es carbono, junto con otros elementos. Entonces, el carbono es el cuarto elemento en distribución en el universo y el segundo en la constitución de los seres vivos de la corteza terrestre.

Sabemos que podemos obtener grafeno de cualquier cosa que tenga carbono y eso tiene ventajas sobre otros materiales más escasos como el silicio. El carbono es una fuente inagotable y hay que aprender cómo obtener y aprovechar el grafeno.

La dificultad o desventaja es cómo se separan las láminas, dado el tamaño, ya que en un milímetro del grosor de la punta de un lápiz caben tres millones de láminas de grafeno apiladas una sobre otra.

Es más fácil separarlas por métodos químicos que mantenerlas separadas, la dificultad surge de su tendencia a unirse de nuevo buscando estabilizarse. Esto es la principal dificultad a vencer, necesita contestar cómo mantener separados materiales que buscan estabilizarse uniéndose nuevamente.

Esa es la principal dificultad, cómo lograr una suspensión estable de alta concentración de láminas de grafeno, propensas a unirse las unas sobre las otras. Esa es la principal dificultad en el manejo.

Por ahora, sin que sea la única forma de hacer grafeno pero sí la más recurrida y que ha demostrado hasta el momento ser la más fácil, es utilizando grafito. Con la desventaja que el grafito no es un material único, el grafito extraído de diferentes áreas de una mina no es de calidad uniforme y sus propiedades físicas difieren. Si así pensamos en diferentes depósitos de grafito, concluimos que así como hay grafitos parecidos pero distintos, así hay grafenos con diferentes características. Si tomamos en cuenta que hay diferentes métodos de separación, la posibilidad de tener un solo grafeno es prácticamente nula si lo haces por método de producción de separación de arriba hacia abajo.

La dificultad es cómo homogeneizar el tipo de grafenos producidos y en esa homogeneización es cómo repetir la obtención del mismo tipo de materiales. Es la primera búsqueda, cómo hacerlo en cantidades suficientes, de manera repetible y económica.

Después surgen otras dificultades. No se une fácilmente con otras cosas, tienes que resolver cómo unirlo, por ejemplo unirlo sobre materiales poliméricos, para que estos tengan las propiedades mecánicas o de transferencia térmica o eléctrica del grafeno. Con el grafeno encontrarás dificultades pero también otras enormes posibilidades de uso.

AIC: ¿Qué proyectos desarrollan en el Laboratorio Nacional de Materiales Grafénicos?

SFT: Continuamos trabajando con dos líneas en general. La primera es cómo hacer cantidades industriales de forma económica de grafeno, en este momento de nanoplaquetas. Es decir, que no es una sola lámina sino que son varias apiladas una sobre la otra y que las podamos manejar como láminas, y continuamos buscando la manera de tener suspensiones estables de una sola lámina de grafeno.

Aquí en CIQA, con nuestros materiales, estamos trabajando para mejorar las propiedades mecánicas de polímeros, las propiedades de conducción eléctrica, de conducción térmica de polímeros con grafeno.

Además estamos utilizando los materiales que hacemos para la detección de moléculas de importancia biológica, hay muy poca gente en México trabajando en eso. El grafeno y otros materiales bidimensionales se prestan a ser utilizados para el sensado de moléculas de importancia biológica, en este caso peróxido de hidrógeno, glucosa, dopamina, ácido úrico, entre otras. Nos falta pero podríamos llegar a la detección de otras cosas, al sensado de otras expresiones, de otras enfermedades como cáncer, específicamente la detección de algunas expresiones proteínicas que al encontrarlas nos dirán que la fuente o persona de quien viene la muestra tiene cierto tipo de cáncer.

También desarrollamos materiales de almacenamiento de energía, supercapacitores. Lo que queremos hacer son materiales con los cuales podamos almacenar carga suficiente para accionar en este momento cosas relativamente pequeñas en cuanto a demanda de densidad de carga, celulares y, llegado su momento, computadoras.

Como parte del laboratorio estamos haciendo alianzas con otros investigadores de la institución y México, buscando desarrollar aplicaciones para los materiales.

En el Centro de Investigaciones en Óptica (CIO) se trabaja en utilizar materiales de grafeno en conjunto con cristales de perovskita. Si unes cristales de perovskitas con un grafeno, obtienes el equivalente a una celda fotovoltaica, un material capaz de tomar irradiación solar en el visible y convertirlo en electricidad.

Con el Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico en Electroquímica (Cideteq) se está haciendo una conjunción de grafeno modificado para utilizarlo en celdas fotoelectroquímicas, que son materiales que al ser irradiados por luz, idealmente en el visible, originan una corriente eléctrica que modifica el entorno en que están y generan, en este caso, hidrógeno, es una celda de combustible.  

En el Centro de Investigación en Materiales Avanzados (Cimav) en Chihuahua, estamos trabajando grafeno con otros materiales, para hacer compuestos que bloqueen las radiaciones electromagnéticas.

Son las áreas de oportunidad que hemos estado viendo en las tres instituciones: celdas fotoelectroquímicas, celdas fotovoltaicas, materiales de bloqueo de interferencia electromagnética; mientras que en CIQA continuamos trabajando con polímeros, supercapacitores y sensores.

AIC: ¿Qué consideraciones o aclaraciones se tienen que hacer respecto al grafeno?

SFT: Hay una creencia de que el grafeno va a solucionar todo, la realidad nunca es así, el grafeno tiene propiedades extraordinarias que requiere extraordinarios esfuerzos para poderlas concretar. Llevar una curiosidad de laboratorio a una aplicación madura y desarrollada lleva décadas, el caso del grafeno es hasta cierto punto excepcional porque en poco más de una década ya hay aplicaciones.

Pese al optimismo que permite el grafeno, dista mucho todavía de podernos llevar a la concreción que buscamos. Hay que aclarar que actualmente el grafeno por sí mismo no cura nada. Apenas estamos abordando el tema, tenemos trece años trabajando de manera consciente con materiales bidimensionales y, sin embargo, ya tenemos muchísimos resultados. Se van a poder lograr otros muchos, sí, pero hay que tener paciencia y trabajar mucho.

AIC: ¿Cómo visualiza el futuro del grafeno?

SFT: El grafeno va a ser fundamentalmente el material de batalla para futuras aplicaciones; tenemos muchísimas pruebas de concepto que nos dicen que con el grafeno modificado vamos a poder detectar enfermedades, hacer supercomputadoras, replicar algunos fenómenos cuánticos observados, se puede convertir en un superconductor eléctrico si lo modificas con suficiencia, vamos a poder desalinizar agua de mar con economía y purificar agua contaminada, entre otros.

Si nos ponemos a pensar en todas las posibilidades de la nanotecnología, facilitadas o propiciadas por materiales bidimensionales, fundamentalmente el grafeno que viene del carbono, la imaginación es el límite. Nos va a dar energía limpia, agua, permitir detectar y tratar enfermedades y va a posibilitar la obtención, manejo y almacenamiento de energía. Hablamos de materiales modificados con base en grafeno.

 

 

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