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El siglo XX fue el de los plásticos ¿El XXI el del grafeno?

Aprovechando que estos dias los colegas del ICN2 organizan un congreso mundial sobre el grafeno, GRAPHENE 2017 haré la entrada sobre este material 2D al que algunos le atribuyen propiedades divinas y  que esta llamado a revolucionar el futuro, ¿Será cierto esta vez?.

Sin duda alguna, algo tiene que tener el grafeno para que noticias, noticias y más noticias inunden periodicamente los medios de comunicación hablando de sus posibles aplicaciones o las nuevas perspectivas que ofrece este extraordinario material. Estamos ante un hecho sin precedentes, desde que yo interacciono con el mundo de la nanodivulgación, ningún otro material o aplicación había tenido tal impacto.

El grafeno está destinado a revolucionar muchas industrias, incluyendo sensores, baterías, conductores, pantallas, electrónica, generación de energía, medicina y muchas  más.

A parte de tener un nombre curioso…¿Qué es el grafeno?

En la escuela probablemente te acuerdas de lo sorprendente que era ver que dos formas del carbono aparentemente muy similares (alotrópicas) pero que tenian unas propiedades tan sorprendenteme diferentes, estoy hablando del  grafito (el material suave y negro en el lápiz) y el diamante (los cristales brillantes y super duros en la joyería). Lo sorprendente es que ambos materiales radicalmente diferentes están hechos de átomos de carbono idénticos. Entonces, ¿por qué el grafito es diferente al diamante? Los átomos dentro de ambos materiales están dispuestos de diferentes maneras, y esto es lo que hace que sus propiedades sean completamente diferentes.

Si eso es lo que aprendiste en la escuela, probablemente terminaste tus estudios hace bastante tiempo, porqué en los últimos años los científicos han descubierto  varios alótropos de carbono diferentes con propiedades aún más interesantes. Existen los fullerenos (descubiertos en 1985, jaulas huecas de átomos de carbono, incluyendo los llamados Buckyball o Buckminsterfullerene, fabricados con una especie de jaula en forma de fútbol de 60 átomos de carbono), los nanotubos de Carbono (descubiertos en 1991, láminas planas de átomos de carbono rizados, en tubos increíblemente finos y huecos de un nanómetro de diámetro) y (ratatatatatatatatatatata) el grafeno (descubierto en 2004). Hablemos un poco de este ultimo material….

Seguro que conocéis de que esta hecha la mina de los lápices, de grafito,la forma más estable del carbono elemental a temperatura ambiente y presión atmosférica. Este material de color negro es el que utilizamos para escribir  pero, también, es utilizado como lubricante industrial. Esta propiedad de lubricante viene dada por su estructura atómica; un conjunto de capas de grafeno débilmente unidas entre ellas.


El grafeno es una lámina de átomos de carbono de un átomo de grueso, dispuesta en una red cristalina de panal (hexágonos o alambre de pollo).Con la particularidad que no se queda exactamente en un plano bidimensional, sino que más bien es como si “el panel de abejas” se situará sobre una sabana no totalmente estirada.

Con esta configuración de un átomo de grosor, obtenemos unas propiedades específicas y muy interesantes de los electrones que se encuentran alrededor del material. Estas peculiaridades se deben a su distribución bidimensional, concretamente, al confinamiento de estos electrones en un plano. Por este motivo, podemos decir que la física cuántica involucrada en la formación de este material adquiere aplicación en la vida cotidiana.

Como todo lo que conocemos…también tiene su historia

Durante muchos años el grafeno fue estudiado de forma teórica debido a su simple y simétrica estructura, pero el problema residía en como producirlo. Andre Geim y Konstantin Novoselov solucionaron conétito y glamour, mucho glamour este problema y fueron los primeros en aislarlo el 2004. Para hacerlo utilizaron las manchas de lápiz en un papel, que son básicamente capas de carbono, cinta adhesiva (si con celo y obtuvieron un premio nobel!!!!) para separarlas y ponerlas en un cubreobjetos.

Analizando lo que tenían allí, encontraron zonas donde realmente había una sola capa, es decir, grafeno. De esta forma tan simple pudieron obtener este material por primera vez y comprobar los resultados teóricos que se habían publicado hasta entonces. Actualmente se utilizan técnicas más avanzadas para hacer crecer estas capas, pero su producción sistemática aún no está del todo desarrollada como para hacer competencia al Silicio, el elemento primordial de la nanotecnología.

Un poco de ciencia más profunda por Sergi Plana…sabias que … : Los enlaces que unen los átomos del carbono dan una total de energía óptima, es decir, baja, para que el compuesto sea estable. Estos enlaces se basan en compartir electrones entre los átomos de la estructura (enlaces covalentes), de manera que si tenemos en cuenta esta formación de triángulos equiláteros para cada carbono, y que tenemos una distribución de los electrones alrededor del núcleo, nos queda un electrón perpendicular al plano principal del grafeno. Este último electrón lo podemos considerar como cuasi-libre porqué no esta siendo compartido por otros átomos de carbono, mientras que los otros están siendo compartidos para dar lugar a la formación de la estructura. Es decir, se forma una capa de electrones cuasi-libres por encima y por debajo del plano hexagonal que es responsable de la conducción eléctrica.

De las promesas….a la realidad

Desde que Andre Geim y Konstantin Novoselov fueron premiados con el Nobel por su contribución al desarrollo y la caracterización del grafeno en 2010, este material ha copado los medios de comunicación por sus perspectivas de ser el próximo material dominante en la electrónica (tiembla silicio), llegando incluso a sustituir el “Silicon Valley” por el “Graphene Valley” como icono del desarrollo tecnológico.

Pero, ¿Cuáles son las propiedades que hacen que sea tan interesante y glamuroso?

Gracias a su gran cristalinidad y simetría, la movilidad de los electrones es 10 veces mayor a la del silicio y su velocidad permite aplicaciones de alta frecuencia, como es el caso de los transistores de los chips. Su conductividad térmica es también 10 veces mayor que la del cobre, de forma que reduce notablemente el sobre-calentamiento de los dispositivos. Y otras importantes propiedades, como la Elasticidad, el grafeno presenta una elevada elasticidad, lo que permite que pueda ser aplicado en diferentes superficies y aumentar la durabilidad de las mismas. Elevada densidad, el grafeno es un material muy denso. Tanto, que ni siquiera los átomos más pequeños conocidos, los de Helio, son capaces de atravesarlo. Del mismo modo sí que permite el paso del agua, que se evapora a la misma velocidad que si estuviera en un recipiente abierto. Reacciona químicamente con otras sustancias por lo que puede servir de base para la creación de materiales nuevos o introducir impurezas dentro de su estructura para modificar sus propiedades originales. Soporta bien la radiación ionizante, el grafeno ofrece una gran resistencia a ser modificado por este tipo de radiación, por lo que se puede aplicar en ámbitos como el sanitario, en el que se utilizan aparatos que emiten radiaciones ionizantes, como es el caso de los sistemas de radioterapia, por ejemplo. En la actualidad, los materiales que se encuentran alrededor de los aparatos que emiten radiaciones ionizantes se desgastan muy pronto, lo que supone un coste muy elevado que se podría ahorrar utilizando grafeno. Efecto antibacteriano, al estudiar el comportamiento del grafeno con organismos vivos, se comprobó que las bacterias no crecen en él, lo que abre las posibilidades de su utilización en la industria alimentaria o en la biomedicina.

Por estas razones, una de las aplicaciones más prometedoras es como sustituto de los cables de cobre para el transporte de la corriente eléctrica. Además, tiene una gran resistencia a romperse (100 veces mayor que el acero) y pesa muy poco (tiene una densidad similar a la de la fibra de carbono, una densidad de 0.18 miligramos por centímetro cúbico), se pueden llegar a producir geles de grafeno más ligeros que el aire.), debido a la fortaleza de sus enlaces.

Sheldon Cooper de The Big Bang Theory intentando descubrir el porqué de las propiedades electrónicas del grafeno.

Es tan brutal la combinación de estas propiedades de ligereza y peso que si alguien tiene la oportunidad (;D) puede probar este experimento, que tendrá exito (si lo prueba por favor que lo documente!): el grafeno es tan fuerte que una hoja de él (tan delgada como el film de plástico para proteger los alimentos)  podría soportar el peso de un elefante subido sobre un…lápiz. Es por este motivo que la industria textil también se ha fijado en este material para la fabricación de ropa ligera.

También es interesante mencionar que el grafeno tiene unas propiedades ópticas y optoelectrónicas fantásticas, es casi transparente a la luz visible (al contrario del grafito) y, por esta razón, es también especialmente adecuado para pantallas de móviles, televisores o paneles fotovoltaicos. Como vemos, las propiedades del grafeno y sus aplicaciones son particularmente interesantes y con un amplio rango de aplicabilidad. Su impacto directo en la sociedad no tardará mucho en llegar, tanto por los esfuerzos académicos como por los de la industria en su producción y aplicación. a partir de aquí que juegue nuestra imaginación y que piense en nuevas aplicaciones revolucionarias gracias a este fantástico material.

Todavía estamos muy lejos  de entender las verdaderas propiedades del grafeno, esto es sólo la punta del iceberg. Antes de que podamos entender las áreas dónde el grafeno tendrá un profundo impacto grafeno, tienes que pasar mucho más tiempo para entender lo que hace un material tan increíble

Hablemos de inversiones

Cómo ya hemos comentado, la potencialidad del grafeno es impactante, pero para demostrarlo nos podemos ir a mirar que se esta inviertiendo en él, porqué que mejor indicador en la sociedad actual de la potencialidad de algo si los inversores apuestan por él…sobre este tipo de modelo de sociedad quizás hablo un día.

Pongamos una cifra, sólo una para ver el alcance de las inversiones.: en el período 2014-2020 sólo europa invertirá 1000 millones de euros (si un 1 y 9 ceros detrás, 1000000000E, como la diferencia entre 1nm y 1m) en el grafeno, gracias al programa GRAPHENE FLAGSHIP, y a esta cifra sumale EEUU (pre-trump jeje), china, japón, corea,etc,etc. BRUTAL!

Os dejo un  rapport del periodo 2015-2018 y algunas compañías implicadas.

¿Es grafeno todo lo que reluce?

El grafeno presenta en estos momentos un gran problema, su fabricación es muy costosa y además es poco escalable. En un estudio realizado por la consultora Lux Research se afirma que el mercado del grafeno en 2025 será únicamente de 350 millones de dólares, lo cual es una cantidad muy baja si consideramos las grandes inversiones que se están realizando para su desarrollo, ya que hasta el momento se han invertido 2.400 millones para su investigación. Hasta que no se desarrollen métodos más eficientes para producir grafeno en masa no se podrá considerar este material como alternativa a los que actualmente se utilizan en la industria de la electrónica, que es la que más capacidad puede tener para darle un impulso a la adopción del grafeno, como demuestran las más de 7.000 patentes que se han registrado en esa industria para la utilización de este material.

Keith Paton que ha desarrollado para la empresa Thomas Swan una planta piloto de producción en masa de grafeno resume cuáles son los problemas actuales de la producción de grafeno:

La producción en masa de grafeno generalmente necesita materiales complicados y contaminantes, o reacciones químicas que, aunque pueden ser corregidos, crean defectos estructurales

Y a día de hoy, ¿Cómo esta el tema?

Primero de todo, MARCA ESPAÑA, aquí si que podemos sacar pecho ya que España es una de las potencias mundiales del grafeno, ya veremos si se mantiene en el tiempo.

Volviendo a la pregunta, esta  es muy interesante porqué ya hace un tiempo que se habla del impacto que tendrá el grafeno pero no queda claro si ya tenemos productos reales en el mercado. Sobre esto os pondré algún ejemplo y un caso cercano de éxito, GRAPHENSTONE.

Una de las aplicaciones más cercanas y que en teoría (todavía no ha salido al mercado) es la del uso del grafeno en baterías compatibles para el coche eléctrico con autonomías que pueden alcanzar los 800km y tiempos de carga de únicamente 5′!!!!, de la empresa española GRAPHENANO. Los cascos que protegen a los ciclistas del movistar team llevan grafeno, se venden colchones con grafeno (esto a mi me mosquea un poco), bombillas con grafeno que gastán menos que un LED, la raqueta de tenis de DJOKOVIC, skies, enfriadores de CPU de ordenadores, ruedas de bicicleta, calzado de ciclista, sensores desarrollados por el ICN2, aparatos impactantes para el diagnosis clínico y muchas compañías más con unas expectativas de mercado cercanas a 220M$ para el 2020.

Caso de éxito conocido: Graphenstone. Básicamente, su porducto se basa en el uso de un material puntero, el grafeno en un material clásico, la cal. Graphenstone usa las fibras de Grafeno para otorgar a las pinturas y recubrimientos base cal unas propiedades innovadoras: conductividad térmica, gran dureza, homogeneidad, resistencia y flexibilidad.

Este compuesto nanotecnológico actúa como una malla de soporte estructural a nivel molecular, lo que se traduce en una mayor durabilidad y por consiguiente en un menor mantenimiento y un mayor ahorro

Otro caso de éxito, es el del maesto fresquista y amigo reciente, Francisco Valderrama, el cual esta revolucionando la técnica del fresco contemporáneo gracias a una variante del producto de graphenstone. Ha realizado y presentado un conjunto de obras (ORIGEN) basadas en esta técnica dentro del proyecto fresco y lo podéis ver en directo el próximo 25 de abril a las 17h en COSMOCAIXA dentro de las diferentes actividades que organizamos en el Festival de Nanociencia y Nanotecnología: 10alamenos9…y en un futuro próximo, estoy seguro que su obra en la Iglesía de Sant Baldiri de Sant Boi, será recordada, tiempo al tiempo. ¿Verdad Pepé?

 Y para acabar…el futuro: 13 maneras en las que el grafeno cambiará nuestras vidas

 Aquí os dejo un  curiosos artículo sobre diferentes productos que quizás veamos pronto…
En resumen, es importante no dejarse llevar por el bombo ni  por el hecho que la mayor parte de la investigación actual  sigue siendo lo que podríamos describir como “los mundos de Yupi”, pero el grafeno tiene pinta que ha venido para quedarse, no se si seremos nosotros, nuestros hijos o nuestros nietos los que viviremos la era del grafeno pero creo fervientemente que esta llegará. Seguro que muchas de las expectativas creadas no se cumplirán, pero digo yo, si puede aguantar el peso de un elefante sobre un lápiz…que no es capaz de conseguir este extraordinario material


Os dejo algún link para explicar de una manera simple el grafeno:

http://www.explainthatstuff.com/graphene.html

http://www.azonano.com/nanotechnology-video-details.aspx?VidID=548

Agradecimientos: Este artículo parte de un artículo de un buen colaborador, Sergi Plana, en el hay extractos del mismo...con su permiso!!. Gracies Sergi.