miércoles, 25 de febrero de 2015

Grafeno, una breve historia

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Si hay un material que despierte enormes expectativas sobre sus futuras aplicaciones prácticas ese es el grafeno. Grafeno es un término cada día más habitual, y que se escucha ligado a aplicaciones de todo tipo, desde la electrónica a los sensores químicos u otras aplicaciones de carácter biomédico. Pero ¿qué es en realidad el grafeno y por qué tanta excitación con este material?



El grafeno es un material de carbono puro, con una estructura hexagonal bidimensional formada por una única capa de átomos. No se encuentra como tal en la naturaleza, pero constituye cada una de las capas que forman el grafito. Durante muchos años se consideró que era imposible obtenerlo de forma aislada pues se creía que como película monoatómica sería termodinámicamente inestable. Sin embargo, en 2004 dos investigadores de la Universidad de Manchester, André Geim y Konstantin Novoselov demostraron que era posible aislar capas de grafeno de espesor atómico. La historia de cómo lo consiguieron es interesante, por lo que tiene de motivador para que nos dejemos llevar por la imaginación, y muestra cómo es posible obtener resultados inesperados a partir de aproximaciones poco convencionales como las que abordaban estos científicos en lo que ellos mismo llaman “los experimentos de los viernes por la tarde”. Para obtener el grafeno partieron de un trozo de grafito al que fueron quitándole capas por exfoliación con una cinta adhesiva, al trozo que quedaba adherido a la cinta lo sometían a idéntico procedimiento de forma que cada vez “adelgazaba” más. Finalmente, transfirieron los restos adheridos a un soporte de microscopía y comprobaron que efectivamente tenían zonas en las que había una película de espesor monoatómico. Este hecho demostró que era posible obtener capas aisladas de grafeno y Geim y Novoselov recibieron por ello, y por demostrar que este material tiene unas propiedades inesperadas, el premio Nobel de Física en el año 2010.



Debido a su estructura el grafeno presenta propiedades extraordinarias. Es un material muy resistente, flexible y transparente con excelentes propiedades conductoras. ¿Cómo de extraordinarias? Pues alrededor de 200 veces más resistente que el acero, más duro que el diamante, tan ligero como las fibras de carbono, pero aún más flexibles que estas, tan denso que ni el helio puede penetrarlo y conduce mejor que el cobre. Un ejemplo habitual para mostrar sus propiedades es el que indica que una hamaca de 1 m2 construida con grafeno sería capaz de soportar el peso de un gato, además sería transparente y pesaría menos que uno de los bigotes del gato.


Este aerogel formado por grafeno y nanotubos de carbono es 7 veces más ligero que el aire (Foto: Daily Mail)
Síntesis de materiales grafénicos

El reto actual consiste en ser capaces de fabricar grandes cantidades de grafeno así como láminas de grafeno de grandes dimensiones. Es evidente que el método de exfoliación que utilizaron Geim y Novoselov para producir las primeras muestras de grafeno no es un método adecuado para producir cantidades mayores de este material. Por ello se han desarrollado toda una serie de métodos alternativos para producir grafeno y materiales de características similares, denominados materiales de tipo grafeno o grafénicos. El término grafeno, por definición, es aplicable a la lámina monoatómica carente de defectos; sin embargo, coexisten con él otra serie de materiales denominados grafénicos, que se aproximan en mayor o menor medida a esta definición, bien por estar constituidos por un número pequeño de capas o por presentar defectos en su estructura o su composición. Dentro de los defectos estructurales se pueden incluir vacantes atómicas o anillos de cinco o siete átomos de carbono, mientras que los defectos de composición indican la presencia de grupos funcionales (elementos diferentes del carbono). Esto hace que se puedan obtener una familia de materiales aún más versátiles, puesto que los materiales grafénicos pueden presentar ciertas ventajas sobre el grafeno para aplicaciones relacionadas con el almacenamiento de energía o la biomedicina entre otros. Por este motivo, a la hora de seleccionar el método más adecuado para la obtención de grafeno o materiales grafénicos es necesario considerar la aplicación para la cual se quiere sintetizar, lo que condicionará la cantidad requerida, la calidad del material y el precio asumible, ya que en general, los métodos que proporcionan láminas de grafeno de mayor calidad son los que tienen un mayor coste.

Algunos de los métodos que se pueden emplear para producir grafeno (Nanowerk)


Una de las alternativas de mayor interés para la producción de grafeno es la exfoliación de grafito en medio líquido, generalmente con un paso intermedio de oxidación. En este método se introduce el grafito en un medio líquido y se oxida químicamente. En el grafito oxidado la presencia de grupos funcionales hace aumentar la distancia entra las láminas que lo constituyen, de forma que es más sencillo separarlas, lo que se lleva a cabo mediante tratamientos con ultrasonidos. De esta forma se obtienen láminas de óxido de grafeno, material grafénico con potenciales aplicaciones por sí mismo. Si este material se somete a un proceso de reducción se obtienen láminas de grafeno, aunque generalmente presentan diversas impurezas y defectos. Anecdóticamente cabe destacar que investigadores del Trinity College en Dublín han conseguido obtener cantidades muy significativas de grafeno utilizando una batidora industrial y un detergente de lavavajillas como surfactante, lo que en teoría abre la puerta a la obtención doméstica de grafeno (el artículo completo aquí, aunque de pago).



No debemos olvidar, no obstante, que la elección del método de obtención de grafeno o materiales grafénicos está fuertemente condicionada con la aplicación a la que se vaya a destinar el nanomaterial, y una vez sintetizado el reto consiste en ser capaz de manipularlo adecuadamente, sin que se modifiquen sus propiedades.


Aplicaciones del grafeno

Las expectativas generadas por el grafeno son muy amplias y se propone su utilización para casi cualquier aplicación. Sin embargo, para muchas de las aplicaciones que se plantean existen otras alternativas, muchas de ellas basadas en otros tipos de materiales de carbono (nanotubos y materiales de carbono de porosidad controlada entre otros) que cumplen sobradamente las exigencias de la aplicación y que en muchas ocasiones son más baratos. Hoy en día el grafeno está siendo utilizado para el desarrollo de pantallas táctiles flexibles de grandes dimensiones y es un buen candidato para sustituir o complementar al silicio en los futuros dispositivos electrónicos, dado que presenta una elevada movilidad electrónica y baja resistencia eléctrica. El desarrollo de estas tecnologías debe tener en cuenta el desarrollo de sistemas mejorados de almacenamiento de energía, donde también los materiales de carbono, y en concreto el grafeno puede tener un área importante de aplicabilidad para el desarrollo de electrodos de baterías de ion-litio y de supercondensadores con prestaciones mejoradas.


Posibles aplicaciones de materiales grafénicos (vía The Guardian)

El desarrollo de sensores químicos de grafeno es otra de las aplicaciones que más rápidamente se está desarrollando, gracias a sus buenas propiedades como una respuesta sensora alta y mejor sensibilidad. En este campo la NASA ya está desarrollando sensores de grafeno de bajo consumo para medir oxígeno atómico en la parte superior de la atmósfera. Y desde luego uno de los campos con mayor potencial es el que abarca las aplicaciones relacionadas con la salud, tanto en aplicaciones de transporte y liberación controlada de fármacos, agentes de contraste o genes, para la detección de moléculas biológicas entre las que cabe destacar la glucosa o el colesterol o en ingeniería de regeneración de tejidos. Es necesario destacar que los ensayos realizados no muestran toxicidad de los materiales grafénicos y que estos materiales son biocompatibles.



Otras aplicaciones para las que el grafeno está siendo estudiado es el desarrollo de procesadores de gran frecuencia, las pantallas táctiles flexibles, los cables de fibra óptica de alta velocidad, cámaras fotográficas más sensibles y de menor consumo energético y aprovechando la capacidad del grafeno para absorber energía solar, el desarrollo de pinturas de exterior que permitan aprovechar la energía del sol y convertirla en energía de uso doméstico. Y, como colofón, dentro de las aplicaciones pintorescas no podemos olvidar que la fundación Bill y Melinda Gates está financiando un proyecto para combatir el SIDA basado en el desarrollo de preservativos de grafeno. El objetivo que sea más deseable utilizarlo que no hacerlo, entendiendo este material como un arma poderosa en la lucha contra la pobreza.



Han pasado 10 años desde que Geim y Novoselov mostraron que era posible obtener grafeno y que sus propiedades le auguraban un futuro prometedor. Las investigaciones en laboratorios y empresas de todo el mundo han abierto la puerta a que en los próximos años el grafeno esté presente en nuestra vida cotidiana en estas aplicaciones o tal vez en aplicaciones por descubrir.



Para saber más:
R. Menéndez, C. Blanco, El grafeno, colección ¿Qué sabemos de? CSIC y editorial Los libros de la Catarata, 2014
J.A. Martín Gago, C. Briones, E. Casero, P.A. Serena, Elnanomundo en tus manos, Drakontos, Ed. Crítica, 2014
Reseñas sobre ambos aquí