¿Es el grafeno realmente el material del futuro?

Autor: Andrés Hidalgo (andres.hidalgo97@hotmail.com)

Editores: Lissy Gross, Bismark Saltos y David Cuaspud.

grafeno, una de las formas de carbono más estudiados durante las últimas décadas, es considerado como el material del futuro y está haciendo que investigadores sumen fuerzas para estudiar sus propiedades y desarrollar materiales novedosos. Este nano-material (materiales estructurados a escala nanométrica 10^{-9} m) bidimensional compuesto de una sola capa atómica (Medrano, Rosu & Gonzáles, 2012), es el precursor para obtener otras formas de carbono: apilándolo tenemos grafito (3D), enrollándolo conseguimos nanotubos de carbono (1D), doblándolo logramos fullerenos (0D) y muy recientemente puntos cuánticos de grafeno (0D) (Younis, et.tal, 2020)

Figura 1: Alótropos de carbono provenientes de una sola capa de carbonos, grafeno.

Su estructura atómica en forma de panal de abejas (hexágonos) está perfectamente diseñada para brindar al grafeno pristino (material sin ninguna modificación física o química) fantásticas características electrónicas, mecánicas, químicas y ópticas. Delgado (2015) y Medrano (2012) mencionan las siguientes características:

· Excelente conductor térmico: conductividad térmica varias veces mayor que la del cobre, diamante o plata.

· Alta área superficial especifica: candidato complementario para aplicaciones de almacenamiento de energía. En baterias de iones de litio, por ejemplo, mejora su rendimiento y estabilidad (Chen y Tian,2021)

· Alta capacidad de transporte electrónico: los electrones se mueven a través de él sin mucha resistencia, mejorando el desempeño que se obtiene frente a un transistor de silicio.

· Duro y resistente: 100 veces más fuerte y resistente que el acero estructural y altamente rígido, soportando grandes fuerzas sin deformarse.

· Ligero, flexible y transparente: una lámina de este material de 1 metro cuadrado pesa solo 0.77 miligramos; además, es flexible, elástico y maleable (Grafenano Technologies, 2018).

· Efecto antibacteriano y es biocompatible: inhibe el crecimiento de microorganistos (baterías, virus y hongos) en organismos vivos y permite el crecimiento de células

Pero, ¿Cómo se obtiene el grafeno experimentalmente?

Teóricamente el grafeno ya era conocido desde 1947 pero no fue hasta 2004 cuando Andre Geim y Konstantin Novoselov sintetizaron exitosamente grafeno, con su técnica de exfoliación micromecánica o método “Scotch tape”. Este proceso consiste en tomar una lámina de grafito y usando “scotch tape” desprender las capas más externas del grafito, para obtener conseguir un grafito de muy pocas capas. Al final, se dieron cuenta que obtuvieron un material del grosor de un átomo (2D). Esta investigación les otorgó el premio Nobel en Física en 2010 (Rodríguez, 2018).

Figura 2: Andre Geim (izquierda) y Konstantin Novoselov (derecha), ganadores del Premio Nobel en Física en 2010 por el descubrimiento del grafeno.

Existen otras técnicas químicas como la exfoliación electroquímica o la deposición de vapor químico (CVD) pero todas estas técnicas son costosas y no son escalables para una producción masiva hasta el momento.

Con tantas buenas características, ¿cuáles son las aplicaciones del grafeno?

Desde su síntesis, ha habido una explosión en el estudio de este material bidimensional para lograr aplicaciones en diferentes campos de la industria (ordenadores, automóviles, teléfonos móviles, satélites espaciales, materiales de construcción, etc) llegando a superar las 50 000 solicitudes de patentes (El Robot de Platón, 2020).

Algunas de las aplicaciones tangibles que tenemos en la actualidad son: audífonos con un diafragma de grafeno, para una transmisión de sonido más rápida y audio de mayor resolución; neumáticos, que gracias al uso de grafeno su desgaste es más lento. Incluso en el campo de deporte, en 2013, la empresa deportiva Head, presentó una línea de raquetas fabricadas con grafeno. Esta renovación aporta a la raqueta un equilibrio excelente, aliviana su peso y permite golpear la pelota con mayor fuerza. (Delgado, 2015).

Figura 3: Potenciales sectores en donde se puede aplicar al grafeno

El campo en donde se destaca el grafeno, es la electrónica. Debido a su característica de almacenar energía y de trasporte de electrones, el grafeno podría mejorar las baterías convencionales, incrementando su duración, reduciendo su tiempo de carga e incluso mejorando el medio ambiente sustituyendo materiales contaminantes.

Uno de los últimos descubrimientos relacionados a este material que está revolucionado el mundo científico es el grafeno rotado, fabricado por primera vez en 2018. Investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) determinaron que, colocando 2 capas de grafeno, una encima de la otra y con un ángulo determinado de rotación (ángulo mágico de 1,1º), el grafeno adopta características nunca antes vistas, como superconductividad no convencional, y estados correlacionados aislantes, gracias a que forma un patrón de Moire (patrón de interferencia formado al superponer dos redes). Esto está abriendo las puertas a una revolución en temas de transmisión de energía (con aplicaciones en ordenadores cuánticos) y física teórica (Velasco, 2020).

Figura 4: Dos láminas de grafeno sobrepuestas formando grafeno bicapa rotado. Los círculos nos muestras los patrones de Moire formas en la red.

A pesar de sus excelentes características el grafeno tiene desventajas. Una de las principales, recae en su naturaleza semi-metalica, lo que impide que actúe como ”switch” permitiendo o no el flujo de corriente electrica (como lo haría un un semiconductor). A demás su tamaño y grosor todavía no logran ser controlados con exactitud, generando grafeno de diferentes calidades (Biswas, 2021).

En conclusión, teóricamente el grafeno sería uno de los materiales capaces de cambiar la industria de la electrónica gracias a su versatilidad y bajo costo. Incluso, con el “boom” del grafeno, se pensó que este podría reemplazar al silicio en el mundo de la electrónica, sin embargo, es más realista ver a este material uno de los que puede mejorar esta industria, adicionándolo a sistemas ya existentes para mejorar sus propiedades y características.

Referencias:

[1] Medrano, M. G. M., Rosu, H. C., & González, L. T. (2012). Grafeno: el alótropo más prometedor del carbono. Acta Universitaria, 22(3), 20–23.

[2] Younis, MR, He, G., Lin, J. y Huang, P. (2020). Avances recientes en puntos cuánticos de grafeno para aplicaciones de bioimagen. Fronteras en química.

[3] Rodríguez González, Claramaría y Kharissova, Oxana Vasilievna (2008) Propiedades y aplicaciones del grafeno. Ingenierías, 11 (38). pp. 17–23. ISSN 1405–0676

[4] Chen, X., & Tian, Y. (2021). Review of Graphene in Cathode Materials for Lithium-Ion Batteries. Energy & Fuels, 35(5), 3572–3580.

[5] Delgado, R. A. (2015). Grafeno (Material del futuro). México: Instituto Tecnológico Superior Zacatecas Sur.

[6] El Robot de Platón. (2020, Mayo 29). ¿Dónde Está Todo el Grafeno que nos Prometieron? [Video]. YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=zLpY6qUIK6U

[7] Velasco Castelldefels, E. (2020, February 10). “El grafeno de ángulo mágico abre infinitas posibilidades. La Vanguardia. https://www.lavanguardia.com/ciencia/20200209/473322397744/vanguardia-de-la-ciencia-dmitri-efetov-xiaobo-lu-grafeno.html

[8] Grafeno — qué es el grafeno. (2018, Julio 17). Graphenano Nanotechnologies. Recuperado de: https://www.graphenano.com/que-es-el-grafeno/

[9] Biswas, S. (2021, Enero 26). Top 5 Drawbacks Of Graphene | How To Overcome It? Zedore. https://zedore.com/top-5-drawbacks-of-graphene-how-to-overcome-it/

Emprendimiento de Divulgación Científica hecho por científicos/as. Tenemos la misión de promover el impacto de la ciencia en el desarrollo de la sociedad.

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