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Ciencia y salud

Por José Antonio Lozano Teruel

Grafeno. Ciencia sin ficción

El grafeno es un material formado por una monocapa de átomos de carbono distribuidos en un plano y unidos en forma de celdillas hexagonales condensadas, como una celosía. Ese es el aspecto de una escama de grafito de grosor atómico. Como la mina de un lápiz es de grafito se puede encontrar grafeno en el trazo de un lápiz. El grafeno ha estado delante de nuestras narices durante siglos sin haber sido capaces de conocer sus propiedades excepcionales. Pero, resulta que es uno de los materiales más finos, resistentes y con mayor capacitancia eléctrica que existen

Grafeno. Ciencia sin ficción
::Alex

 

El grafeno es un material formado por una monocapa de átomos de carbono distribuidos en un plano y unidos en forma de celdillas hexagonales condensadas, como una celosía. Ese es el aspecto de una escama de grafito de grosor atómico. Como la mina de un lápiz es de grafito se puede encontrar grafeno en el trazo de un lápiz. El grafeno ha estado delante de nuestras narices durante siglos sin haber sido capaces de conocer sus propiedades excepcionales. Pero, resulta que es uno de los materiales más finos, resistentes y con mayor capacitancia eléctrica que existen.  Por ello, el grafeno está llamado a revolucionar el futuro, para fabricar membranas ligeras, flexibles y resistentes que cambiarán la industria de los dispositivos electrónicos y otras. En esta misma sección ya se publicó hace unos 5 años un artículo sobre las posibilidades del grafeno comparándolas con la aparición de los plásticos. Hoy comprobaremos que las expectativas eran ciertas. 
 
 
LA (PRE)HISTORIA DEL GRAFENO
 
La historia del grafeno es muy reciente, aunque tiene “prehistoria”. En 1859, el químico inglés Benjamin Brodie describió que la exposición de grafito a ácidos fuertes producía una suspensión que llamó “grafón”. Hoy se sabe que es una suspensión de finas láminas de óxido de grafeno. Su grosor real no se evaluó hasta un siglo después y en 1962 Hofmann y Boehm identificaron en el grafón algunos fragmentos de monocapas. Fue Boehm quien en 1986 introdujo el término grafeno, derivado de la combinación de la palabra “grafito” con el sufijo –eno que se refiere a hidrocarburos insaturados.
 
Pero estas descripciones recibieron poca atención hasta el hallazgo de Novoselov y Geim que evidenció la enorme diferencia entre un grafito ultrafino y el grafeno monocapa. Andre Geim y Konstantin Novoselov son investigadores del Centro de la Mesociencia y la Nanotecnología en la Universidad de Manchester. Obsérvese el nombre del Centro porque ayuda a entender el íntimo e indisoluble nexo entre ciencia básica y aplicada, tan controvertido en las crisis económicas. Estos investigadores publicaron en 2004 un trabajo que les valió el premio Nobel sólo 6 años más tarde. 
 
La idea inicial era fabricar películas de grafito lo más delgadas posible para utilizarlas como semiconductores, pero lo que encontraron superó sus expectativas. Encontraron como preparar grafeno con facilidad y en cantidad suficiente para estudiarlo. Sorpresivamente, detectaron que el campo eléctrico producía tremendos cambios en su conductividad, miles de veces mayores que los observados en cualquier otro material. Una película ultrafina de oro se comporta de forma muy similar independientemente del campo eléctrico aplicado, pero el grafeno cambia y pasa de comportarse como un metal conductor a como un semiconductor de concentración electrónica baja. Ese cambio de su calidad electrónica va desapareciendo en cuanto la película se engrosa en multicapas.  
 
POSIBILIDADES
El interés por producir y estudiar el grafeno se disparó. De Heer describió las propiedades de grafeno formado sobre obleas  de carburo de silicio (wafers). Las wafers son láminas semiconductoras de carburo de silicio que se utilizan en las placas fotovoltaicas de energía solar. Son un buen soporte, aunque el grafeno obtenido sobre ellas no es absolutamente monocapa. Otros grupos prepararon grafeno por sonicación del grafito y describieron nuevas propiedades, como su resistencia e impermeabilidad a gases. Sus propiedades no mejoraban las descritas inicialmente, puesto que el grosor medio era de 35 capas, pero si confirmaban sus posibilidades. 
 
Un equipo de la Universidad de Cornell, USA, ha encontrado una forma de organizar películas de un solo átomo de espesor combinando nitruro de boro hexagonal (BN) y grafeno sin necesidad de wafers ni silicio. Este revolucionario método permitirá fabricar películas lisas, sin arrugas. Los circuitos de los equipos electrónicos actuales son de silicio, pero el grosor se puede reducir reemplazándolo por grafeno.y BN.
 
PAPEL ELECTRÓNICO Y MÁS APLICACIONES
El grafeno abrirá la era de los “dispositivos flexibles”, una revolución tecnológica comparable a la que supuso el paso de las lámparas a los transistores. Una de las principales aplicaciones del grafeno será sin duda el papel electrónico flexible, que podría estar disponible como prototipo en 2015. Este papel podrá revolucionar la electrónica, creando pantallas táctiles plegables y de resistencia muy superior a las actuales. El diseño de las tablets y smartphones cambiará. El futuro “dispositivo único personal de comunicaciones” será como un pequeño plástico flexible que se sacará del bolsillo y se desplegará cuando se necesite. Cada usuario elegirá si quiere hablar, escribir, jugar, etc. La fecha de disponibilidad de las otras aplicaciones del grafeno depende de la calidad que requieran. Las redes de comunicaciones inalámbricas ultraveloces, o de dispositivos ultraprecisos de diagnóstico médico por imagen, necesitan grafeno monocapa. Los métodos actuales para obtener grafeno son limitados y se complican más cuanto mayores son las exigencias de calidad. Además, será necesario que los costes de fabricación desciendan para satisfacer al mercado. 
 
El grafeno tiene propiedades mecánicas y electrónicas únicas, por lo que presenta potencial para otras nuevas aplicaciones, además de usarlo para reemplazar materiales ya existentes. Las expectativas crecen, y científicos e ingenieros de empresas mundiales punteras buscan innovaciones utilizando el grafeno para generar nuevos productos. Por ejemplo, en el Instituto de Tecnología de Pekin han creado una membrana de grafeno muy ligera (densidad de 2.1 mg/cm3), que resiste el fuego y tiene gran capacitancia. Esta membrana ha sido ensayada como filtro selectivo de mezclas de gases para purificar gas natural y reducir las emisiones de dióxido de carbono en chimeneas térmicas o tubos de escape de vehículos.
 
Como el grafeno permite crear poros de diámetro muy preciso, abre la posibilidad de usarlo para purificar agua. La disponibilidad de agua potable es limitada, como bien sabemos en Murcia, y una fuente es el agua de mar, pero hasta ahora la tecnología de la desalinización no ha resultado ser suficientemente eficaz y barata. El Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) ha desarrollado un método basado en filtros de grafeno que promete ser más eficiente que los sistemas existentes. El sistema más común de desalinización, la ósmosis inversa, requiere alta presión, y por tanto alto consumo de energía, para forzar el paso del agua a través de membranas convencionales: Las membranas de grafeno son aproximadamente mil veces más delgadas, así que pueden operar a presiones mucho más bajas, o alternativamente a velocidades mayores de filtración. En ambos casos se espera conseguir purificar el agua a un precio mucho menor que el actual.
PD. Una vez redactada esta divulgación La verdad ha informado esta semana de la posible instalación en Yecla de una planta productora de grafeno, con todo lo que de positivo se puede derivar de ello . ¡Enhorabuena! 
 
Más información en:
http://grafeno.com/