GRAFENO, un mar de nuevas posibilidades

Casi una década después y con el Premio Nobel de Física bajo el brazo (año 2010), muchos consideran al grafeno como uno de los materiales más importantes descubiertos en las últimas décadas.

Características del Grafeno

El grafeno se puede definir como:
una forma alotrópica del carbono - junto con el diamante, grafito, fulerenos y los nanotubos de carbono - en la que paneles hexagonales de carbono de sólo un átomo de espesor se unen para formar una estructura laminar.
Podríamos considerarlo como un derivado del grafito (componente de las minas de los lápices) donde las láminas se han ido exfoliando una a una hasta conseguir una única lámina de grafeno.
A pesar de su reciente descubrimiento y sin tener una certeza absoluta de hasta dónde nos llevará este nuevo material, el interés despertado no tiene precedentes debido a las excelentes propiedades físico-químicas que presenta:

•  Material más fino (sólo una capa de átomos) e impermeable conocido;
•  Más fuerte incluso que el acero.
•  Excelente conductividad térmica (más del doble que la del diamante);
•  Casi transparente (sólo adsorbe ~2.3% de luz blanca);
•  Área superficial muy alta (valor teórico 2630 m² /g);
•  Extraordinaria capacidad de plegamiento.

La combinación de estas propiedades en un mismo material ha hecho que el rango de aplicaciones sugeridas para el grafeno se multiplique con el paso de los años.
Entre las aplicaciones con mayor potencial a nivel de mercado podemos destacar el uso de grafeno en:

- transistores
- sistemas de almacenaje de energía
- electrodos
- tintas conductoras, sensores
- materiales compuestos o “composites” ya sean de tipo polimérico o cerámico.

No sería de extrañar que en un futuro no muy lejano existieran dispositivos electrónicos (teléfonos móviles, pantallas planas, ordenadores), fármacos, sensores o envases basados en la tecnología del grafeno.

Perspectivas en la producción del Grafeno a nivel industrial

El principal inconveniente en la actualidad para que el grafeno se pueda producir a gran escala es que los métodos que permiten la producción de este material en gran pureza no son fácilmente escalables. De todos modos hay que tener en cuenta que dependiendo del tipo de aplicación se podrían utilizar grafenos de más baja pureza.
Aunque el término grafeno debería referirse estrictamente al grafeno monocapa, se está utilizando indistintamente para grafeno bicapa o multicapa (por lo general < 10 capas). Esto es debido a que a menudo los métodos de preparación o procesado resultan en grafenos de pocas capas, que son los que se acaban empleando en numerosos estudios.

Procedimientos actuales de obtención del Grafeno

Para la síntesis del grafeno se están utilizando principalmente dos aproximaciones: “top-down” (de arriba abajo) en la que partiendo de grafito se separan las capas individuales de grafeno; y “bottom-up” (de abajo a arriba), donde fuentes alternativas de carbono son utilizadas para sintetizar el grafeno.
A nivel industrial, la preparación a partir de grafito está dando buenos resultados debido a su facilidad y reproducibilidad.
Por lo general, el grafito se somete a un tratamiento químico de oxidación lo que facilita la exfoliación de las capas constituyentes, resultando en lo que se denomina “óxido de grafeno”. El óxido de grafeno puede posteriormente ser reducido a grafeno. A parte de la oxidación química del grafito también se pueden utilizar diferentes reactivos para separar las láminas de grafeno.

El crecimiento de grafeno sobre distintos sustratos es posible utilizando la aproximación “bottom-up” a través de deposición química de vapor (CVD, del inglés “chemical vapor deposition”).

El cobre es uno de los sustratos más utilizados para el crecimiento de láminas de grafeno. Láminas de grafeno de varios cm² que se suministran comercialmente sobre este sustrato pueden ser transferidas a otro soporte según el interés del usuario.

Grafeno de elevada pureza puede ser obtenido a partir del crecimiento en carburo de silicio (SiC), aunque en este caso la síntesis a gran escala es menos factible (al menos de momento).

Compañías especializadas

Hoy en día existen en el mercado varias compañías especializadas en la síntesis de grafeno con un amplio rango de purezas y especificaciones para su uso en diversas aplicaciones.
Aunque la capacidad de producción actual de grafeno se sitúa en unos pocos cientos de toneladas, el desarrollo de nuevas y prometedoras aplicaciones está impulsando el interés comercial en distintos sectores.

Prioridad en investigación de aplicaciones

La Unión Europea ha establecido la investigación en grafeno como una prioridad en investigación y desarrollo. Su reconocimiento como una de las futuras tecnologías emergentes (Future and Emerging Technologies, FET), asegura una inversión de 1.000 millones de euros en los próximos 10 años (Graphene FET Flagship). Como toda nueva tecnología emergente que aspira a llegar al mercado, el número de patentes sobre los hallazgos realizados sobre el grafeno está aumentando exponencialmente.
Según la consultora CambridgeIP, en la actualidad hay unas 7.500 patentes relacionadas con el grafeno, de las cuales el 70% han sido solicitadas en los Estados Unidos, China y Corea del Sur.
En el Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB), perteneciente al Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) , se están llevando a cabo diferentes investigaciones sobre grafeno con el fin de encontrar nuevas aplicaciones para este material y sus derivados.
Para ello preparamos grafeno y realizamos distintos tratamientos químicos que nos permiten aumentar la procesabilidad del material así como modular sus propiedades físicas y químicas. En la figura que sigue se presenta una muestra de grafeno preparada en nuestros laboratorios, que tal y como se puede apreciar tiene un aspecto de polvo negro. Es necesario utilizar técnicas de microscopía para poder observar el aspecto que tiene una lámina de grafeno. En la misma figura se muestra una imagen adquirida mediante microscopía electrónica de transmisión donde se puede apreciar la transparencia de este material, así como algunos pliegues del mismo (las partes oscuras corresponden al soporte utilizado para sustentar la muestra durante el análisis).

Por un lado estamos utilizando el grafeno como material de relleno (“filler”) en la preparación de materiales compuestos con el fin de mejorar las propiedades mecánicas y eléctricas del material de matriz. Para obtener una buena dispersión del grafeno con el material de matriz es necesario modificar químicamente el grafeno para facilitar su procesabilidad e integración en el material compuesto. En el ICMAB desarrollamos distintos protocolos para dispersar el grafeno en una variedad de disolventes tanto de base acuosa como orgánica.
En la siguiente imagen se muestran cuatro dispersiones de grafeno distintas en las que se aprecia una buena estabilidad de las mismas.
Otra área de investigación en la que estamos trabajando es la modulación de las propiedades físicas y químicas de este material. De hecho en esta misma imagen se puede apreciar un ligero cambio de coloración entre las distintas dispersiones, desde una tonalidad más amarillenta a una más azulada pasando por un tono gris, debida a los distintos tratamientos a los que se han sometido las cuatro muestras de grafeno presentadas, que resulta tanto en un mejor procesado del material como en la modulación de sus propiedades.
Por último mencionar que también se está investigando la integración de nanopartículas inorgánicas con grafeno, formando materiales híbridos para su aplicación en distintas áreas como son la catálisis, la biomedicina o la energía.
Queda patente que el grafeno representa un reto muy importante para la comunidad científica debido al gran esfuerzo que se antoja necesario antes de que las numerosas aplicaciones que se están descubriendo para este material puedan llegar a hacerse realidad. El desarrollo de métodos de síntesis simples y de bajo coste es crucial para el avance tecnológico en este campo, así como tecnologías que permitan un fácil procesado y la modulación de las propiedades de este nanomaterial adaptándose a las necesidades de cada aplicación.