GRAFENO, EL MATERIAL DE DIOS

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Por Rodrigo Pascuas León*

Todos hemos usado grafeno muchas veces cuando escribimos. Las minas de los lápices negros son de grafito, el cual es carbono y este, compuesto por múltiples capas de grafeno. Se puede comparar: como un libro, el grafito. Sus hojas que lo componen, cada una, son grafeno. Entramos en la era del carbono y el grafeno es el rey. El grafeno es el novedoso material objeto de innumerables expectativas por sus múltiples usos posibles.

Carbono Puro

El grafeno es carbono puro cuyos átomos se unen en forma de exágonos, similar a un panal de abejas. Se le considera de dos dimensiones, ya que la tercera corresponde al grueso de la hoja, como la del libro en comparación, pero equivalente a un átomo de espesor y que por su diminuta dimensión nos remite a la física cuántica o de nanomateriales.

Optimismo

Los científicos chinos dirigidos por Shunhong Zhang, de la Universidad de Pekín, han desarrollado tecnologías para obtener  grafeno de enlaces pentagonales, lo cual generará mayor eficiencia en conductividad y marcará el inicio de los semiconductores a gran escala, además de incrementar  su dureza y flexibilidad. Será el sustituto del silicio y aunque se halla en estado experimental hay optimismo por los desarrollos para uso industrial. El proceso industrial para su obtención aún está en laboratorios, para lograrlo puro, aunque ya lo hay combinado con impurezas para usos varios.

Utilización

El carbono es el elemento fundamental de la vida animada. En los últimos 20 años los científicos encontraron formas de utilizarlo, como un globo, los fulerenos, estudiados por nanotecnología en conductividad y resistencias térmicas. Enrollado, los nanotubos o estructuras de diámetro nanométrico proveen múltiples usos. Uno muy común, es su utilización en la fabricación de calentadores solares para hogares e industrias y para generación de energía térmica.

Informática y medicina

Empresas que han estado a la vanguardia de la innovación y experimentación invierten recursos considerables por lo que vislumbran revolucionará desde la informática hasta la medicina, los viajes espaciales hasta el uso como energía limpia y renovable en casi todas las actividades. La alimentación hasta la descontaminación.

Premio Nóbel

El grafeno se conoce merced a los científicos rusos Andrey Geim y Konstantin Novoselov, vinculados a la Universidad de Manchester, quienes en 2004 obtuvieron capas de grafeno y “sus experimentos suponen un punto de inflexión en los fenómenos de la física cuántica”. Así lo  determinó el comité que les otorgó el Premio Nóbel de física 2010.

Cualidades

Las primeras investigaciones sobre grafeno datan de unos 50 años atrás. Es considerado material más duro que el diamante, más de cien veces que el acero, mejor conductor de calor y electricidad que el cobre, 200 veces. Flexible, puede estirarse hasta ocho veces su tamaño. Proporciona gran área de superficie por unidad de masa.

Casi mágico

Se puede arrugar y desdoblar sin que pierda sus cualidades. Una hoja de grafeno de un metro cuadrado pesa 0.77 mg y es prácticamente invisible. Los electrones del grafeno se mueven  100 veces más rápido que los de silicio y como consecuencia su eficiencia en generación eléctrica fotovoltaica, igualmente mayor, al recibir la incidencia de los fotones de los rayos solares.

Usos

Las proyecciones de uso han generado optimismo en múltiples actividades y aplicaciones:

 En Medicina

         *MICROCÁPSULAS – BIOMARCADORES: Aplicadas por el torrente sanguíneo o el aparato digestivo portadoras de elementos para auscultar o efectuar funciones específicas. Serán las sondas de grafeno y que, además, podrán transportar fármacos teledirigidos contra tumores, diversos tipos de cáncer, entre múltiples aplicaciones posibles.

*PRÓTESIS ORTOPÉDICAS: Livianas, flexibles. Grafeno sobre caucho será apropiado para producir músculos artificiales.

*MEDICINAS Y ALIMENTOS: Serán recubiertos con capas de grafeno para ofrecer durabilidad y seguridad en su conservación.

*RADIOLOGÍA

*OPTOMETRIA: Implantes de retina. Reemplazo de circuitos nerviosos deteriorados.

*MÚLTIPLES OTROS USOS: Marcapasos, microbaterías, articulaciones, sensores activados con señales cerebrales.

     *PROTECCIÓN DE HERIDAS: Proporcina mayor seguridad con el uso de apósitos cubiertos de grafeno que disminuyen las posibilidades de infecciones.

En Transporte

*ESPACIAL: Energía más eficiente de alto rendimiento y cobertura de mayor protección que proporcionará seguridad y largo alcance. Empresas aéreas invirtieron más de US$100 millones para que la Universidad de Princeton, USA, desarrolle tecnología para adicionar grafeno en diminutas láminas al combustible, con el fin de incrementar el rendimiento y seguridad, disminuir considerablemente los costos  y  lograr mayor alcance de vuelo. Cubiertas de las naves, más livianas y resistentes a la fricción y punción, incluyendo la resistencia de la pintura a la decoloración.

*LUBRICANTE SÓLIDO: Experimentos han determinado que una capa de grafeno proporciona 6.500 veces mayor protección al rozamiento y la humedad, que el grafito  o el disulfuro de molibdeno. Esto hará más resistentes y duraderos los rodamientos y partes en contacto y fricción, como los motores y maquinaria en general.

*BATERÍAS: Acumuladores, de menor tamaño y mayor  rendimiento y eficiencia, sin calentamiento. Será el factor para multiplicar la producción de vehículos eléctricos. Los páneles solares fotovoltaicos alimentando las baterías. Se avecina el momento de los supercondensadores.

*LA INFORMÁTICA: Ordenadores de diversos tamaños, como una hoja de papel carta o libreta, plegable, que pesará pocos gramos o miligramos con muchas más funciones y aplicaciones que cualquier computador conocido hasta hoy, para llevar en un bolsillo. Resistente a los golpes, al calor o bajas temperaturas y varias presiones. Sus procesadores muchas veces  más veloces y eficientes. Integrados a la robótica, domótica e inmótica (equipamientos de hogares y edificios). Además, tendrá funciones como auxiliar para información médica. Será el momento del “paper phone”, teléfono celular de papel y la oficina sin papeles.

*VIVIENDAS: Posiblemente sustituya, totalmente, la energía proveniente de plantas que utilicen combustibles no renovables y altamente contaminantes, carbón y petróleo, principalmente. El grafeno por su composición y al ser activado por la energía solar fotovoltaica, sus electrones generarán mayor electricidad, varias veces más que los paneles de silicio, en uso actualmente. Serán más livianos y compactos. Contribuirán a resolver las limitantes de almacenamiento y uso eficiente de la energía. Los cables de cobre serán reemplazados por conductores de grafeno por su mayor conductividad, baja resistividad, liviano, flexible y resistente.

Las lámparas LED utilizarán grafeno para generar mayor luminiscencia, durabilidad, bajo precio y menor consumo energético.

Las tarjetas de crédito, también de grafeno, servirán como teléfono inteligente.

Preservativos

La Universidad de Manchester está desarrollando, desde hace varios años, tecnología para producir preservativos con material de grafeno combinado con látex. Serán más delgados, resistentes, seguros, de producción masiva y económica.

*MEDIO AMBIENTE: Una de las grandes expectativas de los científicos, las universidades y empresas que están adelantando estudios experimentales con el grafeno, es la posibilidad, con gran factibilidad en este momento, de utilizar el óxido de grafeno para descontaminar el medio ambiente. En este momento tienen el reto de proceder a descontaminar los efectos de la tragedia del Fukushima, según lo expuesto en la última feria de Tokio, por Nano Tech.

Fuente de Energía

Existe además la posibilidad de lograr hidrógeno de la atmósfera a través de membranas atómicas de grafeno y con ello crear un generador eléctrico en forma de pila de combustible para producir energía del aire. Será otra posibilidad de la revolución energética puesto que el grafeno posee las condiciones fundamentales como fuente de energía: Generación – Transmisión – Almacenamiento.

Tratamiento del agua

Se utilizará, también, para el tratamiento del agua, elemento vital que por su contaminación actual, amenaza la supervivencia normal. Purificación y desalinización los dos objetivos mas importantes en este aspecto de uso. (Hoy los países abundantes en agua potable se están convirtiendo en exportadores netos de agua a través de los productos agropecuarios que venden).

Invisible

“El Hombre Invisible”, así será, aparentemente, quien vista con un traje de grafeno ya que su capacidad de transmisión de imágenes hará posible proyectar los elementos que se hallen en la parte posterior del cuerpo, hacia adelante, por lo cual no se apreciará la figura de quien vista con este dispositivo.

Chaleco Antibalas

El Grafeno es mucho más resistente y liviano que el kevlar, utilizado en la fabricación de blindajes.

Pintura

La pintura de los vehículos será más resistente, duradera y prácticamente no se rayará. Además, los pigmentos tendrán mayor estabilidad.

Dificultades

No es fácil obtener grafeno puro aunque, actualmente, se comercializa grafito a escala molecular como si fuera grafeno para uso en la producción de “Gadgets” (aparatos e instrumentos pequeños) y “Wearables” ( de usos portátiles). Grandes inversiones en varios proyectos para producir grafeno puro y aplicarlo a diversos usos, como los mencionados, están realizando  empresas del sector privado y público en  países que entienden el valor de este elemento.

El Reto

Lograrlo a nivel comercial y precio accesible, es el reto. Agréguese a la investigación la variable de los desechos del proceso para que no se conviertan en otro contaminante, como ha sucedido con los plásticos, entre otros.

China está culminando la construcción de un parque industrial  para la producción a escala grande, de  láminas de grafeno. En ello participan el “Instituto de Investigaciones de Chongging” y la “Academia de Ciencias de China”. Para el año 2020  han planificado ventas por arriba de los US$24.000 millones.

Investigaciones

La Universidad de Cambridge con el National Graphene Institute, NGI y el Cambridge Nanosystems, ha vinculado más de 230 científicos encabezados por los Premio Nóbel A. Geim y K. Novoselov, con la proyección de liderar la investigación y producción de grafeno. Para ello han presupuestado una inversión superior a los 120 millones de libras esterlinas  y  lograr dicho objetivo.

Combustible del aire

La Universidad de Manchester se destaca por sus investigaciones avanzadas y desarrollos para lograr aplicaciones con membranas atómicas de grafeno con el fin de obtener hidrógeno de la atmósfera y así crear combustible del aire. Lo anterior está considerado como la noticia más destacada sobre aplicaciones de grafeno, al iniciar el año 2015.

Desarrollo del uso

Otras instituciones que se destacan por su dedicación al desarrollo del uso del grafeno son: Princeton University, USA; Mit, USA; Universidad de Australia; Texas Instrument; Basf; Samsung; Universidad de Qeen, Human Media Lab, en  Canadá; Universidad de Sungkyunkwan, Corea del Sur; Universidad Autónoma de México, UNAM;Nanotek Instruments; Nokia; IBM; Universidad de Columbia; Leibniz Institute for Solid State And Materials Research, Dresden, Alemania; Academia de Ciencias de Berlín; y Graphenano, Alicante, España.

Patentes

Sobre el tema del grafeno  han escrito más de 4.600 artículos, resultado de investigaciones y comentarios científicos. Al 2014, a mediados del año, patentaron más de 425 aplicaciones  en diversos campos de la actividad humana y que incluye tópicos del medio ambiente. Téngase en consideración que algunas patentes detienen el desarrollo si no se produce lo allí amparado, es decir “ni hacen ni dejan hacer”.

Entramado

Ante todo lo expuesto hay que ser cautos pues como afirma el físico Enric Beltrán del Instituto de Nanociencia y Nanotecnología de la Universidad de Barcelona: “Cuando se descubre un material nuevo con propiedades tan singulares, es normal que transcurran del orden de 20 años o más, para encontrar uso en un producto. Hay todo un entramado de investigación, desarrollo, protecciones industriales, de intereses económicos, es muy complicado”.

Fósforo negro

Al terminar de leer este artículo, seguramente, desarrollaron una nueva aplicación para el grafeno y ya estarán trabajando con el fósforo negro y sus posibles usos. La revista “Proceedings of the National Academy of Science” de Estados Unidos, publicó a fines de enero de 2015, un trabajo de la Universidad de Pekín sobre desarrollos experimentales y aplicaciones que podría suponer un cambio en el escenario mundial del grafeno.

El Material de Dios

Grafeno, “El Material de Dios”, así considerado por científicos y que  como gran expectativa creen, permitirá encontrar la partícula origen del Universo, denominada Boson de Higgs, con la creación de un laboratorio del tamaño de una uña y que reemplazará, según anuncian los científicos dedicados a ello, al Acelerador de Partículas del  CERN, kilométrico en sus dimensiones actuales. (Aunque un número considerable de científicos, teóricamente creen puede generarse un agujero negro que pondría en riesgo nuestro planeta).

Profundizar

Será de su interés, amigo lector,  profundizar y actualizar lo expuesto y que solo comprende un enunciado, resumido, alrededor de este maravilloso material que está con nosotros para ayudarnos a vivir mejor y conservar el lugar en que habitamos.

*Ingeniero Industrial Universidad Incca. Especializado en Hidráulica de acueductos y energías alternativas. Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.

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