Que es el grafeno?
El grafeno es una sustancia formada por carbono puro, con átomos dispuestos en un patrón regular hexagonal similar al grafito, pero en una hoja de un átomo de espesor. Es muy ligero, una lámina de 1 metro cuadrado pesa tan sólo 0,77 miligramos.
El grafeno es un alótropo del carbono, un teselado hexagonal plano (como panal de abeja) formado por átomos de carbono y enlaces covalentes que se generan a partir de la superposición de los híbridos sp2 de los carbonos enlazados.
El Premio Nobel de Física de 2010 se le otorgó a Andre Geim y a Konstantin Novoselov por sus revolucionarios descubrimientos acerca del material bidimensional grafeno.1 2
Mediante la hibridación sp2 se explican mejor los ángulos de enlace, a 120°, de la estructura hexagonal del grafeno. Como cada uno de los carbonos contiene cuatro electrones de valencia en el estado hibridado, tres de esos electrones se alojan en los híbridos sp2, y forman el esqueleto de enlaces covalentes simples de la estructura.
El electrón sobrante se aloja en un orbital atómico de tipo «p» perpendicular al plano de los híbridos. El solapamiento lateral de dichos orbitales da lugar a formación de orbitales de tipo π. Algunas de estas combinaciones propician un gigantesco orbital molecular deslocalizado entre todos los átomos de carbono que constituyen la capa de grafeno.
El nombre proviene de intercambio –en el vocablo grafito– de sufijos: «ito» por «eno»: propio de los carbonos con enlaces dobles. En realidad, la estructura del grafito puede considerarse una pila de gran cantidad de láminas de grafeno superpuestas.3 Los enlaces entre las distintas capas de grafeno apiladas se deben a fuerzas de Van der Waals e interacciones de los orbitales π de los átomos de carbono.
Estructura cristalina del grafito. Se ilustran las interacciones de las diversas capas de anillos aromáticos condensados.
En el grafeno, la longitud de los enlaces carbono-carbono es de aproximadamente 1,42 Å (ångstroms). Es el componente estructural básico de todos los demás elementos grafíticos, incluidos el propio grafito, los nanotubos de carbono y los fullerenos.
A esta estructura también se le puede considerar una molécula aromática extremadamente extensa en las dos direcciones espaciales. Es decir, sería el caso límite de una familia de moléculas planas de hidrocarburos aromáticos policíclicos denominada grafenos.
Científicos del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) de Barcelona, en colaboración con investigadores alemanes y estadounidenses, acaban de demostrar el grafeno es capaz de convertir un fotón absorbido en múltiples electrones que pueden conducir corriente eléctrica. Este prometedor descubrimiento convierte el grafeno en una importante alternativa para la tecnología de energía solar, actualmente basada ??en semiconductores convencionales como el silicio, según publica hoy la revista Nature Physics.
“En la mayoría de los materiales, un fotón absorbido genera un solo electrón, pero en el caso del grafeno hemos visto que un fotón absorbido es capaz de producir muchos electrones excitados, y por lo tanto una señal eléctrica mayor” explica Frank Koppens, líder del grupo de la investigación en ICFO. Esta característica convierte al graneo en el ladrillo ideal para la construcción de cualquier dispositivo que quiera convertir la luz en electricidad. En particular, permite la producción de potenciales células solares y detectores de luz que absorban la energía del sol con pérdidas mucho menores.
El experimento ha consistido en mandar un número conocido de fotones a diferentes energías sobre una capa fina de grafeno. “Hemos visto que los fotones de alta energía –por ejemplo, los de color violeta– inducen un mayor número de electrones excitados que los fotones de baja energía –por ejemplo, los infrarrojos–”, aclara Klass-Jan Tielrooij, también investigador del ICFO.
Si bien ya se sabía que el grafeno es capaz de absorber un espectro muy grande de colores de la luz, es la primera vez que se demuestra que, una vez el material ha absorbido esta luz, la eficiencia de conversión de energía es muy alta. "Nuestro próximo reto será encontrar formas para extraer la corriente eléctrica y mejorar la absorción del grafeno. Entonces seremos capaces de diseñar dispositivos de grafeno que den paso a células solares más eficientes" anuncia Koppens. No en vano todo parece indicar que en las próximas décadas se va a vivir un cambio de paradigma con el grafeno similar al que ocurrió con el plástico el siglo pasado. Móviles que se pliegan, papel electrónico, ventanas que son a la vez placas solares trasparentes, ollas y sartenes que avisan si hay alguna bacteria en los alimentos y otros ingenios se podrán desarrollar en un futuro no muy lejano con grafeno, uno de los materiales más finos, flexibles, fuertes y con mayor conductividad creados hasta ahora.
Láminas de grafeno con poros controlados con gran precisión tienen el potencial de purificar el agua de manera más eficiente que los métodos actuales.
La disponibilidad de agua potable es cada vez más escasa en muchas partes del mundo, un problema que se espera que aumente conforme aumente la población. Una fuente prometedora de agua potable es el virtualmente ilimitado suministro de agua de mar del mundo, pero hasta el momento las tecnologías de desalinización son demasiado caras para un uso masivo.
Ahora, investigadores del MIT han logrado un nuevo enfoque usando un tipo distinto de material de filtrado: láminas de grafeno, una forma de carbono de un átomo de grosor que dicen que puede ser más eficiente y posiblemente mucho más barato que los sistemas de desalinización actuales.
“No hay mucha gente trabajando en desalinización desde el punto de vista de los materiales”, dice Jeffrey Grossman, Profesor Asociado Carl Richard Soderberg de Ingeniería de Energía en el Departamento de Ciencias de los Materiales e Ingeniería del MIT, autor sénior del artículo que describe el nuevo proceso en la revista Nano Letters.
Grossman y el estudiante graduado David Cohen-Tanugi, autor principal del artículo, se propusieron “controlar las propiedades del material hasta el nivel atómico”, produciendo una lámina de grafeno perforada con agujeros de tamaño preciso. También añadieron otros elementos al material provocando que los bordes de estas minúsculas aperturas interactuasen químicamente con las moléculas de agua — repeliéndolas o atrayéndolas.
“Quedamos muy gratamente sorprendidos” por lo bien que funcionaba el grafeno en comparación con los sistemas actuales en las simulaciones por ordenador”, dice Grossman.
Un método común de desalinización, conocido como ósmosis inversa, usa membranas para filtrar la sal del agua. Pero estos sistemas requieren de presiones extremadamente altas – y por tanto del uso de energía – para obligar al agua a pasar a través de las gruesas membranas, que son unas mil veces más gruesas que el grafeno. El nuevo sistema de grafeno funciona a una presión mucho menor, y por tanto podría purificar el agua a un coste mucho más bajo, dicen los investigadores.
Aunque la ósmosis inversa se ha usado desde hace décadas, “los mecanismos fundamentales de separación de la sal del agua aún no se comprenden del todo, son muy complejos”, apunta Cohen-Tanugi, añadiendo que es muy difícil realizar experimentos en la escala de moléculas individuales e iones. Pero los nuevos sistemas basados en el grafeno, dice, funcionan “cientos de veces más rápido que las técnicas actuales, con la misma presión” – o, alternativamente, el sistema puede funcionar a una tasa similar, pero con una presión menor.
La clave del nuevo proceso es el preciso control del tamaño de los agujeros en la lámina de grafeno. “Hay un punto dulce, pero es muy pequeño”, dice Grossman — entre los poros demasiado grandes por donde puede pasar la sal y los demasiado pequeños donde quedarían bloqueadas las moléculas de agua. El tamaño ideal es de aproximadamente un nanómetro, o una milmillonésima de metro, dice. Si los agujeros fuesen un poco menores – 0,7 nanómetros — el agua dejaría de fluir.
Otros grupos de investigación han estado trabajando en la creación de poros en el grafeno, dice Cohen-Tanugi, pero a tamaños muy distintos y para otros propósitos diferentes — por ejemplo, hacer unos agujeros mucho mayores para filtrar grandes moléculas como ADN, o para separar distintos tipos de gases. Los métodos usados para estos procesos no eran lo bastante precisos para crear los minúsculos agujeros necesarios para la desalinización, dice, pero técnicas más avanzadas — como el bombardeo con iones de helio para crear agujeros precisos en el grafeno, el grabado químico y los sistemas de auto-ensamblaje – podrían ser adecuadas.
Por ahora, Grossman y Cohen-Tanugi han estado realizando simulaciones por ordenador del proceso para determinar sus características óptimas. “Empezaremos a trabajar con prototipos este verano”, dice Grossman.
Dado que el grafeno es tema de investigación en aplicaciones muy distintas, ha habido una gran cantidad de trabajo sobre cómo encontrar formas de fabricarlo más barato en grandes cantidades. Y en el caso de la desalinización, dado que el grafeno es un material tan fuerte — kilo por kilo, es el material más fuerte conocido — las membranas deberían ser más perdurables que las usadas actualmente en la ósmosis inversa, dice Grossman.
Además, el material necesario para la desalinización no tiene que ser tan puro como en el caso de los usos electrónicos u ópticos, matiza: “No importa si tiene algunos defectos, siempre que no abran grietas”, de forma que la sal pase a través del mismo.
Joshua Schrier, profesor asistente de química en Haverford College, dice: “Las simulaciones previas habían estudiado el flujo del agua a través de agujeros muy pequeños en el grafeno, y el diseño de poros que permiten selectivamente el paso de iones, pero – a pesar de la relevancia social e ingenieril de la desalinización – nadie había pensado examinar la intersección de estos dos campos”. El trabajo del equipo del MIT podría abrir un enfoque completamente nuevo a la desalinización, comenta.
Schrier añade: “Fabricar las estructuras tan precisas de los poros que hemos encontrado en este artículo será difícil de hacer a gran escala con los métodos actuales”. Sin embargo, dice, “las predicciones son tan apasionantes que deberían motivar a los ingenieros químicos a realizar análisis económicos más detallados de… la desalinización del agua con este tipo de materiales”.
El trabajo estuvo patrocinado por la Iniciativa de Energía del MITy la Beca John S. Hennessy, y usó los recursos computacionales del Centro Nacional de Computación Científica para Investigación en Energía (NERSC).
El grafeno es un material fascinante: una malla bidimensional de átomos de carbono cuyas propiedades parecen sacadas de la ciencia ficción, como ser transparente pero con la suficiente densidad para retener el helio, y sin embargo permite que se filtre el agua, es 200 veces mas resistente que el acero, tiene una alta conductividad térmica y eléctrica, etc.
El problema es que para sacarle provecho, debemos primero comprender el grafeno y su comportamiento (no por nada investigadores de este material ganaron el Premio Nobel de Física el 2010). La última propiedad descubierta de este material es sorprendente: tiene la habilidad para ‘repararse solo’ en caso de estar dañado.
Un equipo de físicos de la Universidad de Manchester, liderado por uno de los científicos que ganó el Nobel el 2010, disparó un rayo de electrones a una lámina de grafeno creando un pequeño orificio que luego lo llenaron con átomos de paladio y níquel. Para la sorpresa de los investigadores, si agregaban átomos de carbono al hoyo, éstos desplazaban al níquel y al paladio para volver a ‘tejer’ la malla de grafeno como si nada hubiera pasado.
Los físicos observaron además que si se llenaba el orificio con átomos de carbono puros, la malla se reparaba con su forma hexagonal perfecta, pero si se usaba un hidrocarburo, el hoyo se llenaba con formas mas irregulares.
¿Será este el primer paso para crear ropa que se repare sola?
El grafeno será como el plástico. Estará en todas las partes, porque la amplitud de sus usos es enorme, mucho más allá del ámbito electrónico, del que es uno de los grandes expertos mundiales.
Pero ¿por qué es tan interesante? El grafeno será la panacea del siglo XXI porque no sólo es muy resistente (200 veces más que el acero) y duro, sino que además es flexible (se puede enrollar), sino que tiene una alta conductividad y, como explica Guinea, "además se le pegan moléculas".
Será el primer dispositivo que se pueda enrollar para guardarlo en el bolsillo.
El grafeno en ortopedia
Algunas de sus propiedades sugieren la idea de sus posibles aplicaciones futuras en el campo de la técnica ortoprotésica sustituyendo materiales utilizados en la fabricación de dispositivos ortopédicos o simplemente componentes que mejoren las cualidades de los diversos materiales utilizados en la actualidad.
Sus propiedades lo hace un material ideal para ser utilizado como componente en circuitos integrados. Su menor consumo eléctrico, inferior al silicio para una misma tarea, lo convierte en un gran asociado de los sistemas utilizados en ortoprotésica donde la durabilidad de las cargas de baterías comporta una mayor autonomía para el paciente (sillas eléctricas, prótesis etc.) Su alta elasticidad, dureza, y resistencia (200 veces superior al acero) nos permite imaginar sus aplicaciones en la confección de férulas, donde buscamos elasticidad y resistencia (férulas Antiequino, etc...) o componentes para la fabricación de tutores donde actualmente se utiliza el aluminio, el acero y el titanio, donde obtenemos la dureza y resistencia necesarias.
Como material ligero como la fibra de carbono, es de máximo interés para la técnica ortopédica donde el peso de las ortesis y prótesis es un handicap para los pacientes y usuarios en lo que los técnicos ortopédicos vienen luchando durante décadas en la constante búsqueda de materiales que nos permitan fabricar los dispositivos con la misma o mayor resistencia y durabilidad pero con menor peso.
El tiempo y la constante evolución tecnológica nos dirán si el GRAFENO es un material susceptible de ser utilizado de la técnica ortoprotésica.