• Grafeno

    From Rafael Suarez@2:341/14 to Todos on Mon Apr 16 11:18:06 2012
    ­Hola Todos!

    Es transparente, flexible, extraordinariamente resistente, impermeable, abundante, econ¢mico y conduce la electricidad mejor que ning£n otro metal conocido. Hablamos del grafeno, el material que tiene fascinados a cient¡ficos y a la industria debido a sus fant sticas propiedades.

    Aunque fue sintetizado por primera vez en 2004, salt¢ a la fama en 2010 cuando sus descubridores, los investigadores de origen ruso Andre Geim (Sochi, 1958) y
    Konstantin Novoselov (Nizhny Tagil, 1974) recibieron el Premio Nobel de F¡sica.
    Como ya apunt¢ entonces Andre Geim, las aplicaciones potenciales del grafeno son tantas que ni siquiera eran capaces de enumerarlas.

    Los prototipos de bater¡as fabricadas con electrodos de grafeno son diez veces m s duraderas y se cargan en mucho menos tiempo
    Este vers til material permitir  fabricar desde dispositivos electr¢nicos con pantallas flexibles y transparentes y bater¡as ultrarr pidas a potentes paneles
    solares, sin olvidar aplicaciones en aeron utica, medicina y otros sectores que
    se investigan en la actualidad. Adem s, supone una base excelente para crear nuevos materiales a medida, en funci¢n de las necesidades espec¡ficas. Es decir, algo as¡ como materiales a la carta.

    El estudio de las propiedades del grafeno mantiene ocupados a una gran cantidad
    de cient¡ficos en todo el mundo, entre los que destacan las aportaciones de los
    f¡sicos te¢ricos espa¤oles.

    En fase de desarrollo

    Todos hablan de este material aunque pocos lo han visto. Y es que pese a sus prometedoras aplicaciones, todav¡a se encuentra en fase de desarrollo. El grafeno es una l mina extremadamente delgada compuesta de carbono (s¢lo tiene un  tomo de grosor). El grafito del que se obtiene es el mismo que se extrae de
    las minas de carb¢n y se usa para fabricar l pices, frenos de coches o aceros, por lo que se trata de una materia prima muy abundante en la naturaleza. Para conseguir grafeno se puede partir del grafito natural (las minas espa¤olas son ricas en este mineral) o del grafito sint‚tico.

    Sin embargo, el principal obst culo en la actualidad es que a£n no es posible fabricar grafeno a gran escala, seg£n explica Jes£s de la Fuente, director de la empresa espa¤ola Graphenea Nanomaterials, una de las pocas compa¤¡as que de momento, producen este material. Avanzare y GranphNanotech son otras dos empresas espa¤olas que trabajan con este material.

    Existen varias formas de producir grafeno. La cinta adhesiva (exfoliaci¢n mec nica) fue el m‚todo que utiliz¢ Geim para aislarlo por primera vez y puede servir para algunos experimentos, pero no es un m‚todo v lido para la industria. B sicamente se comercializa de dos maneras: en formato l mina y en polvo.

    Grafeno en l mina

    Graphenea, con base en San Sebasti n, es una de las tres principales productoras de grafeno en l mina a nivel mundial (sus dos competidores son estadounidenses): "Es el grafeno de alta pureza y el que re£ne las mejores propiedades. Se emplea para fabricar electrodos de bater¡as, pantallas t ctiles, c‚lulas solares, electr¢nica digital y anal¢gica de alta frecuencia o
    composites avanzados para aeron utica", explica De la Fuente en conversaci¢n telef¢nica.

    Para producirlo no se utiliza grafito, sino gas metano, que se transforma mediante una tecnolog¡a denominada deposici¢n qu¡mica en fase vapor (Chemical Vapor Deposition, CVD): "Es una de las grandes ventajas, pues no dependemos de ning£n producto mineral", se¤ala.

    Muestra de grafeno sobre l mina de silicio. | Graphenea
    "Se realiza en un reactor CVD donde se introduce un gas con carbono. Mediante la aplicaci¢n de energ¡a se despositan los  tomos de carbono sobre un substrato
    met lico. El siguiente paso es transferir la l mina de grafeno al substrato final que puede ser un pol¡mero, vidrio, silicio u otros, dependiendo de la aplicaci¢n", explica

    El precio var¡a seg£n los tama¤os y las propiedades. En los £ltimos a¤os ha ca¡do ya a la mitad. Una l mina de grafeno cuesta entre 300 y 1.000 euros, una cifra muy asequible para el consumo de investigaci¢n pero elevada para otros usos. De la Fuente explica que esperan que el precio siga descendiendo progresivamente y, "a medio plazo (unos cinco a¤os), sea m s barato que el silicio, que en la actualidad cuesta alrededor de 50 euros". "A medida que el mercado vaya avanzando el precio ir  bajando. Pr cticamente cuesta lo mismo producir una l mina que 100.000", afirma.

    Esta empresa suministra material a sus clientes desde el verano de 2011, tanto a centros de investigaci¢n como a grandes empresas. "El 99% de nuestra producci¢n la vendemos en el extranjero, aunque en Espa¤a hay una gran actividad de investigaci¢n. Las empresas 'start-up' est n llevando a cabo algunas iniciativas mientras que las grandes empresas est n a la espera", explica.

    Bater¡as mucho m s duraderas

    "El grafeno que vendemos se utiliza, sobre todo, para ensayos. Se est  trabajando mucho en almacenamiento de energ¡a. En ultracondensadores (para autom¢viles, trenes el‚ctricos y para mejorar el rendimiento de las l¡neas de distribuci¢n el‚ctrica) y en bater¡as. Se ha demostrado que con electrodos de grafeno se consiguen bater¡as diez veces m s duraderas".

    De hecho, este material podr¡a solucionar uno de las grandes desventajas de los
    tel‚fonos inteligentes, cuyas bater¡as apenas duran un d¡a. Los prototipos de bater¡as fabricadas con electrodos de grafeno son diez veces m s duraderas que las que llevan los tel‚fonos que se venden en el mercado y se cargan en mucho menos tiempo (aproximadamente media hora).

    Sin embargo, habr  que esperar algunos a¤os para disfrutar de estas bater¡as. Seg£n De la Fuente, Nokia (su principal cliente) no prev‚ comercializar dispositivos fabricados con grafeno hasta dentro de cinco a¤os.

    El grafeno tambi‚n podr  usarse en televisores OLED (Organic LED), que estar n fabricados con materiales org nicos y m s sostenibles con el medio ambiente: "Ahora se utiliza como material tierras raras, como el indio, que tienen un impacto ambiental muy grande. Adem s su precio se ha multiplicado por diez". La
    industria busca un sustituto m s econ¢mico y sostenible, por lo que el grafeno se perfila como una de las alternativas.

    Por lo que respecta a los paneles solares, De la Fuente explica que el objetivo
    es conseguir c‚lulas de un 42% de eficacia (es decir, que conviertan en electricidad el 42% de la energ¡a solar que reciben. Las que hay ahora en el mercado tienen una eficiencia de aproximadamente el 16%).

    Grafeno en polvo

    El grafeno en polvo se utiliza en aplicaciones que requieren un material m s barato, como composite para construcci¢n (se suele mezclar con otros materiales). "El proceso de producci¢n de grafeno en formato polvo b sicamente parte del grafito como materia prima y consiste en realizar una oxidaci¢n violenta y un proceso de ultrasonificaci¢n para separar las peque¤as l minas de
    grafeno que componen el grafito", explica Jes£s de la Fuente.

    Sus propiedades no son tan buenas como el grafeno en l mina y conduce peor la electricidad. La demanda de este producto, cuyo precio depende de su pureza, sigue siendo peque¤a. El de baja calidad cuesta menos de 10 euros el gramo mientras que el de alta calidad ronda los 100 euros.

    àxido de grafeno y grafeno en polvo. | Graphenea.
    "Trabajamos tambi‚n con equipos de alta competici¢n de vela, que necesitan complementos para las fibras de carbono (el grafeno las mejora)". Tambi‚n se han hecho algunos ensayos en laboratorio para incorporarlo a la construcci¢n aunque De la Fuente ve dif¡cil su uso en este sector ya que "hacen falta vol£menes muy grandes y precios baratos".

    Los cient¡ficos estudian tambi‚n las posibles aplicaciones en medicina. Por ejemplo, para fabricar biosensores y detectar ADN. "Tambi‚n se especula con la posibilidad de producir implantes neuronales y regenerar tejidos nerviosos da¤ados", se¤ala De la Fuente, aunque advierte que, aunque estos avances m‚dicos lleguen llegan a lograrse, tardar¡an a¤os en aplicarse.

    Por su parte, Elsa Prada, investigadora del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid del CSIC, se¤ala que el grafeno podr¡a usarse tambi‚n en biodispositivos, en envoltorios bactericidas de medicinas y alimentos y como parte de materiales compuestos m s ligeros y resistentes (para aviones, coches,
    etc.).

    Grafeno artificial

    Pese a sus extraordinarias cualidades, el grafeno no es perfecto. Sin embargo, s¡ parece una base muy adecuada para desarrollar nuevos materiales inspirados en ‚l y que incorporen nuevas ventajas. Es decir, algo as¡ como un grafeno perfeccionado. Uno de los £ltimos desarrollos en esta l¡nea es el llamado grafeno artificial, una investigaci¢n publicada recientemente en la revista 'Nature' y en la que participa el espa¤ol Paco Guinea, uno de los mayores expertos en grafeno del mundo.

    Junto a colegas estadounidenses de la Universidad de Stanford (California), el investigador del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (CSIC) ha conseguido fabricar un material que, seg£n explica a este diario, "permite manipular las propiedades m s ex¢ticas del grafeno con gran precisi¢n". El denominado grafeno artificial es un primer paso para sintetizar a gran escala materiales con propiedades cualitativamente similares al grafeno. "Se pueden estudiar propiedades que a£n no se han observado en el grafeno real, por no tener la pureza necesaria", se¤ala a trav‚s de un correo electr¢nico.

    Una de las fases de producci¢n de grafeno en la empresa Graphenea, en San Sebasti n.
    Este nuevo material ha sido fabricado colocando y moviendo mol‚culas de ¢xido de carbono sobre una superficie de cobre, aunque seg£n se¤ala Guinea, "se pueden usar otros metales". De momento, "el artificial es m s costoso de producir que el otro grafeno".

    Antes de ver productos fabricados con grafeno, Guinea cree que ser  necesario que "se abaraten los costes". El investigador espera "que la demostraci¢n de que se puede fabricar grafeno artificial lleve a que otros grupos contribuyan a
    mejorar las t‚cnicas de producci¢n".

    Inspirador de otros materiales

    Entre los otros materiales bidimensionales que ha inspirado el grafeno, Elsa Prada destaca el fluorografeno (an logo bidimensional del tefl¢n, con propiedades lubricantes y aislantes extraordinarias), el nitruro de boro hexagonal (aislante cristalino y transparente, de gran dureza, que combinado con el grafeno mejora sus propiedades electromec nicas), el disulfuro de molibdeno (otro cristal bidimensional con prometedoras propiedades para la construcci¢n de una nueva clase de transistores) o el siliceno (versi¢n del grafeno hecho de silicio. Tiene algunas propiedades en com£n con el grafeno, y como ventaja se podr¡a integrar f cilmente con la electr¢nica actual basada en el silicio).

    Prada, que ha trabajado con Konstantin Novoselov, uno de los descubridores del grafeno, destaca el alto nivel de la ciencia espa¤ola en el estudio de este material: "El nodo espa¤ol del proyecto Flagship de la UE es uno de los m s activos, y promueve la investigaci¢n b sica a la par que la transferencia de este conocimiento a la industria", una labor que, si logra ‚xito, "supondr  una
    gran cantidad de fondos para la investigaci¢n y el desarrollo de la tecnolog¡a de grafeno en Espa¤a", a¤ade Prada.

    "En estos tiempos de crisis, nuestro pa¡s tiene que apostar por convertirse en productora (y no s¢lo consumidora) de soluciones y productos con potencial y demanda. En particular, el grafeno puedo brindarnos la posibilidad de ser l¡deres y exportadores a nivel mundial de una tecnolog¡a de futuro", concluye

    Saludos
    Rafael
    rsuarez(at)terra.es
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