Es transparente, flexible, extraordinariamente resistente,
impermeable, abundante, económico y conduce la electricidad mejor que ningún
otro metal conocido. Hablamos del grafeno, el material que tiene fascinados a
científicos y a la industria debido a sus fantásticas propiedades.
Aunque fue sintetizado por primera vez en 2004, saltó 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 Física. Como ya apuntó entonces Andre Geim, las aplicaciones
potenciales del grafeno son tantas que ni siquiera eran capaces de enumerarlas.
Este versátil material permitirá fabricar desde dispositivos
electrónicos con pantallas flexibles y transparentes y baterías ultrarrápidas a
potentes paneles solares, sin olvidar aplicaciones en aeronáutica, medicina y
otros sectores que se investigan en la actualidad. Además, supone una base
excelente para crear nuevos materiales a medida, en función de las necesidades
específicas. Es decir, algo así como materiales a la carta.
El estudio de las propiedades del grafeno mantiene ocupados
a una gran cantidad de científicos en todo el mundo, entre los que destacan las
aportaciones de los físicos teóricos españoles.
En fase de desarrollo
Todos hablan de este material aunque pocos lo han visto. Y
es que pese a sus prometedoras aplicaciones, todavía se encuentra en fase de
desarrollo. El grafeno es una lámina extremadamente delgada compuesta de
carbono (sólo tiene un átomo de grosor). El grafito del que se obtiene es el
mismo que se extrae de las minas de carbón y se usa para fabricar lápices,
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 españolas son ricas en este mineral) o del grafito
sintético.
Sin embargo, el principal obstáculo en la actualidad es que
aún no es posible fabricar grafeno a gran escala, según explica Jesús de la
Fuente, director de la empresa española Graphenea Nanomaterials, una de las
pocas compañías que de momento, producen este material. Avanzare y
GranphNanotech son otras dos empresas españolas que trabajan con este material.
Existen varias formas de producir grafeno. La cinta adhesiva
(exfoliación mecánica) fue el método que utilizó Geim para aislarlo por primera
vez y puede servir para algunos experimentos, pero no es un método válido para
la industria. Básicamente se comercializa de dos maneras: en formato lámina y
en polvo.
Grafeno en lámina
Graphenea, con base en San Sebastián, es una de las tres
principales productoras de grafeno en lámina a nivel mundial (sus dos competidores
son estadounidenses): "Es el grafeno de alta pureza y el que reúne las
mejores propiedades. Se emplea para fabricar electrodos de baterías, pantallas
táctiles, células solares, electrónica digital y analógica de alta frecuencia o
composites avanzados para aeronáutica", explica De la Fuente en
conversación telefónica.
Para producirlo no se utiliza grafito, sino gas metano, que
se transforma mediante una tecnología denominada deposición química en fase
vapor (Chemical Vapor Deposition, CVD): "Es una de las grandes ventajas,
pues no dependemos de ningún producto mineral", señala.
"Se realiza en un reactor CVD donde se introduce un gas
con carbono. Mediante la aplicación de energía se despositan los átomos de
carbono sobre un substrato metálico. El siguiente paso es transferir la lámina
de grafeno al substrato final que puede ser un polímero, vidrio, silicio u
otros, dependiendo de la aplicación", explica
El precio varía según los tamaños y las propiedades. En los
últimos años ha caído ya a la mitad. Una lámina de grafeno cuesta entre 300 y
1.000 euros, una cifra muy asequible para el consumo de investigación pero
elevada para otros usos. De la Fuente explica que esperan que el precio siga
descendiendo progresivamente y, "a medio plazo (unos cinco años), sea más
barato que el silicio, que en la actualidad cuesta alrededor de 50 euros".
"A medida que el mercado vaya avanzando el precio irá bajando.
Prácticamente cuesta lo mismo producir una lámina que 100.000", afirma.
Esta empresa suministra material a sus clientes desde el
verano de 2011, tanto a centros de investigación como a grandes empresas.
"El 99% de nuestra producción la vendemos en el extranjero, aunque en
España hay una gran actividad de investigación. Las empresas 'start-up' están
llevando a cabo algunas iniciativas mientras que las grandes empresas están a
la espera", explica.
Baterías mucho más
duraderas
"El grafeno que vendemos se utiliza, sobre todo, para
ensayos. Se está trabajando mucho en almacenamiento de energía. En
ultracondensadores (para automóviles, trenes eléctricos y para mejorar el
rendimiento de las líneas de distribución eléctrica) y en baterías. Se ha
demostrado que con electrodos de grafeno se consiguen baterías diez veces más
duraderas".
De hecho, este material podría solucionar uno de las grandes
desventajas de los teléfonos inteligentes, cuyas baterías apenas duran un día.
Los prototipos de baterías fabricadas con electrodos de grafeno son diez veces
más duraderas que las que llevan los teléfonos que se venden en el mercado y se
cargan en mucho menos tiempo (aproximadamente media hora).
Sin embargo, habrá que esperar algunos años para disfrutar
de estas baterías. Según De la Fuente, Nokia (su principal cliente) no prevé
comercializar dispositivos fabricados con grafeno hasta dentro de cinco años.
El grafeno también podrá usarse en televisores OLED (Organic
LED), que estarán fabricados con materiales orgánicos y más sostenibles con el
medio ambiente: "Ahora se utiliza como material tierras raras, como el
indio, que tienen un impacto ambiental muy grande. Además su precio se ha
multiplicado por diez". La industria busca un sustituto más económico 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 células de un 42% de eficacia (es decir,
que conviertan en electricidad el 42% de la energía 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 más barato, como composite para construcción (se suele mezclar con
otros materiales). "El proceso de producción de grafeno en formato polvo
básicamente parte del grafito como materia prima y consiste en realizar una
oxidación violenta y un proceso de ultrasonificación para separar las pequeñas láminas
de grafeno que componen el grafito", explica Jesús de la Fuente.
Sus propiedades no son tan buenas como el grafeno en lámina
y conduce peor la electricidad. La demanda de este producto, cuyo precio
depende de su pureza, sigue siendo pequeña. El de baja calidad cuesta menos de
10 euros el gramo mientras que el de alta calidad ronda los 100 euros.
"Trabajamos también con equipos de alta competición de
vela, que necesitan complementos para las fibras de carbono (el grafeno las
mejora)". También se han hecho algunos ensayos en laboratorio para
incorporarlo a la construcción aunque De la Fuente ve difícil su uso en este
sector ya que "hacen falta volúmenes muy grandes y precios baratos".
Los científicos estudian también las posibles aplicaciones
en medicina. Por ejemplo, para fabricar biosensores y detectar ADN.
"También se especula con la posibilidad de producir implantes neuronales y
regenerar tejidos nerviosos dañados", señala De la Fuente, aunque advierte
que, aunque estos avances médicos lleguen llegan a lograrse, tardarían años en
aplicarse.
Por su parte, Elsa Prada, investigadora del Instituto de
Ciencia de Materiales de Madrid del CSIC, señala que el grafeno podría usarse
también en biodispositivos, en envoltorios bactericidas de medicinas y
alimentos y como parte de materiales compuestos más ligeros y resistentes (para
aviones, coches, etc.).
Grafeno artificial
Pese a sus extraordinarias cualidades, el grafeno no es
perfecto. Sin embargo, sí parece una base muy adecuada para desarrollar nuevos
materiales inspirados en él y que incorporen nuevas ventajas. Es decir, algo
así como un grafeno perfeccionado. Uno de los últimos desarrollos en esta línea
es el llamado grafeno artificial, una investigación publicada recientemente en
la revista 'Nature' y en la que participa el español 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, según explica a este
diario, "permite manipular las propiedades más exóticas del grafeno con
gran precisión". 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 aún no se han observado en
el grafeno real, por no tener la pureza necesaria", señala a través de un
correo electrónico.
Este nuevo material ha sido fabricado colocando y moviendo
moléculas de óxido de carbono sobre una superficie de cobre, aunque según
señala Guinea, "se pueden usar otros metales". De momento, "el
artificial es más costoso de producir que el otro grafeno".
Antes de ver productos fabricados con grafeno, Guinea cree
que será necesario que "se abaraten los costes". El investigador
espera "que la demostración de que se puede fabricar grafeno artificial
lleve a que otros grupos contribuyan a mejorar las técnicas de
producción".
Inspirador de otros
materiales
Entre los otros materiales bidimensionales que ha inspirado
el grafeno, Elsa Prada destaca el fluorografeno (análogo bidimensional del
teflón, 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 electromecánicas), el disulfuro
de molibdeno (otro cristal bidimensional con prometedoras propiedades para la
construcción de una nueva clase de transistores) o el siliceno (versión del
grafeno hecho de silicio. Tiene algunas propiedades en común con el grafeno, y
como ventaja se podría integrar fácilmente con la electrónica 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 española en el
estudio de este material: "El nodo español del proyecto Flagship de la UE
es uno de los más activos, y promueve la investigación básica a la par que la
transferencia de este conocimiento a la industria", una labor que, si logra
éxito, "supondrá una gran cantidad de fondos para la investigación y el
desarrollo de la tecnología de grafeno en España", añade Prada.
"En estos tiempos de crisis, nuestro país tiene que
apostar por convertirse en productora (y no sólo consumidora) de soluciones y
productos con potencial y demanda. En particular, el grafeno puedo brindarnos
la posibilidad de ser líderes y exportadores a nivel mundial de una tecnología
de futuro", concluye.
