En 2010, Konstantin Novoselov y Andre Geim recibieron el Premio Nobel de Física «por experimentos innovadores sobre el material bidimensional grafeno».

GRAFENO: EL MATERIAL MILAGROSO

Desde su descubrimiento en 2004 por un grupo de investigación de la Universidad de Manchester dirigido por Andre Geim y Konstantin Novoselov, el grafeno ha demostrado ser uno de los nanomateriales más prometedores debido a su combinación única de características.

Antes de este descubrimiento revolucionario, los científicos creían que los materiales cristalinos bidimensionales no existirían debido a la inestabilidad termodinámica. Sorprendentemente, Geim y Novoselov pudieron aislar una monocapa de grafeno de un trozo de grafito con la ayuda de cinta adhesiva común.

Hasta la fecha, el bombardeo mecánico es la forma más fácil de producir escamas de grafeno, incluso si se pueden utilizar métodos desarrollados más recientemente para producir grafeno con menos impurezas. Geim y Novoselov recibieron el Premio Nobel de Física en 2010 por su trabajo.

Una red en forma de panal hecha de una sola capa de átomos de carbono parece frágil. Pero el grafeno definitivamente es cualquier cosa menos eso, porque no solo es el material más delgado (0,345 nanómetros), sino también el más fuerte, 200 veces más fuerte que el acero.

Esta no es la única propiedad mecánica que hace que el grafeno se destaque. También es flexible y liviano (0,77 miligramos por metro cuadrado): se puede cubrir todo un campo de fútbol con solo un gramo.

Por tanto, el grafeno podría convertirse en un componente indispensable de materiales compuestos o revestimientos para aviones, naves espaciales y edificios, entre otras cosas.

ENERGÍA DEL GRAFENO

Los grafenos son un componente central de la infraestructura energética. Por ejemplo, una aplicación importante es algo que probablemente encontrará a diario: el teléfono.

Investigadores de la Universidad Northwestern experimentaron con electrodos a base de grafeno para baterías de iones de litio que podrían prolongar la vida útil de la batería del teléfono o el tiempo de carga hasta diez veces más o más rápido que la tecnología actual.

En Australia, investigadores de la Universidad RMIT desarrollaron un electrodo basado en grafeno para supercondensadores que podría aumentar la capacidad de almacenamiento actual de energía solar en un asombroso 3000%.

Y una cosa más: dado que el grafeno transporta la carga eléctrica mucho más rápido que la mayoría de los otros materiales, también podría convertirse en un material indispensable para las células solares ultrafinas, flexibles y económicas (una vez que se resuelva el problema de su corta vida como portador de carga). Las esteras de grafeno multifuncionales también podrían resultar valiosas para los sistemas catalíticos en las pilas de combustible.

EL GRAFENO EN LA ELECTRÓNICA

Actualmente se supone que el grafeno algún día reemplazará al silicio en los chips de computadora, ya que la carga puede moverse más rápido a través del material 2D.

Según las estimaciones, la potencia de cálculo en el rango de los terahercios será posible en el futuro con gráficos y, por lo tanto, computadoras que son mil veces más rápidas que en la actualidad.

Sin embargo, para que el grafeno se use en transistores, debe estar dopado con impurezas porque carece de la banda prohibida necesaria: el material en su forma más pura es simplemente un conductor demasiado bueno.

Otros grupos de investigación están considerando aplicar un campo magnético a las cintas de este material para cambiar la resistencia de la corriente que fluye a través de ellas. Al igual que una válvula que controla el flujo de agua a través de una tubería, los transistores a menudo actúan como interruptores para encender y apagar la electricidad.

Si bien los transistores de gráficos aún no están listos para el mercado, grupos de investigación de todo el mundo están trabajando en ellos, por lo que es posible que solo sea cuestión de tiempo antes de que se reinvente la informática.

MEDIO AMBIENTE

Hoy en día, más del 10% de todas las personas no tienen acceso a agua potable y un tercio de la raza humana no tiene baños. Para cerrar esta brecha, los científicos del centro de investigación australiano CSIRO han utilizado grafeno para desarrollar un sistema de filtro simple que permite que las moléculas de agua penetren a través de nanocanales en la superficie de una membrana, pero no contaminantes que consisten en moléculas más grandes.

Según investigadores del MIT, el grafeno también podría revolucionar la producción de agua potable limpia a partir de agua salada.

En 2013, científicos chinos anunciaron que habían desarrollado el material más ligero conocido: un tipo de esponja fabricada mediante la fusión de carbono liofilizado y óxido de grafeno.

Esta esponja a base de grafeno, el llamado aerogel de grafeno, pesa solo 0,16 miligramos por centímetro cúbico y puede absorber 900 veces su propio peso en aceite. En el futuro, estas esponjas podrían resultar indispensables para limpiar los derrames de petróleo.

VER EN EL FUTURO

¿Está justificado todo el alboroto por el supuesto ‘material milagroso’? Si bien las propiedades del material son realmente notables y extremadamente versátiles, todavía hay una serie de desafíos que superar antes de que este material pueda encontrar su camino en la vida cotidiana.

La rapidez con que avanza la tecnología basada en grafeno está directamente relacionada con su fabricación.

Algunas aplicaciones requieren monocapas de este material con la menor cantidad posible de impurezas, pero en este momento los métodos más efectivos (descascarado mecánico y deposición química de vapor) no son adecuados para la producción a escala industrial debido a una rentabilidad insuficiente.

Sin embargo, la producción de escamas de grafeno (a partir de unas pocas o muchas capas) está ganando terreno gradualmente, lo que significa que los productos a base de grafeno para aplicaciones menos exigentes pronto podrían estar disponibles comercialmente en mayores cantidades.

Han pasado quince años desde que se aisló el grafeno por primera vez, pero el material aún está en su infancia. La mayoría de los componentes de su teléfono inteligente, desde el microprocesador hasta la pantalla táctil, se inventaron por primera vez en la década de 1960 o antes, pero la tecnología tardó muchas décadas en madurar lo suficiente como para estar lista para el mercado.

En muchos sentidos, la investigación del grafeno se está desarrollando actualmente con una rapidez sorprendente en comparación con otros materiales novedosos. Por ejemplo, la mitad de las casi 60.000 patentes sobre este tema se presentaron en los últimos tres años.