Grafeno, ¿qué es y para qué sirve?

Grafeno: qué es y de dónde viene

El carácter innovador del grafeno radica principalmente en su bidimensionalidad. Físicamente, es una capa de átomos de carbono individuales dispuestos en un patrón hexagonal que es visualmente similar a un panal. Por lo tanto, el grafeno es un alótropo del carbono. En la década de 1940, Phillip Russel Wallace desarrolló el concepto teórico de crear una estructura de carbono de un solo átomo. Sin embargo, esta idea ha sido rechazada por la mayoría de los científicos durante muchos años. No fue hasta seis décadas después que pudo convertirse en un material real y tangible. El dúo de Gejm y Nowosiolow de la Universidad de Manchester logró aislar grafeno de un trozo de grafito transfiriendo átomos de carbono a una capa de dióxido de silicio (SO ₂ ) usando una cinta adhesiva. La sílice jugó un papel importante en este proceso, aislando una capa de grafeno con carga eléctrica neutra. Actualmente, este método solo se utiliza a pequeña escala con fines de investigación.

Propiedades inusuales del grafeno

¿Qué tiene esta capa ultrafina de átomos de carbono que ha fascinado al mundo científico? El grafeno ha demostrado ser un excelente conductor del calor y la electricidad. También se caracteriza por una baja resistencia activa. En este sentido, es un competidor del cobre y el silicio. A temperatura ambiente, los electrones de grafeno muestran una movilidad sin precedentes en otros materiales. Su alta velocidad, que alcanza 1/300 de la velocidad de la luz, abre interesantes posibilidades para su uso en diagnóstico. El grafeno también es casi transparente: absorbe el 2,3 %de la luz blanca. Por tanto, su excepcional potencial eléctrico va de la mano con el óptico. A pesar de su estructura extremadamente delgada, el grafeno es hasta 100 veces más fuerte que el acero. Al mismo tiempo, conserva un alto nivel de flexibilidad (hasta un 20 %de capacidad de estiramiento en longitud o anchura). Una membrana de grafeno oxidado es completamente impermeable a los gases, pero permeable al agua, por lo que puede utilizarse para la filtración. Las propiedades antimicrobianas del material también son dignas de mención.

Grafeno prospectivo: aplicaciones en diversas industrias

Las propiedades electrónicas, ópticas, térmicas y mecánicas del grafeno han abierto la puerta a sus múltiples aplicaciones comerciales prácticas, que según los expertos se desarrollarán de forma dinámica en las próximas décadas. Ya hoy, el grafeno es considerado el sucesor del silicio en el área electrónica. Este conductor transparente y flexible se puede utilizar para fabricar células fotovoltaicas, pantallas enrollables y paneles táctiles, así como luces LED. También aumenta significativamente la frecuencia de las señales electromagnéticas, lo que permite la producción de transistores más rápidos. Los sensores de grafeno también están atrayendo un interés considerable. Gracias a su sensibilidad excepcional, pueden detectar moléculas individuales de sustancias peligrosas, lo que facilita el control del entorno. El óxido de grafeno distribuido en el aire también tiene la capacidad de eliminar contaminantes radiactivos. La perspectiva de desarrollar nuevos productos con grafeno aumenta cada año Las aplicaciones existentes con mayor potencial incluyen:

• redes eléctricas modernas;
• fuentes de luz energéticamente eficientes;
• semiconductores utilizados en dispositivos espintrónicos;
• recubrimientos anticorrosivos más efectivos;
• filtración de agua para depuración y desalinización;
• Sistemas de comunicación optoelectrónicos.

Además, se especula sobre el posible uso del grafeno para la producción de componentes estructurales más livianos y duraderos para automóviles, aeronaves, barcos y dispositivos. En combinación con materiales artificiales (por ejemplo, caucho), podría usarse para crear, por ejemplo, caucho termoconductor. Basado en grafeno, ya se ha desarrollado un papel extremadamente fuerte capaz de conducir electricidad.

Grafeno biocompatible: aplicaciones médicas

Cabe destacar también la posibilidad de utilizar el grafeno en el campo de la biomedicina, tanto en áreas diagnósticas como terapéuticas. Como portador de medicamentos, el óxido de grafeno se caracteriza por una alta biocompatibilidad y una excelente solubilidad. Esto permite una dosificación precisa de agentes antiinflamatorios y anticancerígenos, así como enzimas y sustancias minerales. Debido a que el grafeno es un conductor de calor perfecto, también se usa para destruir tumores cancerosos. El fenómeno de la termolesión permite aprovechar el calor acumulado por ella para reducir el dolor en los tejidos. Ya se está trabajando en la producción de ropa y accesorios médicos calentados. Las láminas de grafeno también se utilizan como biosensores y pueden ayudar a diagnosticar cáncer y enfermedades neurológicas (p. ej., epilepsia o enfermedad de Parkinson) con dispositivos portátiles. Se espera que la sonda de grafeno desarrollada por los polacos revolucione las pruebas de ECG al permitir mediciones desde el nivel del corazón. Las propiedades antibacterianas del grafeno también brindan una oportunidad para resolver la crisis relacionada con la creciente insensibilidad de las bacterias a los antibióticos. El grafeno se puede utilizar como base para el desarrollo de agentes destinados al control de infecciones tópicas y la desinfección de heridas. La posibilidad de usar grafeno en la ingeniería de tejidos parece muy prometedora. La resistencia mecánica del innovador andamio de carbono es extremadamente alta. Los estudios muestran que acelera la diferenciación de las células madre y promueve una recuperación más rápida.

Producción de grafeno

Desde 2014, el grafeno se produce a mayor escala con fines comerciales. Las nuevas técnicas micromecánicas han permitido una importante reducción del precio del material. Actualmente, sus principales productores son EE. UU. y China, donde se pueden encontrar cantidades importantes de grafito amorfo barato. Deseado en el área de la electrónica, el grafeno premium debe producirse a partir de grafito de calidad suficiente y esto requiere cristales planos y ordenados adquiridos en un procesamiento especial. El precio del material es entonces correspondientemente más alto. Investigadores coreanos han logrado desarrollar una forma eficiente y rentable de producir grafeno mediante deposición química de vapor (CVD). La desventaja de esta solución es una menor calidad del material y una mayor frecuencia de defectos. Sin embargo, en algunas aplicaciones, esto no representa un problema. Los polacos también han contribuido al desarrollo de métodos innovadores de producción de grafeno. El Instituto de Tecnología de Materiales Electrónicos de Varsovia posee una patente para producir el material a partir de carburo de silicio. En 2015, investigadores de la Universidad de Lodz, Polonia, desarrollaron una innovadora tecnología HGSM que permite la producción de hojas de gran formato de alta calidad a partir de la fase líquida.

¿Es seguro el grafeno?

Como material relativamente nuevo, el grafeno plantea dudas comprensibles en el contexto de los posibles efectos sobre la salud humana. Incluso hay afirmaciones de que la estructura delgada y liviana del grafeno ingresa fácilmente a los pulmones, lo que representa una amenaza comparable al polvo o incluso a las fibras de asbesto. Los estudios chinos incluso sugieren que las nanopartículas de carbono bidimensional pueden asentarse en los órganos internos. También existe un riesgo teórico de que el grafeno, al ingresar a las aguas superficiales y subterráneas, pueda ser dañino para las plantas y los animales. Las partículas finas pueden asentarse en los bordes de los cuerpos de agua y aumentar los niveles de dureza del agua. Sin embargo, según los conocimientos actuales, el grafeno no es tóxico y no tiene afinidad por sustancias peligrosas. Sus cantidades y, por lo tanto, la exposición potencial, también son extremadamente bajas o incluso insignificantes. En contacto con la piel no presenta propiedades irritantes. Asimismo, estudios internacionales demuestran que la inhalación no provoca reacciones inmunológicas adversas. Existe un consenso general en la comunidad científica sobre la necesidad de seguir investigando las propiedades y aplicaciones del grafeno, incluida su seguridad. Esto permitirá optimizar los métodos de uso del material innovador con miras a los efectos a largo plazo en los seres humanos y el medio ambiente.