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09:21h. Miércoles, 18 de Julio de 2018

Grafeno, el material de batalla en aplicaciones del futuro

Entrevista con Director del CIQUA

Estructura del grafeno
Estructura del grafeno

Saltillo, Coahuila.  En 2004,  a  raíz  de  sus  investigaciones  en  la  Universidad   de  Mánchester,  los doctores Andre Geim y Konstantin  Novoselov lograron  aislar un material bidimensional  conocido   como   grafeno,   y  debido   esencialmente   a  este proyecto recibieron el Premio Nobel de Física en 2010.

A partir  de entonces,  inició  una fuerte  oleada  de investigación,  innovación  y desarrollo   en  torno   al  potencial   del  grafeno   y  otros  materiales   bidimen- sionales, que ha progresado  vertiginosamente en los últimos  trece años.

Actualmente,   en  México,  diversas  instituciones  de  educación   superior   y centros de investigación  se mantienen a la vanguardia  estudiando las propie- dades y alcances de este y otros materiales bidimensionales.

En entrevista  exclusiva para la Agencia Informativa Conacyt, el doctor  Salvador Fernández Tavizón, coordinador e investigador  del Laboratorio Nacional de Materiales Grafénicos del Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA) y miembro nivel I del Sistema Nacional de Investigadores  (SNI), explica qué es, su origen, propiedades y aplicaciones comprobadas hasta el momento, de este material  del que aún falta mucho por estudiar.

Agencia Informativa Conacyt (AIC): ¿Qué es el grafeno?

Salvador Fernández  Tavizón (SFT): El grafeno  es un material  bidimensional, característica  que le confiere  —y a otros  materiales bidimensionales también porque el grafeno no es el único que existe—propiedades distintas que pueden ser empleadas con  ventaja  sobre  las  propiedades  de  materiales similares desde el punto de vista químico.

Está hecho de átomos  de carbono  (C) dispuesto  en una laminilla,  que tiene el grosor  del tamaño  del átomo  de carbono.  Estos átomos  están unidos en esa lámina bidimensional en  una  red  de  bencenos.  Es  decir,  son  átomos  aro- máticos con la peculiaridad de tener  electrones  dispuestos  en un orbital  per- pendicular  a la lámina, lo que permite  que se compartan con los átomos contiguos. Viéndolo así, este material  bidimensional es una nube de electrones sobre  la superficie  original  de carbono  y esa nube  de electrones  le confiere muchas de las propiedades.

AIC: ¿Cuándo fue descubierto el grafeno?

SFT: Aunque  objeto  de interés  teórico  que predecía  su existencia, podemos decir que su descubrimiento lo define  su aislamiento.  En la comunidad cien- tífica hasta muy recientemente se consideraba  que los materiales  bidimen- sionales  no  podían  existir  porque  su comportamiento termodinámico sería estar   en  continuo  movimiento,  y  este  movimiento  continuo  introduciría energía suficiente como para desmembrar el material  mismo.

La comunidad científica se debatió  por 50 años sobre si podían existir los materiales   bidimensionales.  Andre  Geim  (quien  recibió   posteriormente  el premio  Nobel por el aislamiento  del grafeno) no se lo tomó muy en serio y uno de  sus  estudiantes,   Konstantin   Novoselov,  aisló  una  lámina  de  grafeno  y demostró dos cosas: una, que se puede aislar y que termodinámicamente es suficientemente estable como para existir;  pero además de eso demostró su enorme capacidad de conducción eléctrica.

Esto se publicó  en 2004 y a partir  de esta fecha ha habido  una explosión  de información, investigación y materiales bidimensionales. Incluso comenzaron  a aislar otros materiales bidimensionales con propiedades similares.

AIC: ¿Con qué propiedades comprobadas cuenta el grafeno?

SFT: La bidimensionalidad es una característica  que le confiere  propiedades distintas  que podemos  aprovechar.  El grafeno es el mejor conductor térmico  y eléctrico  que  existe,  muy  superior  al cobre,  porque  como  se dijo  antes,  lo podemos  equiparar a una lámina  cubierta  por  una nube  de electrones,  y la electricidad  es la conducción  de electrones. El grafeno, dada esta nube, puede conducir  electrones  con toda facilidad  sin tener  dificultades de difracción  del haz electrónico,  el movimiento electrónico  es extremadamente rápido.  Esta es una de las primeras  propiedades descubiertas sobre el grafeno.

Es  un  material  que  físicamente  se puede  manipular con  pinzas  sin que  se destruya y esto da un indicio de la resistencia y robustez del grafeno.

El material  tiene propiedades mecánicas muy superiores  a las del acero, considerando  el  mismo   peso,  conduce  mejor   la  electricidad,   es  el  mejor conductor térmico  que existe, es flexible y transparente, etcétera. Todo demostrado después de muchos años de investigación.

AIC: ¿Qué aplicaciones tiene actualmente?

SFT: Se está usando en algunas aplicaciones de alta densidad económica, que por ahora son las que pueden pagar el costo de vencer las dificultades que hay que superar  para manipularlo; sin embargo, estas son apenas un atisbo de lo que se va a lograr al cabo de cinco, 10 o 15 años o los que sean.

Ya se está usando  en las pantallas  de celulares, específicamente  en la parte inferior de la pantalla  táctil;  al presionar,  cierras  un circuito  eléctrico  con el grafeno  como base; de esta forma  los futuros  celulares serán flexibles, como lo serán otras muchas aplicaciones como las computadoras. Se utiliza también en algunas pantallas de los televisores más caros que hay en este momento.

Comienza  a utilizarse  para  la  fabricación  de  circuitos  electrónicos,  esto  es tintas electrónicas o tintas de conducción eléctrica.

Ya hay circuitos electrónicos  fabricados  con tintas de grafeno y, recientemente (21 días), acaba de ser publicado  un artículo  en donde  pasan un haz de láser de alta energía sobre un material  orgánico con el que se quema, literalmente, el material  orgánico para crear carbono amorfo.  Después le da otras ‘pasadas’ con un láser desenfocado  y ese carbono  amorfo  se  convierte  en grafeno.  Es decir, con un láser se pueden  hacer los circuitos  electrónicos  sobre cualquier material  que contenga carbono.

AIC: ¿Cuáles son las ventajas y desventajas del grafeno?

SFT: El grafeno  tiene la ventaja sobre otros  materiales  de estar formado por carbono,  y todo  organismo   vivo  fundamentalmente es carbono,  junto  con otros  elementos.  Entonces, el carbono  es el cuarto  elemento  en distribución en el universo  y el segundo en la constitución de los seres vivos de la corteza terrestre.

Sabemos que podemos  obtener  grafeno de cualquier  cosa que tenga carbono y eso tiene  ventajas  sobre  otros  materiales  más escasos como  el silicio.  El carbono   es  una  fuente   inagotable   y  hay  que  aprender   cómo  obtener   y aprovechar el grafeno.

La dificultad o desventaja es cómo se separan las láminas, dado el tamaño, ya que en un milímetro del grosor de la punta de un lápiz caben tres millones  de láminas de grafeno apiladas una sobre otra.

Es más fácil separarlas por métodos  químicos  que mantenerlas separadas, la dificultad surge de su tendencia a unirse de nuevo buscando estabilizarse. Esto es  la  principal   dificultad  a  vencer,   necesita   contestar   cómo   mantener separados materiales que buscan estabilizarse uniéndose nuevamente.

Esa es la principal  dificultad,  cómo lograr una suspensión estable de alta concentración de láminas  de grafeno,  propensas  a unirse  las unas sobre las otras. Esa es la principal  dificultad en el manejo.

Por ahora, sin que sea la única forma de hacer grafeno pero sí la más recurrida y que ha demostrado hasta el momento ser la más fácil, es utilizando grafito. Con la desventaja que el grafito  no es un material  único, el grafito  extraído de diferentes  áreas de una mina  no es de calidad  uniforme y sus propiedades físicas difieren.  Si así pensamos en diferentes  depósitos de grafito, concluimos que  así como  hay  grafitos  parecidos  pero  distintos,   así hay  grafenos  con diferentes  características. Si tomamos  en cuenta que hay diferentes  métodos de separación, la posibilidad de tener un solo grafeno es prácticamente nula si lo haces por método  de producción de separación de arriba hacia abajo.

La dificultad es cómo homogeneizar el tipo  de grafenos  producidos y en esa homogeneización es cómo repetir  la obtención  del mismo  tipo de materiales. Es la primera  búsqueda,  cómo  hacerlo  en cantidades suficientes,  de manera repetible  y económica.

Después  surgen  otras  dificultades.   No  se une  fácilmente   con  otras  cosas, tienes que resolver  cómo unirlo,  por ejemplo  unirlo  sobre materiales  polimé- ricos, para que estos tengan las propiedades mecánicas o de transferencia térmica  o eléctrica  del grafeno.  Con el grafeno  encontrarás  dificultades pero también  otras enormes posibilidades de uso.

AIC: ¿Qué proyectos desarrollan en el Laboratorio Nacional de Materiales Grafénicos?

SFT: Continuamos trabajando con dos líneas en general. La primera  es cómo hacer  cantidades  industriales de forma  económica  de grafeno,  en este mo- mento  de nanoplaquetas. Es decir, que no es una sola lámina  sino que son varias apiladas una sobre la otra y que las podamos  manejar  como láminas, y continuamos buscando la manera de tener suspensiones estables de una sola lámina de grafeno.

Aquí en CIQA, con nuestros  materiales,  estamos trabajando para mejorar  las propiedades mecánicas de polímeros, las propiedades de conducción eléctrica, de conducción térmica de polímeros  con grafeno.

Además estamos utilizando los materiales  que hacemos para la detección  de moléculas de importancia biológica, hay muy poca gente en México trabajando en  eso.  El  grafeno   y  otros   materiales   bidimensionales  se  prestan   a  ser utilizados para el sensado de moléculas de importancia biológica, en este caso peróxido  de hidrógeno,  glucosa, dopamina,  ácido úrico, entre otras. Nos falta pero podríamos  llegar a la detección de otras cosas, al sensado de otras expre- siones, de otras enfermedades como cáncer, específicamente  la detección  de algunas expresiones  proteínicas  que al encontrarlas nos dirán que la fuente  o persona de quien viene la muestra tiene cierto tipo de cáncer.

También desarrollamos materiales  de almacenamiento de energía, supercapa- citores. Lo que queremos  hacer son materiales  con los cuales podamos  alma- cenar carga suficiente  para accionar en este momento cosas relativamente pequeñas en cuanto a demanda  de densidad  de carga, celulares y, llegado su momento, computadoras.

Como  parte  del  laboratorio estamos  haciendo  alianzas con  otros  investiga- dores de la institución y México, buscando desarrollar aplicaciones para los materiales.

En el Centro de Investigaciones en Óptica (CIO) se trabaja en utilizar materiales de  grafeno   en  conjunto   con  cristales  de  perovskita.   Si  unes  cristales  de perovskitas  con un grafeno,  obtienes  el equivalente  a una celda fotovoltaica, un material  capaz de tomar  irradiación solar en el visible y convertirlo en electricidad.

Con el Centro de Investigación y Desarrollo  Tecnológico en Electroquímica (Cideteq)  se  está  haciendo   una  conjunción   de  grafeno   modificado  para utilizarlo   en  celdas  fotoelectroquímicas,   que   son  materiales   que   al  ser irradiados por luz, idealmente en el visible, originan una corriente  eléctrica que modifica  el entorno en que están y generan, en este caso, hidrógeno,  es una celda de combustible.

En el Centro de Investigación  en Materiales  Avanzados (Cimav) en Chihuahua, estamos trabajando grafeno con otros materiales, para hacer compuestos  que bloqueen  las radiaciones electromagnéticas.

Son las áreas de oportunidad que  hemos  estado  viendo  en las tres  institu- ciones: celdas fotoelectroquímicas, celdas fotovoltaicas,  materiales  de bloqueo de interferencia electromagnética; mientras  que en CIQA continuamos traba- jando con polímeros, supercapacitores y sensores.

AIC: ¿Qué consideraciones  o aclaraciones se tienen que hacer respecto al grafeno?

SFT: Hay una  creencia  de que  el grafeno  va a solucionar  todo,  la realidad nunca es así, el grafeno  tiene propiedades extraordinarias que requiere extraordinarios esfuerzos para poderlas concretar. Llevar una curiosidad  de laboratorio a una aplicación  madura  y desarrollada lleva décadas, el caso del grafeno es hasta cierto punto  excepcional porque  en poco más de una década ya hay aplicaciones.

Pese al optimismo que permite  el grafeno, dista mucho  todavía de podernos llevar  a la concreción  que  buscamos.  Hay que  aclarar  que  actualmente  el grafeno por sí mismo no cura nada. Apenas estamos abordando el tema, tene- mos trece años trabajando de manera  consciente con materiales  bidimensio- nales  y, sin  embargo,  ya tenemos  muchísimos  resultados.  Se  van  a poder lograr otros muchos, sí, pero hay que tener paciencia y trabajar  mucho.

AIC: ¿Cómo visualiza el futuro del grafeno?

SFT: El grafeno va a ser fundamentalmente el material  de batalla para futuras aplicaciones;  tenemos  muchísimas  pruebas  de concepto  que  nos dicen  que con el grafeno modificado vamos a poder detectar enfermedades, hacer supercomputadoras,  replicar  algunos  fenómenos   cuánticos  observados,  se puede convertir  en un superconductor eléctrico si lo modificas  con suficiencia, vamos a poder desalinizar agua de mar con economía y purificar agua contaminada, entre otros.

Si nos ponemos a pensar en todas las posibilidades de la nanotecnología, facilitadas o propiciadas  por materiales bidimensionales, fundamentalmente el grafeno que viene del carbono, la imaginación  es el límite. Nos va a dar energía limpia,  agua,  permitir detectar  y tratar   enfermedades  y va a posibilitar la obtención,   manejo  y almacenamiento de  energía.  Hablamos  de  materiales modificados con base en grafeno.