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Grafeno: el material del siglo XXI

Artículo 06 de octubre de 2015 | 00:00 5 minutos
  • AGORAARECES

El próximo 21 de octubre, la Fundación Ramón Areces organizará en Valencia un Simposio Internacional, en colaboración con el Instituto de Tecnología Química UPV-CSIC, para valorar la importancia del grafeno como material. En este artículo, uno de los coordinadores de este encuentro, el profesor Hermenegildo García, explica cómo, mientras los plásticos han sido considerados como uno de los materiales del siglo XX, las potenciales nuevas aplicaciones del grafeno y las posibilidades que ofrece este nanomaterial hacen que el grafeno sea ampliamente aceptado como el material del siglo XXI.

El final del siglo XX ha asistido a una intensa investigación en la preparación y estudio de las propiedades y formas alotrópicas del carbono que eran desconocidas hasta hace poco incluyendo fullerenos, nanotubos de carbono, diamante nanoparticulado y por último el grafeno. De entre todos estos materiales basados en carbono, el más fácilmente asequible y que se puede preparar en grandes cantidades, además de tener propiedades excepcionales, es el grafeno. El grafeno es una lámina de un único átomo de espesor constituida por átomos de carbono con hibridación sp2 en disposición hexagonal. El grafeno constituye el límite físico de miniaturización de una superficie. El grafeno combina mejoradas propiedades características de metales como su elevada conductividad eléctrica, movilidad electrónica y conductividad térmica con otras propiedades características de polímeros sintéticos como resistencia mecánica en relación a su peso, elevada elasticidad y también flexibilidad.

Estructura del grafeno

Una de las características fundamentales del grafeno frente a los metales y otros materiales es que está constituido exclusivamente por carbono, que es uno de los elementos más abundantes de la bioesfera y cuyo uso es considerado como un material sostenible, puesto que cuando su obtención proviene de la biomasa se obtendría cada año una nueva remesa de precursor.

Mientras que debido a su diversidad, flexibilidad en la modificación estructural, posibilidad de producción masiva, los plásticos han sido considerados como uno de los materiales del siglo XX, las nuevas posibilidades que ofrece el grafeno en cuanto a que es un caso emblemático de nanomaterial y la modificación de sus propiedades mediante diseño hace que éste se considere como el material del siglo XXI. Así, las propiedades de conducción electrónica del grafeno podrán permitir la construcción de procesadores más rápidos y con mayor capacidad de almacenamiento. Más allá de la microelectrónica, el grafeno influirá decisivamente en sistemas de producción y almacenamiento de energías renovables, desde nuevos dispositivos fotovoltaicos y optoelectrónicos hasta supercondensadores de mayor capacidad, nuevas baterías y acumuladores eléctricos de mayor duración y con mayor rapidez de carga y descargo. También la biomedicina podría sacar ventaja del empleo del grafeno en medicina regenerativa de tejidos como medio para el crecimiento de células, en la preparación de implantes de mayor compatibilidad y funcionalidad, en la curación de enfermedades mediante la liberación controlada y dirigida de fármacos, entre otras posibilidades. Pero es probable que el grafeno se encuentre como aditivo en otros muchos materiales de uso cotidiano a fin de mejorar sus prestaciones como puede ser en la preparación de plásticos más ligeros, resistentes y funcionales, en pinturas y recubrimientos con apariencia metálica, en catalizadores más sostenibles, activos y selectivos y que no contienen metales tóxicos ó preciosos así como en otras muchas aplicaciones. 

El Simposio Internacional que celebraremos el próximo 21 de octubre en Valencia va encaminado a presentar de forma global la ciencia básica y la tecnología del grafeno desde su preparación y modificación hasta aplicaciones en campos diversos. Así, el Prof. Guinea presentará una perspectiva autorizada de cuáles son los campos actuales en los que el grafeno se puede aplicar en microelectrónica y desde el punto de vista de sus propiedades físicas. Prof. Mullen viene desarrollando una estrategia de síntesis innovadora basada en el bottom-up donde se parte de moléculas orgánicas sencillas que se fusionan para constituir lámelas de mayor tamaño en dirección hacia la formación de láminas de grafenos 2D. 

Debido a las propiedades del grafeno, éste puede reemplazar ventajosamente a metales en aplicaciones donde hasta el presente sólo podían emplearse estos materiales. De particular impacto económico elevado es la búsqueda de alternativas a metales nobles y especialmente platino. En esta línea, el Prof. Su presentará aplicaciones del grafeno para promover reacciones, comparando sus propiedades con las del diamante nanoparticulado, que es otro material basado exclusivamente en carbono. El Prof. Serp introducirá el uso del grafeno como material de soporte de nanopartículas y cuáles son las propiedades únicas que derivan de la sinergía entre estos componentes como consecuencia de la morfología y estructura del grafeno. 

Por su parte, el Prof. Nguyen comentará las nuevas propiedades que se pueden conseguir en materiales plásticos como consecuencia de la introducción de grafeno y materiales relacionados en su formulación en cuanto a la enorme mejora de su resistencia mecánica y la eliminación de imperfecciones, así como formas adecuadas de preparación de estos materiales compuestos. 

El Dr. Charola comentará desde el punto de vista comercial cuál es la producción actual de grafeno y cómo se prevé que crezca en un futuro próximo como consecuencia del empleo del grafeno en multitud de áreas nuevas. El Prof. Antonietti ha sido un pionero abriendo un campo nuevo encaminado a reemplazar los metales por catalizadores a base fundamentalmente de carbono. Además, estos materiales pueden comportarse como semiconductores cuando se introducen defectos en la estructura y pueden emplearse como fotocatalizadores, como ya ha demostrado este profesor. 

Entre otros campos, el grafeno va a tener una aplicación importante en la biomedicina, donde servirá como plataforma para el diagnóstico de disfunciones celulares y para la liberación controlada de fármacos, pudiéndose combinar ambas funciones (teragnosis). Además el grafeno se aplicará como sensor de biomoléculas y para el crecimiento de tejidos en medicina regenerativa. Estos aspectos serán cubiertos por el Prof. Loh que es pionero en el desarrollo del uso de grafenos en este campo. 

El simposio incluirá igualmente la experiencia de investigadores con una perspectiva industrial. La oportunidad de negocio que se está creando alrededor de grafeno está íntimamente ligada al desarrollo de ciencia básica y de tecnología. Por este motivo, las empresas cuyo negocio es el grafeno son empresas con una alta contribución de I+D ligadas a centros de investigación. 

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