El grafeno: ¿simple moda o material del futuro?

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Nicolas Gyraud
R&D Director en GMD Solutions
El grafeno: ¿simple moda o material
del futuro?
El interés científico e industrial por el grafeno ha crecido de forma exponencial durante los
últimos años hasta convertirse, hoy en día, en el material más investigado en el mundo. Según
numerosos expertos, sus extraordinarias y variadas propiedades abrirían grandes posibilidades
en diferentes sectores tanto científico-tecnológicos como industriales. Este artículo expone
algunas posibles mejoras que podría aportar este novedoso material al sector de la energía.
E
l grafeno es una lámina de carbono puro, cuyos átomos están unidos en malla hexagonal según un
patrón regular. Al tener un espesor de un
solo átomo, es considerado como un material bidimensional. La entrega del Premio
Nobel de Física 2010 a A. Geim y K. Novoselov, de la Universidad de Manchester, por
su trabajo en experimentos pioneros sobre
el grafeno, demuestra el gran impacto
que los últimos avances sobre el material
han tenido sobre la comunidad científica.
Un informe de CambridgeIP realizado en
2013 confirma esta tendencia: entre 2007
y 2013 se han registrado más de 7.000 patentes a nivel internacional sobre procesos
de fabricación y aplicaciones del grafeno.
Aerogel de grafeno. Zhejiang University.
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Además, junto al interés científico, se nota
también una gran esperanza industrial y
tecnológica: un conjunto de grupos de investigación europeos aseguró una beca de
mil millones de euros de la Unión Europea
en 2013 para financiar trabajos de investigación en relación con este material.
El grafeno exhibe varias propiedades
nunca vistas en otros materiales. Entre
muchas otras, se puede destacar sus características mecánicas extraordinarias. Tiene
una resistencia a la rotura 100 veces superior a una lámina de acero del mismo espesor. Sin embargo, es muy ligero, con una
densidad de 0,77mg/m2 (unas 1.000 veces
menor que el papel). A nivel eléctrico, su
resistividad es un 35% inferior a la del co-
bre, lo que supone una capacidad superior
para conducir la electricidad. Es también
un excelente conductor térmico (conduce
el calor 10 veces mejor que el cobre), suponiendo una gran oportunidad para aplicaciones que necesitan una disipación de
calor importante. Las propiedades ópticas
del grafeno son también únicas. En primer
lugar, no tiene banda prohibida (bandgap
en inglés), lo que le permite absorber radiación de cualquier longitud de onda (lo
sorprendente es que también puede llegar a tener bandgap, bajo determinadas
condiciones, sin afectar sus propiedades
electrónicas). Además, con solo una capa
de unos nanómetros de espesor, puede
absorber hasta un 2,3% de luz blanca, valor que aumenta si se añaden láminas una
encima de otra.
Debido a sus propiedades únicas, muchos ven el grafeno como el material que
va a revolucionar el mundo de las tecnologías. Sus propiedades mecánicas le permiten ser mezclado con epoxis para obtener
composites que podrían ser usados para
reemplazar metales empleados en la construcción de coches y aviones, haciéndolos
más ligeros y reduciendo su consumo. La
electrónica también es un campo para el
que el grafeno ofrece nuevos horizontes.
Los dispositivos electrónicos convencionales están hechos a partir de silicio semiconductor, contactos de metal, uniones
dopadas, etc. que se añaden uno encima
de otro para formar el dispositivo. Por otro
lado, nuevos conceptos de nano-diodos y
transistores de única capa están en desarrollo. Con el uso de canales electrónicos
de nano-escala, estos nuevos dispositivos
son los más rápidos al día de hoy (pueden
tener una velocidad hasta 1.5THz). La estructura microscópica monocapa del gra-
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feno es ideal para integrar este material en
estos dispositivos con el fin de mejorar su
rendimiento. Posibles aplicaciones incluyen
electrónicas de alta velocidad, detección e
emisión de THz en el infrarrojo lejano y
sensores químicos de alta sensibilidad.
El sector de la energía también podría
aprovecharse de algunas de las propiedades únicas del grafeno. Células solares con
electrodos hechos de grafeno en lugar de
plata y óxido de indio (ITO) y estaño ya han
sido fabricadas. A gran escala, este cambio supondría una reducción de los costes
de producción debido al alto precio de la
plata y del ITO. Los electrodos de grafeno se benefician de su alta conductividad
eléctrica y son también más robustos que
los hechos de plata o ITO. Otros estudios apuntan a que el grafeno sería muy
eficiente a la hora de convertir la luz en
electricidad. Recientemente, el Instituto de
Ciencias Fotónicas (ICFO) ha demostrado
que el grafeno puede convertir un fotón
absorbido en más de un electrón, a diferencia de lo que ocurre normalmente en
los materiales semiconductores, como el
silicio o el arseniuro de galio, extensamente utilizados para células fotovoltaicas, en
los que un fotón se convierte en un único
electrón. Además, el grafeno es capaz de
generar electrones en respuesta a fotones
con un rango de longitudes de onda mucho mayor al silicio, lo que significa que
podría tener una mayor eficiencia que los
materiales actualmente utilizados para la
fabricación de células solares.
Por otro lado, las células solares sensibilizadas con colorantes están fabricadas
con materiales mucho más baratos que las
células de semiconductor, pero no son tan
buenas para convertir la luz en electricidad. Se demostró que, añadiendo grafeno,
se alcanzaría un 50% más de corriente en
el circuito, lo que significa un rendimiento
mucho más alto para este tipo de células.
Además, el grafeno podría ser utilizado en
lugar de platino en los electrodos de estas
células, lo que abarataría considerablemente el coste de producción.
Otras investigaciones subrayan la posibilidad de mejorar los supercondensadores
con el uso de grafeno. Los supercondensadores son condensadores que se recargan
de forma muy rápida y que tienen una vida
útil casi infinita. Sin embargo, la principal
limitación de estos dispositivos es la baja
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Sensor de grafeno. KTH Royal Institute.
densidad de energía (es decir, la energía
almacenada por unidad de volumen) lo
que se traduce en un gran volumen del
dispositivo o en la necesidad de recargarlo
mucho más a menudo. Utilizando el carácter bidimensional del grafeno, se consigue
aumentar el área de superficie en contacto
con el líquido de electrólito. De esta forma
se pueden alcanzar densidades de energía
más altas, parecidas a las de las baterías de
acido de plomo, es decir 10 veces más altas que los supercondensadores actuales.
Gracias a esta mejora, los supercondensadores, que de momento tienen un uso
limitado en aplicaciones que requieren una
potencia alta durante un tiempo muy corto y que no están limitadas por el volumen,
podrían ver su tamaño reducido y ser utilizados en productos electrónicos de gran
consumo como los ordenadores portátiles
y los smartphones.
El uso del hidrogeno como fuente de
energía podría también beneficiarse del
alta área de superficie del grafeno. El hidrógeno tiene la gran ventaja de estar
disponible en gran cantidad en el universo
y solo produce vapor de agua al quemar-
se en el aire. Por estas razones, está visto
como una fuente de energía con gran capacidad para sustituir a los combustibles
fósiles en el futuro. El gran reto es su almacenamiento, que es la principal limitación en su uso. El grafeno en su forma
original no mejora la capacidad de almacenamiento del hidrógeno. Sin embargo,
según científicos del NIST, láminas de grafeno oxidado apiladas una encima de la
otra, enlazadas y separadas por moléculas
para mantener la distancia entre laminas
constante (del orden de unos Angstroms),
permiten almacenar grandes cantidades
de hidrógeno. Este resultado podría suponer un avance importante para el almacenamiento del hidrógeno y permitir a este
tecnología dar un paso adelante hacía su
uso diario.
Estos ejemplos son solo una muestra de
los beneficios que puede ofrecer el grafeno. Si el abanico de sus posibilidades se
abre cada día un poco más, el gran reto
tecnológico sigue siendo la fabricación a
gran escala del material. Fue aislado por
primera vez en 2004 de forma muy artesanal. Desde entonces, la investigación
para su producción en grandes cantidades
empleando técnicas económicas no ha parado. Varios métodos de fabricación han
sido desarrollados, siendo uno de los más
populares el crecimiento epitaxial sobre
carburo de silicio a altas temperaturas y bajas presiones. Sin embargo, estas técnicas
no se han utilizado a nivel industrial. Pero
a pesar de los retos que todavía conlleva
su producción a gran escala, el grafeno es
una revolución científica y todo apunta a
que es ya el material del futuro 7
Fabricación grafeno. Monash University.
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