"Ni la Ciencia oficial y consagrada ni otra fe ninguna puede hacer más que procurar que se cumpla lo previsto, que no se haga más que lo que está hecho, y que no nos pase nada del otro mundo". Mentiras principales, Agustín García Calvo

El grafeno y la nueva era del carbono

Por la Dra. Mae-Wan Ho, 3 de julio de 2013

ISIS

Uno de los últimos descubrimientos en materiales es el grafeno, que promete proporcionarnos mucho de los que necesitamos: energías limpias y tecnologías adecuadas para limpiar los gases de efecto invernadero, así como los residuos tóxicos. Demasiado bueno para que sea cierto, dice la Dra. Mae-Wan Ho.

grafeno

Una nueva estrella en el mundo de los materiales

Ya no habría de qué preocuparse por el cambio climático y los gases de efecto invernadero, ni de la extracción de petróleo, ni de las arenas bituminosas, ni de la extracción de gas de los esquistos; nada de quemar carbón ni de construir más centrales nucleares; olvidarse los anticuados paneles solares, de la electrónica actual, de las baterías, y de todo aquello que utilice las tóxicas tierras raras, ya que el grafeno podría sustituir a todos ellos, y hay mucho grafito para poder fabricarlo. Mejor aún, los gases de efecto invernadero, tales como el metano y el dióxido de carbono, podrían proporcionarnos el carbono necesario ( (véase [1] Graphene from Greenhouse Gases to Save the Climate, SiS 59), de modo que evitaríamos gran cantidades de gases que están modificando el clima, y en su lugar convirtiéndose en un recurso. ¿Algo demasiado bueno para ser verdad?

La nueva superestrella de la ciencia de los materiales y de la física de la materia es una capa plana de átomos de carbono empaquetados en una red cristalina en forma de panal. Enrollada, forma fullerenos (reciben a menudo el nombre de buckyesferas), dando lugar a los nanotubos de carbono; si se apila en capas es el grafito de nuestros lápices.

grafeno2

El grafito es abundante y tiene un buen historial en cuanto a seguridad ( el grafeno no debe considerarse sin más seguro, ya que tiene propiedades muy diferentes a las del grafito, de modo que debe ser estudiada cuidadosamente su posible toxicidad). El grafeno se ha granjeado todo tipo de piropos y ha impulsado a la fama a los físicos de origen ruso Andre Geim y Konstantin Novoselov, de la Universidad de Manchester, Reino Unido, que lo obtuvieron por primera vez en 2004 (2). Los investigadores aislaron el grafeno a partir del grafito con una cinta adhesiva, siendo galardonados con el Premio Nobel de Física en el año 2010, por sus innovadores experimentos sobre la materia ((véase [3] Why Graphene is Amazing, SiS 59).

Ha recibido todo tipo de calificativos

Los físicos están eufóricos por los efectos cuánticos macroscópicos y otros fenómenos sorprendentes que se pueden realizar a temperatura ambiente en cualquier mesa de trabajo (3,4), mientras que aquellos que tienen una visión más acertada están a la búsqueda de nuevas aplicaciones de este material.

En electrónica, el grafeno es un superconductor, incluso a temperatura ambiente. Es mucho mejor conductor que el cobre, del orden de 1 millón de veces. Eso significa que ~1013 cm-2 cargas pueden viajar sin resistencia durante decenas de micras a aproximadamente una centésima parte de la velocidad de la luz. Esta propiedad es muy importante para el desarrollo de supercomputadores más rápidos.

El grafeno es el único material que tiene una banda prohibida con valor cero, es decir, que no hay diferencia entre la parte superior de la banda de valencia y la parte inferior de la banda de conducción, y en consecuencia, se puede hacer uso de cualquier tipo de fotones con energía para generar electricidad, incluso energía térmica. Esta propiedad es muy importante para la fabricación de electrodos y células solares (véase [5] Graphene and Solar Power for the Masses, SiS 59). La banda prohibida cero significa que no puede dejar de conducir, lo cual es una limitación para fabricar transistores, aunque no para otros dispositivos optoelectrónicos. Se puede hacer que la banda prohibida no tenga un valor cero mediante la introducción de un campo eléctrico, o con pequeñas cantidades de impurezas.

El grafeno conduce el calor a un valor > 5 000 W/metro Kelvin, mucho mejor que el resto de estructuras de carbono, tales como los nanotubos de carbono, el grafito y el diamante ( que hasta ahora era el mejor, alrededor de 1000 W/m K). Esto hace del grafeno un material ideal para el transporte de calor en los procesadores superrápidos de los ordenadores, que se encuentran actualmente en un cuello de botella debido a que no pueden disipar todo el calor generado, lo que hace que no pueda aumentar su velocidad (véase [6] The Computer Aspires to the Human Brain, SiS 58).

El grafeno es el más delgado, el material más duro que se conoce, más duro que el diamante y 300 veces más resistente que el acero: se necesita el peso de un elefante sobre la punta de una aguja para romper un átomo, y su resistencia a la tracción es superior a una tonelada (4). Sin embargo, es fléxible, muy elástico para ser un cristal, que se estira hasta un 20% de su longitud (7). La combinación de peso ligero y resistencia es ideal para la construcción de aviones y palas para las turbinas eólicas, por ejemplo.

El grafeno sólo absorbe el 2,3% de la luz incidente, lo que hace que sea el material más transparente de todos, por lo que es muy apropiado para las pantallas táctiles y la fabricación de electrodos en los paneles solares.

El grafeno está formado por una capa atómica impermeable, no dejando pasar ningún líquido ni gases, una propiedad que puede ser explotada para que actúe como una barrera o para la fabricación de membranas de filtración (véase [8] Graphene Molecular Sieves for Desalination and Purifcation, SiS 59).

El grafeno puede ser modificado químicamente de diversas maneras, muchas de las cuales están aún por descubrir. El óxido de grafeno es excelente para la eliminación de radionucleidos del agua que presenta residuos nucleares y del agua contaminada (9), (véase [10] Graphene Oxide for Nuclear Decontamination, SiS 59), que es lo que necesitan las víctimas de la catástrofe nulcear de Fukushima, que tienen que protegerse a sí misma de la exposición a la contaminación radiactiva ( véase http://noticiasdeabajo.wordpress.com/2012/06/12/la-radiacion-emitida-en-fukushima-es-comparable-a-la-de-chernobyl/)

La fiebre por el grafeno en todo el mundo

Quizás sólo sea una exagerada propaganda, unas esperanzas injustificadas, pero todo el mundo parece haber caído en las garras de la fiebre del grafeno. A pesar de ello, la financiación pública para investigar sobre este material es relativamente escasa, si la comparamos con otras áreas ( véase [6]). El Gobierno del Reino Unido ha destinado 70 millones de euros a la investigación sobre el grafeno (12), pero la mayor parte de esta cantidad irá destinada a la construcción de un nuevo instituto sobre el grafeno junto a la Universidad de Manchester, donde Geim y Novoselov aislaron el grafeno. La UE ha concedido mil millones de euros para investigación sobre el grafeno durante los próximos diez años, en un consorcio que incluye a muchas empresas (13). El Gobierno de los Estados Unidos todavía no ha tomado ninguna decisión para financiar las investigaciones sobre este material.

A finales de 2012, la Oficina de Propiedad Intelectual de Cambridge, Reino Unido, registró 2204 (30%) solicitudes de patentes sobre el grafeno en China; 1754 en los Estados Unidos, 1160 en Corea del Sur y 54 en el Reino Unido (14). Samsung tiene más patentes que cualquier otra empresa del mundo. Y el número total está creciendo de forma exponencial.

Como era de esperar, China ha sido el primero en fabricar el grafeno, por sus numerosas aplicaciones.

China inicia la producción mundial de grafeno

El 15 de diciembre de 2012, se empezó a producir el panel de aluminio recubierto con grafeno en Ningbo Morsh Technology Company Ltd, en la provincia de Zhejian (15). Se espera aumentar su producción desde la 30 toneladas a 300 toneladas en agosto de 2013; otra línea de producción de grafeno con una capacidad de 1000 toneladas está prevista, también para la fabricación de papel de aluminio recubierto de grafeno, según el Dr. Liu Zhaoping del Instituto Ningbo de Tecnología de Materiales e Ingeniería de la Academia de Ciencias de China. El equipo de Liu también fabrica nanocompuestos basados en el grafeno para su aplicación en las baterías de litio, después de haberse realizado muchos avances en los últimos años. Su equipo fue el primero en tener éxito en el desarrollo a muy bajo coste de un método para la fabricación de grafeno de alta calidad.

El papel de aluminio reubierto de grafeno se utiliza para aumentar la conductividad en los cátodos de las baterías de litio. Un revestimiento ultrafino de grafeno (<1 nm) tiene el potencial de reducir la resistencia y aumentar la fuerza de adherencia entre los materiales activos y la lámina de metal, mejorando de este modo el rendimiento de las baterías.

Pero Liu no es el único que trabaja en este terreno en China. En diciembre de 2012, el Instituto de Investigación de los Metales de la Academia de Ciencias de China anunció que produciría a bajo coste dentro de un plan piloto grafeno a gran escala, y se esperan los resultados para su fusión con el Grupo Jinlu en Deyang, provincia de Sichuan. Algunos gobiernos locales han comenzado a planear parques industriales para la fabricación del grafeno, entre las que se encuentran las provincias de Ninde, Fujian, Shenszhen, Guangdong y otras.

Conclusión

Sin duda, el grafeno ha iniciado una nueva era del carbono, para su empleo en la electrónica y la industria relacionada. Podría ser una revolución más importante que la del silicio. Tal vez el mayor salto de momento sea el de la miniaturización en el almacenamiento de energía ([16] Graphene Micro-Supercapacitors for On-Chip Energy Store, SiS 59).

Una versión con el detalle de todas las referencias puede obtenerse aquí:

http://www.i-sis.org.uk/Graphene_and_the_New_Age_of_Carbon.php

 

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Clasificado en:Régimen científico, Régimen energético

2 comentarios »

  1. Hay muchas aplicaciones que la mayoria de personas por estar buscando soluciones relacionadas con la combustión y la energia no han visto.

    Son extremas las posibilidades de este material y buscar como con todos los metales las posibilidades de usarlo en cierta forma no les ha permitido ver las inmensas posibilidades como por ejemplo la de hacer un cristalino para devolver la vista a un ser humano.

    Ya que estamos produciendo grafeno en cantidades importantes hace falta un gran ejercicio de parte de todos para proponer las grandes soluciones a la humanidad.

    Quien quiera realizar su aporte de ideas estamos dispuesto a leer sus opiniones y quienes esten dispuestos a financiar estamos dispuestos a darle la mejor de las tecnologías para lograr la rentabilidad y el beneficio para la humanidad.

    agradeciendo sus comentarios se despide atentamente.

    Fredy TABARQUINO

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