Un material de premio Nobel que lleva 15 años llamado a cambiar el mundo. Resistente, ligero y conductor de la electricidad. El grafeno es la quintaesencia de la nanotecnología. Hasta que el hollín apareció en escena.
El grafeno es una sustancia compuesta por átomos de carbono puro, un material casi transparente 200 veces más resistente que el acero y cinco veces más ligero que el aluminio. Sus aplicaciones van desde la medicina hasta la desalinización de agua, pasando por la electrónica, la tecnología espacial o el desarrollo de baterías. Su descubrimiento en 2004 les valió a Andre Geim y Konstantin Novoselov el Nobel de Física de 2010.
Geim y Novoselov residen y trabajan en Manchester (Reino Unido), pero ha sido en su Rusia natal donde un equipo del Instituto de Investigación y Tecnología Física (IFIT) de la Universidad RUDN ha encontrado estructuras similares a las del grafeno en hollín, antracita y shungita, tres materiales mucho más económicos que el grafeno (y eso que la producción de grafeno se ha abaratado mucho en los últimos años). Para los investigadores, estas estructuras pueden sustituir perfectamente al grafeno artificial en nanotecnología.
El poder del carbono amorfo
El carbono es uno de esos elementos casi mágicos del universo. Es un elemento simple, con solo cuatro electrones girando alrededor de su núcleo. Pero se trata de un pilar de la vida capaz de tomar multitud de formas. Junto a otros elementos, como el oxígeno, el carbono tiene la propiedad de poseer estructuras atómicas y configuraciones moleculares diferentes. Y estas moléculas de un único elemento con estructuras distintas se conocen como alótropos.
Algunos alótropos del carbono son bien conocidos por la humanidad: el diamante, el material más duro que se conoce, está formado solo por átomos de carbono dispuestos de una forma muy particular (tetraedros que forman una red de anillos). Otro de los alótropos es el grafito, habitual en las baterías y en las minas de los lápices, que a diferencia del diamante es conductor de la electricidad. Y su primo cercano, el grafeno, en el que los átomos se organizan siguiendo un patrón hexagonal.
Además, existe un tipo de alótropo que, en apariencia, no tiene forma. A escala macroscópica no presente ninguna estructura y está formado por cristales irregulares. Es el carbono amorfo. El hollín, el carbón de madera o la menos conocida shungita son carbonos amorfos. Sin embargo, la ausencia de forma no se mantiene bajo el microscopio. A escala nanométrica, el carbono amorfo sigue una estructura tan regular como los demás alótropos e incluso presenta cristales de grafito y de diamante.
El grafeno en el hollín
Esta característica del carbono amorfo fue la que llevó a Nadezhda Popova, profesor asociado del Instituto de Investigación y Tecnología Física (IFIT) de la Universidad RUDN, a estudiar si estos materiales podrían usarse en aplicaciones de nanotecnología al igual que el grafeno. Para el estudio, Popova y su equipo trabajaron con shungita, antracita y hollín artificial.
Sus conclusiones, que han sido expuestas en un paper publicado en ‘Journal of Non-Crystalline Solids’, son claras. Estos materiales contienen grafeno a escala microscópica y lo hacen en cantidades suficientes como para poder reemplazar el uso del grafeno artificial en la industria nanotecnológica.
Según el análisis del estudio publicado en Phys.org, el tamaño de las células de grafeno en el carbono amorfo se ve afectado por la presencia de impurezas. Como resultado, es menor que en las muestras artificiales y también aparece en una proporción ligeramente menor (entre el 2% y el 5%) que en las muestras de grafeno artificial. A pesar de todo, los tres materiales podrían utilizarse a nivel industrial, lo que conllevaría un importante ahorro de costes.
Nuevas vías para sintetizar grafeno
La investigación alrededor del grafeno es cada vez más abundante, tanto sobre sus aplicaciones como acerca de su síntesis y producción. Hoy por hoy, el método más utilizado para producirlo es conocido como top down, es decir, la obtención del grafeno a partir de un material que lo contenga, como el grafito. Mediante diferentes procedimientos de exfoliación se va extrayendo el grafeno en diferentes calidades.
Sin embargo, en los últimos años han ido surgiendo nuevas vías para obtener el preciado material. Métodos bottom up o de abajo a arriba. Es decir, procedimientos que permiten crear el grafeno a partir de compuestos más simples.
De forma casi paralela al descubrimiento de las propiedades del grafeno del hollín, químicos de la Universidad de Rice en Texas (Estados Unidos), publicaron una investigación en ‘Nature’ en la que describen un método sencillo para obtener grafeno a partir de carbón, materia orgánica residual e incluso plástico. Su técnica consiste en calentar repentinamente el material mediante el efecto Joule.
Elevando la temperatura de cualquier material que contenga átomos de carbono a cerca de 3.000°C durante 10 milisegundos se puede obtener grafeno. Una solución que, como en el caso del hollín, no solo hace más asequible el acceso al grafeno, sino que abre una nueva puerta en la economía circular de los materiales y la puesta en valor de residuos.
En Nobbot | Grafeno ecológico para acercarlo (por fin) a la sociedad
Imágenes | Unsplash/Amrit Leone, Jaco Pretorius, David Perkins