Micrografía de grafeno. Imagen: materialesnano.com. Fuente: Wikipedia.
En enero el Parlamento Europeo publicó un informe con la 10 tecnologías que cambiarán nuestras vidas, y el Instituto de la Ingeniería de España celebró la semana pasada la segunda de las diez conferencias dedicadas a ellas, en este caso al grafeno. La primera estuvo dedicada al Internet de las Cosas.
El grafeno, señala el Instituto, es un material descubierto en el año 2004 formado por átomos de carbono, con un espesor atómico, de tan solo 0.34 nanómetros, que posee unas propiedades no vistas hasta ahora en ningún otro material. Es el material más resistente a nivel atómico, el mejor conductor térmico conocido hasta la fecha y con la mayor movilidad electrónica.
España, además, es uno de los países que más actividad está demostrando en el uso del grafeno en dispositivos y equipos. Las expectativas depositadas en el grafeno son enormes, y los científicos confían en que en los cinco próximos años se descubra una aplicación que revolucione algún campo tecnológico.
La primera ponente fue Mar García Hernández, investigadora del Instituto de Ciencia de Materiales del CSIC, y responsable en España del Graphene Flagship, uno de los dos proyectos bandera (junto con otro sobre el cerebro humano) del Horizonte 2020, el programa de inversión en ciencia de la UE.
García repasó otros materiales formados por átomos de carbono, como el grafito, que se empezó a usar en el siglo XVI para marcar ovejas, los nanotubos de carbono y el fullereno (con forma de pelotas de fútbol). “Nos faltaba el sistema plano, y llegó el grafeno, cuyos descubridores ganaron el Nobel en 2010, sólo seis años después de descubrirlo. Tenía que ser algo importante, y efectivamente lo es”.
El grafeno tiene “una estructura electrónica muy exótica, sin brecha o gap entre la banda de conducción y la banda de valencia”. Eso le da propiedades muy remarcables, como la conducción ambipolar (a través de electrones y de huecos), es fácilmente dopable), los electrones que circulan por él son cuasirelativistas, es decir, “van a toda pastilla”, y es un material “muy apto para trabajar en electrónica de alta frecuencia”.
Además, los electrones casi no se chocan entre sí (transporte balístico), y por tanto no se dispersan; permite densidades de corriente muy altas a temperatura ambiente, tiene una movilidad muy alta, un gran módulo de Young (elasticidad longitudinal), y una gran resistencia a la fractura.
Por ejemplo, se hizo un experimentos semejante, a pequeña escala, a coger una sábana, colocar un lápiz, y un elefante balanceándose encima de éste: el grafeno no se rompía.
Además, es impermeable en gran medida, y químicamente es inerte (cuesta mucho romper sus enlaces). “Podemos utilizarlo como un buen recubrimiento”, antioxidación por ejemplo.
Es transparente y conductor, y casi toda la luz lo atraviesa. “Al ser ultradelgado, absorbe algo de luz, pero es básicamente transparente. Al ser conductor, es un electrodo transparente, algo fantástico para tener una pantalla táctil transparente”. Su transmitancia óptica es “bastante plana en un rango de longitudes de onda muy grande”.
Por otro lado, el grafeno obtenido a partir de óxido de grafeno tiene propiedades diferentes, y se puede utilizar para hipertermia, pues tiene una conductividad térmica “récord”, más que el grafito o el diamante. Tiene una “altísima superficie específica, pues es todo superficie, por arriba y por abajo”. Teóricamente, es de 2.600 metros cuadrados por gramo, pero en la práctica es menor, porque se arruga. “Los objetos bidimensionales son muy excepcionales, hay un impedimento termodinámico importante, y por eso tienden a arrugarse, para evitar esa planalidad absoluta”.
Por otro lado, puede depositarse encima de “arquitecturas sofisticadas”, y al ser “el material más ligero desarrollado”, no las deforma (como sobre espigas de trigo). Absorbe “900 veces su peso en aceite”, por lo que podría usarse para extraer aceite del mar, y se puede combinar con otros materiales en composite, como polímeros o cerámicas (creando cerámicas conductoras).
En resumen: “es el material más duro, más rígido, con más conductividad térmica, más alta densidad de corriente a temperatura ambiente, en principio es biocompatible -a falta de saber cómo reacciona el cuerpo humano con los nanomateriales, puesto que a nivel micro se maneja bien-, es impermeable, y tiene una superficie específica récord”.
Aplicaciones
Entre las aplicaciones posibles, señaló García, están los filtros: papeles hechos de grafeno (procedente de óxido), que permiten el paso del agua como si fuera un perfecto agujero.
Tanto el grafeno como el nitruro de boro -mejor el grafeno- permiten el paso selectivo de protones (H+), “algo de interés en las pilas de combustible”
También se puede utilizar para recubrimientos, sensores (“al ser un buen transductor, la conductividad eléctrica varía según lo que tenga en las inmediaciones”), para disipar calor (retardantes de fuego), generación y almacenamiento de energía (en células fotovoltaicas), para supercondensadores (conducen muy bien la electricidad), en baterías ion-litio (sustituyendo al grafito en el ánodo, conduce más rápido), en celdas de combustible (permitiendo el paso de protones), en electrónica ultrarrápida, en materiales textiles (son inertes químicamente, por lo que pueden utilizarse en entornos básicos o ácidos), en el transporte (aeronáutica), en prótesis, o en terapia fototérmica.
La pregunta, señaló García, es si se produce grafeno a escala industrial. “La respuesta es sí. En diez años se ha mejorado enormemente la producción. Hay métodos escalables, que proveen de un grafeno de buena calidad para un buen número de aplicaciones”.
En el futuro, cree García, crecerá el mundo plano (i[flatland]), formado por el grafeno y otros materiales planos, por separado o en combinación.
El grafeno, señala el Instituto, es un material descubierto en el año 2004 formado por átomos de carbono, con un espesor atómico, de tan solo 0.34 nanómetros, que posee unas propiedades no vistas hasta ahora en ningún otro material. Es el material más resistente a nivel atómico, el mejor conductor térmico conocido hasta la fecha y con la mayor movilidad electrónica.
España, además, es uno de los países que más actividad está demostrando en el uso del grafeno en dispositivos y equipos. Las expectativas depositadas en el grafeno son enormes, y los científicos confían en que en los cinco próximos años se descubra una aplicación que revolucione algún campo tecnológico.
La primera ponente fue Mar García Hernández, investigadora del Instituto de Ciencia de Materiales del CSIC, y responsable en España del Graphene Flagship, uno de los dos proyectos bandera (junto con otro sobre el cerebro humano) del Horizonte 2020, el programa de inversión en ciencia de la UE.
García repasó otros materiales formados por átomos de carbono, como el grafito, que se empezó a usar en el siglo XVI para marcar ovejas, los nanotubos de carbono y el fullereno (con forma de pelotas de fútbol). “Nos faltaba el sistema plano, y llegó el grafeno, cuyos descubridores ganaron el Nobel en 2010, sólo seis años después de descubrirlo. Tenía que ser algo importante, y efectivamente lo es”.
El grafeno tiene “una estructura electrónica muy exótica, sin brecha o gap entre la banda de conducción y la banda de valencia”. Eso le da propiedades muy remarcables, como la conducción ambipolar (a través de electrones y de huecos), es fácilmente dopable), los electrones que circulan por él son cuasirelativistas, es decir, “van a toda pastilla”, y es un material “muy apto para trabajar en electrónica de alta frecuencia”.
Además, los electrones casi no se chocan entre sí (transporte balístico), y por tanto no se dispersan; permite densidades de corriente muy altas a temperatura ambiente, tiene una movilidad muy alta, un gran módulo de Young (elasticidad longitudinal), y una gran resistencia a la fractura.
Por ejemplo, se hizo un experimentos semejante, a pequeña escala, a coger una sábana, colocar un lápiz, y un elefante balanceándose encima de éste: el grafeno no se rompía.
Además, es impermeable en gran medida, y químicamente es inerte (cuesta mucho romper sus enlaces). “Podemos utilizarlo como un buen recubrimiento”, antioxidación por ejemplo.
Es transparente y conductor, y casi toda la luz lo atraviesa. “Al ser ultradelgado, absorbe algo de luz, pero es básicamente transparente. Al ser conductor, es un electrodo transparente, algo fantástico para tener una pantalla táctil transparente”. Su transmitancia óptica es “bastante plana en un rango de longitudes de onda muy grande”.
Por otro lado, el grafeno obtenido a partir de óxido de grafeno tiene propiedades diferentes, y se puede utilizar para hipertermia, pues tiene una conductividad térmica “récord”, más que el grafito o el diamante. Tiene una “altísima superficie específica, pues es todo superficie, por arriba y por abajo”. Teóricamente, es de 2.600 metros cuadrados por gramo, pero en la práctica es menor, porque se arruga. “Los objetos bidimensionales son muy excepcionales, hay un impedimento termodinámico importante, y por eso tienden a arrugarse, para evitar esa planalidad absoluta”.
Por otro lado, puede depositarse encima de “arquitecturas sofisticadas”, y al ser “el material más ligero desarrollado”, no las deforma (como sobre espigas de trigo). Absorbe “900 veces su peso en aceite”, por lo que podría usarse para extraer aceite del mar, y se puede combinar con otros materiales en composite, como polímeros o cerámicas (creando cerámicas conductoras).
En resumen: “es el material más duro, más rígido, con más conductividad térmica, más alta densidad de corriente a temperatura ambiente, en principio es biocompatible -a falta de saber cómo reacciona el cuerpo humano con los nanomateriales, puesto que a nivel micro se maneja bien-, es impermeable, y tiene una superficie específica récord”.
Aplicaciones
Entre las aplicaciones posibles, señaló García, están los filtros: papeles hechos de grafeno (procedente de óxido), que permiten el paso del agua como si fuera un perfecto agujero.
Tanto el grafeno como el nitruro de boro -mejor el grafeno- permiten el paso selectivo de protones (H+), “algo de interés en las pilas de combustible”
También se puede utilizar para recubrimientos, sensores (“al ser un buen transductor, la conductividad eléctrica varía según lo que tenga en las inmediaciones”), para disipar calor (retardantes de fuego), generación y almacenamiento de energía (en células fotovoltaicas), para supercondensadores (conducen muy bien la electricidad), en baterías ion-litio (sustituyendo al grafito en el ánodo, conduce más rápido), en celdas de combustible (permitiendo el paso de protones), en electrónica ultrarrápida, en materiales textiles (son inertes químicamente, por lo que pueden utilizarse en entornos básicos o ácidos), en el transporte (aeronáutica), en prótesis, o en terapia fototérmica.
La pregunta, señaló García, es si se produce grafeno a escala industrial. “La respuesta es sí. En diez años se ha mejorado enormemente la producción. Hay métodos escalables, que proveen de un grafeno de buena calidad para un buen número de aplicaciones”.
En el futuro, cree García, crecerá el mundo plano (i[flatland]), formado por el grafeno y otros materiales planos, por separado o en combinación.
Un instante de la jornada. Fuente: IIE.
Dispositivos electrónicos
El segundo y último ponente, Tomás Palacios, centró su exposición en la aplicación del grafeno (y el nitruro de galio, entre otros materiales) a dispositivos electrónicos. Palacios es profesor de MIT (Boston, EE.UU.) y se licenció en Telecomunicación en la Politécnica de Madrid. Ha recibido varios premios, entre ellos del Departamento de Defensa y de la Fundación Nacional de Ciencia de EE.UU.
“Cuando acabé la carrera, me fui a trabajar a California, y durante muchos años envidié a los ingenieros de los años 1960, cuando se estaba desarrollando el 95% de la electrónica que conocemos hoy en día. Pero luego me di cuenta de algo que cambió mi vida: La electrónica ha transformado la sociedad, pero está en lugares muy específicos. El 95% de los objetos de esta habitación no tienen electrónica: es una oportunidad para que una generación de ingenieros tenga el mismo disfrute que la gente de los 60”.
Si fuésemos capaces de introducir electrónica en todos los objetos, dijo, se podría transformar la sociedad. “Pantallas introducidas en las ventanas de nuestras casas, que den información sobre el tiempo que hace fuera, o publicidad -quizás eso no sea tan bueno-. O iluminación difusa -no puntual, como ahora-, con techos luminiscentes que recrearan la luz solar; sensores en todas partes; micrófonos y altavoces distribuidos en los edificios”.
Para esta visión, dijo, la tecnología del silicio no es suficiente. “Sería demasiado caro recubrir este edificio de obleas de silicio. Necesitamos una nueva generación de materiales y tecnología de fabricación, y los materiales bidimensionales nos brindan esta posibilidad”.
“Hemos tenido muchísima suerte. El grafeno no es el único, y no es para nada el mejor material bidimensional. Es muy buen conductor, pero el nitruro de boro es un aislante excepcional, el disulfuro de molibdeno es muy buen semiconductor... No soy capaz de decir cuál es el más importante. El futuro será una combinación de todos”.
Recordó Palacios que los nuevos materiales suelen tardar 15-20 años en pasar del laboratorio a la comercialización completa: “Pasó con el silicio, los semiconductores láser, las cremalleras de la ropa...” El grafeno tiene ya más de 10 años, “por lo que nos vamos acercando” a su comercialización generalizada.
“La primera condición paras tener un impacto en la sociedad es poder fabricarlo de manera barata y eficiente. Los dispositivos que voy a enseñar están fabricados en grafeno, con el mismo sistema con el que se imprimen los periódicos, un sistema de rodillo. El grafeno sale como hojas de periódico”.
El grafeno sirve, por ejemplo, para la visión nocturna (en el infrarrojo), para la cual el silicio no sirve; o para imágenes médicas, espectroscopía química. Palacios relató que han desarrollado una cámara en-un-chip, hecha de silicio y grafeno. “Estamos trabajando con empresas para comercializarla en un par de años”.
Los sensores químicos hechos de grafeno que están preparando también “se van a comercializar muy pronto, para control de la calidad alimenticia”.
Asimismo, su equipo ha desarrollado un sensor de grafeno que, aplicado en chips de aparatos de amplificación genética (PCR), controlan la multiplicación del ADN, a un precio más barato que el microscopio que se utiliza ahora, y que consume la mitad del volumen de los aparatos.
En otras aplicaciones es necesario parar la corriente que circula por el grafeno (que por sí solo no puede, al carecer de gap). Por eso, combinado con otros materiales planos, como el disulfuro de molibdeno, se pueden producir transistores “mejores que los de silicio”. Con el disulfuro y otros materiales pueden “hacer pantallas transparentes”, o células solares con un “9% de eficiencia, que para la primera generación no está mal”.
Otra aplicación del grafeno es en las impresoras 3D. “Este es solamente el principio”, concluyó Palacios. “Muy poca gente duda de que la electrónica ha cambiado nuestro mundo, pero es importante darse cuenta de que menos del 1% de los objetos que consumimos tienen electrones”.
El segundo y último ponente, Tomás Palacios, centró su exposición en la aplicación del grafeno (y el nitruro de galio, entre otros materiales) a dispositivos electrónicos. Palacios es profesor de MIT (Boston, EE.UU.) y se licenció en Telecomunicación en la Politécnica de Madrid. Ha recibido varios premios, entre ellos del Departamento de Defensa y de la Fundación Nacional de Ciencia de EE.UU.
“Cuando acabé la carrera, me fui a trabajar a California, y durante muchos años envidié a los ingenieros de los años 1960, cuando se estaba desarrollando el 95% de la electrónica que conocemos hoy en día. Pero luego me di cuenta de algo que cambió mi vida: La electrónica ha transformado la sociedad, pero está en lugares muy específicos. El 95% de los objetos de esta habitación no tienen electrónica: es una oportunidad para que una generación de ingenieros tenga el mismo disfrute que la gente de los 60”.
Si fuésemos capaces de introducir electrónica en todos los objetos, dijo, se podría transformar la sociedad. “Pantallas introducidas en las ventanas de nuestras casas, que den información sobre el tiempo que hace fuera, o publicidad -quizás eso no sea tan bueno-. O iluminación difusa -no puntual, como ahora-, con techos luminiscentes que recrearan la luz solar; sensores en todas partes; micrófonos y altavoces distribuidos en los edificios”.
Para esta visión, dijo, la tecnología del silicio no es suficiente. “Sería demasiado caro recubrir este edificio de obleas de silicio. Necesitamos una nueva generación de materiales y tecnología de fabricación, y los materiales bidimensionales nos brindan esta posibilidad”.
“Hemos tenido muchísima suerte. El grafeno no es el único, y no es para nada el mejor material bidimensional. Es muy buen conductor, pero el nitruro de boro es un aislante excepcional, el disulfuro de molibdeno es muy buen semiconductor... No soy capaz de decir cuál es el más importante. El futuro será una combinación de todos”.
Recordó Palacios que los nuevos materiales suelen tardar 15-20 años en pasar del laboratorio a la comercialización completa: “Pasó con el silicio, los semiconductores láser, las cremalleras de la ropa...” El grafeno tiene ya más de 10 años, “por lo que nos vamos acercando” a su comercialización generalizada.
“La primera condición paras tener un impacto en la sociedad es poder fabricarlo de manera barata y eficiente. Los dispositivos que voy a enseñar están fabricados en grafeno, con el mismo sistema con el que se imprimen los periódicos, un sistema de rodillo. El grafeno sale como hojas de periódico”.
El grafeno sirve, por ejemplo, para la visión nocturna (en el infrarrojo), para la cual el silicio no sirve; o para imágenes médicas, espectroscopía química. Palacios relató que han desarrollado una cámara en-un-chip, hecha de silicio y grafeno. “Estamos trabajando con empresas para comercializarla en un par de años”.
Los sensores químicos hechos de grafeno que están preparando también “se van a comercializar muy pronto, para control de la calidad alimenticia”.
Asimismo, su equipo ha desarrollado un sensor de grafeno que, aplicado en chips de aparatos de amplificación genética (PCR), controlan la multiplicación del ADN, a un precio más barato que el microscopio que se utiliza ahora, y que consume la mitad del volumen de los aparatos.
En otras aplicaciones es necesario parar la corriente que circula por el grafeno (que por sí solo no puede, al carecer de gap). Por eso, combinado con otros materiales planos, como el disulfuro de molibdeno, se pueden producir transistores “mejores que los de silicio”. Con el disulfuro y otros materiales pueden “hacer pantallas transparentes”, o células solares con un “9% de eficiencia, que para la primera generación no está mal”.
Otra aplicación del grafeno es en las impresoras 3D. “Este es solamente el principio”, concluyó Palacios. “Muy poca gente duda de que la electrónica ha cambiado nuestro mundo, pero es importante darse cuenta de que menos del 1% de los objetos que consumimos tienen electrones”.
España
En el coloquio, Palacios y García destacaron el trabajo de científicos españoles en este campo, en concreto el del equipo de Fernando Calle, de la Politécnica de Madrid, con supercondensadores.
“Todo el mundo esta empezando desde el mismo nivel. Son materiales nuevos para todo el mundo, así que no existe la excusa de que en otros países nos llevan 40 años de ventaja”, dijo Palacios, que colabora estrechamente con Calle y otras universidades y empresas de España.
“Para el grafeno se necesita un equipo pluridisciplinar”, dijo García, “y en España hay algunos que están funcionando bien”.
La aplicación del grafeno a los chalecos antibalas fue otro de los temas tratados. “Hay que resolver el problema de que el grafeno no se ve, no es práctico ponerse un chaleco invisible. Se está trabajando en nanocompuestos con polímeros”. Otras aplicaciones mencionadas fueron la limpieza de aguas, “vendajes que no se infectan”, o exoesqueletos (como composites).
A juicio de Palacios, deberíamos evitar diversificar demasiado las aplicaciones del grafeno. “Sus propiedades son extremas, únicas. En teoría pueden resolver el 50% de los problemas de este mundo y del siguiente. Pero eso no siempre es bueno. Como hay tantas oportunidades, el riesgo es que nos diluyamos demasiado. Creo que debemos priorizar. Invertir cuanto haya que invertir para que dos o tres aplicaciones tengan éxito, y una vez que se tengan los productos, justificar inversiones adicionales”.
“Tenemos tres o cuatro años para demostrar claramente que un producto hecho de grafeno haya cambiado el status quo. Una vez que lo hagamos, de ahí a cambiar el mundo queda muy poquito. El flagship de Horizonte 2020 va a ser fundamental”.
García explicó, a pregunta del público, que un gramo de grafeno de buena calidad cuesta 300 euros, cuando en 2004 costaba lo mismo que el PIB anual de EE.UU. Pero se puede comprar 1 kg, de calidad aceptable, por unas decenas de euros “para hacer composites”. Y citó la empresa española Avanzare entre otras que comercializan grafeno.
“Todavía sigue siendo caro, no es competitivo. Pero es la pescadilla que se muerde la cola. Hay que encontrar algo en lo que sea diferenciador para convencer a los mercados y abaratar costes”, dijo, abundando en la idea de Palacios. Éste añadió: “Se lucha contra una tecnología que puede que sea peor, pero que tiene miles de millones de inversión anual. El grafeno y los demás materiales planos jugarán un papel, pero no a corto plazo. Llevará tiempo”.
“Miles de millones de euros”, dijo, “no es tanto para ciertas empresas, que se gastan eso cuando montan una fábrica. Pero hay que justificarlo a los inversores”.
En el coloquio, Palacios y García destacaron el trabajo de científicos españoles en este campo, en concreto el del equipo de Fernando Calle, de la Politécnica de Madrid, con supercondensadores.
“Todo el mundo esta empezando desde el mismo nivel. Son materiales nuevos para todo el mundo, así que no existe la excusa de que en otros países nos llevan 40 años de ventaja”, dijo Palacios, que colabora estrechamente con Calle y otras universidades y empresas de España.
“Para el grafeno se necesita un equipo pluridisciplinar”, dijo García, “y en España hay algunos que están funcionando bien”.
La aplicación del grafeno a los chalecos antibalas fue otro de los temas tratados. “Hay que resolver el problema de que el grafeno no se ve, no es práctico ponerse un chaleco invisible. Se está trabajando en nanocompuestos con polímeros”. Otras aplicaciones mencionadas fueron la limpieza de aguas, “vendajes que no se infectan”, o exoesqueletos (como composites).
A juicio de Palacios, deberíamos evitar diversificar demasiado las aplicaciones del grafeno. “Sus propiedades son extremas, únicas. En teoría pueden resolver el 50% de los problemas de este mundo y del siguiente. Pero eso no siempre es bueno. Como hay tantas oportunidades, el riesgo es que nos diluyamos demasiado. Creo que debemos priorizar. Invertir cuanto haya que invertir para que dos o tres aplicaciones tengan éxito, y una vez que se tengan los productos, justificar inversiones adicionales”.
“Tenemos tres o cuatro años para demostrar claramente que un producto hecho de grafeno haya cambiado el status quo. Una vez que lo hagamos, de ahí a cambiar el mundo queda muy poquito. El flagship de Horizonte 2020 va a ser fundamental”.
García explicó, a pregunta del público, que un gramo de grafeno de buena calidad cuesta 300 euros, cuando en 2004 costaba lo mismo que el PIB anual de EE.UU. Pero se puede comprar 1 kg, de calidad aceptable, por unas decenas de euros “para hacer composites”. Y citó la empresa española Avanzare entre otras que comercializan grafeno.
“Todavía sigue siendo caro, no es competitivo. Pero es la pescadilla que se muerde la cola. Hay que encontrar algo en lo que sea diferenciador para convencer a los mercados y abaratar costes”, dijo, abundando en la idea de Palacios. Éste añadió: “Se lucha contra una tecnología que puede que sea peor, pero que tiene miles de millones de inversión anual. El grafeno y los demás materiales planos jugarán un papel, pero no a corto plazo. Llevará tiempo”.
“Miles de millones de euros”, dijo, “no es tanto para ciertas empresas, que se gastan eso cuando montan una fábrica. Pero hay que justificarlo a los inversores”.