Grafeno: El material del futuro en el presente

Estructura del grafeno

Imagina un material capaz de hacer indestructible la pantalla de tu smartphone y que, a su vez, puede enrollarse; un material con un grosor seiscientas mil veces menor al de un cabello humano, más fuerte que el acero estructural y con innumerables aplicaciones. Parece sacado de una película de ciencia ficción, ¿verdad? Pues no lo es. Este material existe, se conoce desde hace más de una década y se llama grafeno.

Hace unas semanas, el grafeno volvió a la actualidad. A raíz de la pandemia, el grafeno empezó a utilizarse en los filtros de las mascarillas porque, como veremos más adelante, una de sus propiedades es que es un gran filtrante. El pasado mes de abril, el Gobierno de Canadá publicó un comunicado en el que solicitaba a sus ciudadanos no utilizar mascarillas que contuviesen grafeno, debido a que existía el riesgo de inhalar partículas del mismo. La noticia no tardó en extenderse y varias Comunidades Autónomas de España solicitaron la retirada de mascarillas elaboradas con este material.

Sin embargo, este fue un alarmismo infundado. El Gobierno de Canadá se refería a un tipo de mascarilla quirúrgica IIR y, en España, las mascarillas con grafeno que se comercializan son FFP2. Un estudio realizado por el grupo de investigación «Nanomaster Lab» demostró que el filtro que contienen estas mascarillas FFP2 es muy robusto, por lo que no hay riesgo de toxicidad por inhalación.

A pesar de estar en el ojo mediático, el grafeno lleva conociéndose y estudiándose en profundidad más de una década por los científicos, siendo uno de los materiales más prometedores que existen. Así que, ¿Qué es el grafeno? ¿Qué lo hace tan especial? ¿Cuáles son sus aplicaciones? Vamos a intentar despejar todas las dudas con este artículo.

¿Qué es el grafeno?

El grafeno está compuesto exclusivamente por carbono. El carbono es uno de los elementos fundamentales para la vida; sin carbono, ni tú, ni yo, ni los pájaros que escuchas cantar mientras lees este artículo, existiríamos. Una de las características que convierten al carbono en uno de los pilares de la vida es la facilidad que tiene para enlazarse con otros elementos y, también, consigo mismo.

Esta versatilidad es la que le permite formar compuestos como el grafeno, el grafito (material que llevan las minas de los lápices) o el diamante. Estos tres materiales ejemplares contienen carbono enlazado consigo mismo de diferentes formas y en diferentes condiciones de presión y temperatura, lo que da lugar estructuras diferentes.

Así, podemos decir que el grafeno es un alótropo del carbono. Un alótropo es el nombre que reciben las diferentes estructuras que puede formar una sustancia simple. En el caso del grafeno, los átomos de carbono se unen formando hexágonos, que a su vez se unen formando una malla muy parecida a la de los panales de las abejas, con la diferencia de que el grosor de una «malla de grafeno» es diez millones de veces menor a un milímetro o, lo que es lo mismo, 0,1 nanómetros. En otras palabras, este nanomaterial es tan delgado que es casi invisible. Este tipo de estructuras tan delgadas que forman estructuras planas se conocen como estructuras bidimensionales.

El grafeno tiene una estructura que recuerda a la de los panales de las abejas.
Imagen obtenida vía publicdomainpictures.net

¿Qué lo hace tan especial?

Es el material del futuro en el presente y esto es gracias a las siguientes propiedades:

  • Ligereza: Un metro cuadrado de grafeno pesa menos de un gramo, ¡tan ligero como una pluma!
  • Conductividad: Es casi dos veces mejor conductor térmico y eléctrico que el cobre, metal que se usa en todas las instalaciones eléctricas de las viviendas, en dispositivos electrónicos e, incluso, en naves espaciales, además de en muchas otras áreas.
  • Dureza: Su dureza es superior a la del diamante y, el diamante, es el material más duro que se tiene por referencia en muchas disciplinas, por ejemplo, a la hora de clasificar minerales.
  • Resistencia: El grafeno es doscientas veces más resistente que el acero estructural, utilizado para edificar.
  • Es un gran filtrante: Como ya hemos visto, el grafeno es un nanomaterial. Su estructura de malla hexagonal, solo permite pasar vapor de agua. Ni siquiera deja pasar partículas de helio, uno de los gases con el tamaño molecular más pequeño que existe.
  • Es biocompatible: Como comentábamos al inicio del artículo, el carbono es un elemento muy versátil con capacidad de enlazarse con otros elementos. En el caso del grafeno, esta propiedad es extrapolable, lo cual permite que en una estructura de grafeno, se puedan introducir átomos de otros elementos para funcionalizarlo, esto es, sustituir uno de los carbonos por otro elemento para hacerlo compatible con los tejidos vivos, por ejemplo, con nuestra piel.
  • Es biodegradable: La situación ambiental actual nos obliga a reinventarnos. En la búsqueda de nuevos materiales, el objetivo está en encontrar aquellos que tengan un menor impacto en el medio ambiente. El grafeno cumple con este requisito. Al estar compuesto exclusivamente de carbono se puede descomponer fácilmente y combinarse con otros elementos gracias a la acción de agentes biológicos (por ejemplo, bacterias).
Grafito y diamante, dos de los alótropos del carbono. Foto realizada por XAVI99 vía wikimedia.org

¿Cómo se obtiene?

Pese a que a finales del s.XIX ya se teorizaba con la posibilidad de que existiese un material ultra fino, formado por átomos de carbono, las bondades del grafeno no fueron descubiertas hasta el año 2004 por los científicos de la Universidad de Manchester Andre Geim (Sochi,1958) y Konstantin Novoselov (Nizhny Tagyl, 1974), cuando consiguieron aislar las primeras muestras de grafeno a temperatura ambiente. Este hito de la ciencia, que llevó a ambos científicos a ganar Premio Nobel de Física en 2010, se logró mediante un proceso de microexfoliación mecánica: se separó el grafeno de un trozo de grafito utilizando una cinta adhesiva, lo que permitió extraer una lámina de un solo átomo de carbono de grosor.

Para que se entienda mejor, digamos que fue, salvando las distancias, como pegar un trozo de celo a una lámina de lápiz, logrando que se quede adherida una lámina de grafeno. Esto significa que el grafito está formado por una gran cantidad de láminas de grafeno unidas una sobre la otra (un mínimo de once láminas de grafeno forman el grafito).

El hecho que la técnica de la microexfoliación mecánica se realizase a temperatura ambiente fue importante, ya que obtener materias de este modo hace que sea más rentable. Sin embargo, conlleva un gran número de inconvenientes a la hora de poder producir grafeno a gran escala, ya que no se puede controlar el tamaño, el grosor ni la orientación de las láminas de carbono. Esto es importante porque en función de las capas y de la orientación de éstas, se obtiene grafeno de distinta calidad.

Una de las soluciones a este inconveniente, fue la aplicación de una técnica denominada Solución de Exfoliación. Con ella, partiendo de polvos de grafito, los cuales son sometidos a diferentes reacciones químicas, se obtienen láminas de grafeno oxidado en la qué si se pueden controlar la dirección y número de capas. Existen otros métodos algo más rentables y más complejos que no se explicarán aquí.

¿Cuáles son sus aplicaciones?

Gracias a sus cualidades, las posibilidades de este nanomaterial son casi ilimitadas. Sus aplicaciones pueden darse a todos los niveles imaginables, pero los más interesantes los encontramos en los campos de la tecnología y la biomedicina.

La flexibilidad, ligereza y conductividad del grafeno lo hacen el candidato ideal para ser el componente principal de los dispositivos tecnológicos del mañana. Ya se han presentado modelos de todo-en-uno enrollables (móvil, televisor, ordenador, reloj en un mismo dispositivo), y los prototipos de empresas como Samsung o LG de pantallas de móvil flexibles que contienen grafeno ya son una realidad. Así mismo, se está estudiando su uso como sustituto del litio en las baterías, haciéndolas más ligeras y con más capacidad. Para que te hagas una idea, si se consiguiera sustituir el litio por grafeno, cargar la batería de un smartphone no llevaría más de treinta segundos.

Por otro lado, en el campo de la biomedicina, se está estudiando (con resultados muy prometedores) el uso del grafeno en tratamientos contra el cáncer. Además, es un potente antibacteriano y antimicrobiano, ya que se ha demostrado que inhibe entre 100 y 400 veces el crecimiento de bacterias en el laboratorio. Esto nos permite su aplicación en medicamentos de uso tópico para evitar la proliferación de bacterias en heridas abiertas y reducir el riesgo de infecciones.

En resumen, nos encontramos ante un material increíble, con todo su potencial aún por desarrollar y que ha venido ha revolucionar nuestra era. Las aplicaciones del grafeno son casi ilimitadas gracias a las magnificas propiedades que posee. Además, conocerlo en profundidad nos ha permitido abrir la puerta a otros materiales con propiedades similares. Esto nos hace reflexionar y observar que aún queda mucho por descubrir.

Referencias

Gago, I.; Molina, I.; León, G.; Miguel, B. (2016). Introducción al estudio de las propiedades
antibacterianas del grafeno. Revista de Pensamiento Estratégico y Seguridad CISDE, 1(2), 87-94.
(www.cisdejournal.com)

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Chávez-Castillo, María del Rayo y Rodríguez-Meza, Mario Alberto y Meza-Montes, Lilia y (2013), «Grafeno y Siliceno: una nueva vida gracias a la sutileza de los materiales bidimensionales.» CIENCIA ergo-sum, Revista Científica Multidisciplinaria de Prospectiva, Vol. 20, núm.2, pp.148-152 [Consultado: 29 de abril de 2021]. ISSN: 1405-0269. Disponible en : https://www.redalyc.org/articulo.oa?id=10426848009

Iván Esteve-Adell, Mayte Gil-Agustí, Leire Zubizarreta Sáenz de Zaitegui, Alfredo Quijano-López y Marta García-Pellicer «Aplicaciones del grafeno en sistemas de almacenamiento de energía». Anales de Química, revista de la Real Sociedad Española de Química, Vol. 116, número 4, segunda época octubre-diciembre 2020. Disponible en: https://www.rseq.org/anales

Graphenano nanotechnologies ¿Qué es el grafeno? : https://www.graphenano.com/que-es-el-grafeno/

Recalls and safety alerts, Government of Canada https://healthycanadians.gc.ca/recall-alert-rappel-avis/hc-sc/2021/75309a-eng.php

Una investigación de la UAM concluye que las mascarillas de grafeno son seguras https://www.abc.es/sociedad/abci-investigacion-concluye-mascarillas-grafeno-seguras-202105011218_noticia.html

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Maria del Carmen Arenas Pareja

¡Encantada! Soy Mari Carmen, estudiante del Grado en Química en la UNED y una apasionada del conocimiento. Mi interés por la química se despertó de forma tardía. Tras más de siete años dedicándome al mundo de la belleza, redescubrí el mundo científico tras cursar un Experto en Cosmética y Dermofarmacia en mi Universidad. Somos y estamos rodeados de química, por algo es conocida como la Ciencia Central. Me encanta la comunicación y la divulgación así que, espero que podáis disfrutar y aprender con mis artículos tanto como yo lo hago redactándolos.

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