Thibaut Lalire - Doctorando en ciencias de materiales, IMT Mines Alès – Institut Mines-Télécom
"Material del siglo XXI", "material revolucionario", así es como se ha caracterizado el grafeno desde su descubrimiento en 2004 por Konstantin Novoselov y Andre Geim. Los trabajos sobre el grafeno de estos dos científicos les valieron el
Premio Nobel de Física en 2010, pero ¿qué ha pasado realmente 17 años después de este descubrimiento?
Flexible, resistente, con propiedades eléctricas y electrónicas inusuales, el grafeno tiene muchas ventajas en el laboratorio, pero las aplicaciones tardan en concretarse.
Imagen Wikimedia
El grafeno es conocido mundialmente por sus propiedades notables, ya sean mecánicas, térmicas o eléctricas. Su estructura perfecta en forma de panal compuesta por átomos de carbono es la razón por la que el grafeno es un material eficiente en numerosos campos. Su morfología, en forma de lámina con un grosor del orden de un átomo, le permite formar parte de la familia de los materiales 2D.
Desde su descubrimiento, las investigaciones sobre este material se han intensificado en el ámbito industrial. Han surgido múltiples aplicaciones, especialmente explotando las propiedades eléctricas del grafeno. Diversos sectores como el aeronáutico, el automotriz y las telecomunicaciones están implicados.
¿Hay grafeno en los aviones?
El grafeno se utiliza por su estatus de campeón en conductividad eléctrica, pero también por su baja densidad y flexibilidad. Estas propiedades le han permitido unirse al
exclusivo club de materiales empleados en el ámbito de la aeronáutica.
Los rayos y la acumulación de hielo en el fuselaje son problemas frecuentes cuando los aviones están a gran altitud. El impacto de un rayo en una superficie no conductora causa graves daños que pueden llegar hasta el incendio del aparato. La adición de grafeno, gracias a su alta conductividad eléctrica, permite disipar esta corriente de alta energía. El diseño de los aviones está concebido de tal manera que el flujo eléctrico se canaliza lejos de las zonas de riesgo, como los tanques de combustible o los cables de mando, evitando así la pérdida de control del aparato o incluso su explosión.
La historia del grafeno comienza aquí.
Umberto/Unsplash, CC BY
Un revestimiento compuesto por una resina reforzada con grafeno, conocido como "nanocompuesto", sustituye a los revestimientos metálicos. De hecho, su baja densidad permite obtener materiales más ligeros que los originales, reduciendo la masa del aparato y, por ende, el consumo de combustible. Sin embargo, los materiales conductores eléctricos necesarios para disipar la energía de los rayos presentan el inconveniente de reflejar las ondas electromagnéticas, lo que impide su utilización en aplicaciones de sigilo en el sector militar.
Para solventar este defecto, se han desarrollado diferentes formas del grafeno que conservan su conductividad eléctrica mientras mejoran su capacidad de sigilo. Entre estas innovaciones se encuentra la "espuma de grafeno". La onda penetra en el material y, gracias a un fenómeno de reflexiones en todas las direcciones, queda atrapada y gradualmente atenuada. De este modo, no hay retorno de la onda al radar, haciendo que el aparato sea furtivo. Esto se denomina "blindaje electromagnético".
El grafeno para el almacenamiento de energía
El grafeno también ha demostrado su utilidad en el
campo del almacenamiento de energía eléctrica.
El grafeno es un candidato ideal como electrodo para baterías de iones de litio y supercondensadores. Por un lado, debido a su alta conductividad eléctrica, y por otro, debido a su gran superficie específica (es decir, la superficie disponible en el grafeno para alojar iones y facilitar el intercambio de electrones entre el electrodo de grafeno y el litio), lo que permite alcanzar una elevada "capacidad de almacenamiento".
De hecho, un gran número de iones puede insertarse fácilmente entre las capas de grafeno, lo que permite el intercambio de más electrones con el colector de corriente, aumentando la capacidad de almacenamiento de electricidad y, por tanto, la autonomía de la batería. La facilidad con la que los iones se insertan en el electrodo de grafeno, combinada con su alta conductividad eléctrica (para una transferencia rápida de electrones), permite un ciclo de carga y descarga mucho más corto de la
batería.
La alta conductividad del grafeno permite liberar gran cantidad de energía en muy poco tiempo, incrementando así la potencia de los supercondensadores. Además, el grafeno es un buen conductor térmico, lo que ayuda a limitar el aumento de temperatura de las baterías disipando el calor.
Las baterías eléctricas son omnipresentes en la vida moderna. El grafeno podría mejorar su rendimiento.
Markus Spiske/Unsplash, CC BY
A nivel industrial, ya existe una batería externa desarrollada por Real Graphene, que carga completamente un teléfono móvil en
17 minutos. En un ámbito completamente diferente, Mercedes está trabajando en un prototipo de coche con una batería compuesta por electrodos de grafeno, que promete una
autonomía de 700 kilómetros con una carga de 15 minutos. Estas cifras resultan sorprendentes a primera vista, especialmente para vehículos eléctricos que requieren baterías con elevada capacidad de almacenamiento.
Encontrar su lugar en la electrónica
El grafeno tiene dificultades para destacar en comparación con los semiconductores en el
campo de la electrónica. Sus propiedades electrónicas, debidas a su "estructura de banda", hacen que el control de electrones sea imposible, y el grafeno actúa entonces como un semi-metal. Por esta razón, su uso en la electrónica binaria o digital sigue siendo complicado, particularmente en los transistores, que suelen estar hechos de semiconductores.
Para utilizar grafeno en un transistor, es necesario modificar su estructura de banda, lo que generalmente degrada su estructura de panal y sus otras propiedades eléctricas. Si se desea conservar esta estructura 2D, es necesario cambiar la naturaleza química de los átomos que componen el material, utilizando, por ejemplo, nitruro de boro o dicalcogenuros de metales de transición, que también forman parte de la
gran familia de materiales 2D.
Microscopía de la interfaz entre grafeno y nitruro de boro (h-BN).
Oak Ridge National Laboratory, Flickr, CC BY
No obstante, si se desea aprovechar el grafeno, se debe orientar hacia aplicaciones en las que también se busquen propiedades mecánicas (flexibilidad), como los sensores, los electrodos y algunos transistores específicos para la electrónica analógica, como los
transistores de grafeno de efecto de campo. Los gigantes de la telefonía también están trabajando en el desarrollo de pantallas flexibles para móviles, con el objetivo de mejorar la ergonomía.
La
fabricación de futuros ordenadores cuánticos podría involucrar materiales conocidos como "aislantes topológicos". Estos materiales son conductores eléctricos en la superficie, pero aislantes en el núcleo. Actualmente, las investigaciones se centran en la fase topológica del grafeno, donde la conducción eléctrica ocurriría únicamente en los bordes.
La diversidad de aplicaciones del grafeno demuestra todo el potencial de este material y permite imaginar nuevos horizontes en diversas áreas como la
optoelectrónica y la espintrónica.
Este material ya ha demostrado su valía en la industria, aunque sin revolucionarla aún. Sin embargo, las investigaciones en curso permiten descubrir cada año nuevos campos de aplicación posibles. Paralelamente, se están desarrollando constantes métodos de síntesis para reducir el costo del grafeno por kilogramo y obtener un material de mejor calidad.
Fuente: The Conversation bajo licencia Creative Commons