El grafeno es una hoja plana compuesta por una sola capa de átomos de carbono arreglados en forma hexagonal (estructura tipo panal de abeja). Estos átomos están unidos entre sí con enlaces químicos covalentes formados por electrones compartidos y además tienen electrones “libres” flotando sobre la hoja de grafeno. Esto le proporciona propiedades muy interesantes, como buena conductividad térmica y eléctrica y alta resistencia mecánica. Por la misma estructura a nivel atómico tales propiedades son únicas, el grafeno entonces es un material nanoestructurado (materiales estructurados en escalas muy pequeñas, 10-9 m, una millonésima parte de un milímetro).
Varias hojas de grafeno apiladas una arriba de otra conforman el grafito, el material usado en los lápices. Aunque las hojas individuales son muy fuertes no están unidas fuertemente entre sí y en el grafito no son hojas continuas, por ello el grafito es tan blando y se desliza tan fácilmente.
Interés y aplicaciones
El grafeno es de mucho interés científico pues es el material más delgado que se conoce, tiene un grosor millones de veces menor que el de una hoja de papel, pero es muy fuerte. También es de mucho interés por que no se le ha estudiado por mucho tiempo. Hasta el 2004 se pensaba que las hojas individuales de grafeno no podían existir físicamente, pues se sabía que otros materiales en una capa atómica no eran estables. Fue hasta que el grupo de Geim y Novoselov reportó su obtención al poner cinta adhesiva sobre pequeños pedazos de grafito, dado que las fuerzas entre capas son muy débiles, separaron pocas hojas de grafeno que depositaron sobre una superficie de silicio y después al despegar unas hojas más de la superficie, lograron obtener hojas individuales de grafeno. Los estudios de este grupo en Inglaterra fueron trabajos pioneros y de gran calidad científica que les valieron ganar el Premio Nobel de Física en 2010.
El grafeno entra en la categoría de nanomateriales de carbono, de los cuales la comunidad científica ya había aprendido mucho con el estudio de los fulerenos (C60, etc., descubiertos en 1985, y cuyo descubrimiento mereció el Premio Nobel de Química en 1996) y nanotubos de carbono (formados por cilindros de grafeno y descubiertos en 1991). Tales estudios sentaron las bases científicas para poder estudiar las propiedades del grafeno y desarrollar aplicaciones.
El grafeno es un muy buen conductor, en una hoja continua de grafeno los electrones pueden moverse muy rápidamente y casi sin resistencia. Sin embargo también es posible tener grafeno semiconductor, pues al cortar una hoja de grafeno en listones muy delgados (de unos cuantos nanómetros de ancho) se convierte en semiconductor. También puede convertirse en semiconductor mediante reacciones químicas. Además, al apilar unas cuantas hojas de grafeno sus propiedades tienden a las del grafito y por lo mismo ya no es tan buen conductor. Este tipo de fenómeno, donde las propiedades que pueden cambiarse y controlarse al hacer cambios relativamente pequeños en la estructura atómica de un nanomaterial, no ocurren en los materiales convencionales, pero son fenómenos comunes en la nanoescala.
Uno de los objetivos de la comunidad científica es desarrollar aplicaciones de grafeno en dispositivos, y llegar a substituir al silicio en muchas de sus aplicaciones. Las propiedades del grafeno permitirán no sólo substituir al silicio, sino también su uso en dispositivos que no se pueden desarrollar con silicio, pues los dispositivos a base de grafeno podrían ser flexibles, lo que es más complicado de lograr con silicio, pero podría usarse grafeno para tener pantallas flexibles, donde una hoja de grafeno flexible y transparente sirva para conducir electricidad.
Además de la fabricación de dispositivos electrónicos, hay muchas otras aplicaciones posibles para el grafeno y no sabemos aún cual será la principal. Además de semiconductores hay mucha investigación para crear materiales compuestos donde el grafeno refuerce a materiales como los plásticos. Pero eso no es todo: que el grafeno cambie de propiedades con pequeños cambios en estructura atómica puede llevar a sensores mejorados para detectar y medir contaminantes, aplicaciones biomédicas, etcétera.
Las aplicaciones que actualmente se estudian más extensamente son en el área de la electrónica, y en materiales compuestos, para reforzar otros materiales. Aunque estas aplicaciones no han salido de los laboratorios todavía, algunas empresas como IBM están buscando fabricar dispositivos nanoelectrónicos basados en grafeno. Se espera pronto desarrollar aplicaciones en áreas relacionadas con la computación, materiales de construcción e ingeniería y en medicina; todo esto es muy emocionante para la comunidad científica.
Es importante mencionar que el estudio del grafeno y sus aplicaciones es multidisciplinario; al igual que en el desarrollo de nanociencia y nanotecnología en general, participan investigadores de todas las áreas de la ciencia, y en muchas ocasiones es necesaria la interacción de las diversas áreas de la ciencia para lograr un objetivo común mediante trabajo interdisciplinario.
Beneficios del estudio del grafeno
El estudio del grafeno y el desarrollo de sus aplicaciones van a beneficiar a la sociedad en general, pues se pronostica que su uso permitirá mejorar muchos de los dispositivos que conocemos ahora, además de la creación de otros nuevos, por ejemplo, computadoras todavía más pequeñas y poderosas que las actuales. El grafeno también permitirá desarrollar materiales más ligeros y resistentes.
Actualmente se están desarrollando aplicaciones de grafeno para su uso en dispositivos “verdes”: por ejemplo, el uso de grafeno como conductor es más favorable con el ambiente al reemplazar metales u otros elementos pesados, o escasos, con carbono. Además, los dispositivos a base de grafeno podrán también ser más eficientes, por lo que gastarían menos energía. Igualmente al usar grafeno para tener materiales más ligeros y resistentes se reducen costos de transporte y gasto de combustibles. Se ha propuesto también usar grafeno para mejorar las baterías de litio actuales, lo cual aumentaría la factibilidad de tener autos eléctricos. Por esto se predice que el grafeno también tendrá un impacto ambiental favorable, al igual que otros nanomateriales.
Al fomentar su estudio y desarrollo de aplicaciones existe la posibilidad de crear nuevas industrias, con todos los beneficios socioeconómicos que ello implica. Aquellas empresas internacionales y naciones que logren posicionarse comercialmente en producción de grafeno y de dispositivos o materiales basados en el mismo crearán empleos y aumentarán exportaciones.
Producción de grafeno
La producción de grafeno en cantidades pequeñas es un proceso sencillo. Hay laboratorios en todo el mundo en donde se produce grafeno. En México habemos varios grupos de investigación dedicados al estudio de procesos para producir grafeno y al desarrollo de sus aplicaciones.
Sin embargo, la producción a grandes escalas todavía no está tan controlada, por lo que es importante seguir estudiando métodos para su producción. Una manera de obtenerlo es a partir de grafito, insertando ciertas sustancias químicas (intercalación) y mediante calor eliminar esas sustancias dejando las hojas separadas (exfoliación), este proceso puede producir grandes cantidades pero hasta ahora lleva más bien a grafitos de pocas a muchas capas mezclados, y no a hojas individuales o pocas capas de grafeno.
La obtención de grafeno para electrónica esta siendo también muy estudiada, pero controlar bien las dimensiones de las hojas de grafeno producidas, y asegurarse que no tengan defectos que impidan tener las propiedades deseadas, sigue siendo complicado. Otro problema es producir de manera controlada hojas muy grandes de grafeno, donde una sola capa se extienda en áreas macroscópicas. Este tipo de hojas por ejemplo podría usarse para tener un recubrimiento conductor y transparente sobre vidrio y usarse en pantallas planas.
La producción de nanolistones de grafeno también esta siendo estudiada, pero apenas está empezando, y está aún en escalas de laboratorio. Una opción es abrir nanotubos de carbono para obtener listones de grafeno; en ese tema el grupo de Nanociencias y Nanotecnología del Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica (IPICYT) ha sido de los primeros en reportar métodos para abrir nanotubos de carbono, y los únicos en México hasta la fecha.
Estudio del grafeno en México
Aunque todavía son pocos, hay varios grupos de investigación en México dedicados al estudio del grafeno. Uno de ellos es el grupo de Nanociencias y Nanotecnología del IPICYT, al que pertenezco. Estudiamos el grafeno tanto experimental como teóricamente, pues al ser algo tan nuevo se requiere verlo desde ambos puntos de vista, al igual que ha sido necesario con otros nanomateriales.
Podemos decir que en México tenemos los recursos necesarios para poder contribuir al desarrollo del grafeno. En México hay estudiantes e investigadores con el talento suficiente para hacer aportaciones importantes en el área, así como en otras áreas de la ciencia. México no puede seguir perdiendo más oportunidades de despuntar en áreas significativas de la tecnología por no cuidar a sus recursos humanos de alto nivel. En muchas otras revoluciones científico-tecnológicas, como lo fue la de síntesis bioquímica (recordemos que los anticonceptivos fueron descubiertos en México) o la industria de semiconductores y microelectrónica, e incluso hoy en día en algunas cuestiones de nanotecnología y biotecnología, México no ha aprovechado las oportunidades. Esperemos que en el caso del grafeno la situación sea diferente.
* Grupo de Nanociencias y Nanotecnología, IPICYT.
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