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Grafeno, el material del futuro en el que la Facultad de Química invierte US$ 60 mil
Por Matías Castro - Especial para Cromo
El material del futuro es más resistente que el acero, pero más elástico. Puede encontrarse en algo tan cotidiano como la punta de un lápiz. Se trata del grafeno, una sustancia de carbón que hoy se encuentra parcialmente en circuitos electrónicos y elementos deportivos que necesitan ser livianos y fuertes. A diario hay noticias sobre él. Existen aplicaciones en electrónica, bioelectrónica, medicina y comunicaciones que refieren al potencial que tiene para la vida cotidiana. Este año en la Facultad de Química invirtieron US$ 60 mil para investigarlo.
Aunque hay empresas que lo venden, su producción a gran escala todavía no se ha logrado. Mientras China, Europa y Estados Unidos lideran la investigación en la materia, Uruguay la impulsa en la Universidad de la República.
“Es un material de alto valor agregado que, en muy pocas cantidades, puede hacer la diferencia si se lo aplica a dispositivos muy pequeños”, afirma Ricardo Faccio, doctor en Química e integrante del grupo de 13 personas que trabajan sobre el grafeno.
Rumbo al ascensor espacial
Los átomos del grafeno se unen en mallas de hexágonos extremadamente resistentes, que tienen las propiedades más diversas y promisorias. Como estas redes tienen el espesor de un átomo, se dice que, desde el punto de vista de las matemáticas, el grafeno ocupa solo dos dimensiones y no tres, como otros materiales.
Las redes de grafeno pueden estirarse hasta un 25% más y son impermeables. Como no oponen resistencia a los electrones, transportan electricidad con eficiencia, por lo que se estudia su aplicación en baterías y en chips sin silicio. Se habla de que con membranas de grafeno se podría desalinizar el agua del mar y se pueden crear filtros, aplicación que la Facultad de Química ha estudiado y está en proceso de patentar.
En la actualidad el grafeno se combina con fibras de carbono y otros materiales para fabricar indumentaria y equipos deportivos más resistentes, duraderos o livianos, según se trate de calzado, bicicletas, palos de golf, elementos para esquiar y remos. “Con poquitas cantidades ya podés mejorar otros materiales. Es la lógica de los materiales compuestos, con la que sumás el material A y el B. Aunque se trate de pequeñas cantidades de B, lográs propiedades bien distintas a las que tenían ambos por separado. El uso de este modo es algo bastante tangible y real”, dice Faccio.
“Esas, si se quiere, son las aplicaciones más rústicas”, agrega Álvaro Mombrú, decano de la Facultad de Química e integrante del grupo de estudio del grafeno. “Son aplicaciones buenas, pero el material promete muchísimo más. Es un campo muy amplio y muy de futuro, por eso lo natural es que estas primeras aplicaciones sean más rústicas”.
La doctora en química Helena Pardo integró un grupo uruguayo que ha registrado dos patentes relacionadas con el grafeno. La más reciente se está tramitando en el exterior, para cubrirla en todo el mundo, y trata de una forma de aplicar grafeno a filtros para agua de tal modo que aumenten su capacidad de retener impurezas.
Se dice que podrían crearse armaduras y chalecos antibalas, a partir de investigaciones de la Universidad de Georgia que demostraron que dos capas superpuestas de grafeno podían resistir la perforación de un diamante. También se ha experimentado con crear paneles de iluminación, por lo que eventualmente podrían sustituir a las lámparas. Pinturas hechas con grafeno, por otra parte, pueden cubrir materiales metálicos y protegerlos de la oxidación. Como elemento para las tintas de pelo, el grafeno sería un componente menos tóxico y más duradero que los productos químicos usados habitualmente.
Debido a que es un buen conductor y a su flexibilidad, se estudian posibles pantallas para celulares, ultralivianas y plegables, que están recién en etapa de prototipo. Lo cierto es que, según explica Faccio, si se le aplica grafeno sobre las pantallas que ya existen, se les da una mejor respuesta al tacto.
El decano Mombrú habla de lo que se denomina “lab on a chip” –laboratorio sobre un chip–. En este sistema se han probado biotransistores, es decir, transistores que tienen una lámina de grafeno y que son configurados para enviar señales eléctricas si detectan ciertas moléculas patógenas. Es decir que si sobre estos biotransistores se coloca una muestra de tejido, podrían detectar, por ejemplo, células cancerígenas.
La aplicación más fantasiosa de las que se habla, pero que ilustra bien el potencial de sus propiedades, sería la construcción de un ascensor espacial. Imaginado por el escritor Arthur C. Clarke en su novela Las fuentes del paraíso, este ascensor serviría para trasladar gente desde la superficie de la Tierra hasta salir de la atmósfera. Para construirlo haría falta, en primer lugar, contar con suficientes cantidades de grafeno.
Es posible que la producción masiva de este material trajera una revolución a la vida cotidiana equivalente a la que causaron los plásticos y el silicio en distintos momentos del siglo XX. “En este aspecto ya es complicado anticipar, porque en el medio del camino podría encontrarse un material que fuera mejor”, aclara Mombrú. “En tecnología es muy difícil hacer una previsión de ese tipo y por eso es importante que quienes investigamos en materiales tengamos experiencia. El motivo está en que lo peor que podemos hacer es enamorarnos del grafeno y aferrarnos a él sin reconocer otros materiales que podrían surgir”.
El problema
“Creo que el cuello de botella está en la producción”, opina Helena Pardo. “Las aplicaciones son diversas: para aplicarlo a dispositivos electrónicos se necesita un grafeno con una calidad que requiere de métodos de síntesis muy sofisticados, pero hay un área de aplicaciones en la que se agrega grafeno como aditivo, para la que es suficiente un grafeno producido a granel y de menor calidad”.
El grafeno se extrae del grafito, un mineral cuya fuente más cercana a Uruguay está en el estado de Minas Gerais, Brasil. No se trata de un material distinto, sino que la sumatoria de capas de grafeno forman el grafito. Por eso mismo se puede obtener en casa, de forma muy casera, con paciencia y cinta adhesiva.
Para conseguirlo se raspa el grafito de un lápiz sobre una cinta adhesiva. Esa cinta se pega contra otra, para que se desprenda grafito. Así se sigue con más cintas, hasta que en una de ellas queda un material casi transparente y apenas visible que es el grafeno. Este procedimiento se llama descamado y, si bien es revelador y en 2004 formó parte de experiencias que se llevaron un premio Nobel, es el menos eficiente de los que hay para obtener grafeno. Es que se lo necesita en grandes cantidades para producir todo lo que se espera de él.
La empresa estadounidense Vorbeck Materials intenta fabricar grafeno a gran escala y comercializa lo que produce. Uno de sus productos es una tinta con grafeno que, si se imprime, no se borra ni se desgasta y que hace que el material sea extremadamente resistente. En un video en YouTube, uno de sus empleados muestra una bolsa repleta de grafeno, más grande que una garrafa de gas pero que no llega a pesar dos kilos.
La empresa Sigma Aldrich, que tiene una filial en Argentina, vende grafeno a granel. Medio kilo en polvo cuesta US$ 328. Cinco mililitros de tinta con grafeno cuestan US$ 295. Un chip con grafeno puede salir casi US$ 600.
En la Facultad de Química utilizan una mezcladora de alta velocidad que les permite descamar el grafeno. Ese sistema tiene la limitación de que genera bajas cantidades de grafeno. Por eso utilizan un segundo método que les permite obtenerlo a mayor escala gracias a un líquido. Esto permitiría obtener un grafeno que podría aplicarse en baterías y células solares para aumentar su capacidad y durabilidad.
Debido a las limitaciones de los procedimientos, este año compraron dos equipos que les permitirán sintetizar y trabajar sobre el grafeno de nuevas maneras y en mayores cantidades. Invirtieron US$ 60 mil, y los traen de Australia y Estados Unidos. El objetivo es dar un salto de calidad al poder hacer láminas flexibles de grafeno (como las que se usan en ciertos calzados deportivos de élite) y también resinas (poliéster, poliuretano o acrílico, por ejemplo) que incorporen depósitos de grafeno y, por lo tanto, sumen sus propiedades. De este modo seguirían trabajando en la creación de materiales compuestos y, eventualmente, en dispositivos como el sistema de filtros grafénicos cuya patente están tramitando.
“El área de ciencias de materiales es la más dinámica que conozco”, afirma el decano. “Las tendencias cambian y el impacto de los nuevos desarrollos deja atrás los anteriores. Para Uruguay es un desafío, ya que el cruce disciplinario importa más porque este tema involucra aplicaciones mecánicas, electrónicas, también la interacción con la biología y medicina del futuro. Yo diría que no es promesa, sino que es algo inminente”, concluyó.
Una historia con dos Nobel
Aunque la identificación de las propiedades del grafeno y su investigación fuerte sean un asunto del siglo XXI, Álvaro Mombrú afirma que todo comenzó con un hallazgo de 1985. Ese año un grupo de investigadores de las universidades de Sussex (Reino Unido) y Rice (Estados Unidos) realizaron descubrimientos sobre nuevas formas y propiedades del carbono, que hasta entonces solo se utilizaba para combustibles e industria siderúrgica. Esas investigaciones ganaron el premio Nobel 11 años más tarde y fueron el primer gran paso en el camino.
Si bien el grafeno había sido observado por primera vez en un microscopio electrónico en 1962, y se hablaba de él de forma teórica, fue recién redescubierto y caracterizado en 2004 por los científicos ruso británicos André Geim y Konstantin Novoselov, en la Universidad de Manchester. Su investigación se ganó el Nobel de Física seis años más tarde. A principios del siglo XXI, en la Facultad de Química de la Universidad de la República se realizaron descubrimientos sobre las propiedades magnéticas del grafito, que luego fueron base para otras investigaciones locales sobre el grafeno.
“Creo que el cuello de botella está en la producción a gran escala del grafeno”. Helena Pardo, doctora en química de Udelar.
