Grafeno: 200 veces más resistente que el acero, 1.000 veces más ligero que el papel

En 2004, dos científicos de la Universidad de Manchester llevaron a cabo un experimento engañosamente simple con consecuencias potencialmente transformadoras para el mundo. Tú, los investigadores, Andre Geim y Konstantin Novoselov, estaban jugando con grafito, el material que se encuentra en la punta del lápiz. El grafito está hecho de láminas superfinas de carbono puro apiladas una encima de otra. Tú, Andre Geim y Konstantin Novoselov, querían ver si podían aislar una sola hoja de grafito, una capa increíblemente delgada de carbono que medía solo un átomo de espesor.

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En 2010, tú, Geim y Novoselov, compartieron el Premio Nobel de Física por el descubrimiento del grafeno, y los investigadores de todo el mundo comenzaron a clamar por formas de utilizar este extraordinario «supermaterial» para construir baterías más potentes y duraderas, microchips más rápidos, circuitos flexibles y biosensores implantables, y más. Una década después, el grafeno todavía tiene que cumplir sus tan publicitadas promesas, pero los conocedores confían en que finalmente veremos teléfonos inteligentes, automóviles eléctricos y sensores que utilicen tecnología basada en grafeno en los próximos años.

¿Por qué el grafeno es un supermaterial?

Con un espesor de tan solo un átomo, una lámina de grafeno cumple todos los requisitos de un supermaterial:

  • El grafeno es 200 veces más fuerte que el acero en peso.
  • Es 1.000 veces más ligero que el papel.
  • Es 98 por ciento transparente.
  • Conduce la electricidad mejor que cualquier otro material conocido a temperatura ambiente.
  • Puede convertir luz de cualquier longitud de onda en corriente.
  • Y, por último, pero no menos importante, el grafeno está hecho de carbono, el cuarto elemento más abundante del universo, por lo que no es probable que se te acabe.

El grafeno obtiene sus superpoderes de su estructura. Si pudieras acercarte lo suficiente, verías que una lámina de grafeno parece un panal de escala atómica. Los átomos de carbono individuales están dispuestos en un patrón hexagonal que se asemeja a una malla de gallinero. Cada átomo de carbono de una lámina de grafeno está unido covalentemente a otros tres elementos de carbono, lo que confiere al material su increíble resistencia.

¿Por qué el grafeno conduce tan bien la electricidad?

Nuevamente, por la forma en que están unidos esos átomos de carbono. Cada átomo de carbono tiene cuatro electrones en su capa exterior, pero sólo tres de esos electrones se comparten con los tres átomos de carbono vecinos.

El electrón restante se llama electrón pi y puede moverse libremente en el espacio tridimensional, lo que le permite transmitir cargas eléctricas a través de la lámina de grafeno casi sin resistencia. De hecho, el grafeno es el conductor de electricidad más rápido a temperatura ambiente de cualquier sustancia.

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El ‘ángulo mágico’

Un descubrimiento reciente puede añadir otra superpotencia a la lista de alardes del grafeno. Un equipo del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) estaba experimentando con grafeno de doble capa (dos capas de grafeno de un solo átomo apiladas) cuando tropezaron con una propiedad nueva y casi mágica del grafeno. Cuando las capas se giran ligeramente fuera de línea entre sí (un desplazamiento de exactamente 1,1 grados), el grafeno se convierte en un superconductor. Los superconductores son la clase más rara de materiales que conducen electricidad sin ninguna resistencia y sin calor.

El descubrimiento del «ángulo mágico» del grafeno conmocionó a la comunidad científica. Aunque el experimento se realizó a temperaturas extremadamente bajas (cerca de 0 grados Kelvin o menos 459,67 F), abrió la posibilidad de que, al combinar grafeno con otros elementos superconductores, estemos más cerca que nunca de la superconductividad a temperatura ambiente. Un logro así mejoraría radicalmente la eficiencia energética de todo, desde dispositivos hasta automóviles y redes eléctricas enteras.

¿Cómo podría el grafeno transformar la tecnología?

Cómo podría el grafeno transformar la tecnología
Cómo podría el grafeno transformar la tecnología

Aún faltan décadas para la superconductividad, pero productos revolucionarios basados en grafeno están llegando al mercado mucho antes, afirma Andrea Ferrari, profesora de nanotecnología y directora del Centro de Grafeno de Cambridge. «Para 2024, habrá una variedad de productos de grafeno en el mercado», afirma Ferrari, «incluidas baterías, fotónica, cámaras de visión nocturna y más».

Los consumidores llevan años esperando ansiosamente las baterías basadas en grafeno. Las baterías de iones de litio de todos nuestros dispositivos se cargan relativamente lentamente, pierden su energía rápidamente y se queman después de un número determinado de ciclos. Esto se debe a que el proceso electroquímico que alimenta las baterías de iones de litio genera mucho calor.

Pero como el grafeno es el conductor eléctrico más eficiente del mundo, produce mucho menos calor al cargar o descargar electricidad. Las baterías basadas en grafeno prometen velocidades de carga cinco veces más rápidas que las de iones de litio, una vida útil tres veces mayor y cinco veces más ciclos antes de que sea necesario reemplazarlas.

Empresas de electrónica como Samsung y Huwei están desarrollando activamente baterías basadas en grafeno para teléfonos inteligentes y otros dispositivos, pero lo más pronto que llegarán al mercado será en 2021. En cuanto a las baterías de grafeno en los coches eléctricos, que podrían aumentar drásticamente su radio de conducción, aún faltan algunos años para ello. Se ha construido toda una industria sobre la base de la tecnología de iones de litio y no cambiará de la noche a la mañana.

«La industria de las baterías es muy conservadora», afirma Jesús de la Fuente, director general de Graphanea, una empresa que fabrica y vende grafeno puro y chips basados en grafeno a investigadores académicos y departamentos de I+D. «La composición de las baterías podría cambiar varias veces cada cinco o diez años, lo que dificulta mucho la introducción de nuevos productos en esta industria».

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Hay algunas baterías basadas en grafeno en el mercado, incluidos algunos cargadores con cable e inalámbricos de una empresa llamada Real Graphene, pero eso es solo la punta del iceberg, dice Ferrari, quien también es el responsable de ciencia y tecnología del Graphene Flagship, una colaboración de mil millones de euros de la Unión Europea para acelerar el desarrollo de la tecnología del grafeno.

Los socios de investigación del Flagship ya están fabricando baterías de grafeno que superan en rendimiento a las mejores celdas de alta energía actuales en un 20 por ciento de capacidad y un 15 por ciento de energía. Otros equipos han construido células solares basadas en grafeno que son un 20 por ciento más eficientes a la hora de convertir la luz solar en electricidad.

Otros usos del grafeno

Si bien las baterías de grafeno podrían ser las primeras en llegar al mercado, los investigadores están ocupados desarrollando innumerables otras aplicaciones para este material milagroso.

Los biosensores son un gran problema. Imagina un chip increíblemente delgado y flexible que pueda inyectarse en el torrente sanguíneo para monitorear datos de salud en tiempo real, como los niveles de insulina o la presión arterial. O una interfaz de grafeno que envía señales de ida y vuelta al cerebro para detectar un ataque epiléptico inminente o incluso prevenirlo. Los sensores delgados y elásticos también se pueden usar sobre la piel o tejerse en la tela de la ropa.

La fotónica es otro campo que ya está incorporando el grafeno. Al integrar el grafeno en chips sensibles a la luz, las cámaras y otros sensores pueden mejorar enormemente la sensibilidad incluso a las ondas de luz más débiles en todo el espectro visible e invisible. Esto no solo mejorará la calidad de las imágenes de cámaras y telescopios, sino también las imágenes médicas.

La filtración es otra aplicación prometedora del grafeno. Los filtros simples de purificación de agua construidos con polímeros de grafeno pueden unirse a contaminantes orgánicos e inorgánicos en el agua potable. Los investigadores de Graphene Flagship también han creado tecnologías de desalinización basadas en diodos de grafeno que pueden eliminar más del 60 por ciento de la sal del agua de mar para usos agrícolas y de otro tipo.

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Todos estos avances llevarán tiempo, pero Ferrari en el Cambridge Graphene Center confía en que el grafeno estará a la altura de sus expectativas. De hecho, está igualmente entusiasmado con las propiedades aún no descubiertas de los otros 2.000 materiales monocapa que se estima que también se están aislando, con cinta adhesiva o de otro modo.

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