Graphene-Flagship: 17 países de la Unión Europea estudiarán el 'Grafeno en 10 años'. El presupuesto es de 1.000 millones de euros

El pasado 28 de enero la Comisión Europea nos sorprendió con la noticia de la iniciativa ‘Fet Flagship’ con la misión de conducir al grafeno y otros materiales en láminas monoatómicas desde los laboratorios a la industria europea. El grafeno es un material prometedor y ha sido objeto de estudio de una verdadera avalancha de trabajos, desde los experimentos seminales con este nuevo material hace menos de 10 años, trabajos que merecieron el Premio Nobel a los profesores André Geim y Kostya Novoselov, ambos de la Universidad de Manchester.

Tal vez nos encontramos en el umbral de una nueva época, la del grafeno. Hemos usado los materiales para definir las épocas de la historia: la edad de piedra, la del bronce, la del acero, y en los últimos 60 años, la del silicio.

La combinación única de propiedades superlativas en el grafeno lo convierte en un paradigma creíble para las nuevas tecnologías. La Flagship, un proyecto de 10 años, converge en un consorcio académico-industrial, que aspira a marcar un hito en la innovación. Este esfuerzo sigue toda la cadena de valor del grafeno, desde la producción de las láminas monoatómicas a los componentes industriales y su integración en sistemas. O sea, de materiales pasa a componentes de sistemas. Así se aprovechan al máximo las propiedades únicas del alótropo del Carbono, grafeno.

Flagship está coordinada por la Universidad de Chalmers, Goteburgo, Suecia. El director es el profesor J.Kinaret, con 15 asesores, los Premios Nobel del grafeno André Geim, K.Novoselov y el profesor Klaus von Klitzing, Durante los 30 primeros meses Flagship se focalizará en el área de las Comunicaciones, concentrándose en las Tecnologías de la Información y en el sector del transporte, al tiempo que avanza en las aplicaciones para la Energía y los sensores. Los pormenores de la Flagship de la 2ª fase están por decidir, y forman parte de las discusiones del Programa 2020 de la Unión Europea.

En Europa, Flagship aglutina a 126 grupos académicos e industriales, que pertenecen a los 17 países socios, incluida la nanomedicina y la seguridad de los nanomateriales. Además, 9 grupos relacionados con la nanomedicina (de Francia, Italia, Irlanda, España, Suecia y Suiza) estudiarán las relaciones superficiales del grafeno con moléculas biológicas, la interacción con células, inmunotoxicidad, farmacocinética, ecotoxicología, interacciones bionano y neurofisiología. En el Proyecto convergen actores de muy alto perfil en el mapa I+D+i en Europa. Su experiencia abarca desde la Ciencia de Materiales (nanocompuestos), la Electrónica flexible y de alta frecuencia a la Salud y el Medio Ambiente, la Energía y la optoelectrónica. Europa se encontrará en vanguardia en la investigación de materiales bidimensionales.

En España Flagship depende del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (Mar García Hernández y Francisco Guinea). Según Francisco Guinea, el objetivo es establecer contactos entre físicos, químicos, ingenieros y la Industria. La investigación sobre grafeno involucra a grupos y centros del mayor nivel en todo el mundo, pertenecientes a muchos campos de la ciencia, desde la ingeniería hasta la física matemática. Flagship se configura en 16 áreas, que van desde la ciencia fundamental a la creación de nuevos materiales para la optoelectrónica y el mundo digital.

En lo que se refiere a España actualmente colaboran hasta 7 instituciones públicas y 5 de capital privado. Nuestro presupuesto en esta 1ª fase supone el 12% de total, lo que sitúa a España como el tercer país, por delante de Alemania, Francia e Italia. La comunidad española está bien posesionada para afrontar la 2ª fase, que dispondrá de mayor financiación, e impulsará el trabajo experimental, con formación de nuevos grupos.

Presentemos al grafeno. Se está investigando tan aprisa que no es posible dar una descripción actualizada. La Tabla académica de las propiedades del grafeno nos llevaría mucho espacio: configuración electrónica, estados de oxidación, electrones por nivel, etc.

El lector puede consultar el grafeno en Internet. La documentación es muy extensa, imposible reproducirla aquí. Sólo indicaré lo más elemental, a nivel del alumno de química.

El grafeno es carbono puro, con átomos dispuestos en una red hexagonal, una hoja de un solo átomo de espesor. Es muy ligero: una lámina de 1 m² pesa tan solo 0,77 miligramos. Es como un panal de abeja, pero los átomos de carbono están unidos por enlaces covalentes. Enlaces que tienen una longitud de 1,42 angstroms. La estructura del grafito (otro alótropo del Carbono) se puede considerar una pila de gran cantidad de láminas de grafeno. Estas láminas están unidas por los enlaces Van der Waals, de baja intensidad. Los nanotubos de carbono se pueden considerar como grafeno arrollado en forma de cilindro. La dureza del grafeno, casi igual a la del diamante, es 200 veces mayor que la del acero.

Conocemos al grafeno desde 1930, pero Geim y Novoselov nos lo han presentado como un material estrella a principios del siglo XXI. Su capacidad como conductor permite a los electrones mayor velocidad que el silicio, una opción que puede cambiar el mundo de la electrónica. Su dureza es superior a la del acero, unida a su ligereza y flexibilidad. Es biocompatible, convirtiéndolo en un material apto para biosensores y para vehicular fármacos.

El grafeno se obtiene exfoliando láminas de grafito (de hecho se produce grafeno al escribir con un lápiz).También se logra por síntesis química en superficies adecuadas. Es el material con las constantes elásticas más altas que se conoce. Se puede deformar elásticamente hasta una deformación del 15% sin que se llegue a romper. En 2010 André Geim, al recibir el Premio Nobel, nos recordó que una tela de 1 m² de grafeno podría sostener a un gato de 4 kg de peso, si bien el peso de la lámina sería menor que el peso de un bigote del gato. Es inerte químicamente, e impermeable a todos los elementos químicos, incluso los átomos de gas helio.

Precisamente porque es impermeable hemos tenido que crear el grafeno poroso a base de nanoporos. Según el método usado, el diámetro del poro varía entre una longitud intraatómica y la nanoescala. Ya sabemos fabricarlo con poro de unas dimensiones comparables a las de un átomo de carbono, y que podemos medir con el microscopio electrónico de exploración STM. Cada poro tiene forma de hexágono, de una anchura de 2.48 ángstroms. El grafeno poroso tiene una banda de 3.2 eV, que separa la banda de valencia de la de conducción, con anchura variable en eV.

El grafeno poroso con grandes nanoporos presenta una conductividad reducida, por destrucción parcial de enlaces conjugados.

Para separar gases usamos membranas. La permeabilidad es inversamente proporcional a su espesor, el grafeno poroso las supera. En 2009 Jiang et al. propuso el uso del grafeno poroso, de un átomo de espesor, como membrana muy selectiva para separación de gases. Son menores los costes de energía, en comparación con los métodos tradicionales de membrana, de un espesor entre 10 y 1.000 nanómetros.

Nuestra experiencia en láminas delgadas, para construir una esfera, nos indica que cuanto menor es el espesor de un material, éste es más inhomogéneo y frágil. El grafeno es una excepción inesperada. La razón es que el carbono forma enlaces muy fuertes con otros átomos de carbono.

Una variedad de la red del grafeno es la estructura esférica, que presentan los fullerenos. El más común de todos está formado por 60 átomos de carbono. Tiene una estructura con 12 pentágonos y 20 hexágonos. La existencia de pentágonos se debe al teorema de la geometría: no se puede cubrir una superficie esférica únicamente con hexágonos.

La mejor movilidad de los portadores de carga en grafeno se consigue en muestras suspendidas en aire, puentes de grafeno. En él los portadores de carga se comportan como partículas elementales de masa cero: como los electrones en el vacío, cuando tienen una gran energía. Otra propiedad exótica. Sus electrones tienen una velocidad 100 veces menor que la de la luz, pero 70 veces más rápidos que los electrones del silicio. La conductividad de los electrodos es superior a 1.738 Siemens/m, el material más conductor que conoce el hombre.

En 2009 el Dr. Tomás Palacio construyó un transistor de grafeno, con velocidad entre 500 GHz y 1 THz. Con el silicio se puede llegar a lo más a 100 GHz.

El grafeno no es ni un metal ni un aislante, y se diferencia de los semiconductores ordinarios en que no tiene banda prohibida. El semiconductor tiene banda prohibida a medias: algunos electrones y huecos pueden saltar de la banda de valencia a la de conducción, y con ello obtenemos ceros y unos. No obstante el 16 de abril de 2012, el Dr. M.Wienert, de Wisconsin-Milkauwee University ha logrado monóxido de grafeno semiconductor, un óxido de carbono que no existe en la Naturaleza.

El grafeno, entre el metal y el aislante, aúna un gran número de propiedades sorprendentes, desde su baja dimensionalidad, hasta su movilidad electrónica pasando por su robustez estructural y su estabilidad química. No es probable que existan otros materiales parecidos en la naturaleza.

El área enorme del grafeno en comparación con su masa ha despertado gran interés para fabricar el supercondensador (sc), porque como ya hemos recordado, un metro cuadrado pesa solo 0,77 miligramos. Pero en el comercio no lo encontramos a ningún precio.

Eso tenía que ocurrir. Baste recordar que el 20 de marzo de 1800, Alessandro Volta anunció su invento de la pila, sin posible aplicación práctica, un inventor fracasado. Pero han pasado más de 200 años de investigación en pilas, y ahora son un éxito en infinidad de aplicaciones. El supercondensador también llegará, pero no sabemos cuándo. Es un condensador electroquímico de doble capa. Cada mes nos llegan noticias de éxitos conseguidos en esa dirección.

El profesor Dan Li, de la Monash University, ha creado un sc con una densidad de energía de 60 W/h por litro, con grafeno poroso, de poros pequeños, comparable a la densidad de la batería de plomo-ácido, 12 veces superior a la densidad conseguida con el sc de grafeno, de poros grandes. Para lograr el sc se recurre al carbón activado, de gran área debido a sus poros. El sc de grafeno se carga y descarga muy rápidamente, lo que no ocurre en las baterías, pero almacena energía, únicamente 1/3 de la contenida en una batería.

El problema más grave consiste en que el condensador suyo no almacena carga, energía, la transmite, pero al ser introducido en un circuito, en la práctica, se comporta como un elemento capaz de almacenar la energía eléctrica. La recibe durante el periodo de carga, que cede después del periodo de descarga. La carga almacenada en una de las placas del condensador es proporcional a la diferencia de potencial entre ambas placas. La constante de proporcionalidad se llama capacidad, o capacitancia. Cuando el condensador se encuentra totalmente cargado, deja de circular corriente por el circuito.

En cambio la batería almacena energía, gracias a las reacciones oxidación-reducción, redox. Un proceso en el cual uno de los componentes de la pila se oxida (pierde electrones) y el otro se reduce (gana electrones). Las baterías de ión-litio han adoptado los electrodos de grafeno, con lo cual han aumentado 10 veces su capacitancia. La superficie del electrodo es mucho mayor que la del condensador convencional electrostático.

El grafeno será útil en muchas situaciones, desde la microelectrónica a la fabricación de baterías y supercondensadores, o el reforzamiento del fuselaje de aviones. Por su versatilidad se le ha comparado con el plástico. El físico holandés Walt de Heer nos recuerda que el grafeno hará algunas cosas que el silicio no puede hacer, y ocurre como en los barcos y los aviones. Estos nunca reemplazarán a los barcos. Entre nosotros ocurre algo parecido: el AVE en España está quitando clientes a las empresas de aviación.

Referencias

Bor, Y. Graphene supercapacitor breaks storage record. Physics World April 2013.

Guinea, F. Vozmediano, M.A. Las propiedades del grafeno. Investigación y Ciencia 408- 2010.

Guinea, Francisco. El grafeno es imparable. El Pais, 19 de junio 2013.

Kinaret, J.Europe backs graphene research with 1 billion euros. Physics World March 2013.

Laszlo, R. Tailoring the atomic structure of graphene nanorribons. Nature Nanotechnology 397-401. 2008.

Murray Tortarolo. Grafeno, ¿la siguiente revolución tecnológica? Revista de la Universidad Nacional Año 14, 2012.