¿Qué es el grafeno? Esto es lo que debes saber

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Hoy, un nuevo material tiene el potencial de alterar el futuro. Apodado un “supermaterial”, el grafeno tiene investigadores de todo el mundo luchando por comprenderlo mejor. La larga lista de características milagrosas del grafeno lo hace parecer casi mágico, pero podría tener implicaciones muy reales y drásticas para el futuro de la física y la ingeniería.

¿Qué es exactamente el grafeno?

La forma más sencilla de describir el grafeno es que se trata de una única y fina capa de grafito, el material blando y escamoso que se utiliza en la mina de los lápices. El grafito es un alótropo del elemento carbono, lo que significa que posee los mismos átomos pero están dispuestos de manera diferente, lo que le da al material propiedades diferentes. Por ejemplo, tanto el diamante como el grafito son formas de carbono, pero tienen naturalezas tremendamente diferentes. Los diamantes son increíblemente fuertes, mientras que el grafito es frágil. Los átomos de grafeno están dispuestos en forma hexagonal.

Curiosamente, cuando el grafeno se aísla del grafito, adquiere algunas propiedades milagrosas. Tiene apenas un átomo de espesor y es el primer material bidimensional jamás descubierto. A pesar de ello, el grafeno es también uno de los materiales más fuertes del universo conocido. Con una resistencia a la tracción de 130 GPa (gigapascales), es más de 100 veces más resistente que el acero.

La increíble fuerza del grafeno a pesar de ser tan delgado ya es suficiente para hacerlo sorprendente, sin embargo, sus propiedades únicas no terminan ahí. También es flexible, transparente, altamente conductor y aparentemente impermeable a la mayoría de los gases y líquidos. Casi parece que no existe ningún ámbito en el que el grafeno no destaque.

La historia del grafeno: un rollo de cinta adhesiva y un sueño

El grafito es una cantidad conocida desde hace mucho tiempo (el hombre lo utiliza desde el Neolítico). Su estructura atómica está bien documentada y durante mucho tiempo los científicos se preguntaron si se podrían aislar capas individuales de grafito. Sin embargo, hasta hace poco, el grafeno era simplemente una teoría, ya que los científicos no estaban seguros de si alguna vez sería posible cortar el grafito en una sola hoja del grosor de un átomo. La primera muestra aislada de grafeno fue descubierta en 2004 por Andre Geim y Konstantin Novoselov en la Universidad de Manchester. Se podría esperar que aislaran la legendaria sustancia utilizando alguna maquinaria enorme y costosa, pero la herramienta que utilizaron fue sorprendentemente simple: un rollo de cinta adhesiva.

Al usar cinta para pulir un gran bloque de grafito, los investigadores notaron escamas excepcionalmente delgadas en la cinta. Continuando pelando capa tras capa de las escamas de grafito, finalmente produjeron una muestra lo más delgada posible. Habían encontrado grafeno. El descubrimiento fue tan extraño que el mundo científico se mostró escéptico al principio. el diario popular Naturaleza Incluso rechazó dos veces su artículo sobre el experimento. Finalmente, su investigación se publicó y en 2010 Geim y Novoselov recibieron el Premio Nobel de Física por su descubrimiento.

Aplicaciones potenciales

Si el grafeno tuviera simplemente uno de sus muchos rasgos superlativos, sería objeto de una intensa investigación sobre sus usos potenciales. Al ser tan notable en muchos sentidos, el grafeno ha inspirado a los científicos a pensar en una amplia gama de usos para el material, en campos tan variados como la tecnología de consumo y las ciencias ambientales.

Electrónica flexible

Además de sus potentes propiedades eléctricas, el grafeno también es muy flexible y transparente. Esto lo hace atractivo para su uso en electrónica portátil. Los teléfonos inteligentes y las tabletas podrían volverse mucho más duraderos utilizando el grafeno y tal vez incluso podrían doblarse como si fueran papel. Los dispositivos electrónicos portátiles han ganado popularidad recientemente. Con el grafeno, estos dispositivos podrían volverse aún más útiles, diseñados para ajustarse cómodamente a las extremidades y doblarse para adaptarse a diversas formas de ejercicio.

Sin embargo, la flexibilidad y el ancho microscópico del grafeno brindan oportunidades más allá de los simples dispositivos de consumo. También podría resultar útil en la investigación biomédica. Se podrían fabricar pequeñas máquinas y sensores con grafeno, capaces de moverse fácil e inofensivamente por el cuerpo humano, analizar tejidos o incluso administrar fármacos en zonas específicas. El carbono ya es un ingrediente crucial en el cuerpo humano; un poco de grafeno agregado podría no hacer daño.

Células solares/fotovoltaicas

El grafeno es altamente conductor y transparente. Como tal, tiene un gran potencial como material en células solares. Normalmente, las células solares utilizan silicio, que produce una carga cuando un fotón golpea los materiales, liberando un electrón libre. El silicio sólo libera un electrón por cada fotón que incide sobre él. Las investigaciones han indicado que el grafeno puede liberar múltiples electrones por cada fotón que lo golpea. Como tal, el grafeno podría ser mucho mejor a la hora de convertir la energía solar. En poco tiempo, las células de grafeno, más baratas y potentes, podrían producir un aumento masivo de energía renovable.

Las propiedades fotovoltaicas del grafeno también significan que podría usarse para desarrollar mejores sensores de imagen para dispositivos como cámaras.

Semiconductores

Debido a su alta conductividad, el grafeno podría utilizarse en semiconductores para aumentar considerablemente la velocidad a la que viaja la información. Recientemente, el Departamento de Energía realizó pruebas que demostraron que los polímeros semiconductores conducen la electricidad mucho más rápido cuando se colocan sobre una capa de grafeno que sobre una capa de silicio. Esto es válido incluso si el polímero es más espeso. Un polímero de 50 nanómetros de espesor, cuando se colocó encima de una capa de grafeno, condujo una carga mejor que una capa de polímero de 10 nanómetros. Esto iba en contra de la sabiduría anterior que sostenía que cuanto más delgado es un polímero, mejor puede conducir la carga.

El mayor obstáculo para el uso del grafeno en electrónica es la falta de una banda prohibida, la brecha entre las bandas de valencia y conducción en un material que, cuando se cruza, permite el flujo de corriente eléctrica. La banda prohibida es lo que permite que los materiales semiconductores como el silicio funcionen como transistores; pueden cambiar entre aislar o conducir una corriente eléctrica, dependiendo de si sus electrones son empujados a través de la banda prohibida o no.

Los investigadores han estado probando una variedad de métodos para darle al grafeno una banda prohibida; Si tiene éxito, eso podría conducir a una electrónica mucho más rápida construida con grafeno.

Filtración de agua

Los estrechos enlaces atómicos del grafeno lo hacen impermeable a casi todos los gases y líquidos. Curiosamente, las moléculas de agua son una excepción. Debido a que el agua puede evaporarse a través del grafeno mientras que la mayoría de los demás gases y líquidos no pueden, el grafeno podría ser una herramienta excepcional para la filtración. Investigadores de la Universidad de Manchester probaron la permeabilidad del grafeno con el alcohol y pudieron destilar muestras muy fuertes de bebidas espirituosas, ya que sólo el agua de las muestras podía pasar a través del grafeno.

Por supuesto, el uso del grafeno como filtro tiene potencial más allá de destilar bebidas espirituosas más fuertes. El grafeno también podría ser de gran ayuda para purificar el agua de toxinas. En un estudio publicado por la Royal Society of Chemistry, los investigadores demostraron que el grafeno oxidado podría incluso Atraer materiales radiactivos como el uranio y el plutonio presentes en el agua, dejando el líquido libre de contaminantes. Las implicaciones de este estudio son enormes. Algunos de los mayores peligros ambientales de la historia, incluidos los desechos nucleares y los vertidos químicos, podrían eliminarse de las fuentes de agua gracias al grafeno.

A medida que la superpoblación siga siendo una de las preocupaciones ambientales más apremiantes del mundo, mantener el suministro de agua potable será cada vez más importante. De hecho, la escasez de agua afecta a más de mil millones de personas en todo el mundo, una cifra que seguirá aumentando dadas las tendencias actuales. Los filtros de grafeno tienen un inmenso potencial para mejorar la purificación del agua, aumentando la cantidad de agua dulce disponible. De hecho, Lockheed Martin desarrolló recientemente un filtro de grafeno llamado “Perforene”, que según la compañía podría revolucionar el proceso de desalinización.

Las plantas desalinizadoras actuales utilizan un método llamado ósmosis inversa para filtrar la sal del agua de mar. La ósmosis inversa utiliza presión para mover el agua a través de una membrana. Para producir grandes cantidades de agua potable, la presión involucrada requiere enormes cantidades de energía. A El ingeniero de Lockheed Martin afirma Sus filtros Perforene podrían reducir las necesidades de energía cien veces menos que otros filtros.

El MIT creó grafeno con “nanoporos”

La filtración es uno de los usos más obvios del grafeno, y los ingenieros del MIT han logrado grandes avances en el perfeccionamiento de la capacidad del grafeno para separar moléculas. En 2018, a un equipo del MIT se le ocurrió un método para crear pequeños agujeros tipo “pinchazo” en láminas de grafeno. Los investigadores del MIT utilizan un enfoque de "rollo a rollo" para producir grafeno. Su configuración implica dos carretes: un carrete alimenta una lámina de cobre a un horno donde se calienta hasta el temperatura adecuada, luego los ingenieros agregan gas metano e hidrógeno, lo que esencialmente causa charcos de grafeno formar. La película de grafeno sale del horno y se enrolla en el segundo carrete.

En teoría, este proceso permite formar grandes láminas de grafeno en un período de tiempo relativamente corto, lo cual es crucial para aplicaciones comerciales. Los investigadores tuvieron que afinar el proceso para lograr que el grafeno se formara perfectamente y, curiosamente, los intentos imperfectos a lo largo del camino resultaron útiles más adelante. Cuando el equipo del MIT intentó crear poros en el grafeno, comenzaron utilizando plasma de oxígeno para tallarlos. Como este proceso resultó llevar mucho tiempo, querían algo más rápido y buscaron soluciones en sus experimentos anteriores. Al bajar la temperatura durante el crecimiento del grafeno, consiguieron que aparecieran poros. Lo que aparecieron como defectos durante el proceso de desarrollo terminaron siendo una forma útil de crear grafeno poroso.

Superconductividad

No mucho después Los científicos de Cambridge demostraron que el grafeno puede actuar como superconductor (un material sin resistencia eléctrica) cuando se combina con óxido de praseodimio, cerio y cobre, investigadores del MIT descubierto Otra propiedad sorprendente: aparentemente puede funcionar solo como superconductor, en la configuración correcta. Los investigadores apilaron dos rodajas de grafeno, pero las desplazaron en un ángulo de 1,1 grados. Según un informe publicado en Nature, “el físico Pablo Jarillo-Herrero del Instituto de Massachusetts de Technology (MIT) en Cambridge y su equipo no buscaban superconductividad cuando establecieron su experimento. En cambio, estaban explorando cómo la orientación denominada ángulo mágico podría afectar al grafeno”.

Lo que descubrieron es que, cuando pasaban electricidad a través de la pila de grafeno desequilibrada, funcionaba como un superconductor. Este sencillo proceso de aplicación de electricidad hace que el grafeno sea más fácil de estudiar que una clase similar de superconductores, cupratos, aunque esos materiales muestran superconductividad a niveles mucho más altos. temperaturas. La mayoría de los materiales que muestran superconductividad sólo lo hacen cerca de una temperatura del cero absoluto. Algunos de los llamados “superconductores de alta temperatura” pueden mostrar superconductividad a temperaturas de alrededor de 133 Kelvin (-140 Celsius), que es relativamente alta; El sulfuro de hidrógeno, bajo suficiente presión, muestra la propiedad en Un milagroso -70 grados centígrados.!

La disposición de grafeno tuvo que enfriarse a 1,7 grados por encima del cero absoluto, pero los investigadores consideran que su comportamiento es similar al de los cupratos, y por lo que esperan que sea un material mucho más sencillo para estudiar la superconductividad no convencional, que sigue siendo un área de gran desacuerdo entre físicos. Debido a que la superconductividad normalmente solo ocurre a temperaturas tan bajas, los superconductores solo se usan en maquinaria costosa como máquinas de resonancia magnética, pero Los científicos esperan algún día encontrar un superconductor que funcione a temperatura ambiente, lo que reduciría los costos al eliminar la necesidad de enfriamiento. unidades.

En un estudio publicado en 2019, los investigadores demostraron cómo torcer capas de grafeno en ángulos "mágicos" específicos puede producir propiedades superconductoras a temperaturas más bajas que antes.

Defensa contra mosquitos

Pocas criaturas son tan repugnantes como el mosquito, con sus picaduras que pican y su tendencia a propagar enfermedades horribles como la malaria. Afortunadamente, investigadores de la Universidad de Brown han encontrado una posible solución utilizando grafeno. La investigación, publicado en 2019, demuestra que una película de grafeno sobre la piel no solo impidió que los mosquitos picaran, sino que incluso los disuadió de aterrizar en la piel en primer lugar. Una posible explicación es que el grafeno impidió que los mosquitos olieran a sus presas.

El futuro de la investigación del grafeno

Dada la lista aparentemente interminable de ventajas del grafeno, uno esperaría verlo en todas partes. Entonces, ¿por qué no se ha adoptado ampliamente el grafeno? Como ocurre con la mayoría de las cosas, todo se reduce a dinero. El grafeno sigue siendo extremadamente caro de producir en grandes cantidades, lo que limita su uso en cualquier producto que requiera una producción en masa. Además, cuando se producen grandes láminas de grafeno, existe un mayor riesgo de que aparezcan pequeñas fisuras y otros defectos en el material. Por increíble que sea un descubrimiento científico, la economía siempre decidirá el éxito.

Dejando a un lado los problemas de producción, la investigación sobre el grafeno no se está desacelerando en absoluto. Los laboratorios de investigación de todo el mundo (incluida la Universidad de Manchester, donde se descubrió el grafeno por primera vez) presentan continuamente patentes para nuevos métodos de creación y uso del grafeno. La Unión Europea aprobó la financiación de un programa emblemático en 2013, que financiará la investigación del grafeno para su uso en electrónica. Mientras tanto, las principales empresas tecnológicas de Asia están realizando investigaciones sobre el grafeno, incluida Samsung.

Las revoluciones no ocurren de la noche a la mañana. El silicio se descubrió a mediados del siglo XIX, pero pasó casi un siglo antes de que los semiconductores de silicio allanaran el camino para el surgimiento de las computadoras. ¿Podría el grafeno, con sus cualidades casi míticas, ser el recurso que impulse la próxima era de la historia de la humanidad? Sólo el tiempo dirá.

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