Qué es el Grafeno

¿Qué es el grafeno? Desde la Biblioteca de materiales queremos contestar a esa pregunta. Se trata de un material relativamente nuevo cuya investigación se desarrolló plenamente a principios del siglo XXI.  

Tiene muchas aplicaciones médicas y es conocido y apreciado por su elevada dureza y resistencia. Desde luego, es un material revolucionario que ha supuesto un punto de inflexión en ámbitos como la telefonía móvil o diversas industrias tecnológicas.

En este artículo te explicaremos qué es el grafeno y cómo se descubrió. Nos detendremos en conocer los métodos de producción y también cómo se comercializa. Además, analizaremos sus propiedades más interesantes y hablaremos de sus aplicaciones. Profundizaremos en los colchones de grafeno y también en sus aplicaciones médicas.

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DEFINICIÓN DE GRAFENO

El grafeno es un nanomaterial monocapa que se extrae del grafito. Está compuesto por una capa de átomos de carbono puro colocados en forma de panal de abeja con cierta ondulación. Los átomos están enlazados de manera sólida con enlaces covalentes.

La monocapa tiene tan solo un espesor o altura de 1 átomo. Eso equivale aproximadamente a 0,0000001 milímetros. Por esa razón, solo se toman en cuenta las dimensiones de longitud x anchura. Así pues, se trata de un material bidimensional con estructura infinita.

El resultado es un material con una resistencia muy elevada, ligero y extremadamente delgado.

 

¿QUIÉN DESCUBRIÓ EL GRAFENO?

La comunidad científica ya investigó el grafeno en la década de los años 30 del siglo XX. Sin embargo, los trabajos no prosperaron porque se concluyó que los átomos de grafeno formaban un material muy inestable.

Sin embargo, a principios de los 2000, investigadores de la Universidad de Manchester se pusieron, de nuevo, manos a la obra. Finalmente, en el año 2004, los físicos Andréy Gueim y Konstantín Novosiólov consiguieron aislar el grafeno y e investigarlo.

Lo manipularon con el método cinta Scotch, del que hablaremos más adelante y obtuvieron láminas de grafeno de alta calidad.

El trabajo fue exhaustivo y tan revolucionario que les permitió obtener el Premio Nobel de Física en 2010 por sus trabajos con este nuevo material.

 

¿CUÁLES SON LAS PROPIEDADES DEL GRAFENO?

Ciertamente, el valor del grafeno que mide también por la cantidad de cualidades que atesora. Repasamos las más significativas.

 

Resistencia y dureza. Es uno de los materiales más resistentes que se pueden encontrar. Supera la dureza del diamante y es 100 veces más resistente que el acero estructural con igual espesor.

Existe una prueba que resulta muy gráfica sobre su resistencia. Sus productores aseguran que en el caso de que se quisiera atravesar una capa de grafeno con un cuchillo, sería necesario un peso de 4 toneladas. También es resistente a las fuerzas de flexión sin romperse o quebrarse.

 

Flexibilidad. A pesar de ser un material tan sólido también cuenta con mucha flexibilidad. Puede doblarse hasta un 20% y estirarse hasta un 10% de su tamaño normal. Las capas del material son adaptables y se pueden enrollar sobre sí mismas. De hecho, este proceso se utiliza para crear nanotubos.

 

Ligereza. Es un material extremadamente liviano y de muy poco peso. Como ejemplo, una lámina con un tamaño de 1 m² solo pesa 0,77 miligramos. Así, pesa 5 veces menos que el aluminio.

 

Conductividad eléctrica y térmica. El grafeno es un excelente conductor y esa es una de sus grandes ventajas. A nivel térmico, resulta muy eficiente en la transmisión de calor y lo hace mejor que el cobre, el diamante o la plata. Cuenta con 5000 W/mK. Respecto a la conductividad eléctrica también es mejor conductor que el cobre y el silicio. Cuenta con 0,96 · 108 (Ω · m-1 ).

 

Bactericida. El grafeno es un material muy higiénico que impide el crecimiento de microorganismos. Así, bacterias, virus u hongos no crecen sobre él. Por otro lado, es completamente inocuo frente al ADN humano sin afectar negativamente al crecimiento de las células. Así, se trata de un material biocompatible que no causa daños en el organismo.

 

Impermeabilidad. El grafeno no permite el paso de líquidos ni gases. Ni siquiera aquellos que están formados por átomos pequeños como el helio. Sin embargo, sí deja pasar el agua.

 

Transparencia. Permite el paso de la luz en un 97%. Este detalle convierte al grafeno en un elemento ideal para construir paneles solares o pantallas táctiles.

 

Autoreparación. Finalmente, hablamos de una de las propiedades más interesantes del grafeno. Es un material capaz de restaurar su propia estructura en determinadas condiciones. En el caso de que se produzca alguna fractura, el orificio atrae átomos de carbono próximos para tapar esa pequeña grieta.

 

PRODUCCIÓN Y COMERCIALIZACIÓN DEL GRAFENO

Los métodos de producción del grafeno son varios. Además, es posible que en los próximos años se descubran más.

• Método cinta Scotch. Se trata del sistema tradicional. Es necesaria una base de grafito que se va pelando o deshojando con una cinta adhesiva. Se esa manera se obtienen capas de grafeno.

 

• Método por síntesis. En ese caso podemos hablar de 2 sistemas diferentes
• Top Down o Descendente. Consiste en la exfoliar materiales de carbono con el objetivo de conseguir láminas de grafeno.
• Botton Up o Ascendente. En este caso se trabaja con átomos de grafeno provenientes de la descomposición de hidrocarburos sometidos a temperaturas muy elevadas.

 

Óxido de grafeno. No se trata de un sistema de producción pero sí de una variante del grafeno. La destacamos porque es la más empleada a nivel comercial. Es fácil de manipular y tiene una producción muy económica.

 

La comercialización del material se hace en forma de lámina o en polvo. La opción cinta Scotch resulta muy cara pero el material obtenido es de muy alta calidad. Se emplea en aeronáutica, informática o electrónica.

El grafeno en polvo resulta mucho menos costoso de producir. Eso sí, lo ideal es emplearlo en sectores que no requiera de una alta calidad.

 

¿CUÁLES SON LAS APLICACIONES DEL GRAFENO?

Ya hemos hecho referencia brevemente a algunos de los usos del grafeno. Ahora profundizamos en tema y recopilamos las aplicaciones más significativas.

 

Colchones con grafeno. En los últimos años, cada vez más personas se interesan por los colchones de grafeno. La razón es que se ha constatado que la incorporación de una capa de grafeno en tejidos textiles permite distribuir el calor eficientemente. Así pues, el material actúa como conductor del calor para regular la temperatura del descanso. Además, su alta conductividad térmica evita puntos calientes, lo que mejora el confort y durabilidad.

 

Baterías de grafeno. El grafeno aplicado a baterías permite aumentar significativamente la densidad energética, acelerar los tiempos de carga y extender la vida útil del dispositivo. Las baterías basadas en litio-grafeno destacan por su ligereza y menor generación de calor, lo que las convierte en una opción ideal para smartphones, drones y coches eléctricos, reduciendo además el riesgo de sobrecalentamiento.

 

Grafeno en medicina. Otro campo donde el grafeno ha entrado con fuerza es en la medicina. Se utiliza para fabricar circuitos electrónicos de biosensores. En ellos la conductividad del material potencia su sensibilidad.

De igual manera, e l óxido de grafeno es biocompatible. Así, sus propiedades mecánicas son ideales para prótesis ligeras y fuertes. Se investigan también implantes, huesos sintéticos y sensores de glucosa o dopamina.

 

Electrónica y automóviles. Es indispensable en el ámbito de la electrónica para componentes de alta velocidad de transmisión. También está presente en la industria automovilística donde se emplea en mejorar la seguridad de los vehículos.

 

Construcción. También se utiliza grafeno en el ámbito de la construcción. Su resistencia se pone a prueba en encofrados de cemento.

 

GRAFENO Y GRAFITO ¿SON LO MISMO?

La respuesta es que no son lo mismo pero sí están relacionados. Para simplificar la cuestión podemos afirmar que el grafeno son esas láminas individuales que componen el grafito.

Por otro lado, el grafito se compone de muchas capas de grafeno pero es un material mucho más débil que el grafeno. La razón hay que buscarla en que la unión de las láminas. En el grafito se hace a través de las fuerzas de Vander Waals que son mucho más frágiles que los enlaces covalentes.

 

PREGUNTAS FRECUENTES SOBRE EL GRAFENO

Ciertamente, el grafeno es un material muy nuevo que genera muchas expectativas para su uso en el futuro. Si todavía tienes preguntas, te ofrecemos respuestas sobre el grafeno.

 

¿El grafeno tiene usos en bricolaje?

Sí, el grafeno empieza a verse en productos accesibles como pinturas conductoras, recubrimientos anticorrosión, tejidos inteligentes o filamentos para impresión 3D, aportando resistencia, conductividad o propiedades térmicas a proyectos caseros.

 

¿Qué aspecto tiene el grafeno?

El grafeno es prácticamente invisible al ojo humano, ya que está compuesto por una sola capa de átomos de carbono. En laboratorio, suele presentarse como una lámina delgada, flexible y de color oscuro cuando se agrupa en varias capas.

 

¿Tiene algún color?

En su forma pura, el grafeno es transparente, pero cuando se acumula en varias capas puede verse de color verde o gris. Su transparencia es una de las propiedades que lo hace ideal para pantallas y dispositivos electrónicos.

 

¿Es un material caro?

Depende del método de producción. Los métodos avanzados como la deposición química de vapor (CVD) pueden elevar el coste, pero la investigación continúa para hacerlo más accesible. En aplicaciones industriales, su precio ha bajado considerablemente en los últimos años.

 

¿Es tóxico el grafeno?

Actualmente se considera poco tóxico y biocompatible en concentraciones adecuadas. Sin embargo, su seguridad depende de su forma, tamaño y vía de exposición. Se siguen realizando estudios para evaluar sus efectos a largo plazo en humanos y en el medio ambiente.

¿Existe en la naturaleza?

El grafeno no se encuentra de forma libre en la naturaleza, pero es parte del grafito, el mismo material que usamos en los lápices. Se puede extraer mediante métodos físicos o químicos, como la exfoliación mecánica.

 

¿Cómo impacta su uso en el medio ambiente?

El grafeno puede contribuir positivamente, ya que permite fabricar productos más duraderos, eficientes y ligeros, reduciendo así residuos y consumo energético. No obstante, es fundamental controlar su producción y residuos para evitar efectos negativos.

 

¿Por qué es tan revolucionario?

Porque reúne propiedades únicas en un solo material: 200 veces más resistente que el acero, conductor del calor y la electricidad, flexible, transparente y ultraligero. Estas cualidades lo convierten en un protagonista clave en tecnologías del futuro.

 

TABLA CON MÁS DATOS CURIOSOS SOBRE EL GRAFENO

Aquí te ofrecemos todavía más datos sorprendentes sobre este material del futuro.

 

Dato curioso	Descripción
Más delgado imposible	Solo una capa de átomos; el material 2D más fino conocido.
Resistencia sorprendente	200 veces más resistente que el acero y más ligero que una pluma.
Conducción sobresaliente	Conduce electricidad y calor mejor que el cobre.
Exfoliable con cinta	Se puede obtener con cinta adhesiva desde el grafito.
Versátil y revolucionario	Tiene aplicaciones en telefonía, medicina, energía, deporte, etc.
100% carbono	Compuesto solo por átomos de carbono, como el grafito y el diamante.
Premio Nobel de Física (2010)	Sus descubridores fueron galardonados por su importancia científica.