Qué es el Grafeno

Hoy en la Biblioteca de Materiales nos ocupamos de explicarte qué es el grafeno. Se trata de 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.   

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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.

 

DESCUBRIMIENTO DEL 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.

 

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.

 

USOS DEL GRAFENO

Ya hemos desgranado algunas de las aplicaciones más habituales del grafeno, pero es bueno recopilar las más significativas.

Así el grafeno es una material imprescindible en la fabricación de smartphones o de placas solares. En los últimos años se ha investigado se puede resultar un buen sustituto del litio que incorporan algunas baterías.

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 automóviles.

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

Por último, es una material habitual en el sector sanitario y de salud. Está presente en mucha maquinaria médica y de investigación.

 

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.