El mundo del grafeno,
El llamado material del futuro


El mundo del grafeno,
El llamado material del futuro
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En el año 2004 se obtuvo un nuevo y asombroso material: el grafeno. Los científicos André Geim y Konstantin Novoselov, de la Universidad de Manchester (Reino Unido), fueron galardonados en 2010 con el Premio Nobel en Física “por sus experimentos fundamentales sobre el material bidimensional grafeno”.

Al igual que el diamante y el grafito, el grafeno es una de las formas en las que encontramos al carbono; es decir, los tres materiales se encuentran formados por átomos de carbono, pero organizados de forma diferente. En el caso del grafeno, dicha organización forma un patrón de anillos hexagonales, dando lugar a un material bidimensional (2D) denominado hoja de grafeno (figura 1),

cuyo espesor equivale al tamaño de un átomo; es decir, aproximadamente 10-10 metros y, en las otras dos dimensiones (ancho y largo), un tamaño que varía entre algunos nanómetros (10-9 metros) y hasta unos centímetros, dependiendo del proceso de obtención.1
          
El grafeno presenta características físicas muy interesantes, tales como: a) debido a su estructura bidimensional, muestra una elevada transparencia óptica; b) es hasta 200 veces más resistente que el acero; c) su dureza es mayor a la del diamante; d) es un material flexible y más ligero que el aluminio; e) es un excelente conductor térmico y eléctrico, el cual supera al cobre; y, finalmente, f) debido a su composición a base de carbono, es biocompatible y, por ende, se espera lograr con él diversas aplicaciones biomédicas.2 Las mencionadas propiedades del grafeno no han sido encontradas en un solo material; por ejemplo: el oro, a pesar de su elevada conductividad, no posee una adecuada transparencia; en cambio, los óxidos metálicos —conductores transparentes— reúnen ambas propiedades, pero no poseen flexibilidad; además, debido a su abundancia en la naturaleza (particularmente, el grafito, su principal precursor), ha recibido el sobrenombre de “material que revolucionará el futuro”.3
          
Desafortunadamente, éste no se encuentra en forma natural, por lo cual es necesario fabricarlo. Podría decirse que el grafeno es el núcleo base del grafito, material ampliamente conocido y utilizado, debido a su abundancia en la naturaleza, pues lo encontramos, por ejemplo: en una mina para lápices/lapiceros, en los electrodos de condensadores en electrónica, en las baterías para el almacenamiento de energía en la industria automovilística, en tintas conductoras de grafito, etc. Se habla de grafito cuando varias hojas de grafeno se disponen casi paralelamente e interactúan entre sí como se muestra en la figura 2; estas interacciones han sido llamadas “fuerzas de Van der Waals”. De lo anterior se desprende que, para obtener grafeno es necesario romper dichas interacciones, siempre evitando hacer el menor daño posible a la estructura bidimensional de las hojas de grafeno.

Debido a sus propiedades físicas, éste es un buen prospecto para ser empleado en diversas áreas de interés científico-tecnológico-industrial; por ello, hoy día, podemos ver que se está utilizando en sectores como salud, energía, electrónica y la industria automotriz (figura 3).3
          
En electrónica se ha mostrado un gran interés por el grafeno, al buscar emplearlo en tabletas, celulares y pantallas, logrando que estos dispositivos sean más delgados, flexibles, ligeros y resistentes, tanto al agua como a los impactos. Además, podrían fabricarse baterías a base de grafeno para estos dispositivos, las cuales serían más ligeras y duraderas que las tradicionales de litio. Particularmente, las empleadas en automóviles han resultado ser la aplicación más ampliamente dada al grafeno; en específico, se habla de la fabricación de baterías para autos eléctricos, las cuales serían más rápidas de cargar, así como más económicas y duraderas.
          Por otra parte, en el sector salud se han estudiado las propiedades antibacterianas del grafeno, así como su posible uso para purificar y desalinizar el agua. Debido a que este material es altamente compatible con el cuerpo humano, se prevé poder utilizarlo como material base para la fabricación de prótesis afines con el organismo. También, gracias a las propiedades eléctricas del grafeno, se estudia la posibilidad de producir biosensores para el control de procesos metabólicos a nivel celular; por ejemplo: en la fabricación de biosensores basados en grafeno para la detección de varias biomoléculas enzimáticas o no enzimáticas, como son la glucosa, el ácido úrico y la dopamina, entre otras.
          En el área de energía, aprovechando su elevada transparencia óptica y la buena conducción de electricidad —entre otras propiedades físicas—, el grafeno ha sido utilizado para fabricar dispositivos de optoelectrónica orgánica e híbrida, como las celdas solares, que emplean este material en diferentes capas de su conformación.4, 5
       
Actualmente, la tecnología solar es ampliamente utilizada, ejemplo de ello son las celdas solares, dispositivos electrónicos que permiten transformar parte de la radiación solar en energía eléctrica (flujo de electrones libres), produciendo energía fotovoltaica (solar-eléctrica).
          Las celdas solares orgánicas (OSC, por sus siglas en inglés) y las celdas solares de Perovskita (PSC), aunque aún en fase de investigación, prometen revolucionar el sector energético, empleando diferentes materiales para lograr una producción en masa y reducir los costos de la energía eléctrica.5
          
Se espera que el uso del grafeno en estos dispositivos (OSC y PSC) mejore su funcionamiento y tiempo de vida útil, con el fin de obtener fuentes alternas para la generación de energía eléctrica. Así mismo, se espera que el uso de derivados de grafeno impulse el desarrollo de diodos orgánicos emisores de luz (OLED, por sus siglas en inglés), los cuales operan bajo un determinado voltaje eléctrico (sólo unos pocos volts), emitiendo luz con muy bajo consumo eléctrico.

En nuestro país, colaboramos a través del Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA), centro público Conacyt, localizado en Saltillo, Coahuila, y sede del Laboratorio Nacional de Materiales Grafénicos (LNMG), con el cual colaboran diversas instituciones del Conacyt y científicos de otros centros de investigación en el país, como el Centro de Investigaciones en Óptica A. C. (CIO), a través del Grupo de Propiedades Ópticas de la Materia (GPOM), donde se sintetizan, estudian y aplican diversos materiales grafénicos e híbridos; particularmente, los derivados grafénicos que son aplicados en dispositivos opto-electrónicos, como en los mencionados arriba (OSC, PSC y OLED).5
          
La síntesis de dichos materiales se encuentra a cargo del CIQA, ya que es un centro con una amplia experiencia en el área de la química. El GPOM-CIO y otras instituciones participantes del LNMG se encuentran a cargo del desarrollo de derivados de materiales grafénicos para ser aplicados en los dispositivos de la electrónica orgánica; particularmente, en el área energética de las OSC, que es una fuente emergente alterna de generación de energía limpia y sustentable con el medio ambiente.
          Actualmente, estos derivados grafénicos están siendo utilizados en la fabricación de prototipos de OSC e híbridos, específicamente en la capa portadora de huecos y en la capa activa, ya que esta última es donde ocurre el proceso de absorción de luz solar y generación de portadores de cargas libres, obteniendo resultados muy prometedores.5 También se están realizando esfuerzos por emplear un derivado grafénico como ánodo semitransparente y se espera, en un futuro, emplear otros derivados grafénicos como cátodo y capa portadora de electrones. De esta forma, se tendría una celda solar orgánica o híbrida fabricada totalmente a base de materiales grafénicos.

Los autores agradecen el apoyo recibido por todos los demás miembros del GPOM-CIO, pasados y actuales —la mayoría, estudiantes de todos los niveles académicos—, así como a colaboradores externos al grupo, para la realización de las investigaciones mencionadas. Asimismo, se agradece a los varios proyectos Conacyt y Conacy-Sener (incluyendo al del LNMG) que han proporcionado el necesario apoyo económico.

Álvaro Daniel Romero Borja

Es doctor en Ingeniería Química, por la Universidad de Guanajuato. Ha realizado estancias de investigación en el CIQA y el CIO, Conacyt, en el Grupo de Propiedades Ópticas de la Materia (GPOM). Fue becario posdoctoral de Conacyt-Sener (México). Actualmente realiza una estancia posdoctoral en la Universidad de California, Santa Bárbara, USA. Su línea de investigación está relacionada con fotónica y electrónica orgánica, así como con la síntesis y aplicaciones del grafeno y sus derivados. Miembro del SNI (1).

Juan Antonio Nicasio Collazo 

Es licenciado en Química y doctor en Química por la Universidad de Guanajuato. Actualmente, realiza una estancia posdoctoral en el Grupo de Propiedades Ópticas de la Materia, del CIO-Conacyt, y es miembro del SNI (1). Su trabajo se ha enfocado en la síntesis y funcionalización de derivados grafénicos y su potencial aplicación en dispositivos opto-electrónicos. 

Yaily Fernández Arteaga

Es ingeniera en Telecomunicaciones por la Universidad Central Marta Abreu de las Villas, Cuba. Maestra en Optomecatrónica por el CIO, México y estudiante de doctorado en Ciencias (óptica), con área de interés en el grafeno como electrodo, en dispositivos de optoelectrónica orgánica, en el GPOM, del CIO-Conacyt.

José Luis Maldonado Rivera

Es doctor en Ciencias Físicas por la UNAM e investigador titular “C” en el GPOM, CIO-Conacyt, y profesor de asignatura en la ENES-León, UNAM. Colabora en el Laboratorio Nacional de Materiales Grafénicos: LNMG-Conacyt. Sus líneas de investigación son: Opto-electrónica orgánica: OLED y OPV (u OSC). Es miembro del SNI (2). C. e.: jlmr@cio.mx, web site: https://www.cio.mx/invest_13/cv/
viejos/joseluismaldonado.html

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