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Nicolas GyraudR&D DiRectoR en GMD SolutionS

El interés científico e industrial por el grafeno ha crecido de forma exponencial durante los últimos años hasta convertirse, hoy en día, en el material más investigado en el mundo. Según numerosos expertos, sus extraordinarias y variadas propiedades abrirían grandes posibilidades en diferentes sectores tanto científico-tecnológicos como industriales. Este artículo expone algunas posibles mejoras que podría aportar este novedoso material al sector de la energía.

El grafeno: ¿simple moda o material del futuro?

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El grafeno es una lámina de carbo-no puro, cuyos átomos están uni-dos en malla hexagonal según un

patrón regular. Al tener un espesor de un solo átomo, es considerado como un ma-terial bidimensional. La entrega del Premio Nobel de Física 2010 a A. Geim y K. Novo-selov, de la Universidad de Manchester, por su trabajo en experimentos pioneros sobre el grafeno, demuestra el gran impacto que los últimos avances sobre el material han tenido sobre la comunidad científica. Un informe de CambridgeIP realizado en 2013 confirma esta tendencia: entre 2007 y 2013 se han registrado más de 7.000 pa-tentes a nivel internacional sobre procesos de fabricación y aplicaciones del grafeno.

Además, junto al interés científico, se nota también una gran esperanza industrial y tecnológica: un conjunto de grupos de in-vestigación europeos aseguró una beca de mil millones de euros de la Unión Europea en 2013 para financiar trabajos de investi-gación en relación con este material.

El grafeno exhibe varias propiedades nunca vistas en otros materiales. Entre muchas otras, se puede destacar sus carac-terísticas mecánicas extraordinarias. Tiene una resistencia a la rotura 100 veces supe-rior a una lámina de acero del mismo es-pesor. Sin embargo, es muy ligero, con una densidad de 0,77mg/m2 (unas 1.000 veces menor que el papel). A nivel eléctrico, su resistividad es un 35% inferior a la del co-

bre, lo que supone una capacidad superior para conducir la electricidad. Es también un excelente conductor térmico (conduce el calor 10 veces mejor que el cobre), su-poniendo una gran oportunidad para apli-caciones que necesitan una disipación de calor importante. Las propiedades ópticas del grafeno son también únicas. En primer lugar, no tiene banda prohibida (bandgap en inglés), lo que le permite absorber ra-diación de cualquier longitud de onda (lo sorprendente es que también puede lle-gar a tener bandgap, bajo determinadas condiciones, sin afectar sus propiedades electrónicas). Además, con solo una capa de unos nanómetros de espesor, puede absorber hasta un 2,3% de luz blanca, va-lor que aumenta si se añaden láminas una encima de otra.

Debido a sus propiedades únicas, mu-chos ven el grafeno como el material que va a revolucionar el mundo de las tecnolo-gías. Sus propiedades mecánicas le permi-ten ser mezclado con epoxis para obtener composites que podrían ser usados para reemplazar metales empleados en la cons-trucción de coches y aviones, haciéndolos más ligeros y reduciendo su consumo. La electrónica también es un campo para el que el grafeno ofrece nuevos horizontes. Los dispositivos electrónicos convenciona-les están hechos a partir de silicio semi-conductor, contactos de metal, uniones dopadas, etc. que se añaden uno encima de otro para formar el dispositivo. Por otro lado, nuevos conceptos de nano-diodos y transistores de única capa están en desa-rrollo. Con el uso de canales electrónicos de nano-escala, estos nuevos dispositivos son los más rápidos al día de hoy (pueden tener una velocidad hasta 1.5THz). La es-tructura microscópica monocapa del gra-aerogel de grafeno. Zhejiang university.

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feno es ideal para integrar este material en estos dispositivos con el fin de mejorar su rendimiento. Posibles aplicaciones incluyen electrónicas de alta velocidad, detección e emisión de THz en el infrarrojo lejano y sensores químicos de alta sensibilidad.

El sector de la energía también podría aprovecharse de algunas de las propieda-des únicas del grafeno. Células solares con electrodos hechos de grafeno en lugar de plata y óxido de indio (ITO) y estaño ya han sido fabricadas. A gran escala, este cam-bio supondría una reducción de los costes de producción debido al alto precio de la plata y del ITO. Los electrodos de grafe-no se benefician de su alta conductividad eléctrica y son también más robustos que los hechos de plata o ITO. Otros estu-dios apuntan a que el grafeno sería muy eficiente a la hora de convertir la luz en electricidad. Recientemente, el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) ha demostrado que el grafeno puede convertir un fotón absorbido en más de un electrón, a dife-rencia de lo que ocurre normalmente en los materiales semiconductores, como el silicio o el arseniuro de galio, extensamen-te utilizados para células fotovoltaicas, en los que un fotón se convierte en un único electrón. Además, el grafeno es capaz de generar electrones en respuesta a fotones con un rango de longitudes de onda mu-cho mayor al silicio, lo que significa que podría tener una mayor eficiencia que los materiales actualmente utilizados para la fabricación de células solares.

Por otro lado, las células solares sensi-bilizadas con colorantes están fabricadas con materiales mucho más baratos que las células de semiconductor, pero no son tan buenas para convertir la luz en electrici-dad. Se demostró que, añadiendo grafeno, se alcanzaría un 50% más de corriente en el circuito, lo que significa un rendimiento mucho más alto para este tipo de células. Además, el grafeno podría ser utilizado en lugar de platino en los electrodos de estas células, lo que abarataría considerable-mente el coste de producción.

Otras investigaciones subrayan la posibi-lidad de mejorar los supercondensadores con el uso de grafeno. Los supercondensa-dores son condensadores que se recargan de forma muy rápida y que tienen una vida útil casi infinita. Sin embargo, la principal limitación de estos dispositivos es la baja

densidad de energía (es decir, la energía almacenada por unidad de volumen) lo que se traduce en un gran volumen del dispositivo o en la necesidad de recargarlo mucho más a menudo. Utilizando el carác-ter bidimensional del grafeno, se consigue aumentar el área de superficie en contacto con el líquido de electrólito. De esta forma se pueden alcanzar densidades de energía más altas, parecidas a las de las baterías de acido de plomo, es decir 10 veces más al-tas que los supercondensadores actuales. Gracias a esta mejora, los superconden-sadores, que de momento tienen un uso limitado en aplicaciones que requieren una potencia alta durante un tiempo muy cor-to y que no están limitadas por el volumen, podrían ver su tamaño reducido y ser uti-lizados en productos electrónicos de gran consumo como los ordenadores portátiles y los smartphones.

El uso del hidrogeno como fuente de energía podría también beneficiarse del alta área de superficie del grafeno. El hi-drógeno tiene la gran ventaja de estar disponible en gran cantidad en el universo y solo produce vapor de agua al quemar-

se en el aire. Por estas razones, está visto como una fuente de energía con gran ca-pacidad para sustituir a los combustibles fósiles en el futuro. El gran reto es su al-macenamiento, que es la principal limi-tación en su uso. El grafeno en su forma original no mejora la capacidad de alma-cenamiento del hidrógeno. Sin embargo, según científicos del NIST, láminas de gra-feno oxidado apiladas una encima de la otra, enlazadas y separadas por moléculas para mantener la distancia entre laminas constante (del orden de unos Angstroms), permiten almacenar grandes cantidades de hidrógeno. Este resultado podría supo-ner un avance importante para el almace-namiento del hidrógeno y permitir a este tecnología dar un paso adelante hacía su uso diario.

Estos ejemplos son solo una muestra de los beneficios que puede ofrecer el grafe-no. Si el abanico de sus posibilidades se abre cada día un poco más, el gran reto tecnológico sigue siendo la fabricación a gran escala del material. Fue aislado por primera vez en 2004 de forma muy arte-sanal. Desde entonces, la investigación para su producción en grandes cantidades empleando técnicas económicas no ha pa-rado. Varios métodos de fabricación han sido desarrollados, siendo uno de los más populares el crecimiento epitaxial sobre carburo de silicio a altas temperaturas y ba-jas presiones. Sin embargo, estas técnicas no se han utilizado a nivel industrial. Pero a pesar de los retos que todavía conlleva su producción a gran escala, el grafeno es una revolución científica y todo apunta a que es ya el material del futuro 7

Fabricación grafeno. Monash university.

sensor de grafeno. KTH royal institute.