¿Qué es el grafeno?

Este post le venía pensando mucho tiempo pero no quería meterme porque apenas tenía idea y no sabía ni por donde empezar por lo que había planteado no hablar de ello, pero como caído del cielo me llego un amigo, cblakS, y me lo mandó al correo (o al facebook, no recuerdo) ya hecho. Así pues solo me queda agradecerle el esfuerzo y decirle que su entrada va a ser calíficado como "entrada extensa". ¡Gracias majo!. Os dejo ya con su entrada:

"Hoy vamos a hablar de materiales y tocaremos al que se conoce como el material del siglo XXI; un poco presuntuoso creo yo, cuando todavía estamos empezando el siglo, pero ese calificativo nos da idea de la importancia de este material. 

La idea teórica tiene casi un siglo, pero fue obtenido por primera vez en 2004 en la Universidad de Manchester, por los físicos de origen ruso Konstantin Novoselov y Andre Geim, que en 2010 recibieron el Nobel de Física por sus trabajos con el grafeno.
Pero,...

¿Qué es el grafeno? 

Vista de la capa de atomos de carbono en forma de red, lo que genera el grafeno.

Podemos decir que es un material bidimensional, eso ya asusta un poco, constituido por una capa de átomos de carbono, situados en los nodos de una red hexagonal, como un panal de abeja, pero cuyo espesor es de UN SOLO ATOMO (0,1 nm = 10 -10 m). Es tan fino que se podría cubrir un campo de futbol como el Bernabeu con una masa de menos de 3 gramos.
Esta estructura es como la del grafito, con la diferencia que el grafito está constituido por muchas capas, o sea, el grafito está formado por muchos “milhojas de grafeno”. Tanto es así que los premiados obtuvieron las primeras muestras de grafeno por exfoliación del grafito utilizado en los lápices.

Por analogía con el grafeno podríamos mencionar los nanotubos de carbono, que serían como láminas de grafeno enrolladas formando un cilindro de unos nanometros de diámetro; podríamos decir que es un material unidimensional y tiene interés por ejemplo en la fabricación de fibras.
Por otra parte, si no fuesen todos hexágonos, sino que nos encontrásemos con pentágonos, se curvaría la malla y podríamos encontrarnos con una especie de nano-bolitas de carbono, que serían los llamados fulerenos o fullerenos, este lo podríamos considerar un material zero-dimensional, y tiene escasa aplicación práctica hasta el momento. Estos materiales pertenecen al mundo real y ya se está trabajando con ellos, pero para hoy es suficiente con que nos centremos en el grafeno.

Debido a su parecido con un balón, al fullereno, se le ha llamado también futboleno.

 Propiedades exóticas:

• Enlaces extraordinariamente rígidos, lo que le confiere una resistencia 200 veces superior al acero.
• Elástico, puede estirarse hasta un 20% y se recupera sin sufrir deformación.
• Duro como el diamante.
• Movilidades electrónicas extraordinariamente altas, 100 veces la del silicio.
• Los electrones se comportan como si no tuviesen masa en reposo, por lo que se mueven a gran velocidad independientemente de su energía.
• Un millón de veces mayor densidad de corriente que el cobre.
• Efecto Joule muy reducido, conduce la corriente con muy bajo calentamiento.
• Record de conductividad térmica
• Impermeable incluso a los átomos de gas helio, los mas pequeños que existen sin combinar.
• Transparencia 97%
• Biocompatible. Apto para utilización en bioingeniería.

Y muchas otras como el efecto piezoeléctrico, o lo que se denomina como efecto Hall cuántico.

Aplicaciones:
En todo el mundo se trabaja en investigación con el grafeno. En Octubre de 2011, Reino Unido anuncia un proyecto de investigación dotado con 50 millones de libras, en Diciembre del mismo año los Estados Unidos de America lanzan un proyecto a 10 años dotado con 1000 millones de dólares, Corea del Sur tiene previsto invertir 350 millones de dólares en iniciativas de comercialización, Japón, Alemania, Australia, nadie se queda atrás. También en España se investiga sobre el grafeno, en CSIC, Universidad Politécnica de Madrid, Universidad Politécnica de Barcelona, etc.
Las posibles aplicaciones son innumerables y abarcan todos los campos de la tecnología; mencionaremos solo unas pocas; en unos casos serán relativamente sencillas y tal vez de próxima industrialización, en otros casos serán complejas y todavía necesitarán mucha investigación y desarrollo. Tengamos en cuenta que desde la aparición de un nuevo material hasta su introducción efectiva en la industria suelen pasar unos 20 años. 

No te preocupes más de los golpes que pueda recibir tu móvil.
Si es de grafeno claro, si no... ándate con cuidado.

• Informática: Samsung e IBM han logrado transistores basados en grafeno que operan a 300 GHz que auguran un potencial teórico de fabricación de chips a esta frecuencia, frente a los 4-5 GHz de los chips basados en silicio, que se pueden aumentar como mucho a los 8 GHz con técnicas de refrigeración con nitrógeno. Pero no están solo Samsung e IBM, muchos otros fabricantes investigan en este área.
  Para darnos cuenta de la velocidad a que avanza el desarrollo con grafeno, veamos que en Diciembre de 2008 IBM anunciaba que conseguía transistores que trabajaban a unos pocos GHz; en Febrero de 2010 ya hablaba de 100 Ghz y a finales de 2011 iban por 300 GHz. La aplicación del grafeno en la construcción de discos duros, podría multiplicar por 1000 su capacidad.

• Disipadores térmicos: Gracias a la elevada conductividad térmica del grafeno, utilizándolo en aleaciones con cobre se espera mejorar la capacidad de disipación térmica en un 25% respecto de uno de cobre. Además se reduce el coste, porque el grafeno será mas barato que el cobre.

• Fibras artificiales: En la universidad de Hanyang (Corea) han desarrollado una nueva fibra basada en grafeno y nanotubos de carbono, con una resistencia 12 veces superior al Kevlar, que se utiliza por ejemplo en los chalecos antibalas.
  En la misma línea trabajan los científicos de la Universidad de Wollongong (Australia).
  Las fibras de Spiderman, si eran de tela de araña, eran 6 veces menos resistentes, o sea que Spiderman se va a quedar obsoleto.

• Baterías: Científicos de la Universidad de Northwertern (USA) dicen estar trabajando en baterías de Li, modificadas con grafeno, en las que pueden multiplicar por 10 su capacidad y reducir 10 veces el tiempo de carga; podrían obtener una batería de un móvil que durase una semana y se recargase en 15 minutos.
  Por otra parte, científicos de HongKong dicen haber conseguido una batería que genera electricidad a partir del calor ambiente.
  
  • Supercondensadores que permitirían gestionar la energía producida por las fuentes de energía renovables y causarían una revolución en esta industria.
  • Paneles fotovoltaicos basados en grafeno podrían aumentar la eficiencia de los paneles solares de un 16% al doble o triple.
  • Plásticos reforzados con grafeno podrían aumentar su resistencia y disminuir su peso. Aplicaciones en automoción, aeronáutica, etc.

• Investigación: Cabe mencionar una aplicación muy orientada al mundo de la investigación científica. Gracias a la propiedad de que los electrones en el grafeno se comportan como si no tuviesen masa en reposo, como la luz pero a una velocidad de 10^6 m/s, hay científicos que defienden que algunos experimentos que hoy requieren la utilización del CERN (varios Km2 de superficie) se podrían simular en un minilaboratorio de 1 cm2 de grafeno y que permitiría trabajar en la búsqueda del Boson de Higgs del que hablamos en su día. Hoy parece ciencia ficción, la realidad no será probablemente como he descrito antes, pero ciertamente esta propiedad que presenta el grafeno permitirá a los científicos obtener muchos nuevos conocimientos. 

• Otros productos posíbles serían, pantallas de ordenador enrollables, como un folio, pantallas táctiles, tintas conductoras, etc, etc, etc... las posibilidades se abren con el grafeno a límites muy amplios.

¿Tablets con el tamaño y grosor de un folio?
Con el grafeno, es posible.

Como vemos, en algunos casos el cambio de prestaciones con respecto a la tecnología actual es de uno o varios órdenes de magnitud, en otros casos simplemente se pueden hacer cosas actualmente inimaginables.
Para mas información podeis visitar ésta web o simplemente preguntarle a Google por el grafeno, o graphene si os vale en inglés.
En algunos de estos casos, por ejemplo en el caso de pantallas tactiles, la tecnología actual utiliza tierras raras en su composición, escasas y caras; el grafeno es simplemente carbón, abundante y barato, y aunque no se utilizará puro sino combinado con diferentes dopados, sustratos, etc. se abaratarán costes.
Por otra parte, aparecerán nuevas aplicaciones que hoy ni siquiera imaginamos; por ejemplo el teflón se pensó en su inicio para aplicación en técnicas aeroespaciales y ahora lo tenemos hasta en las sartenes.

Producción industrial:
Ya existen fábricas que producen grafeno, aunque de momento destinado a la investigación y no está España fuera de esta carrera; entre las tres empresas mas importantes del mundo se encuentran dos en USA y una, Graphenea, en España, concretamente en San Sebastián que exporta el 99% de su producción, (Japón, Alemania, Corea…)
Como dije antes, todavía tardarán unos años en comercializarse algunos de estos productos, aunque he visto que Samsung tiene previsto fabricar galgas extensométricas de grafeno tan pronto como en 2014, a 10$ cada una para un mercado de 60.000 M$. Pero si alguno no puede esperar, por unos pocos dólares ya podéis comprar online en ésta web.
Hay que darse prisa porque a nivel teórico ya está definido el grafino, parecido al grafeno pero con enlaces triples y dobles, que conduce los electrones en una sola dirección y puede tener ventajas en muchos campos.
Aunque, de momento nadie lo ha sintetizado... "

Las fotos están sacadas de aquí, aquí, aquí, aquí y aquí