Del carbón al grafeno

Papeloxidografeno

Papeloxidografeno.

El carbón y el grafeno son dos materiales con similitudes y discordancias. El primero ha sido uno de los pilares de la revolución industrial y contribuyó a superar crisis energéticas puntuales asociadas fundamentalmente a la volatilidad de los precios del petróleo y temas relacionados con su suministro.

A estos momentos de gloria deben añadirse, sin embargo, crisis muy profundas. A nivel global, ha sido denostado y acusado de todos los males medio ambientales del planeta y a nivel local se enfrenta a los problemas derivados de una extracción difícil que limita su competitividad en el mercado.

El carbón, sin embargo, ha sabido librar el combate apoyándose en el avance de la ciencia y en los desarrollos tecnológicos. El problema medioambiental lo resuelve con la implantación de las nuevas tecnologías “de uso limpio del carbón” que conllevan una reducción importante de emisiones y lo completa con los sistemas de captura de CO2.
Los temas relacionados con su extracción posiblemente sean más difíciles de solucionar, pero hay un componente muy importante que no se debe olvidar como es el mantener una reserva estratégica que garantice el suministro energético.

Propiedades

La pregunta que puede surgir es ¿y que tiene que ver todo esto con el grafeno, un material recientemente descubierto y con unas propiedades espectaculares que están causando una auténtica revolución?

La primera respuesta podría ser porque la autora desarrolla su actividad en el Instituto Nacional del Carbón (INCAR), al que ha estado vinculada toda su vida profesional, y ahora investiga sobre el grafeno. Pues no, las razones van mucho mas allá. El grafeno, como el carbón a finales del siglo XVIII y principios de los 70, goza hoy de su momento de gloria con un despegue inusitado, no observado anteriormente con ningún otro material, tanto a nivel científico como de desarrollo tecnológico.

No obstante, el principal vínculo entre el grafeno y el carbón está en el hecho de que se pueden obtener materiales grafénicos a partir de productos derivados del carbón, a través de la preparación de grafito sintético, o incluso a partir de materiales pre-grafíticos como el coque carboquímico.

Este último proceso ha sido recientemente patentado por el grupo de Materiales Compuestos del INCAR y puede representar un abaratamiento importante en los costes de producción del grafeno por la reducción del consumo energético requerido para la producción de grafito sintético. Esto liga con el hecho de que una de las posibles vías de obtención del grafeno es mediante la separación de las capas que constituyen el grafito, rompiendo las fuerzas que las mantienen unidas, y en esta tarea está embarcado el Grupo de Materiales Compuestos del INCAR desde hace unos cuatro años (otros grupos del INCAR investigan también en temas relacionados con la síntesis, caracterización y utilización del grafeno).

Distinta estructura

En el grupo de Materiales Compuestos del INCAR se preparan materiales grafénicos de muy distinta estructura y propiedades, atendiendo a la aplicación a la que van a ir destinados. Para temas relacionados con almacenamiento energético (baterías y supercondensadores) y reducción selectiva de contaminantes o mejora de procesos químicos (catálisis), se utiliza la vía química.

El grafito se oxida inicialmente para relajar las interacciones entre sus capas y se exfolia, obteniendo así láminas individuales de óxido de grafeno, material que ya puede ser directamente utilizado, o bien sometido a un proceso de reducción que elimine el oxígeno introducido y recupere la estructura inicial del grafito pero ya en láminas individuales.
Pues bien, dependiendo del grafito de partida, del proceso de oxidación, del proceso de exfoliación y del proceso de reducción, se obtendrán materiales muy variados (distinto tamaño de lámina, distinto grado de perfección estructural, distinta cantidad, tipo y ubicación de los grupos oxigenados). Lo que se podrían considerar como defectos en el material (vacantes atómicas o presencia de grupos funcionales), hace que mejore sus propiedades para las aplicaciones anteriormente referidas.

En estos desarrollos no estamos solos, colaboramos intensamente con la Universidad de Zaragoza, con el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid del CSIC, con el Instituto de Tecnología Química de Valencia y con la Universidad Politécnica de Madrid. La financiación procede de Programas Nacionales, con cofinanciación del Principado y en un porcentaje muy importante, del sector industrial.

A principios de julio iniciaremos un proyecto con financiación europea (del que somos coordinadores), dirigido a la preparación de materiales compuestos grafeno/polímero, proyecto en el que también participa la empresa asturiana Química del Nalón.

Electrónica y comunicaciones

Cuando la aplicación requiere un material más perfecto, con menos defectos, ya no sirve la vía química a la que me refería anteriormente. Este es el caso de desarrollo de grafenos para aplicaciones en el campo de la electrónica o las comunicaciones. Aquí los grafenos se preparan mediante depósito de carbono en fase vapor, comúnmente conocido como CVD, o deslaminando físicamente el grafito.

Este último procedimiento se enfrenta al problema de las bajas cantidades recuperadas, es por lo que se están ensayando vías alternativas con la ayuda de disolventes. El grupo de Materiales Compuestos también desarrolla una importante actividad en este tipo de materiales, en colaboración con el ITMA, la Universidad de Oviedo y Treelogic, dentro de un proyecto nacional, liderado por Treelogic.

Para terminar, decir que el espectro de aplicaciones a las que se pueden dirigir los materiales de grafeno es tan amplio como lo variedad de los mismos. Los mayores desarrollos e implantación comercial se prevén en los campos de la electrónica, telecomunicaciones, óptica y energía.
Además, en el sector biomédico, se espera disponer en el 2030 de diminutas sondas de grafeno con las que transportar fármacos teledirigidos contra tumores. Si bien posiblemente el grafeno no llegue a cumplir todas las expectativas despertadas, queda claro que el avance científico que ha traído consigo su descubrimiento y que fue objeto de reconocimiento con el Premio Nobel, no tiene antecedentes.

Vía: Brote Verde. Autora: Rosa Menéndez. Profesora de Investigación del CSIC, ha sido directora del INCAR, Vicepresidenta de Investigación Científica y Técnica del CSIC y Presidenta de la European Carbon Association, entre otros. Ha coordinado un buen número de proyectos nacionales y europeos, y colaborado activamente con centros de investigación y empresas, nacionales e internacionales, estando relacionadas las últimas con los sectores carboquímico, petroquímico, energético, telecomunicaciones y aerospacial. Su actividad investigadora se relaciona con la síntesis de materiales de carbono a partir de derivados del carbón y del petróleo para distintas aplicaciones. En la actualidad compatibiliza su actividad científica con la de coordinadora institucional del CSIC en Asturias. Fue Premio Du Pont de Investigación Científica.

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