MIT Technology Review: Publicado por Opinno

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Martes, 8 de junio de 2010

Un mejor modo de crear grafeno

Un nuevo método podría permitir una fabricación más práctica del material.

Las hojas de carbono de un único átomo de grosor, llamadas grafeno, poseen algunas propiedades sorprendentes: el grafeno es fuerte, altamente conductor de la electricidad, flexible y transparente. Esto hace que sea un material prometedor para la fabricación de pantallas táctiles flexibles, así como materiales estructurales súperfuertes. Sin embargo la creación de estas hojas delgadas de carbono, y la construcción posterior de otros elementos a partir de ellas, es algo complicado de llevar a cabo fuera del laboratorio.

En la actualidad, un avance en la elaboración y procesamiento de grafeno en soluciones podría hacer que fuera práctico trabajar con el material a escala de manufactura. Los investigadores de la Universidad Rice han creado unas soluciones de grafeno 10 veces más concentradas de lo que hasta ahora se había conseguido. Han usado estas soluciones para crear hojas más transparentes y conductoras, similares a los electrodos de las pantallas. Actualmente están desarrollando métodos para hilar las soluciones de grafeno y generar fibras y materiales estructurales para aviones y otros vehículos que prometan ser más económicos que la fibra de carbono existente hoy día.

Cualquiera que sea el producto final, lo ideal es comenzar con una solución de grafeno de alta concentración, aunque los métodos actuales no logran este objetivo, afirma James Tour, profesor de química en la Universidad Rice. El grafeno es muy poco soluble, en parte debido a sus dimensiones, y en parte por su química. El grafeno sólo tiene un átomo de grosor, aunque su área de superficie es enorme. "Si quieres trabajar con grafeno, hay que diluirlo, lo cual tiene sentido, puesto que es una molécula verdaderamente enorme", señala Tour.

La mayoría de los métodos para la creación de grafeno parten del grafito y consisten en descamar hojas de un átomo de grosor de grafeno, generalmente por medios químicos. "La clave consiste en crear grafeno de una sola capa, no destruirlo en el proceso, y hacerlo en grandes volúmenes", afirma Yang Yang, profesor de ciencias de los materiales e ingeniería en la Universidad de California, en Los Ángeles. Algunos de los métodos existentes para la creación de grafeno a partir del grafito y su posterior manipulación en una solución consisten en la adición de grupos solubles a la superficie de la molécula, aunque este cambio químico destruye las propiedades eléctricas del grafeno.

Los investigadores de Rice crean soluciones de grafeno utilizando un método que fue inicialmente desarrollado para trabajar con nanotubos de carbono. Hace unos cinco años, un grupo de investigadores dirigidos por el fallecido premio Nobel Richard Smalley, descubrió que el ácido sulfúrico altamente concentrado, tan fuerte que es conocido como "superácido", puede aportar nanotubos de carbono a una solución mediante el recubrimiento de sus superficies con iones. El año pasado, el grupo de Rice, ahora dirigido por el químico Matteo Pasquali, mostró que era posible utilizar soluciones de superácido de nanotubos de carbono para crear fibras de cientos de metros de largo; el grupo ha firmado un contrato con una empresa química importante para comercializar el proceso.

Los investigadores de Rice han demostrado recientemente que unos tipos de superácidos aún más fuertes son capaces de separar el grafito en hojas de grafeno y pasarlas a una solución. A diferencia de otros métodos consistentes en reacciones químicas para la alteración del grafeno, la solución de superácido no degrada las propiedades del material. El grupo ha utilizado las soluciones para crear hojas de grafeno con baja resistencia eléctrica, y en la actualidad está usando estas soluciones "a toda máquina" para crear fibras de grafeno, asegura Tour.

Tour espera que el método de procesamiento de grafeno tenga dos aplicaciones principales: electrodos transparentes y materiales estructurales. En ambas áreas, puede reducir los costes. El óxido de indio y estaño, el material transparente conductor que con mayor frecuencia se encuentra en pantallas táctiles y paneles solares, resulta caro y frágil, afirma Benji Maruyama, ingeniero senior de investigación de materiales en el Air Force Research Laboratory de Ohio. La Fuerza Aérea de los EE.UU. está financiando la investigación de Rice. Muchos grupos han demostrado las ventajas de los electrodos de grafeno en términos de conductividad y flexibilidad; el método de Rice debería permitir la fabricación en grandes superficies.

El proceso también podría utilizarse para reducir los costes de los materiales estructurales resistentes y de peso ligero fabricados a partir de fibra de carbono. Estos materiales se vienen utilizando desde hace décadas, aunque siguen siendo caros ya que los procesos utilizados para su fabricación son complejos y dan lugar a pérdidas de material. En lugar de convertir el carbón puro en fibras directamente, como en el proceso de Rice, el proceso actual se inicia con una fibra de polímero de nitrilo que se calienta para convertirla en grafito. Estas fibras son tejidas en alfombras y se pegan juntas para crear el material en bruto. "Se usan en aviones, aunque no en los automóviles, puesto que los costes son demasiado altos", señala Tour. "Si podemos hacer esto de forma más barata y conseguir propiedades tan buenas o mejores, existe la posibilidad de un avance real dentro de las fibras de carbono."

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