Esperando al grafeno: charla entre un científico y un periodista

16/12/2014 2 comentarios
Menear

Material milagroso, sustituto del silicio, el futuro de los materiales. Titulares como estos son frecuentes cuando se escribe sobre el grafeno. Como científico, sin embargo, uno sabe que se debería hablar con muchísima más prudencia, no solamente sobre el grafeno, sino también sobre cualquier otro descubrimiento científico. Hoy, me gustaría compartir de manera íntegra con ustedes la charla que mantuve con el periodista Carlos Carabaña sobre este material.

 

 

grafeno2

 

Representación gráfica del grafeno, monocapas cristalinas de carbono (fuente: flickr-Argonne National Laboratory. Licencia: creative commons 2.0).

 

Nos encontramos en Berlín, a principios de julio. El periodista Carlos Carabaña me contactó hace unos días, preguntándome si podíamos charlar sobre algo de lo que muchos han oído hablar, pero pocos conocen en detalle: el grafeno. Carlos está escribiendo un artículo periodístico sobre lo que algunos llaman "el material milagroso o material del futuro". Yo accedo encantado, ya que considero la labor de Carlos importantísima: la gente tiene derecho a saber más sobre el grafeno. Al fin y al cabo, el estudio de este material supone una de las mayores inversiones económicas de la historia de la ciencia (que pagan todos los contribuyentes). Pero vayamos por partes. Ahora que el artículo ya está publicado (riguroso, interesante y encima portada de la revista) me permito felicitar al autor y reproducir aquí, para ustedes, las preguntas de Carlos sobre el grafeno y mis respuestas, surgidas en ese caluroso día berlinés.

¿Podrías explicarnos algunas de las características que hace que el grafeno sea tan interesante?

Para los científicos, el grafeno representa, ante todo, un apasionante tema de investigación, ya que abre un nuevo paradigma entre la química molecular, la física y la ciencia de materiales. Esto es debido a la naturaleza del grafeno: átomos de carbono unidos de forma hexagonal que se extienden de forma bidimensional en el espacio, como un panel de abeja. Dicho de otra manera: cristales planos formados por un único elemento: el carbono. Esto es muy interesante, ya que antes se pensaba que los cristales bidimensionales no podían existir debido a su inestabilidad termodinámica. El grafeno existe, además, en la forma más delgada posible: del espesor de un átomo.

Desde el punto de vista aplicado, se ha descubierto que el grafeno posee unas propiedades mecánicas, ópticas y electrónicas muy interesantes: ligero pero a la vez extremadamente resistente, transparente, flexible, conductor térmico y eléctrico, y muchas más.

Es importante, sin embargo, discernir bien lo que es estrictamente grafeno (una sola capa de átomos de carbono, según la IUPAC), y con lo que realmente se trabaja normalmente: de tres a cien capas de grafeno. Las propiedades de unos y otros pueden ser sustancialmente diferentes (el grafito no es más, de hecho, que muchas capas de grafeno superpuestas).

¿Definirías el grafeno como revolucionario, cuáles podrían ser aplicaciones reales?

El grafeno representa, sin duda, un gran descubrimiento científico, desde que en 2004 Novoselov y sus colegas consiguieron, por primera vez, aislarlo en forma de una sola capa y empezar a estudiarlo. Sin embargo, como le pasó a los nanotubos de carbono (CNTs, en inglés), el grafeno no representa aún una revolución tecnológica real. Y está por ver si lo será en el futuro. Como he comentado alguna que otra vez, la única manera de comprobarlo es, naturalmente, dedicar recursos para estudiarlo.
Lo cierto es que, debido a las propiedades que mencionaba antes, el grafeno como aditivo podría ser útil para una gran gama de aplicaciones: en materiales compuestos ultraligeros, pinturas, lubricantes, líquidos funcionales, etc. Los mayores esfuerzos se centran, sin embargo, en utilizarlo en la industria electrónica para cámaras, baterías, pantallas, como también para cables. Además, el dopaje del grafeno con nanoestructuras plasmónicas (como el oro) podría mejorar mucho sus propiedades ópticas y generar aplicaciones en fotónica y optoelectrónica. Un ejemplo sería la utilización del grafeno para conseguir un internet superrápido.

Si el grafeno va a suponer una gran revolución e incluso sustituir al silicio, es algo que está por ver. Y lo vamos a ver porque el gran proyecto europeo Graphene Flagship ya ha empezado a caminar.

 

¿Cuáles crees que son los pasos que se dará con el grafeno hasta su llegada al gran público?

Permíteme responder a tu pregunta, una vez más, con la analogía entre los nanotubos de carbono y el grafeno. Creo que esto nos puede ayudar a entender mejor los procesos que van desde la investigación básica hasta las aplicaciones reales, es decir, los productos comerciales.

La investigación básica requiere, en general, como mínimo unos diez años hasta que consigue suficiente información sobre un material nuevo. Entonces, se tiene que dar lo que se conoce como transferencia de conocimiento. Esto es lo que facilita que las empresas puedan aprovechar el conocimiento básico para diseñar y producir sus artículos comerciales.

En el caso de los nanotubos de carbono, hubo muchas empresas que empezaron a producirlos en toneladas antes de que existiera realmente una transferencia de conocimiento y un mercado real que demandara su uso. Esto hizo que muchas de estas empresas incluso quebraran y que se generara cierto descontento con los CNTs. Como escribía Michael Segan en Nature Nanotechnology, las empresas deberían aprender de este ejemplo y no cometer con el grafeno los mismos errores que con los CNTs.

¿Por qué es tan difícil producirlo a larga escala y qué propiedades se ven afectadas según el método utilizado?

Lo que representa un gran desafío es producir largas láminas de grafeno con pocos defectos y pocas capas de espesor. De hecho, menos de cuatro capas es lo que se considera el límite para aplicaciones realmente interesantes. Novoselov y sus colegas lograron producir grafeno de forma extremadamente sencilla: con una tira adhesiva y exfoliando grafito. Esto se conoce como exfoliación mecánica. Aunque la exfoliación mecánica genera láminas finas y con pocos defectos, el método es poco reproducible. Además, la exfoliación mecánica es muy difícil de aplicar a gran escala. Otro método de exfoliación es el método químico. Con él se produce óxido de grafeno, que después se puede volver a tratar para tener grafeno. Este segundo método, sin embargo, da como resultado materiales can bastantes defectos y que, por lo general, no se puede utilizar en la industria electrónica. Un tercer método es el de la deposición química de vapor (CVD en inglés). Este es precisamente uno de los métodos que también se utiliza para producir CNTs y que, probablemente, sea el que vaya a producir gran parte del grafeno en los próximos años.

Leyendo sobre estos problemas y dificultades, he encontrado referencias a un par de estudios que alertan de sus posibles peligros...

La preocupación por los posible riesgos para la salud y el medio ambiente provienen del hecho que, muchas veces, lo que tenemos son pequeñas láminas de grafeno, nanoplatelets en inglés. Entones nos adentramos en un campo que se conoce como nanotoxicología. Este es un campo relativamente nuevo que, debido a la falta de estandarización (por ejemplo, que todos los científicos realicen los experimentos de la misma manera), genera una gran cantidad de información pero que es difícilmente comparable. El resultado es que muchos estudios llegan a conclusiones contradictorias.

Si hacemos de nuevo una analogía con los CNTs, encontrarás científicos que te dirán que éstos son extremadamente peligrosos para la salud, mientras que otros afirman que el riesgo real es mínimo.

En cualquier caso, en nanotoxicología, lo que se acepta de momento, es que las nanopartículas son seguras mientras estén "atrapadas" en una matriz sólida de la que no pueden escapar (como un plástico). Este sería el caso del grafeno como aditivo, por tanto, seguro, en un principio. Una vez las nanopartículas se liberan (deliberadamente o no) al aire o al agua, es mucho más difícil predecir su peligrosidad. Un caso algo extremo es el de la plata coloidal. En muchos países es legal comprar kits para preparar plata coloidal en casa. Aunque varios estudios científicos con células y animales sugieren que beber plata coloidal puede ser perjudicial para la salud, y su uso esté prohibido en EE.UU., en Europa existe aún un vacío legal. Esto probablemente vaya a cambiar a la par de nuevos descubrimientos. Porque el conocimiento que proviene de la investigación es algo dinámico, que no se detiene. Tampoco en el caso del grafeno.