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sábado, 17 de agosto de 2013

EL GRAFENO: SUS PROPIEDADES Y EXÓTICAS APLICACIONES, INICIAN LA REVOLUCIÓN TECNOLÓGICA DEL SIGLO XXI

“Grandes descubrimientos y mejoras implican invariablemente la cooperación de muchas mentes”
Alexander Graham Bell (1847~1922). Científico e inventor británico 
EXÓRDIO
Los grandes hitos en el progreso de la humanidad han estado siempre unidos a las revoluciones tecnológicas, es decir a ése conjunto de conocimientos técnicos, que ordenados científicamente le han permitido al hombre diseñar y crear bienes y servicios con una mejor adaptación al medio ambiente, satisfaciendo así sus necesidades de progreso. Sabemos que estos “hitos” son sucesos o acontecimientos muy importantes que coadyuvan a un significativo desarrollo de determinados procesos.

La actividad tecnológica del hombre lógicamente siempre ha influido de manera determinada en el progreso social y económico de la humanidad. El último ejemplo lo tenemos con la Revolución Industrial, período histórico que como sabemos se desarrolla entre la segunda mitad del siglo XVIII y los comienzos del XIX.
En ésos momentos se produce un salto cualitativo en el progreso de la humanidad con la aparición entre otras cosas del Maquinismo y la aparición de “nuevos materiales”, siendo la Gran Bretaña la primera innovadora, a la que se uniría posteriormente el resto de las naciones de Europa, desarrollándose en el mundo a partir de estos procesos “el mayor conjunto de trasformaciones socioeconómicas, tecnológicas y culturales de toda la historia de la humanidad”.

El lector asiduo del BLOG sabe que soy muy aficionado a poner ejemplos, que bajo mi punto de vista dan muchas veces el mejor reflejo de una situación, por el contexto en que se producen los hechos. Voy a citar una anécdota rigurosamente histórica, quizás poco conocida por los profesionales de la Arquitectura, pero ya sabemos que por desgracia una cosa es la Cultura y otra muy distinta la profesión.

¿Cuál creen que hubiera sido el desarrollo de la Arquitectura Contemporánea sin el Hormigón Armado?.
La Arquitectura Contemporánea que se levanta desde la Revolución Francesa hasta nuestros días, no se hubiera podido desarrollar como la conocemos, sin la invención del Hormigón Armado. Éste material, junto con la aparición del Acero y la posterior incorporación del Vidrio, son “materiales innovadores” que marcan hasta nuestros días el desarrollo de esa Arquitectura Contemporánea, que nace a partir de la Revolución Industrial.

Pero el Hormigón Armado no fue un material que apareciera accidentalmente, aunque pueda parecer abstruso, fue “inventado e incluso patentado” en enero de1855 por el ingeniero francés Joseph-Louis Lambot, quien incluso publicó un libro titulado “Aplicaciones del hormigón armado al arte de la construcción”.
El honor de ser la primera obra ejecutada en el mundo con hormigón armado no recayó precisamente en un edificio, fue una «barca de remos» realizada por el propio Lambot y que se expuso como una innovación ante la admiración general, en la Exposición Universal de París de 1855,... curioso ¿no?.

GRAFENO: EL MATERIAL DE LA NUEVA REVOLUCIÓN INDUSTRIAL
Los investigadores dicen que nunca han conocido “en un mismo material”, el material más delgado del universo, un conjunto de propiedades tan especiales, variables y únicas como las que posee el GRAFENO. Este conjunto de propiedades, no conocidas actualmente en su totalidad, multiplican día a día sus posibles aplicaciones en los campos más diversos de la industria.

Pero,... ¿qué es el GRAFENO?.
Aunque desde los años setenta~ochenta fuera conocido bajo “otras formas” físicas (furullenos y nanotubos), el GRAFENO es un nanomaterial (1) alotrópico obtenido aislándolo mediante exfoliación micromecánica del Carbono, en el 2004.
Es bidimensional, de una configuración atómica hexagonal «teselado», similar al de un panal de abejas, con sus átomos de carbono íntimamente cohesionados en una superficie plana y uniforme que se puede presentar formada por capas, desde UNA (el espesor de un átomo es  0,1 nm) hasta DIEZ capas superpuestas. Es especialmente ligero, ya que una lámina de 1 metro cuadrado pesa tan sólo 0,77 milígramos.

Por expresarlo para que lo entendamos todos, es un material plano –con pequeñas ondulaciones– que se presenta en dos dimensiones, en capas de espesor de tan solo un átomo. Es un material que tiene propiedades muy variables y diversas, como la de ser trasparente, tener una dureza similar al diamante –como sabemos el diamante es el material natural más duro conocido hasta el momento, 10 en la Escala Mohs–, de hecho se ha verificado que es entre 200 y 300 veces más duro que el acero, y al que cada día se le están descubriendo propiedades nuevas tan increíbles, exóticas y extraordinarias como el de “autorepararse”.

Esta cualidad ha sido recientemente descubierta por investigadores de la Universidad de Manchester, que han podido comprobar que cuando la lámina de GRAFENO  recibe algún daño de quiebra en su estructura, consigue atraer átomos de carbono situados en las proximidades del daño y “reparar” los huecos de la estructura dañada, los átomos capturados reparan los huecos donde son requeridos. Pero hagamos algo de Historia, hablemos un poco de sus descubridores.
(1)- Nanomaterial: Es el nombre genérico que se les da a las partículas con espesor igual o menor a una millonésima de milímetro (0,000001 mm.). Su investigación ha dado lugar a una nueva rama de la ciencia denominada: Nanotecnología. Un nanómetro (nm) son 10-9 metros = 0,000001 milímetros, luego el espesor del GRAFENO es de 1 diezmillonésima de milímetro (0,1 nm).                      
22 de octubre de 2004: Descubrimiento del GRAFENO
Andréy Gueim publica un artículo en la revista Science anunciando el logro conseguido con las hojas de GRAFENO, titulado "Efecto del campo eléctrico en las películas de carbono de grosor atómico".
Sus investigaciones se habían iniciado en 2003, cuando el ingenioso científico obtuvo con mucha persistencia y paciencia de un bloque de grafito con un poco de cinta adhesiva, un nuevo y extraordinario material, un millón de veces más fino que el papel, más fuerte que el diamante y más conductor que el cobre al que se llama GRAFENO, y que todas las opiniones científicas han establecido que está llamado a hacer la revolución tecnológica del siglo XXI.

Sus propiedades, todavía por descubrir, se corresponden con sus parámetros fisicoquímicos, de entre estos se encuentran como más representativas: el de la dimensionalidad, la conductividad eléctrica, la cualidad microscópica, la resistividad y la estabilidad termodinámica. Es llamativo por ejemplo que siendo una forma alotrópica del carbono, que como sabemos no es un metal, tiene propiedades que se corresponden con los metales, siendo de hecho un inmejorable conductor, mejor incluso que el cobre o la plata.

A Andréy Gueim (n. 1958) y a Konstantín Novosiólov (n. 1974) por sus revolucionarios descubrimientos acerca del GRAFENO, se les otorgó el Premio Nobel de Física de 2010. Son investigadores de la Universidad de Manchester. 



Aunque la realidad de las aplicaciones y posibilidades de este fascinante material no se evidenciaran hasta que surjan los primeros productos que lo comercialicen, su importancia YA es trascendental para la Fisica fundamental y la Nanotecnología, existiendo numerosas aplicaciones que están siendo desarrolladas por investigadores de todo el mundo.
Conozcamos algunos de los muchos campos y aplicaciones que se están estudiando.

 
§ - Dureza, densidad, elasticidad, resistencia química e impermeabilidad
Con la dureza del diamante, el GRAFENO es 200 veces más resistente que el acero. Jaffrey W. Kysar y James Hone, ingenieros mecánicos e investigadores de la Universidad de Columbia establecieron sobre su dureza una cierta analogía que se ha hecho ciertamente popular en Internet. Según sus mediciones, si tapáramos una taza de café que con un film de plástico y lo sustituyéramos por una lámina de GRAFENO (que tendría mucho menos espesor), y sobre ésta situaramos un lápiz, colocando a su vez sobre el lápiz en equilibrio un automóvil, la lámina de GRAFENO ni se inmutaría. Esto les lleva  a Kysar y a Hone a afirmar que: “sin duda, el GRAFENO es el material más duro del mundo”.

Esta dureza, es en cierto modo contradictoria con el hecho de ser el material más delgado jamás obtenido, propiedades a las que se une también que es el material de mayor densidad conocido, ya que ni tan siquiera el átomo de helio, el átomo de gas más pequeño conocido, lo puede atravesar. Su dureza, unida a su escaso peso y mínimo espesor lo llaman a sustituir a las actuales fibras de carbono empleadas en la industria aeroespacial, donde su futuro también puede ser insospechado. La resistencia química a los elementos y la impermeabilidad son también propiedades superlativas del GRAFENO.

§ - Electrónica, Informática
El GRAFENO es un magnífico semiconductor que puede operar a escala nanométrica, bidimensional y muy estable a temperatura ambiente, permitiendo que los electrones se muevan libremente, contrariamente a lo que sucede con los transistores convencionales de silicio que se ciñen a un camino recto.
Permite también una creación miniaturizada a una escala hasta ahora insospechada en los dispositivos electrónicos, teniéndose mucha esperanza en poder alcanzar la prometedora computación cuántica de la que todo el progreso tecnológico de la humanidad se vería afectado.

A los cuatro años de su conocimiento (2008), IBM por sus propiedades ideales como componente de los circuitos integrados con mucho menor consumo de energía que los de silicio, por su alta movilidad de portadores y bajo nivel de “ruido”, anunció que había logrado fabricar transistores que operaban a frecuencias de 26 gigahercios (GHz) (el máximo de los de silicio alcanza los 40 GHz). En febrero de 2010, IBM ya había alcanzado en su fabricación velocidades de 100 GHz, y en septiembre del mismo año se alcanzaron los 300 GHz.
Ya se está trabajando en chips que con un átomo de espesor que podrían alcanzar los 1.000 GHz., desbancando a los materiales clásicos de la era de la información. Hablar de “discos duros” con 1.000 veces mayor capacidad de almacenamiento de información que los actuales, se encuentra a la vuelta de la esquina.

Julia Greer, investigadora del Instituto Tecnológico de California explica que: «los materiales usados en la fabricación de transistores, “no sólo” deben tener excelentes propiedades eléctricas, sino que deben ser capaces de sobrevivir a la tensión a que se ven sometidos durante el “proceso de fabricación” por el “calentamiento” generado en las repetidas operaciones de montaje. El proceso utilizado para estampar conexiones eléctricas metálicas de los microprocesadores por ejemplo, ejerce una tensión que puede provocar el fallo de los chips». Y concluye que tras las pruebas realizadas “solo el GRAFENO” es capaz de soportar el calor que el material tiene que soportar en estos procesos.

Esa propiedad conductiva de los electrones, sin tener el handicap de calentamiento durante el proceso, ha sido la base para que investigadores de la Universidad de Texas y de la Universidad de Corea del Sur, descubrieran su aplicación como lámina en la ejecución de pantallas táctiles, aprovechando otras de sus singularidades, de que el GRAFENO es “trasparente”, ideal para situar sobre un panel de pixeles sin disminuir brillo o retroiluminación. A su vez, el hecho de que a pesar de su dureza es muy flexible, lo hacen un material óptimo para las futuras pantallas flexibles, que acompañaran la tecnología OLED.
Vorbeck Materials posee un acuerdo con la gigante alemana de productos químicos BASF, para lanzar al mercado tintas conductoras basadas en el GRAFENO. Este producto que se encuentra en proceso de fabricación, en breve será utilizado para imprimir antenas RFID (identificación por radiofrecuencia, por sus siglas en inglés) y una gran variedad de contactos eléctricos para pantallas flexibles de ordenador.


El GRAFENO como sustitutivo del COLTÁN
El Coltán es, como con los “diamantes de sangre” el llamado “mineral de guerra”, cuya extracción en régimen de semiesclavitud de los pueblos está sirviendo para financiar según la NN.UU. los conflictos geopolíticos en Africa, fundamentalmente en la República del Congo y Uganda, cuyas reservas de este mineral suponen el 80% de las reservas mundiales. Estos conflictos bélicos han supuesto ya más de 6 millones de muertos, y suponen algo más con la exposición a la radiación de estos materiales que han originado gran numero de víctimas y enfermos.

La denominación de Coltán es la contracción de dos minerales conocidos como la Columbita, óxido de niobio y manganeso (Fe, Mn)Nb2O6 y la Tantalita, oxido de tántalo con hierro y manganeso (Fe, Mn)Ta2O6. El Coltán es el material sólido que combina ambos minerales, de gran escasez en la naturaleza y cuya utilización es esencial para todos los dispositivos electrónicos e incluso su utilización en el acero quirúrgico.
Su valor se encuentra por encima de los 500.000 dólares la tonelada.

Todas la propiedades del Coltán puede asumirlas y superarlas el GRAFENO, con un costo mucho menor, al ser mucho mejor conductor de la electricidad que ningún otro metal conocido [(incluso el oro)], tener una capacidad superior de auto enfriarse, y ser mucho más resistente [(10 de la Escala Mohs, igual que el diamante)], siendo hasta diez veces más duradero que los materiales actuales.
Y el aspecto esencial: su mucho menor costo.
§ - Energía: uso en las renovables y en los combustibles
Las investigaciones se encuentran bastante desarrolladas sobre el papel de las posibles aplicaciones del óxido de GRAFENO, incluyendo sus usos en las membranas con permeabilidad controlada, así como en el ámbito energético de las baterías y los ultracondensadores.

La tecnología que se esta desarrollando están posibilitando dos propiedades que darán la vuelta a la industria de las baterías: diez veces más capacidad de almacenamiento y una reducción de diez veces menos de necesidad de tiempo de carga. Sus aplicaciones son evidentes en todos aquellos aparatos que hoy día funcionan con baterías de litio: móviles, tabletas, ordenadores portátiles, etc.
Otra de sus propiedades es su capacidad de “almacenar” brotes repentinos de energía, lo que supondría un gran avance, una autentica revolución al aprovechar el “inconstante” suministro que se produce en las fuentes “verdes” de las energías renovables, dándoles una eficiencia y un rendimiento nunca vistos.

Según el investigador Pablo Jarillo-Herrero, profesor del Física en el MIT (Instituto de Tecnología de Massachusetts), el GRAFENO tiene una gran respuesta termoeléctrica frente a la luz, es decir, al ser alcanzado por luz «de cualquier longitud de onda» “puede producir corriente eléctrica”. Esto le lleva a ser el candidato ideal para mejorar los dispositivos fotodetectores, los sistemas de visión nocturna y como es obvio, crear una nueva generación de “placas solares” con un rendimiento entre tres y cinco veces el de las actuales.

No es una utopía ya que los paneles solares actuales puedan ser en breve cosa del pasado, ya que en el MIT han creado un material basado en GRAFENO, similar a una delgada capa o pintura a situar en las fachadas, capaz de absorber la energía emitida por el sol y trasformarla en energía utilizable en el hogar, solucionando problemas de suministro incluso en viviendas aisladas ubicadas lejos de tendidos eléctricos.

Son estas propiedades de captación y trasmisión de la luz las que llevado a investigadores de la Universidad de Cambridge a intentar producir cables de este material aprovechando la propiedad de que los electrones se desplazan rápidamente a través de él, que podrían mover información cientos de veces superior a la de los actuales cables de fibra óptica, lo que revolucionaría las redes actuales de las telecomunicaciones, la capacidad y velocidad de Internet, la telefonía móvil y en suma todas la comunicaciones del planeta.

Una de las últimas novedades entre las increíbles propiedades de este material, la aporta un grupo de investigadores del Instituto Politécnico Rensselaer en el Estado de Nueva York, que han conseguido producir energía eléctrica desde una corriente de agua sobre una lámina de GRAFENO. Consiguieron extraer 85 nanovatios de potencia de un pequeño bloque con recubrimiento de GRAFENO de tan solo 0,03 x 0,15 milímetros. Sus posibilidades de aplicación serían hoy día incalculables.

En el ámbito de los combustibles, el gobierno de los EE.UU. ha asignado tres millones de dólares a la Universidad de Princeton situada en Nueva Jersey, para que desarrolle una investigación sobre la reducción del consumo de combustible en aviones, que al parecer se produce al añadir a dicho combustible partículas diminutas de GRAFENO. No sólo se logra una reducción del consumo, sino que al mismo tiempo se optimiza el funcionamiento, mejora la velocidad de los motores a reacción y se reduce la contaminación ambiental. Los investigadores han afirmado que podríamos estar ante «una nueva era de los motores de combustión de las aeronaves».

 Andréy Gueim
 Konstantín Novosiólov

§ - Física médica

En la Bienal de la Sociedad Física Española en Valencia 2013, los investigadores españoles Pablo Jarillo-Herrero (1976) del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) y Juan Ignacio Cirac Sasturain (1965) director de la División Teórica de Óptica Cuántica del Instituto Max-Planck de Alemania, han hablado de una de las inéditas propiedades del GRAFENO que centran el interés de los investigadores. El objetivo es aprovechar la propiedad que posee el GRAFENO para absorber la luz infrarroja, se inyectan partículas de este material modificadas químicamente al paciente de un cáncer, para que estas se adhieran a las células cancerosas. Las irradiaciones posteriores con las que se trata el tumor, actuarían directamente sobre las células cancerosas sin afectar a las del resto del cuerpo.

Es una investigación incipiente, pero una vez más nos permite vislumbrar las múltiples aplicaciones de todo orden que podría tener el GRAFENO.


En el mes de octubre se iniciarán los dos proyectos de investigación premiados por la Comisión Europea y dotados con el mayor presupuesto de investigación de la historia: 1.000 millones de euros para cada una de las iniciativas.
Los dos proyectos de investigación que tienen su iniciativa a través de FET-Flagship y el Programa Horizonte 2020, tienen dos puntas de investigación, por un lado investigar y explotar las propiedades del GRAFENO, y en segundo término el denominado como proyecto “Cerebro Humano” o “Human Brain Project”  (HBP), que es un proyecto de investigación cuyo objetivo es simular el cerebro humano con superordenadores para comprender mejor su funcionamiento. Sus esperanzas incluyen entre sus objetivos el ser capaz de imitar el cerebro humano utilizando ordenadores para ser capaces de diagnosticar mejor los diferentes problemas.
El proyecto aprobado liderado por el neurocientífico Henry Markram se encuentra dirigido por la École Polytechnique Féderale de Lausanne y codirigido por la Universidad Heidelberg y la Universidad de Lausanne


 Pablo Jarillo-Herrero y Juan Ignacio Cirac Sasturain

OBTENCIÓN

Una situación que hubiera podido abortar las enormes esperanzas en este material, sería la obtención y producción del mismo. La comercialización de un material establece por su costo, una gran limitación a su desarrollo.

Hasta recientemente, las diferentes técnicas de obtención para las muestras sobre las que se investigaba eran complejas y costosas. Pero recientemente, investigadores de la Universidad privada William Marsh Rice (Universidad Rice) ubicada en Houston, Texas, han conseguido sintetizar GRAFENO a partir del “azucar común” a 800º, siendo el GRAFENO obtenido de alta calidad.


Otras técnicas de obtención se han seguido con éxito por el Instituto de Química-Física de la Academia Polaca de Ciencias (IPCPAS) conjuntamente con el Instituto de Investigación Interdisciplinaria de Lille (IRI). En este caso la técnica de fabricación utilizada ha sido partiendo de la oxidación del grafito y a través de un tratamiento a través de ultrasonidos, ha permitido la obtención de escamas de GRAFENO de 300nm de espesor.
En cualquier caso a un material con las expectativas económicas del GRAFENO, «es imposible confinarlo en los laboratorios, y menos en la era de Internet».










“ Un hombre de talento nunca cae en el engaño. Sus errores son deliberados y son portales del descubrimiento”
James Joyce (1882~1941). Escritor irlandés


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