Una hoja de grafeno parece un panal de abejas a escala atómica. enot-poloskun / Getty Images En 2004, dos científicos de la Universidad de Manchester llevaron a cabo un experimento engañosamente simple con consecuencias que podrían cambiar el mundo. Los investigadores, Andre Geim y Konstantin Novoselov, estaban jugando con grafito, las cosas en la punta de tu lápiz. El grafito está hecho de láminas superfinas de carbono puro apiladas una encima de la otra. Geim y Novoselov querían ver si podían aislar una sola hoja de grafito, una capa increíblemente delgada de carbono que mide solo un átomo de espesor.
Entonces, agarraron un rollo de cinta adhesiva. Sí, la misma cinta transparente en el aplicador de plástico que guardas en tu cajón de basura. Así es como Geim describió su técnica, según lo informado por la BBC.
"Pones [cinta adhesiva] sobre grafito o mica y pelas la capa superior. Hay escamas de grafito que se desprenden de tu cinta. Luego, doblas la cinta por la mitad y la pegas a las escamas en la parte superior y las partes de nuevo. Y repite este procedimiento 10 o 20 veces. Cada vez, los copos se parten en copos cada vez más delgados. Al final, te quedas con copos muy finos adheridos a tu cinta. Se disuelve la cinta y todo se disuelve ".¡El método de la cinta adhesiva funcionó! Al aislar una hoja de carbono de una sola capa, A Geim y Novoselov se les atribuyó el descubrimiento de un material completamente nuevo llamado grafeno que ahora se cree que es el más fuerte. sustancia más ligera y conductora de electricidad de la Tierra.
En 2010, Geim y Novoselov compartieron el Premio Nobel de Física por descubrir el grafeno, e investigadores de todo el mundo comenzaron a clamar por formas de utilizar este extraordinario "supermaterial" para fabricar baterías más potentes y duraderas. microchips más rápidos, circuitos flexibles, biosensores implantables y más. Una década después, el grafeno aún tiene que cumplir sus promesas tan publicitadas, pero los conocedores confían en que finalmente veremos teléfonos inteligentes, coches eléctricos y sensores que utilicen tecnología basada en grafeno en los próximos años.
Midiendo en solo un átomo de espesor, una hoja de grafeno marca todas las casillas de un supermaterial:
El grafeno obtiene sus superpoderes de su estructura. Si pudieras acercarte lo suficiente, verías que una hoja de grafeno parece un panal de abejas a escala atómica. Los átomos de carbono individuales están dispuestos en un patrón hexagonal que se asemeja a una tela metálica. Cada átomo de carbono en una hoja de grafeno está unido covalentemente a otros tres elementos de carbono, lo que le da al material su increíble fuerza.
¿Por qué el grafeno conduce tan bien la electricidad? De nuevo, debido a la forma en que esos átomos de carbono están unidos. Cada átomo de carbono tiene cuatro electrones en su capa exterior, pero solo tres de esos electrones se comparten con sus tres átomos de carbono vecinos. El electrón restante se llama electrón pi y puede moverse libremente en el espacio tridimensional, lo que le permite transmitir cargas eléctricas a través de la hoja de grafeno casi sin resistencia. De hecho, el grafeno es el conductor de electricidad más rápido a temperatura ambiente de cualquier sustancia conocida.
En Cabot Corporation, El investigador principal Matt Hesketh examina la progresión del grafeno en tres viales. El vial de la izquierda es de grafito, el del medio es de grafito expandido, y el de la derecha es el grafeno. John Tlumacki / The Boston Globe a través de Getty Images
Un descubrimiento reciente puede agregar otra superpotencia a la lista de alardes del grafeno. Un equipo del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) estaba experimentando con grafeno de doble capa (dos capas de grafeno de un solo átomo apiladas juntas) cuando se toparon con una nueva, propiedad casi mágica del grafeno. Cuando las capas se giran ligeramente fuera de línea entre sí, un desplazamiento de exactamente 1,1 grados, el grafeno se convierte en un superconductor. Los superconductores son la clase más rara de materiales que conducen la electricidad sin absolutamente ninguna resistencia y sin calor.
El descubrimiento del "ángulo mágico" del grafeno envió ondas de choque a la comunidad científica. Aunque el experimento se llevó a cabo a temperaturas extremadamente bajas (cerca de 0 grados Kelvin o menos 459,67 F), abrió la posibilidad de que al combinar grafeno con otros elementos superconductores, estamos más cerca que nunca de la superconductividad a temperatura ambiente. Tal logro mejoraría radicalmente la eficiencia energética de todo, desde dispositivos hasta automóviles y redes eléctricas completas.
La superconductividad aún está a décadas de distancia, pero los productos revolucionarios basados en grafeno llegarán al mercado mucho antes, dice Andrea Ferrari, profesor de nanotecnología y director del Cambridge Graphene Center.
"Para 2024, habrá una variedad de productos de grafeno en el mercado, "dice Ferrari, "incluidas las pilas, fotónica, cámaras de visión nocturna y más ".
Los consumidores llevan años esperando ansiosamente baterías basadas en grafeno. Las baterías de iones de litio de todos nuestros dispositivos tardan relativamente en cargarse, pierden su jugo rápidamente y se queman después de un número determinado de ciclos. Eso es porque el proceso electroquímico que alimenta las baterías de iones de litio genera mucho calor.
Pero dado que el grafeno es el conductor eléctrico más eficiente del mundo, produce mucho menos calor al cargar o descargar electricidad. Las baterías basadas en grafeno prometen velocidades de carga cinco veces más rápidas que las de iones de litio, tres veces más duración de la batería, y cinco veces más ciclos antes de que sea necesario reemplazarlos.
Empresas de electrónica como Samsung y Huwei están desarrollando activamente baterías basadas en grafeno para teléfonos inteligentes y otros dispositivos. pero las primeras en llegar al mercado es en 2021. En cuanto a las baterías de grafeno en los automóviles eléctricos, que podrían aumentar drásticamente su radio de conducción, todavía faltan algunos años. Se ha construido toda una industria con tecnología de iones de litio y no cambiará de la noche a la mañana.
"La industria de las baterías es muy conservadora, "dice Jesús de la Fuente, CEO de Graphanea, una empresa que fabrica y vende grafeno puro y chips basados en grafeno a investigadores académicos y departamentos de I + D. "Podría cambiar la composición de las baterías varias veces cada cinco o diez años, lo que hace que sea muy difícil introducir nuevos productos en esta industria ".
Hay algunas baterías basadas en grafeno en el mercado, incluidos algunos cargadores con cable e inalámbricos de una empresa llamada Real Graphene, pero esos son solo la punta del iceberg, dice Ferrari, quien también es el oficial de ciencia y tecnología de Graphene Flagship, una colaboración de mil millones de euros de la Unión Europea para acelerar el desarrollo de la tecnología del grafeno. Los socios de investigación de Flagship ya están fabricando baterías de grafeno que superan las mejores células de alta energía de la actualidad en un 20 por ciento de capacidad y un 15 por ciento de energía. Otros equipos han construido células solares basadas en grafeno que son un 20 por ciento más eficientes para convertir la luz solar en electricidad.
Si bien las baterías de grafeno podrían ser las primeras en comercializarse, los investigadores están ocupados desarrollando innumerables otras aplicaciones para este material milagroso.
Los biosensores son un gran problema. Imagine un chip increíblemente delgado y flexible que se puede inyectar en el torrente sanguíneo para monitorear datos de salud en tiempo real, como los niveles de insulina o la presión arterial. O una interfaz de grafeno que envía señales de ida y vuelta al cerebro para detectar un próximo ataque epiléptico o incluso prevenirlo. Delgada, Los sensores extensibles también se pueden usar en la piel o entretejidos en la tela de la ropa.
El profesor de física Dr. Yan Fung, posee una nueva invención de células solares semitransparentes de bajo costo con electrodos de grafeno en la Universidad Poly en Hung Hom, Porcelana, 2015. David Wong / South China Morning Post a través de Getty Images La fotónica es otro campo que ya está incorporando grafeno. Al integrar grafeno en chips sensibles a la luz, las cámaras y otros sensores pueden mejorar en gran medida la sensibilidad incluso a las ondas de luz más débiles en el espectro visible e invisible. Eso no solo mejorará la calidad de imagen de cámaras y telescopios, sino también imágenes médicas.
La filtración es otra aplicación prometedora del grafeno. Los filtros de purificación de agua simples construidos con polímeros de grafeno pueden unirse a contaminantes orgánicos e inorgánicos en el agua potable. Los investigadores del Graphene Flagship también han creado tecnologías de desalinización basadas en diodos de grafeno que pueden eliminar más del 60 por ciento de la sal del agua de mar para usos agrícolas y otros.
Todos estos desarrollos tomarán tiempo, pero Ferrari en el Cambridge Graphene Center confía en que el grafeno estará a la altura de sus expectativas. De hecho, está igualmente entusiasmado con las propiedades aún no descubiertas de los 2 estimados, 000 otros materiales monocapa que también se están aislando, método de cinta adhesiva o de otro modo.
"Decimos grafeno, pero en realidad estamos hablando de una gran cantidad de opciones que se están explorando, "dice Ferrari." Las cosas se están moviendo en la dirección correcta ".
Ahora eso es genialEl fabricante de equipamiento deportivo Head fue uno de los primeros en subirse al carro del grafeno. Su raqueta de tenis Graphene XT afirma ser un 20 por ciento más ligera que las raquetas con el mismo peso de swing.
