Formado en lo profundo de la tierra, más fuerte que el acero, y más delgado que un cabello humano. Estas comparaciones no describen a un nuevo superhéroe. Están describiendo el grafeno una sustancia que algunos expertos han llamado "la más asombrosa y versátil" conocida por la humanidad.

El profesor de química de la Universidad de Connecticut, Doug Adamson, miembro del Programa de Polímeros en el Instituto de Ciencia de Materiales de la UConn, ha patentado un proceso único para exfoliar este maravilloso material en su forma pura (sin oxidar), además de fabricar nanocompuestos de grafeno innovadores que tienen usos potenciales en una variedad de aplicaciones.

Si piensas en el grafito como una baraja de cartas, cada tarjeta individual sería una hoja de grafeno. Compuesto por una sola capa de átomos de carbono dispuestos en una red hexagonal, el grafeno es un cristal bidimensional que es al menos 100 veces más fuerte que el acero. Los aerogeles hechos de grafeno son algunos de los materiales más ligeros conocidos por el hombre, y las láminas de grafeno son de las más delgadas, con un solo átomo de grosor, es aproximadamente un millón de veces más delgado que un cabello humano. El grafeno también es incluso más conductor térmico y eléctrico que el cobre, con mínima carga eléctrica.

Debido a estas cualidades únicas, El grafeno ha sido un tema candente para los investigadores académicos y los líderes de la industria desde que se aisló por primera vez del grafito en 2004. Desde entonces, mas de 10, Se han publicado 000 artículos académicos sobre el material. Pero de estas publicaciones, solo Adamson analiza un proceso patentado para fabricar grafeno en su forma original.

Lo que otros llaman "grafeno" es a menudo óxido de grafeno que se ha reducido química o térmicamente. El oxígeno en el óxido de grafeno proporciona una especie de manipulación química que hace que sea más fácil trabajar con el grafeno. pero agregarlo al grafeno prístino reduce la mecánica del material, térmico, y propiedades eléctricas en comparación con el grafeno no modificado como el que produce Adamson.

También aumenta significativamente el costo de fabricación del material. La oxidación del grafito requiere la adición de costosos productos químicos peligrosos, tales como ácido sulfúrico anhidro y peróxido de potasio, seguido de una larga serie de manipulaciones para aislar y purificar los productos, conocido como examen de química. El proceso de Adamson no requiere ningún paso adicional o productos químicos para producir grafeno en su forma original.

"La innovación y la tecnología detrás de nuestro material es nuestra capacidad para utilizar un enfoque impulsado por termodinámicamente para desapilar el grafito en sus hojas de grafeno constituyentes, y luego organice esas hojas en un continuo, Conducto electrico, estructura tridimensional ", dice Adamson." La simplicidad de nuestro enfoque está en marcado contraste con las técnicas actuales utilizadas para exfoliar el grafito que se basan en la oxidación agresiva o la mezcla o sonicación de alta energía (la aplicación de energía sonora para separar partículas) durante períodos prolongados de tiempo. Tan sencillo como es nuestro proceso, nadie más lo había informado. Demostramos que funciona ".

Poco después de que los experimentos iniciales del estudiante de posgrado Steve Woltornist indicaran que estaba sucediendo algo especial, A Adamson se le unió el colaborador de muchos años Andrey Dobrynin de la Universidad de Akron, que ha ayudado a comprender la termodinámica que impulsa la exfoliación. Su trabajo ha sido publicado en la revista revisada por pares de la American Chemical Society. ACS Nano .

Una característica distintiva del grafeno que parece un obstáculo para muchos, su insolubilidad, está en el corazón del descubrimiento de Adamson. Como no se disuelve en líquidos, Adamson y su equipo colocan grafito en la interfaz de agua y aceite, donde las láminas de grafeno se esparcen espontáneamente para cubrir la interfaz y disminuir la energía del sistema. Las láminas de grafeno quedan atrapadas en la interfaz como individuos, hojas superpuestas, y posteriormente se puede bloquear en su lugar utilizando un polímero o plástico reticulado.

Adamson comenzó a explorar formas de exfoliar el grafeno del grafito en 2010 con una subvención de la Fuerza Aérea para sintetizar compuestos termoconductores. Esto fue seguido en 2012 con el financiamiento de un premio Early-Concept Grants for Exploratory Research (EAGER) de la National Science Foundation (NSF). Desde entonces, también se le ha otorgado una subvención de $ 1.2 millones del programa NSF Designing Materials to Revolutionize and Engineer our Future y $ 50, 000 del programa del Fondo de Comercialización de Tecnología SPARK de UConn.

"El trabajo del Dr. Adamson habla no solo de la preeminencia de la facultad de UConn, sino también a las posibles aplicaciones de su investigación en el mundo real, "dice Radenka Maric, vicepresidente de investigación en UConn y UConn Health. "La Universidad está comprometida con programas como SPARK que permiten a los profesores pensar en el impacto más amplio de su trabajo y crear productos o servicios que beneficiarán a la sociedad y la economía del estado".

Grafeno para la desalación de agua

Si bien los materiales compuestos de grafeno estabilizado tienen innumerables usos potenciales en campos tan variados como los aviones, electrónica, y biotecnología, Adamson decidió aplicar su tecnología para mejorar los métodos estándar para la desalinización de agua salobre. Con su financiación SPARK, Está desarrollando un dispositivo que utiliza sus materiales nanocompuestos de grafeno para eliminar la sal del agua a través de un proceso llamado desionización capacitiva. o CDI.

CDI se basa en económicos, alta superficie, electrodos porosos para eliminar la sal del agua. Hay dos ciclos en el proceso de CDI:una fase de adsorción donde la sal disuelta se elimina del agua, y una fase de desorción en la que las sales adsorbidas se liberan de los electrodos deteniendo o invirtiendo la carga en los electrodos.

Se han utilizado muchos materiales para crear los electrodos, pero ninguno ha demostrado ser un material viable para la comercialización a gran escala. Adamson y sus socios de la industria creen que su simple, barato, y el material robusto podría ser la tecnología que finalmente lleve CDI al mercado de manera importante.

"El producto que estamos desarrollando será un material de grafeno económico, con rendimiento optimizado como electrodo, que podrá desplazarse más caro, materiales menos eficientes que se utilizan actualmente en CDI, "dice Michael Reeve, uno de los socios de Adamson y un veterano de varias startups exitosas.

El equipo formó una startup llamada 2-D Material Technologies, y han solicitado una subvención de Investigación en Innovación para Pequeñas Empresas para continuar comercializando la tecnología de Adamson. Finalmente, esperan unirse al programa de incubación de tecnología de UConn para llevar su concepto al mercado.