Desde su descubrimiento inicial en 2004 por dos profesores de la Universidad de Manchester, el grafeno ha causado un gran revuelo en la comunidad científica. Sus descubridores ganaron un Premio Nobel en 2010 por desarrollar la idea; luego comenzó la carrera para encontrar formas de producirla y aplicarla. Roop Mahajan, profesor Lewis A. Hester de Ingeniería Mecánica en Virginia Tech, ha contribuido con un importante paso adelante en esa carrera.
El grafeno cuenta con atributos incomparables:es 200 veces más resistente que el acero, pero más liviano que el papel y exhibe propiedades mecánicas únicas. A microescala, toma la forma de redes de carbono en forma de hexágono con un espesor de solo un átomo.
Debido a sus propiedades únicas, el grafeno tiene múltiples aplicaciones:
El equipo de Mahajan ha estado integrando el grafeno en materiales y tecnologías existentes para reforzar su resistencia sin agregar mucha masa adicional, creando un enfoque práctico para aprovechar las propiedades únicas del grafeno. El esfuerzo ha producido innumerables formas innovadoras de incorporar grafeno en productos cotidianos, aprovechando el material a su máximo potencial.
Debido a que el grafeno se compone principalmente de carbono, los investigadores deben comenzar con un material naturalmente rico en carbono. El grafito, el componente principal de la mina de un lápiz, es la opción habitual porque su composición es carbono casi puro.
Debido a que el grafeno es una lámina de material de un átomo de espesor, producirlo requiere una cantidad significativa de procesamiento. La técnica más popular es una versión modificada de un enfoque conocido como Método de Hummer y utiliza ácido sulfúrico, permanganato de potasio, nitrato de sodio y peróxido de hidrógeno en varias etapas. Tres de esos cuatro químicos se consideran peligrosos.
Pero el grupo de Mahajan ha reimaginado un método más sostenible para obtener grafeno no del grafito sino del carbón, reduciendo drásticamente el número de productos químicos agresivos a uno solo:el ácido nítrico. Con menos productos químicos peligrosos y menos eliminación que gestionar, este enfoque reduce el impacto ambiental y el riesgo para los investigadores.
Reemplazar el grafito como fuente principal del material del futuro conlleva beneficios. La mayor parte del grafito proviene de China, lo que hace que su cadena de suministro sea algo incierta. Además, el grafito es un ingrediente fundamental en las baterías, y el fuerte aumento de la demanda mundial de baterías ha reducido significativamente esa oferta.
Aunque el carbón contiene un porcentaje más bajo de carbono (60 a 80% frente a una composición cercana al 100% en el grafito), el método de producción menos peligroso del equipo promete un futuro mejor para el medio ambiente. Este cambio también podría abrir las puertas a una economía del carbón que está disminuyendo rápidamente en todo el mundo, debido en gran parte a su contribución al calentamiento global cuando se quema carbón.
Además de los beneficios medioambientales, existen bonificaciones económicas. El equipo de Mahajan produce grafeno que es entre 10 y 15 veces menos costoso que los métodos anteriores, creando un suministro de menor costo que podría estimular nuevas innovaciones en el mercado y ayudar a la comercialización.
"Reducir el coste de producción del grafeno es crucial para aprovechar plenamente sus propiedades excepcionales y acelerar su amplia adopción en diversas aplicaciones, lo que podría catalizar el desarrollo de nuevos mercados e industrias", afirmó Mahajan.
En el proceso único de Mahajan, el viaje para sintetizar grafeno comienza con el meticuloso proceso de triturar trozos de carbón en bruto para crear un polvo grueso. El polvo se coloca en un cilindro grande que contiene canicas blancas de diferentes tamaños y luego se enrolla. Las canicas muelen y trituran el polvo, reduciendo aún más su tamaño. Luego, el polvo molido con bolas se elimina químicamente de impurezas como sulfitos metálicos y cenizas.
Luego, el carbón molido y purificado se coloca en un baño de ácido nítrico, que convierte el carbón en óxido de grafeno. El ácido se drena y el carbono sin reaccionar se elimina, lo que da como resultado un polvo de óxido de grafeno, que luego se puede convertir en grafeno mediante tratamiento térmico. Esta es la sustancia que se ha mezclado con adhesivos, silicona, vidrio y metal para producir nuevos tipos de materiales compuestos para una variedad de aplicaciones.
El equipo de Mahajan ha demostrado un rendimiento superior del carbón frente al grafeno derivado del grafito. Este trabajo innovador ha dado lugar a un flujo constante de publicaciones, incluida una en la revista Carbon. .
Este artículo detalla el novedoso proceso del equipo y demuestra la superioridad del grafeno derivado del carbón en el desarrollo de sensores altamente sensibles para separar y detectar aptámeros de ADN monocatenario. Estos sensores se utilizan ampliamente en diagnóstico, terapéutica, seguridad alimentaria y diversas industrias debido a su capacidad para unirse a moléculas objetivo específicas con alta afinidad y especificidad.
Ampliar la comprensión tanto de un material novedoso como de un proceso novedoso requiere un equipo ampliado, y Mahajan sabía exactamente a quién acudir, gracias a su papel de liderazgo en la huella de investigación global de Virginia Tech.
Mahajan es el director de investigación e innovación estratégica de VT India, lo que le brinda una línea directa para impulsar la innovación. Este equipo de científicos, con sede en Chennai, India, ha sido fundamental para expandir la empresa del grafeno.
Ese trabajo produjo un artículo en ACS Applied Nanomaterials centrándose en el papel del óxido de grafeno como nanorelleno para mejorar el rendimiento mecánico de los polímeros reforzados con fibra de vidrio. Y el equipo está explorando activamente otras aplicaciones potenciales, incluyendo
Si bien el desarrollo de nuevas tecnologías crea un entorno científico apasionante, Mahajan se centra en algo más que la innovación. Reducir los peligros ambientales e impulsar la producción del "material maravilloso" conlleva una implicación más profunda:una mejor calidad de vida para todos. Un uso más inteligente de la energía, materiales más confiables y abundantes opciones para el cuidado de la salud se unen a esa causa.
"Este amplio espectro de aplicaciones ejemplifica el notable potencial de las tecnologías de grafeno derivadas del carbón para remodelar industrias y mejorar vidas a escala global", afirmó Mahajan.
Más información: Anushka Garg et al, Síntesis simplificada en un solo recipiente de óxido de grafeno a partir de diferentes carbones y su posible aplicación para mejorar el rendimiento mecánico de nanocompuestos de GFRP, Nanomateriales aplicados ACS (2023). DOI:10.1021/acsanm.3c03197
Proporcionado por Virginia Tech
