Grafeno – ¿Qué es y para qué sirve?

El grafeno es un material que se obtiene del grafito. Las cualidades principales que caracterizan a este material son dureza, elasticidad, flexibilidad, transparencia, ligereza, además de ser un buen transmisor tanto térmico como eléctrico. En este artículo, te contamos todo lo que debes saber sobre él.

¿Cómo es el material del grafeno? Lo que hace lo especial es su estructura y sus propiedades únicas. Es extremadamente delgado, con un espesor de un solo átomo, lo cual lo convierte en el material bidimensional más delgado conocido hasta ahora.

Entonces, ¿qué es el grafeno, es tóxico? En sí mismo no es considerado tóxico. Es un material compuesto únicamente por átomos de carbono, que es un elemento químicamente seguro y ampliamente presente en nuestro entorno. Sin embargo, como ocurre con cualquier material, los efectos pueden depender de la forma en que se utiliza y se manipula.

Desde entonces, su investigación y desarrollo han avanzado rápidamente, y se espera que tenga un impacto significativo en numerosos campos científicos y tecnológicos en el futuro.

Inicialmente, el grafeno se aisló por primera vez en 2004 a partir del grafito, que es una forma de carbono más común. El método utilizado para obtenerlo a partir del grafito implica la separación de capas de grafito mediante técnicas como la exfoliación mecánica o la deposición química en fase de vapor (CVD).

Además, se han desarrollado otros métodos para producirlo en grandes cantidades. Por ejemplo, el grafeno se puede sintetizar mediante el uso de diferentes técnicas de deposición química en fase de vapor, donde se hacen reaccionar precursores de carbono en condiciones controladas. También se están investigando métodos de producción a partir de fuentes de carbono renovables, como biomasa y residuos agrícolas.

• Exfoliación mecánica: consiste en separar capas de grafito utilizando cinta adhesiva para arrancar láminas de grafeno. Repitiendo este proceso de exfoliación mecánica varias veces, se pueden obtener capas de grafeno de grosor monoatómico. Aunque es efectivo, este método es lento y produce grafeno en cantidades pequeñas.
• Epitaxia de deposición química en fase de vapor (CVD): en este método, se deposita una capa de grafeno en un sustrato mediante la reacción química de un gas precursor de carbono, como el metano, en condiciones controladas. El CVD es un método ampliamente utilizado para la producción a gran escala y permite obtener láminas de grafeno de alta calidad. El grafeno obtenido por CVD puede transferirse a otros sustratos según las necesidades.
• Reducción química de óxido de grafeno (GO): el óxido de grafeno es un derivado del grafeno que se puede obtener a partir del grafito utilizando procesos químicos. El GO se puede reducir posteriormente químicamente para obtener grafeno. Este método es versátil y permite obtener grafeno de diferentes formas y tamaños.
• Otros métodos: también existen otros métodos, como la exfoliación líquida, donde se utilizan líquidos dispersantes para separar las capas de grafeno del grafito, y la deposición de grafeno epitaxial a partir de carburos de silicio.

¿Qué características y propiedades presenta el grafeno?

Considerado por muchos como el material del futuro, el grafeno es una sustancia con unas características únicas y muy interesantes.

Algunas de las más destacadas son:

• Se caracteriza por una alta conductividad térmica.
• También presenta una elevada conductividad eléctrica.
• Es muy elástico.
• Presenta una elevada dureza (resistencia a ser rayado).
• Es un material muy resistente; el grafeno es aproximadamente 200 veces más resistente que el acero, similar a la resistencia del diamante, pero es muchísimo más ligero.
• Es más flexible que la fibra de carbono pero igual de ligero.
• La radiación ionizante no le afecta.
• Presenta un bajo efecto Joule (calentamiento al conducir electrones).
• Es capaz de generar electricidad por exposición a la luz solar.
• Es un material prácticamente transparente.
• Es muy denso y no deja pasar al helio en forma gaseosa, sin embargo si deja pasar al agua, la cual, encerrada en un recipiente de grafeno, muestra una velocidad de evaporación similar a la que muestra en un recipiente abierto.

Grafeno propiedades

• Propiedades eléctricas: es el material con mayor conductividad eléctrica que se conoce. Los electrones pueden moverse a través de su estructura con una alta velocidad y eficiencia, lo que lo hace adecuado para aplicaciones en electrónica y dispositivos de alta velocidad. Su valor de resistividad intrínseca bate las marcas de la plata, que hasta ahora sustentaba el título de material con menor resistividad eléctrica.
• Propiedades fisicoquímicas: está compuesto por una sola capa de átomos de carbono, lo que lo convierte en el material bidimensional más delgado conocido. Su espesor es de un solo átomo, conformando una fina lámina de 0,34 nm.
• Propiedades térmicas: su conductividad térmica, o lo que es lo mismo, la capacidad de un material para transferir calor, es mayor que la de cualquier material conocido hasta la fecha.
• Propiedades ópticas: es transparente a la luz visible, permitiendo que la luz lo atraviese sin ser absorbida en gran medida. Los fotones lo atraviesan fácilmente haciendo que una lámina de grafeno solo absorba el 2,3% de la intensidad de la luz que llega a su superficie.

Grafeno aplicaciones

Tiene un amplio abanico de aplicaciones en diversos campos debido a sus propiedades únicas. Por tanto, ¿para qué se usa el grafeno?:

• Electrónica: puede revolucionar la electrónica al permitir la fabricación de dispositivos más rápidos, eficientes y flexibles. Se espera su aplicación en transistores de alta frecuencia, pantallas flexibles, circuitos integrados y sensores ultrasensibles.
• Energía: como en baterías de alta capacidad y carga rápida, supercondensadores de alto rendimiento y células solares más eficientes. También se ha investigado su uso en la generación y almacenamiento de energía renovable.
• Materiales compuestos: puede mejorar las propiedades de los materiales compuestos, como plásticos, polímeros y materiales cerámicos, al agregar resistencia, rigidez y conductividad.
• Medicina y biotecnología: ofrece oportunidades en aplicaciones biomédicas, como la detección y diagnóstico de enfermedades, terapia de liberación de fármacos, biosensores y ingeniería de tejidos. Además, es biocompatible, lo que lo hace potencialmente útil en implantes médicos y prótesis.
• Electromagnetismo y sensores: el grafeno muestra una fuerte interacción con la luz y puede ser utilizado en dispositivos fotónicos, como fotodetectores y moduladores ópticos. También puede ser utilizado como sensor de alta sensibilidad para detectar gases, biomoléculas y otros compuestos.
• Membranas y filtración: las propiedades de su barrera impermeable lo hacen adecuado para aplicaciones en membranas de filtración y separación. Puede filtrar moléculas y partículas a nivel nanométrico, lo que es útil en la purificación de agua, desalinización y purificación de gases.

Hay que tener en cuenta que el grafeno y sus extraordinarias propiedades no tienen aplicación final más allá del laboratorio. Realmente son los nanomateriales de carbono o derivados del grafeno cuando nos referimos a la aplicación industrial del mismo. Algunos de ellos son las nanofibras, nanotubos, nanoesferas o fullerenos; y dentro de este grupo destacan los derivados grafénicos como el óxido de grafeno (GO, por sus siglas en inglés) y el óxido de grafeno reducido (rGO).

Consecuencias negativas del grafeno

Investigadores de la Universidad de Brown y de la Universidad de California hacen un llamamiento a la precaución en torno al manejo del grafeno puesto que tan singular material no estaría exento de riesgos para hombres y entorno.

En primer lugar un grupo de biólogos, ingenieros y científicos especializados en el estudio de materiales, pertenecientes todos ellos a la Universidad de Brown, han descubierto un potencial riesgo de toxicidad  para las células humanas.

En otro estudio un equipo de la Facultad de Ingeniería Riverside Bourns de la Universidad de California han detectado los posibles perjuicios de la interacción con el ecosistema de la oxidación de las nanopartículas del grafeno, especialmente de su papel contaminante si llega a entrar en contacto con aguas bien superficiales, bien subterráneas.

Grafeno en el cuerpo humano

En relación con el cuerpo humano, es importante tener en cuenta que la investigación, a día de hoy, sobre los efectos del grafeno en la salud está en curso y aún no se ha llegado a conclusiones definitivas. Sin embargo, es importante tener en cuenta que las investigaciones se han centrado principalmente en el grafeno en su forma pura y bajo condiciones controladas.

¿Qué hace el grafeno en el cuerpo humano? Como ya hemos mencionado, algunos estudios han demostrado que altas concentraciones de láminas de grafeno pueden tener efectos tóxicos en células humanas y animales, especialmente cuando se encuentran en forma de nanopartículas. Se ha observado que la toxicidad depende de factores como el tamaño, la forma y la dosis de las partículas de grafeno, así como de la duración y la vía de exposición.

Sin embargo, el grafeno también tiene aportaciones beneficiosas para el cuerpo humano ya que puede interactuar con células y tejidos biológicos en el cuerpo humano. En experimentos de laboratorio, se han observado respuestas biológicas a la presencia de grafeno, como la adhesión celular y la activación de ciertas vías biológicas.

Además, puede tener propiedades de biocompatibilidad, lo que significa que no causa una respuesta inmunológica o inflamatoria significativa en el cuerpo. Se ha estudiado el uso del grafeno en aplicaciones biomédicas, como en dispositivos de diagnóstico y terapia, y se han obtenido resultados prometedores.

Intoxicación por grafeno – Síntomas

Dada la naturaleza de la estructura del grafeno, el cuál resulta afilado y altamente resistente, son las características que le hacen potencialmente peligroso en contacto con las células humanas pues son susceptibles de seccionar las membranas celulares humanas con el consecuente daño en pulmones (si se inhala) o piel (por contacto).

Por el momento, se alerta de la precaución en el manejo del grafeno por su potencial riesgo de irritación en piel, ojos y mucosas así como del peligro de su inhalación e ingesta.

almacenamiento energía grafeno