​Imagen: Universidad de Manchester

Dentro de la ciudad del grafeno, lugar donde nació este maravilloso material

¿Qué se puede construir con este milagroso material basado en carbón?

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19 Marzo 2015, 9:14pm

​Imagen: Universidad de Manchester

​Sobre un banco e iluminado por un bajo sol invernal está un frasco pequeño que contiene una sustancia en polvo color gris oscuro. No se ve muy interesante (parece mina de lápiz molida) pero está es la primera vez que veo el grafeno en alguna de sus formas.

El 2010 el grafeno ganó en notoriedad cuando dos científicos del Reino Unido ganaron el premio Nobel por su trabajo en este material de dos dimensiones.

Fue aclamado como un material maravilloso: más duro que el acero y muchas veces más liviano, más conductor que el cobre, más flexible que el caucho. El gobierno británico apostó fuerte por el grafeno durante los años siguientes, el 2011 comprometió 50 millones de libras esterlinas para financiar la investigación y el desarrollo. Se hablaba de una nueva revolución industrial. "Vamos a hacer que Gran Bretaña cree cosas nuevamente" dijo  ​George Osborne, canciller de Hacienda.

Han pasado 4 años y el grafeno sigue en los titulares. Pero pese a la intensa publicidad, las preguntas sobre cómo puede ser utilizado continúan. ¿Cúando veremos este material llegando a los productos de uso diario? ¿Qué se puede hacer con el grafeno?

Diferentes forma de grafeno. Imagen: Victoria Turk.

Como me dijo el director de negocios del nuevo instituto nacional de grafeno (o NGI por sus siglas en inglés), James Baker: "¿Cómo hacer que el grafeno no se transforme en un gran elefante blanco?".

El NGI tiene financiamiento gracias a la inversión inicial y abrirá sus puertas en marzo. Es parte de la universidad de Manchester, lugar donde los científicos ganadores del premio Nobel, Andre Geim y Konstantin Novoselov, aislaron el grafeno por primera vez el año 2003. La idea del instituto es reunir a la industria y los investigadores para que trabajen juntos en potenciales aplicaciones del material.

A partir de esta idea nace la visión de "la ciudad del grafeno", la respuesta de Manchester a Silicon Valley, ciudad que fue inspirada originalmente por el nuevo material llamado silicio.

El instituto nacional de grafeno. Imagen: Universidad de Manchester.

El grafeno es básicamente una lámina delgada de carbón: una capa de átomos de carbon organizados en un diseño hexagonal que es comparado a un panal o a una malla de gallinero. Debido a que tiene sólo un átomo de grosor, es conocido como un material 2D.

Puedes construir grafeno fácilmente en casa. Lo único que necesitas es grafito (del que encuentras en los lápices) y cinta adhesiva. Debes poner grafito en la cinta y gradualmente llenarás capas; eventualmente terminarás con escamas de un átomo de grosor. Eso es, de hecho así fue como Geim y Novoselov "crearon" el grafeno por primera vez.

"Por supuesto que no es tan fácil, porque es simple crearlo pero es difícil darse cuenta que lo creaste" me dijo el químico Robert Dryfe, quien trabaja en aplicaciones del grafeno en electroquímica. "Necesitas unos buenos microscopios y cosas así".

Describir las propiedades del grafeno produce una lista de superlativos muy seductores: es muy fuerte e increíblemente liviano, es lo más delgado que se puede conseguir y conduce calor o electricidad extraordinariamente bien. Una capa sin defectos es impermeable a todos los átomos y moléculas.

Esta combinación de atributos significa que hay potenciales aplicaciones en todo tipo de sectores, desde la electrónica hasta la industria aeroespacial, desde el empaquetado hasta la medicina, incluso la pintura.

De cierta forma esto hace más difícil la transición desde el laboratorio hacia las aplicaciones en la vida diaria. ¿Dónde comenzar? "Parte del desafío del grafeno es ¿Cuál de todas estas (potenciales aplicaciones) es real?" dice Baker, "¿En cuáles de estas el grafeno realmente ofrece una mejora comparado con los materiales convencionales? y más importante, ¿Cómo logras que suceda?".

James Baker, director de negocios del NGI. Imagen: Victoria Turk.

Durante nuestra conversación entregó variados ejemplos sobre los productos hipotéticos de largo plazo que tienen a las personas tan entusiasmadas con el grafeno.

Piensa en tu smartphone. El grafeno puede lograr que sea más pequeño, más liviano y mucho más posible de doblar que el iPhone 6. Gracias a los avances en tecnología de baterías logrados con el grafeno, estas pueden mantener su carga por mas tiempo y se recargan mucho más rápido. "El teléfono del futuro será una pequeña pantalla que podrás doblar en tu bolsillo" dice Baker, "Lo podrás usar como un reloj, lo podrás coser a tu ropa, se recargará en segundos".

Toma la idea de la batería, aplícala a los automóviles y "podrás tener un auto que se recargará cuando pares en una luz roja, gracias a un plato de recarga que funcionará en cada esquina que te detengas" explica.

Este tipo de productos de uso diario tan revolucionarios no están disponibles aun y puede que nunca lo estén; Baker reconoce que pasarán cinco a diez años antes que comencemos a ver grafeno en las industrias aeroespacial y automovilística. De todas formas, el material ya está apareciendo en productos de consumo masivo. La marca deportiva Head incorporó grafeno en algunas de sus raquetas para jugar tenis, las cuales fueron utilizadas por Andy Murray y Novak Djokovic en la reciente final del Open de Australia. Head dice que la  ​línea Graphene XT es un 20 por ciento más liviana que una raqueta convencional pero tiene el "peso de golpe equivalente" cuando le das a la pelota.

Mientras tanto una compañía dependiente de la Universidad de Manchester está lista para lanzar al mercado una ampolleta LED que incluye una pequeña cantidad de grafeno, lo que la hace ligeramente más eficiente, Baker dice que estará disponible en tiendas dentro de los próximos 12 meses. Por mientras los científicos del Nobel ya están utilizando dos modelos diferentes de teléfonos de "grafeno", hechos en China por la compañía AWIT Inc y la compañía de Shanghai Powerbooster Technologies. "Es todavía un nicho, un poco artificioso si quieres, pero ya es posible comprar un teléfono con grafeno en el" dice Baker.

Una pequeña batería hecha con materiales en 2D y a su lado el equipo de experimentación. Imagen: Victoria Turk

Hay 200 investigadores trabajando en grafeno y otros materiales en 2D en Manchester. Rob Dryfe se especializa en el potencial que el grafeno tiene en baterías y supercondensadores. De acuerdo con él, existen tres problemas en las baterías de ion-litio que existen ahora en tu teléfono y tu computador, problemas que el grafeno podría solucionar: se demoran mucho en cargar, no duran lo que deberían y su rendimiento decae con el tiempo.

"La próxima pregunta es: junto con mejorar estos aparatos, ¿Podemos hacer que funcione en vehículos?" dice Dryfe, "Y más allá de los vehículos, podemos utilizar estos mecanismos de almacenamiento en las redes eléctricas?".

En este momento las baterías de ion-litio no son tan buenas como el combustible. Dryfe explica que la densidad energética de las baterías (esto es la energía que guardan por unidad de masa) está 10 veces más abajo que el petróleo. Los autos eléctricos Tesla usan baterías de ion-litio, pero muchas compañías se desaniman por la necesidad de tener pesadas baterías que no van a durar tanto como un tanque de combustible.

En la escala de una red eléctrica, una forma de conservar más energía podría ser utilizar también algunas energías renovables como la solar y eólica. De todas formas necesitarías grandes baterías, pero estas podrían almacenar energía que puede ser extraída por un largo tiempo, lo que hace más seguras a estas fuentes de energía.

Entonces ¿Cómo puede ayudar el grafeno? Usualmente cada electrodo en una batería de ion-litio está hecho de grafito, la "madre" del grafeno. Cuando cargas la batería, obligas a que los iones de litio se acerquen al grafito, que es donde se almacena la energía. "Se ha sugerido que es posible almacenar más litio, y por lo tanto más energía, si usas grafeno en vez de grafito" dice Dryfe.

Otra ventaja potencial del grafeno es que puede ser utilizado con otros iones aparte del litio. "Entonces el grafeno hace posible que exista la batería de ion-sodio" dice Dryfe. El sodio es más abundante que el litio (está en el agua de mar) lo que haría más barato y fácil su creación. Esto aun está investigandose, pero Dryfe dice que no se sorprendería si algún tipo de batería que contenga grafeno esté a estar disponible en los próximos tres o cuatro años.

El investigador Mark Bisset con un prototipo de batería. Imagen: Victoria Turk.

En su laboratorio, el post-doctor Mark Bissett me mostró un prototipo que los investigadores están probando actualmente. Es del tamaño de una batería de reloj y está compuesta de grafeno y otros materiales en 2D. "No puedo decir cuáles, porque no es de dominio publico aun, pero usando grafeno y otros materiales hemos visto comportamientos muy interesantes" dice Dryfe.

También están intentando explorar distintas formas de crear grafeno. Este es un gran desafío técnico, ya que aun no existe una forma de hacer grafeno correctamente y en grandes cantidades. Sólo es posible hacerlo con la cinta adhesiva.

Una forma de crearlo es fabricar oxido de grafeno y luego exfoliarlo en laminas individuales. "El grafeno oxidado es parecido al como la vinagre es vino oxidado" dice Dryfe. Pero si bien puedes transformar vinagre en vino, no puedes transformar de forma perfecta el grafeno oxidado en grafeno.

Otro método que  ​Dryfe está intentando nos lleva de vuelta a la idea tras las baterías de ion-litio. El litio es uno de los iones más pequeños y encaja entre las capas de grafeno; el está intentando utilizar un ion más grande que podría actuar como una cuña o un hacha a escala atómica y romper el grafito dentro de las laminas de grafeno.

Él continuará este método de producción con un proyecto en el Instituto nacional de grafeno una vez que abra sus puertas.

Imagen: Universidad de Manchester

Desde el NGI sólo hay una pequeña caminata hasta los departamentos de física y química existentes; su brillante fachada refleja el cielo invernal que está tras las barreras de construcción. Las paredes exteriores están decoradas con la forma de un panal, en referencia al enrejado de átomos de carbón del grafeno. Cuando la luz llega de una forma especial, los diferentes tamaños de hexágono muestran la formula incluida en el rupturista estudio de Geim y Novoselov. Me dijeron que Novoselov agregó una "broma" en la ecuación de los paneles, pero nadie sabe que es o quizás necesitas un premio Nobel en física para encontrarlo gracioso. Geim y Novoselov no estuvieron disponibles para hacer comentarios.

Riyaaz Patel es un gerente de proyectos en la firma consultora de construcción EC Harris, él me mostró el edificio mientras usábamos caso y botas de seguridad. Una de las principales atracciones del instituto está en el sótano, donde casi todo es un cuarto muy limpio que tiene especificaciones estrictas para mantener al mínimo las partículas externas del aire. Una serie de corredores le permite a mantenimiento el poder llegar al lugar sin entrar en los cuartos, incluso hay un "ascensor limpio" que sube a un pequeño cuarto limpio en el piso de arriba.

El resto del edificio contiene laboratorios y piezas de reuniones, en el tercer piso hay 20 gases distintos para poder experimentar. Patel me dijo que está ahí separado del resto del edificio en caso que algo explote. Incluso hay un par de "cuartos dentro de un cuarto" hechos de metal, para cancelar cualquier efecto magnético que pudiera impactar en los resultados de las pruebas.

Un corredor entre los espacios del cuarto limpio en NGI. Imagen: Universidad de Manchester.

Todo el primer piso no es utilizable; ahí van los ductos, los cables, ventiladores y luces necesarias para los cuartos limpios, a los que se puede acceder a través de unas escaleras de metal. Al otro lado del edificio todo está separado de los laboratorios con un espacio entre las paredes, así cualquier vibración no afectará a los experimentos más delicados.

Se espera que este espacio del instituto, sus equipos y el talento en investigación, motiven a las empresas a llegar con sus ideas y problemas (así como sus mercados y fondos) para poder desarrollar grafeno y crear algo utilizable.

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En el departamento de física, el investigador Rahul Nair me mostró una versión preliminar de algo totalmente diferente a la batería de Dryfe: una membrana de oxido de grafeno.

El trabajo de Nair se enfoca en una de las propiedades menos populares del grafeno: su impermeabilidad. El oxido de grafeno, que es grafeno "decorado" con grupos de oxigeno, comparte algunas de estas cualidades. "El oxido de grafeno es altamente permeable al agua, pero es muy impermeable a todo tipo de gas" explicó Nair. Esto significa que es posible utilizarlo como un filtro selectivo, conocido como seda molecular.

Un prototipo de la membrana de oxido de grafeno. Imagen: Victoria Turk.

Una de las grandes aplicaciones de esto podría ser la filtración de agua y particularmente la desalinización. Una membrana con poros muy pequeños puede filtrar el cloruro de sodio directamente desde el agua de mar.

Las membranas de Nair aun no llegan a ese punto, pero él está trabajando en esto. Las membranas no son sólo una capa de oxido de grafeno, sino que cientas (lo que significa que puedes verlas). Al modificar el material con otro grupo de átomos funcionales, él espera reducir el espacio entre las capas a menos de un nanometro. "Si podemos reducir esto a menos de un nanometro, entonces seremos capaces de lograr filtrar el agua".

El post-doctor e investigador Yang Su me mostró una membrana de grafeno en acción. Puso el pequeño circulo amarillo, que está unido a un substrato de polímero blanco, en el final de una celda de presión de metal. Vertió agua que contenía una tintura color naranjo neón y aplicó gas para que este empujara al agua. Esperamos 15 o 20 minutos y Su puso más presión para apurar el proceso y poder llegar a su próxima reunión. Cuando nos disponíamos a volver y ver los resultados más tarde, la primera gota apareció al final del grifo de la celda de presión. Era agua muy clara, todo rastro de la tintura había sido filtrado.

Yang Su prepara un experimento con una membrana en la base de una celda de presión para poder filtrar la tintura naranja del agua. Imagen: Victoria Turk.

Fue un experimento muy impresionante, pero puede que nunca veamos grafeno utilizado en la filtración de agua. El desarrollar aplicaciones para el grafeno no es sólo una proeza tecnológica, también es un problema de negocios.

Nair explica que no es necesario un mercado para las membranas de grafeno en las plantas de filtración de agua por osmosis reversa, porque posiblemente nadie quiere gastar dinero en reemplazar las membranas existentes. "El problema es de costo" explica Nair, "Puede que ellos no estén muy interesados en cambiar su actual tecnología con una nueva tecnología, lo que significa tomar un riesgo nuevamente". Donde si puede ser más popular es en procesos que aun no tienen mucha infraestructura construida, como la  ​osmosis directa.

Las perspectivas de negocio son distintas para otras de las aplicaciones creadas por Nair: un revestimiento de grafeno que, en vez de dejar que pase el agua, la mantiene fuera. Su me mostró un ladrillo cuya mitad fue pintada con el revestimiento de oxido de grafeno, una capa negra y lisa por sobre la superficie irregular. Vertió una pequeña cantidad de agua en los dos lados del ladrillo: en la superficie bruta el agua fue absorbida casi instantáneamente, pero en el lado revestido el agua se quedó en la superficie, en forma de burbuja.

Aquí hay un mercado. "Muchas personas están buscando un revestimiento que forme una barrera" dice Nair, especialmente dado los requerimiento de revestimientos anti corrosión en las industrias de construcción de barcos y de aplicaciones nucleares. "Ahora el desafío es hacer grandes cantidades y asegurarnos que funcione de la misma forma que lo hace a pequeña escala".

Agua vertida en la mitad de un ladrillo al que se le ha aplicado un revestimiento de grafeno. Imagen: Victoria Turk.

Aumentar las cantidades es clave para el siguiente capítulo en la historia del grafeno, tanto científico como comercialmente. Si bien los científicos están trabajando en encontrar formas de producir efectivamente grandes cantidades de grafeno y de probar sus propiedades a nivel masivo, el equipo de negocios en NGI está presionando para generar más interés e inversión.

Baker, el director de negocios, me explicó el problema en términos del "nivel de preparación tecnológico" o TRL, una escala de nueve puntos que estima la madurez de una tecnología. El primer punto en la escala es la idea original; el noveno es el producto final. El grafeno, dice, está actualmente entre los puntos dos y tres. "Los académicos normalmente hace uno, dos y tres" dice, "Y no es que luego sea aburrido, pero sus motivaciones tienden a ir hacia el proceso de descubrimiento".

El problema es que aun es muy pronto para que un negocio se interese con el clima relativamente adverso y riesgoso de hoy. Baker dice que estás en un "valle de la muerte" cuando el TRL va desde el punto tres al seis.

El Reino Unido ha sido criticado por quedarse atrás en la carrera de patentes que llega con el grafeno; Estados Unidos y China  ​han presentado muchas más. Baker admite que un campo lleno de patentes puede tener el efecto perjudicial de disuadir a que las compañías se involucren, pero él está confiado que con menos patentes que estén bien sustentadas triunfará sobre el efecto de "arma de dispersión" que se produce al patentar en algunos países, ademas que aun hay campo fértil para los descubrimientos.

Manchester no está pensando sólo en el Instituto nacional de grafeno. Antes incluso que abriera el NGI, otro centro está siendo planeado. Baker me mostró orgulloso un pequeño modelo del  ​Centro de ingeniería de grafeno, o GEIC, el que afectuosamente se pronuncia "geek".

Este también será financiado parcialmente por el gobierno, con 30 millones de libras esterlinas que provienen desde la compañía de energía Masdar, con oficinas en Abu Dhabi. Está diseñado para ser una fabrica más que laboratorios y oficinas: el NGI utiliza pequeñas cantidades de grafeno mientras que el GEIC utilizará kilos y toneladas. Luego, de acuerdo a la visión del grupo en Manchester, nacerá La ciudad del grafeno o Graphene city.  ​El nombre ya es una marca registrada.

Imagen: Universidad de Manchester.

El pago para las compañías que inviertan en grafeno aun no está claro y gracias a la cantidad de publicidad que existe alrededor del "material maravilloso" es fácil dejarse llevar.

Baker admite que hay una chance que el grafeno no pueda cumplir sus promesas, pero "creo que es muy baja" dice. Otro escenario puede ser que el grafeno haga una diferencia incremental. Si es incorporado a un material compuesto, por ejemplo, podría ser uno, cinco o 20 por ciento más liviano. Suena pequeño, pero Baker (quien tiene antecedentes en el mundo aerospacial) da el ejemplo de un avión A380, donde un pequeño porcentaje de perdida de peso pueden ser toneladas.

Donde las cosas se ponen interesantes es en el hecho que el grafeno va más allá de las mejoras graduales y saca lo mejor de sus múltiples propiedades. Al mismo tiempo que señala la posibilidad de crear un avión más fuerte y liviano, Baker señala su conductividad. Los aviones generalmente tienen una capa de malla de cobre para dispersar el calor de los rayos si alguno golpea directamente, ¿Pero qué pasaría si el grafeno hiciera esto innecesario? Y dando un paso más allá, ¿Qué pasaría si pudiéramos usar esta propiedad de transferencia de calor para reemplazar el sistema de deshielo? ¿O para cambiar la firma de calor de un avión espía militar?

"De la nada tiene estos efectos con muchas funciones que se traducen en la posibilidad de cambiar la forma en que diseñamos y creamos los aviones" dice Baker.

"Si logras ese efecto 'disruptivo', el grafeno ahora puede tener un gran impacto".

Esta historia es parte de "Los bloques de construcción de todo" una serie de historias de ciencia y tecnología que habla sobre los material. Lee más aquí: http://motherboard.tv/building-blocks-of-everything