Desde la observación de que la naturaleza está compuesta de elementos con atributos que les distinguen a unos de otros, la humanidad se ha esforzado por desarrollar la sustancia que cuente con todas las virtudes y ninguna de las debilidades. Son ya parte del imaginario colectivo los esfuerzos de los alquimistas para hacerse con la Piedra Filosofal, que debía ser generada tras arduos esfuerzos de combinación y depuración de varias sustancias y que, una vez conseguida, podía llevar a la perfección con su solo contacto a cualquier ente de los reinos animal o mineral.

Situados en la actualidad, la química heredera de la alquimia ha desarrollado distintos materiales, y el criterio a seguir es que contengan características caras al proyecto del progreso. Más resistentes que el acero, más flexibles que el profesor barco, mejores conductores de electricidad y ahora que el progreso adoptó el apellido de sustentable no contaminantes e inocuos a la salud humana son atributos con los que se busca dotar a los nuevos elementos desarrollados en los laboratorios de investigación de materiales.

Uno de estos nuevos materiales, y posiblemente el más prometedor, es el grafeno. Sus creadores, Andre Geim y Konstantin Novoselov, científicos de la Universidad de Manchester, fueron premiados con el Premio Nobel de Física en el 2010 por los experimentos que les llevaron a la consecución del grafeno. La historia de la obtención del grafeno dista mucho de los tortuosos caminos iniciáticos que debían recorrer los alquimistas para conseguir la Piedra Filosofal.

En el 2004, Geim buscaba un proyecto de investigación para Novoselov, que por entonces era su estudiante de doctorado. A la par, otro estudiante de Geim estudiaba el grafito mineral con el que se hacen las puntas de los lápices , y para ello necesitaba que el material tuviera una superficie limpia y pulida. Para lograrlo, se usaba una técnica high tech: colocaba una tira de cinta adhesiva sobre el grafito para luego tirar de ella. La cinta, pasado el procedimiento, se desechaba. Geim, en un momento eureka, le propuso a Novoselov investigar las capas de grafito que quedaban adheridas a las cintas. Entre todos esos segmentos de cinta adhesiva en la basura encontraron algunas con laminillas monocapas cristalinas de grafito adheridas a ellas, o, dicho de otro modo, con grafeno.

Si bien ya en 1961 científicos de la Universidad Ludwig Maximilians de Munich lograron aislar e identificar por primera vez las hojas del grafeno a partir del grafito, lo que decidió al comité del Nobel a premiar a Geim y Novoselov fue el lograr sintetizarlo.

El grafeno, un alótropo una variante del carbono, como el diamante y el grafito, se caracteriza por formar moléculas cuyos átomos adoptan un formato hexagonal, formando hojas traslúcidas de un átomo de espesor. Es esta forma la que le confiere características sobresalientes, entre las que se cuentan una dureza 100 veces mayor a la del acero, ligereza mayor al aluminio, alta flexibilidad y elasticidad, además de poseer alta conductividad térmica y eléctrica. El grafeno puede también reaccionar químicamente con otras sustancias para formar compuestos con diferentes propiedades, lo que le dota de gran potencial de desarrollo. Más denso que la fibra de carbono, ni el helio, el átomo de gas más pequeño, puede atravesarlo. Hasta el momento, es el único material conocido que puede combinar todas esas características simultáneamente.

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Las aplicaciones industriales del grafeno son numerosas, y se presume que su potencial es tal que aún no podemos vislumbrarlas todas. Pero, para documentar el asombro, aquí damos cuentas de algunas de ellas.
 

Industria deportiva



La raqueta de Novak Djokovic, tenista profesional serbio ranqueado número dos de la ATP, cuenta con un refuerzo interno de grafeno que va entre el mango y la cabeza de la raqueta. La patente de la empresa fabricante, dota a la raqueta de una mayor ligereza, resistencia y flexibilidad, lo que se traduce en que al golpear la pelota, ésta puede ser lanzada a mayor velocidad y con más fuerza, sin que esto afecte la integridad de la raqueta y sin que el tenista deba emplear mayor esfuerzo para ello.
 

Industria electrónica



Podría emplearse en la fabricación de microchips o de transistores, ambos elementos imprescindibles en prácticamente todos los dispositivos electrónicos. Existen diversas empresas que ya están desarrollando tintas conductoras, que es un tipo de tinta que conduce la electricidad y que se emplea para imprimir circuitos, a partir de grafeno. Además, por sus especiales características los componentes electrónicos de este material permitirán el desarrollo de dispositivos flexibles que podrán enrollarse o plegarse según las necesidades.
 

Informática



El uso del grafeno permitirá el desarrollo de ordenadores mucho más rápidos y con un menor consumo eléctrico que los actuales de silicio. Además, se estima que un disco duro de este compuesto, del mismo tamaño que uno de los empleados actualmente, podría almacenar hasta mil veces más información.
 

Telefonia móvil



Con el grafeno se crearía una nueva generación de dispositivos ergonómicos, sin formas ni colores preestablecidos, con pantallas flexibles, plegables y táctiles. Diversos estudios recientes han comprobado cómo nanocircuitos de grafeno podrían mejorar de manera significativa la velocidad y calidad de las comunicaciones inalámbricas. Realmente, este tipo de productos suena casi a ciencia ficción, pues medirían mil millones de veces menos que un metro.
 

Sector energético



Por sus propiedades energéticas, el grafeno permitirá la creación de baterías de larga duración que apenas tardarán unos segundos en cargarse. Las energías renovables pasarán a un plano más relevante, ya que, entre otros, las placas solares recubiertas de este material serán mucho más eficientes y permitirán una forma más ecológica de consumo energético. Como dato relevante, los paneles solares cubiertos con grafeno pueden producir electricidad al contacto con el agua, lo que los hará productivos aún en días nublados por lluvia.

Según el Consejo Minero de Chile, estudios muestran que el grafeno tendría 60% de mayor conductividad eléctrica que el cobre, el hasta ahora mejor conductor eléctrico conocido. Esta propiedad del grafeno, sumada a todas las demás ya descritas líneas arriba, hacen que los científicos del sector energético planteen que el desarrollo del grafeno a escala industrial sería equivalente a una nueva revolución industrial.
 

Industria del blindaje



La extrema dureza del grafeno, unida a su capacidad de moldearse y a su ligereza, lo hace un compuesto ideal para ser empleado en esta industria. Chalecos antibalas, cascos y multitud de elementos de protección que se emplean por diversos profesionales pasarán a ser mucho más ligeros y seguros.
 

Industria automotriz



Su aplicación en el chasis de los vehículos los haría mucho más resistentes, por lo que el número de muertes en accidente de circulación anuales se podría reducir drásticamente. Los autos híbridos y eléctricos crecerán en ventas, debido a que serán equipados con baterías que les conferirán mayor autonomía, con tiempos de carga mínimos que facilitarán que los conductores más reacios a estos vehículos los vean con otros ojos.
 

Industria del motor y los combustibles



Hará de ambos más ecológicos y eficientes. Actualmente, es de dominio público que el Pentágono ha invertido una gran cantidad de dinero para fomentar el desarrollo de un aditivo basado en el grafeno que mejore el rendimiento de los aviones militares en cuanto a consumo y rendimiento.
 

Industria alimentaria



Posibilitará la creación de envases para alimentos más seguros o recubrimientos para los muebles del hogar que impidan el desarrollo de bacterias en su superficie.
 

Tratamiento de aguas



Debido a su peculiar estructura de alta densidad permeable al agua, se estudia su posible uso para la desalinización del agua. Algunos datos obtenidos a partir de estos proyectos predicen que se podrá realizar esta tarea en un tiempo muy inferior y con un coste mucho más reducido.

Desarrollo de la ciencia: La alta reactividad del grafeno con otros elementos químicos distintos del carbono es una de las características que más atrae la atención en el campo de la investigación. Ya se han descubierto algunos derivados del grafeno, como es el caso del grafano, que mediante la adición de hidrógeno en su estructura molecular da como resultado un nuevo material aislante.
 

El talón del grafeno



La suma de atributos y el enorme potencial que significa elevan a este material a rango de héroe mítico. Pero, si algo nos han mostrado los mitos antiguos con Aquiles, y ahora los modernos con Superman, es que por más poderoso que se sea, siempre hay una debilidad, una talón frágil o un mineral asesino venido del planeta natal. El grafeno, fiel al camino del héroe, muestra un punto débil.

La debilidad actual del grafeno es su producción. Debido a sus costos y, en el caso de algunos procesos para fabricarlo, por sus consecuencias contaminantes, la producción de grandes muestras es limitada y reservada hasta ahora a los laboratorios. La producción a gran escala industrial espera a que se desarrollen técnicas baratas y viables. Hasta ahora, las diferentes técnicas tradicionales de fabricación por orden ascendente de escalabilidad son:

Exfoliación con cinta adhesiva: Scotch Tape
Deposición desde la fase vapor: CVD (Chemical Vapor Deposition)
Exfoliación con disolventes: Liquid Phase Exfoliation
Mediante descarga de arco eléctrico y generación de plasma.
Oxidación-Reducción.

La calidad de las muestras va en sentido contrario al de la escalabilidad: a más escalabilidad del proceso menor calidad de las muestras. Con la técnica de oxidación-reducción se obtienen muestras de grafeno que presentan superficies sin irregularidades, lo que las hace de mayor calidad por poseer en mayor grado las cualidades ya citadas del grafeno. En cambio, con la técnica de exfoliación con cinta adhesiva se obtienen muestras con irregularidades que causan que el grafeno vea mermadas dramáticamente sus características.

Recientemente, investigadores de la Universidad de Rice han conseguido sintetizar grafeno a partir del azúcar común a 800° C, proceso con el cual se han obtenido muestras de alta calidad. Otra nueva técnica procede del IPCPAS-Instituto de Química Física de la Academia Polaca de Ciencias conjuntamente con el IRI-Instituto de Investigación Interdisciplinaria de Lille. La técnica de fabricación que utilizaron fue la oxidación del grafito obteniéndose un polvo llamado óxido de grafito. Posteriormente se suspende en agua y se coloca en un limpiador ultrasónico. Los ultrasonidos separan las láminas oxidadas de grafeno y permiten la obtención de escamas de grafeno de 300 nm de espesor.

China es el principal productor (y consumidor) de grafito, con 80% de la participación mundial, y en otros lugares, como en España, se encuentran diversos proyectos en etapa de exploración que tienen como objetivo obtener grafeno. La obtención de grafeno a partir de grafito se realiza costos extremadamente elevados. Algunos cálculos hechos en el 2014 apuntan a que el precio de obtención de grafeno bordearía los 50,000 dólares por kilo.
 

Valor estratégico



En el 2013, la Comisión Europea echó a andar un proyecto de investigación del grafeno, con un presupuesto de 1,000 millones de euros a diez años, para sacarlo de los laboratorios e incorporarlos a la industria. Coordinado por Jari Kinaret, de la Universidad Tecnológica de Chalmers en Gotemburgo (Suecia), el proyecto implicará a 126 grupos académicos e industriales, procedentes de 17 países europeos, con un presupuesto inicial de 54 millones de euros para los primeros 30 meses. El consorcio académico?industrial se ampliará a otros 20 o 30 grupos a través de convocatorias abiertas.

México cuenta con el Laboratorio Nacional de Materiales Grafénicos, en el Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA) en Saltillo, Coahuila. En dicho laboratorio se agrupan los esfuerzos de académicos, científicos, y técnicos especializados para estudiar al grafeno y desarrollar sus aplicaciones.

Las proyecciones para el grafeno son que sustituirá en un futuro a metales como el cobre y a minerales como el silicio. Ambos materiales son de uso extensivo en varias industrias, cotizan en mercados y son reservas estratégicas como en el caso del cobre para varios países. De lograr en el corto plazo una técnica de producción de grafeno barata y asequible, la configuración económica, financiera e industrial en el mundo podría cambiar radicalmente.

Tanto la piedra filosofal de la Alquimia como el grafeno de los químicos del Nobel debieron ser generados; ambas sustancias concentran en sí todas las cualidades deseables de una época; también comparten la virtud de que al asociarse con otros elementos, los productos de dicha asociación son notables. Sólo hay una diferencia: una pertenece a los mitos, y la otra es una realidad.

luis.martinez@eleconomista.mx