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4 de octubre de 2021

El Material del futuro ya está aquí

Los cristales puros y perfectos de grafeno conducen la electricidad, a temperatura ambiente, más deprisa que cualquier otra sustancia existente..

El Grafeno es es un material que se ha estado utilizando para desarrollar baterías para vehículos eléctricos.

El Material del futuro ya está aquí. El Grafeno es es un material que se ha estado utilizando para desarrollar baterías para vehículos eléctricos pero nuevas investigaciones le han encontrado otra utilidad. Escribe el perito Néstor Vidal. 
El grafeno es una lámina plana de carbono de un solo átomo de espesor que se apila junto con otras láminas iguales para formar el grafito: las "minas" de los lápices. Hasta hace muy poco no se consiguió aislar este material.
Los cristales puros y perfectos de grafeno conducen la electricidad, a temperatura ambiente, más deprisa que cualquier otra sustancia existente. Se piensa en productos basados en grafeno, entre ellos transistores ultraveloces. En él encuentran los físicos, el material que les permite probar fenómenos que antes sólo se creían observables en agujeros negros y aceleradores de partículas más conocidas como el “Elemento de Dios”.

El grafeno es un material nanométrico bidimensional, consistente en una sola capa de átomos de carbono fuertemente cohesionados mediante enlaces que presentan hibridación sp2 y dispuestos en una superficie uniforme, ligeramente ondulada, con una estructura semejante a la de un panal de abejas por su configuración atómica hexagonal. El grafeno es una de las formas alotrópicas del carbono, como lo son también el grafito y el diamante. Así, un milímetro de grafito contiene tres millones de capas de grafeno.

Es el material más resistente que se conoce en la naturaleza, 200 veces más fuerte que el acero estructural con su mismo espesor y más duro que el diamante, y, sin embargo, su grosor oscila entre 1 y 10 átomos de carbono. Al ser tan fino y apreciarse solamente dos de sus dimensiones, se le considera un material bidimensional, el único que es capaz de mantenerse estable hasta con el grosor de un átomo.

Es elástico y flexible, y está dotado de una gran conductividad térmica y eléctrica, lo que le permite disipar el calor y soportar intensas corrientes eléctricas sin calentarse. Es prácticamente transparente, hidrófugo y tan denso que ni siquiera el gas helio puede atravesarlo. Además, presenta otras muchas cualidades, como la alta movilidad de sus electrones, propiedad que eleva su potencial uso en los veloces nano dispositivos del futuro.

El grafeno tiene increíbles propiedades mecánicas, electrónicas, químicas, magnéticas y ópticas que lo han convertido en uno de los nanomateriales más estudiados en la actualidad. 

Además, al ser carbono puro, es abundante en la naturaleza y es casi un 90 % ecológico. Por todo ello, el grafeno promete miles de aplicaciones en sectores muy dispares y se cree que sustituirá en la próxima década a materiales tan importantes como el silicio. El espectro de posibilidades de su aplicación es de una amplitud y versatilidad tal que inaugura una verdadera revolución tecnológica
.
Su descubrimiento se les debe a los doctores Konstantin Novoselov y Andre Geim en el año 2004, ambos ganadores del Premio Nobel de Física en 2010.

Características particulares

❖ Es carbono puro.
❖ Es bidimensional, unas 100.000 veces más delgado que el cabello humano.
❖ Es el material más resistente de la naturaleza, 200 veces más que el acero estructural con su mismo espesor.
❖ Es más duro al rayado que el diamante.
❖ Es más flexible que la fibra de carbono y elástico.
❖ Con la misma densidad que la fibra de carbono, es 5 veces más ligero que el aluminio. Una lámina de grafeno de 1 m2 pesa solo 0,77 mg.
❖ Es hidrófugo, repele el agua y la corrosión.
❖ Es inerte químicamente, no reacciona con el oxígeno del aire ni se oxida.
❖ Posee una gran superficie específica (SSA) de 2.600 m2/g, de modo que un gramo bastaría para cubrir totalmente un campo de fútbol.
❖ Es tan denso que ni siquiera los átomos de helio son capaces de atravesarlo. Sin embargo, sí permite el paso del vapor de agua.
❖ Es casi transparente a la luz, pues la absorción óptica de una sola capa de grafeno es de solo ~2,3% en el espectro visible.
❖ Tiene una alta conductividad térmica y eléctrica, mayor que las del cobre y la plata.
❖ Se calienta menos al conducir los electrones (menor efecto Joule) y consume menos electricidad para una misma tarea que el silicio.
❖ Es multiplicador de frecuencias, por lo que permite trabajar a altas frecuencias de reloj.
❖ Soporta la radiación ionizante, con lo que es aplicable en ámbitos como el sanitario (radioterapia, etc.)
❖ Es biocompatible, no es tóxico para las células biológicas.
❖ Es bactericida, pero permite el crecimiento de células. Las bacterias no crecen en él y, por tanto, puede ser útil en la industria alimentaria o en la biomedicina en un futuro.
❖ Puede reaccionar químicamente con otras sustancias para formar compuestos nuevos con diferentes propiedades, lo que abre un abanico prácticamente ilimitado de campos de aplicación del grafeno.

¿Cómo se obtiene el grafeno?
El grafeno es un mineral que necesita para conservar todas sus propiedades, ser de la mayor calidad posible, porque cuanto peor sea menos aprovechable será.

Con el método tradicional de deshojar el grafito con cinta adhesiva, se obtiene el grafeno de mejor calidad, pero el proceso es lento y la productividad mínima, por lo que resulta insuficiente para la demanda que hay hoy en día.

El problema es que, hasta ahora, otro tipo de métodos para conseguir una mayor cantidad de este mineral, no han resultado efectivas ya que la calidad de este es realmente baja.

En la actualidad tenemos grafeno de dos formas.
• Grafeno en lámina: que es el de alta calidad, muy empleado en electrónica e informática, puesto que en estos dos sectores se requiere de un material altamente resistente.
• Grafeno en polvo: es de mucha menos calidad, el proceso de obtención es mucho más  barato y hay mucha más producción.
Desventajas del grafeno
Pero a pesar de los múltiples usos a los que ya se está aplicando, el grafeno también ofrece algunas desventajas. Eso implica que, hoy en día, no esté quizás tan extendido como se pensaba algunos años.

Uno de los principales hándicaps que presenta es el alto costo de su fabricación y manipulación. Además, las tendencias económicas dicen que a corto plazo será complicado que su uso se popularice. Hay estudios que afirman que, en el año 2025, el mercado del grafeno moverá en torno a 350 millones de dólares. Se trata de una cantidad muy pequeña con respecto a las altas inversiones que se están haciendo (se superan ampliamente los 2.400 millones).

Aunque las previsiones han mejorado estos últimos años y seguirán mejorando en los venideros, aún queda trabajo por hacer. Es complicado que el grafeno sea una alternativa competitiva y rentable en el mundo tecnológico y electrónico. Antes de que esto pase, deberán desarrollarse formas mucho más eficientes de producir grafeno en masa.

Haciendo una revisión, algunos científicos lograron probar hace algunos años que este material era nocivo para la salud si no se trata con acierto. Al parecer, los bordes dentados del material pueden perforar las membranas celulares y la piel de personas.

Asimismo, el grafeno tiene efectos secundarios sobre el medio ambiente. Por ejemplo, además de causar en los animales un daño similar al de las células humanas, puede moverse sin problemas a través del agua y contaminarla.

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