El grafeno es un material con numerosas aplicaciones potenciales, entre ellas fuentes de luz flexibles, paneles solares que podrían integrarse en ventanas y membranas para desalinizar y purificar agua. Pero todos estos posibles usos se enfrentan al mismo gran obstáculo: la necesidad de un método escalable y rentable para fabricar películas de grafeno de forma continua.
Eso podría cambiar por fin gracias a un nuevo proceso descrito esta semana en la revista Scientific Reports por investigadores del MIT y la Universidad de Michigan. A. John Hart, profesor asociado de ingeniería mecánica del MIT y autor principal del artículo, afirma que el nuevo proceso de fabricación rollo a rollo descrito por su equipo aborda el hecho de que, para que muchas de las aplicaciones propuestas del grafeno y otros materiales 2D sean viables, «habrá que producirlo en grandes superficies, de forma repetida y rentable».
Producir tales cantidades de grafeno supondría un gran salto con respecto a los métodos actuales, con los que los investigadores tienen dificultades para obtener pequeñas cantidades: a menudo extraen estas láminas de un bloque de grafito con cinta adhesiva, o producen una película del tamaño de un sello postal en un horno de laboratorio. Sin embargo, el nuevo método promete permitir la producción continua, utilizando una fina lámina metálica como sustrato, en un proceso industrial en el que el material se depositaría sobre la lámina mientras esta avanza suavemente de una bobina a otra. El tamaño de las láminas resultantes estaría limitado únicamente por la anchura de los rollos de lámina y por el tamaño de la cámara donde tendría lugar la deposición.
Como un proceso continuo elimina la necesidad de detenerse y reanudarse para cargar y descargar materiales de una cámara de vacío fija, como ocurre con los métodos de procesamiento actuales, podría permitir ampliar considerablemente la producción. Esto podría hacer realidad por fin las aplicaciones del grafeno, que posee propiedades electrónicas y ópticas únicas y es uno de los materiales más resistentes que se conocen.
El nuevo proceso es una adaptación de un método de deposición química de vapor que ya se utiliza en el MIT y en otros lugares para fabricar grafeno: se emplea una pequeña cámara de vacío en la que un vapor que contiene carbono reacciona sobre un sustrato horizontal, como una lámina de cobre. El nuevo sistema utiliza una química de vapor similar, pero la cámara tiene la forma de dos tubos concéntricos, uno dentro del otro, y el sustrato es una fina cinta de cobre que se desliza suavemente sobre el tubo interior.
Los gases fluyen hacia el interior de los tubos y salen por orificios colocados con precisión, lo que permite exponer el sustrato secuencialmente a dos mezclas de gases. La primera región se denomina zona de recocido y se utiliza para preparar la superficie del sustrato; la segunda es la zona de crecimiento, donde se forma el grafeno sobre la cinta. La cámara se calienta a aproximadamente 1.000 grados Celsius para llevar a cabo la reacción.
Los investigadores han diseñado y construido una versión del sistema a escala de laboratorio y han descubierto que, cuando la cinta avanza a una velocidad de 25 milímetros (1 pulgada) por minuto, se forma una capa única de grafeno muy uniforme y de gran calidad. Al hacerla avanzar 20 veces más rápido, sigue produciéndose un recubrimiento, pero el grafeno es de menor calidad y presenta más defectos.
Algunas aplicaciones potenciales, como las membranas de filtración, pueden requerir grafeno de muy alta calidad, pero otras, como los calentadores de película delgada, podrían funcionar suficientemente bien con láminas de menor calidad, afirma Hart, quien es profesor asociado Mitsui Career Development de Tecnología Contemporánea en el MIT.
Hasta ahora, el nuevo sistema produce grafeno que «no está a la altura de lo mejor que se puede obtener mediante procesamiento por lotes», afirma Hart, pero «que sepamos, sigue siendo al menos tan bueno» como el producido mediante otros procesos continuos. Según explica, seguir investigando detalles como el pretratamiento del sustrato para eliminar defectos superficiales no deseados podría mejorar la calidad de las láminas de grafeno resultantes.
El equipo está estudiando estos detalles, añade Hart, y aprendiendo sobre las compensaciones que pueden orientar la selección de las condiciones del proceso para aplicaciones específicas, por ejemplo, entre una mayor tasa de producción y la calidad del grafeno. Después, afirma, «el siguiente paso es entender cómo superar los límites y conseguir que sea 10 veces más rápido o más».
Hart afirma que, aunque este estudio se centra en el grafeno, la máquina podría adaptarse para fabricar de forma continua otros materiales bidimensionales, o incluso para cultivar matrices de nanotubos de carbono, que su grupo también está estudiando.
«Esta investigación de gran calidad representa un avance significativo en el camino hacia métodos escalables de producción de grafeno de gran superficie», afirma Charlie Johnson, profesor de Física y Astronomía de la Universidad de Pensilvania, quien no participó en este trabajo. «Creo que el enfoque de los tubos concéntricos es muy creativo. Tiene el potencial de reducir considerablemente los costes de producción del grafeno, si se puede ampliar para trabajar con láminas de cobre más anchas».
El equipo de investigación también incluyó a Erik Polsen y Daniel McNerny, de la Universidad de Michigan, y a los investigadores posdoctorales Viswanath Balakrishnan y Sebastian Pattinson, del MIT. El trabajo contó con el apoyo de la National Science Foundation y la Air Force Office of Scientific Research.
Este artículo se publica en colaboración con MIT News. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde las opiniones expresadas.
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Autor: David L. Chandler es escritor de MIT News.
Imagen: Un tecnólogo sénior sostiene un disco de carburo de silicio recubierto con una capa de grafeno. REUTERS/Kacper Pempel.
