El grafeno es un material extraordinariamente resistente, dado que tiene solo un átomo de carbono de grosor. Pero encontrar formas de hacer algo con él —que también sean asequibles— siempre ha sido un desafío.
Los científicos llevan mucho tiempo entusiasmados con el potencial del grafeno para revolucionar las tecnologías e incluso lo consideran una tecnología en sí mismo. El grafeno es el conductor de electricidad y calor más conocido. También es la superficie más fina y representa el material prodigioso de próxima generación para aplicaciones cotidianas en electrónica.
El Premio Nobel de Física de 2010 fue concedido a Konstantin Novoselov y Andre Geim por su trabajo pionero sobre las propiedades electrónicas del grafeno.
A continuación se produjo un gran revuelo en el mundo de la ciencia, con conceptos para revolucionar las pantallas electrónicas y los circuitos. Estas dos áreas constituyen la base de muchas tecnologías, por lo que el impacto del grafeno fue considerable.
Cómo fabricar grafeno
Para estas aplicaciones, era necesario producir grafeno industrialmente en forma de grandes películas delgadas sobre un material de soporte. Esto puso de relieve dos vías a las que podía destinarse el grafeno: como componente electrónico o como tecnología principal.
Pero estas vías eran bastante limitadas, pues se centraban únicamente en posibles oportunidades comerciales relacionadas con las industrias electrónicas.
La demanda exagerada de comercializar el grafeno rápidamente superó los desafíos interrelacionados que planteaba el procesamiento de nanomateriales. Por ello, pese a todo el entusiasmo, el grafeno aún no ha encontrado un uso generalizado porque es químicamente difícil de procesar.
Dejemos que la química encuentre un uso
En 2009 desarrollé la primera técnica para producir grafeno químicamente en cantidades a escala industrial.
Estaba claro que la química tenía un papel clave que desempeñar en el futuro uso de este material. Ahora podíamos crear cantidades de gramos y kilogramos de láminas de grafeno, átomo por átomo, mediante reacciones químicas.
Mi trabajo ha dado lugar a numerosos intentos de investigadores de todo el mundo por encontrar técnicas más viables para producir grafeno. Cada intento busca ser ingenioso, peculiar o más innovador que las técnicas anteriores.
Encontramos una vía que ya no requería aparatos costosos y que permitía transportar polvo de grafeno con una vida útil prolongada. Este es ahora un objetivo común entre los investigadores.
Este avance superó un principio clave que se pasó por alto durante la era de la física: el grafeno es, en esencia, un material cuya superficie lo es todo. En la interfaz de una superficie es donde ocurren cosas fascinantes y donde trabajan los químicos.
Para hacer algo útil con una superficie se necesita mucha, y ahora teníamos mucho grafeno. Las opciones para obtener mucho material de grafeno son sencillas: empezar extrayendo grafito del suelo, de yacimientos naturales, o producirlo químicamente en el laboratorio.
El grafeno producido químicamente ofrece una cantidad relativamente grande de superficie donde llevar a cabo reacciones químicas fascinantes. Es como disponer de un campo de fútbol bonito y liso para hacer rodar un balón.
Este grafeno, nada pegajoso
Pero cambiar la estructura química del grafeno y conservar sus excelentes propiedades físicas es increíblemente difícil. Esto se debe a una paradoja que permite la propia existencia del grafeno: la extraordinaria estabilidad de su superficie.
Las moléculas, como los metales y los gases necesarios para almacenar energía, sencillamente no se adhieren al grafeno. Imaginemos que todo lo que ponemos sobre una mesa se cae sin parar: la mesa no serviría de mucho.
Los intentos de cambiar la naturaleza química del grafeno se centraron en adherirle un pequeño número de moléculas. Esto ha limitado el uso del grafeno en nanotecnologías, ya que las baterías de próxima generación, las películas de energía solar y las pilas de combustible implican reacciones químicas más complejas.
Para utilizar grafeno en estas tecnologías, habría que adherirle moléculas con una química versátil.
Incorporemos el boro
Junto con mis colegas, hemos creado un nuevo material híbrido de grafeno al unir directamente grupos de boro a la superficie del grafeno.
El truco consistió en utilizar la red conjugada estable del grafeno para atrapar un grupo de boro altamente reactivo. La unión de este tipo de sustancias químicas abre la puerta a propiedades de materiales totalmente nuevas e interesantes, como una funcionalidad mejorada y una capacidad de respuesta organizada jerárquicamente.
Por ejemplo, pronto se podría utilizar este material para interactuar con moléculas biológicas, captar la luz solar para usarla en células solares y anclar metales para almacenar hidrógeno de manera eficiente.
Este trabajo permitirá comprender cómo conservan su función los materiales de grafeno después de procesarlos a gran escala. Ahora podemos llevar a cabo reacciones químicas precisas en el grafeno que, en última instancia, se traducirán en tecnologías basadas en grafeno más fiables y asequibles.
Hemos ampliado los límites a escala nanométrica y comenzado a encontrar nuevas formas de crear materiales desde cero, con propiedades fascinantes que puedan comercializarse.
Este artículo se publica en colaboración con The Conversation. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde las opiniones expresadas.
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Autor: Mohammad Choucair es investigador en la Universidad de Sídney.
Imagen: El tecnólogo sénior Dariusz Czolak sostiene una pieza de disco de carburo de silicio recubierta con una capa de grafeno. POLONIA-INNOVACIÓN/ REUTERS/Kacper Pempel.
