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— Tutorial nº 119 —

Propiedades y Aplicaciones del Grafeno

Índice de contenidos:

1- Introducción

1.1- Generalidades

1.2- Estructura atómica del grafeno

2- Propiedades del grafeno

2.1- Generalidades

2.2- Conductividad eléctrica

2.3- Conductividad térmica

2.4- Propiedades mecánicas

2.5- Otras propiedades: densidad, capacidad aislante, propiedades ópticas...

2.6- Resumen de las principales propiedades del grafeno

3- Principales aplicaciones del grafeno

3.1- Almacenamiento de energía: supercondensadores y baterías

3.2- Fabricación de células solares fotovoltaicas

3.3- Fabricación de dispositivos electrónicos

3.4- Fabricación de pantallas táctiles flexibles

3.5- Fabricación de nuevos materiales compuestos

3.6- Otras aplicaciones del grafeno


DESARROLLO DEL CONTENIDO


1- Introducción

1.1- Generalidades

En este tutorial se van a estudiar las propiedades y aplicaciones del grafeno, un material que debido a sus excelentes propiedades, se considera que puede suponer una auténtica revolución en la industria y con muchísima aplicación en multitud de sectores de nuestra vida cotidiana.

Estructura interna del grafeno

El grafeno es un material constituido en su composición química exclusivamente por átomos de carbono (C), al igual que el grafito, conformando una red cristalina de tipo hexagonal con los átomos de carbono situados en los vértices.

En este sentido, el grafeno se puede considerar como el nombre específico que se le da al material que está formado por una sola capa atómica de grafito.

El grafito es un material cristalino formado por capas compuestas exclusivamente de átomos de carbono unidos por enlaces de tipo covalente, existiendo entre las capas sólo una interacción de tipo Van der Waals.

Por todo ello, el grafeno pertenece a la familia de los llamados alótropos del carbono, a la que pertenecen también, además del diamante, los fullerenos y los nanotubos de carbono.

El grafeno, por tanto, está formado por una sola capa de átomos de carbono que conforman una red cristalina de mínimo espesor correspondiente a una única capa atómica (monocapa), por lo que se puede considerar que el grafeno es un material de tipo bidimensional.

Lámina de grafeno

El hallazgo de este tipo de cristales estrictamente bidimensionales supone una auténtica novedad, dado que generalmente la estructura interna de los materiales suelen disponerse en el espacio formando redes cristalinas complejas y sin embargo, en el caso del grafeno, éste se presenta formando una red cristalina bidimensional, en forma de láminas o capas aisladas bidimensionales que resultan totalmente estables.

 

1.2- Estructura atómica del grafeno

Como se ha dicho, el grafeno está formado por una sola capa de átomos de carbono, conformando una red cristalina bidimensional de tipo hexagonal, en forma de panel de abeja, con un átomo de carbono en cada vértice de la red. En este sentido, el grafeno se presenta conformando una red cristalina de mínimo espesor correspondiente a una única capa atómica (monocapa), y donde todos los átomos de carbono de la red cristalina se unen entre sí mediante enlaces covalentes, lo que va a conferir a la red de una elevadísima resistencia a la rotura.

El átomo de carbono tiene cuatro electrones en su capa de valencia, donde tres de ellos tienen una hibridación sp2 y se encuentran formando enlaces covalentes tipo σ en el plano con un ángulo de 120°, y uno se encuentra en un orbital perpendicular tipo p. El solapamiento lateral de los orbitales tipo p dará lugar a la formación de enlaces tipo π.

Estos enlaces forman un inmenso orbital molecular deslocalizado (nube π) entre todos los átomos de carbono que constituyen la capa de grafeno. Este gran orbital π no afecta de una manera relevante a la rigidez y dureza del grafeno, pero es el responsable de la gran movilidad electrónica que presenta.

Esquema del solapamiento de orbitales entre átomos de carbono

Los átomos de carbono en el grafeno se encuentran separados una distancia de 1,42 Å. El parámetro de red (indicados como a1 y a2 en la figura adjunta) es de 2,46 Å y tiene dos átomos de carbono por celda unidad.

El grafeno, como se ha dicho, se presenta como una red con el espesor de una única capa de átomos (monocapa), lo cual ha supuesto una auténtica revolución en la ciencia de los materiales, y es la responsable directa de las excelentes propiedades de este material.

Como se verá más adelante, el grafeno es el material que ofrece la mejor conductividad eléctrica, el mejor conductor de calor que se conoce, el material con una mayor resistencia mecánica a la rotura, incluso muchísimo más que las mejores calidades de aceros, además de otras muchas propiedades interesantes y que se expondrán más adelante en este tutorial.

2- Propiedades del grafeno

2.1- Generalidades

Como ya se indicó, la particularidad del grafeno que le confiere unas propiedades verdaderamente extraordinarias radica en su estructura atómica interna, formado por una red cristalina bidimensional de átomos de carbono unidos fuertemente por enlaces de tipo covalente.

Desde este punto de vista atómico, el grafeno es el material más delgado que jamás se haya podido obtener: una lámina de grafeno está formada por una sola capa de átomos de carbonos enlazados, y tiene un espesor de tan sólo 3,35 Å (es decir, 3,35·10-10 m.).

Por todo ello, el grafeno se trata de un material muy ligero de peso: la densidad del grafeno es de tan sólo 0,77 mg/m2. Así, dada su bajísima densidad se podrían cubrir grandes extensiones de terreno empleando una capa de grafeno que pesase tan sólo unos pocos gramos.

 

2.2- Conductividad eléctrica

Si hay alguna propiedad que hace del grafeno un material impresionante, ésta es la conductividad eléctrica que posee. La conductividad eléctrica del grafeno está al nivel de los materiales mejores conductores de la electricidad que existen.

A continuación se incluye los valores de la conductividad eléctrica del grafeno, junto con otros materiales conductores que se emplean en componentes eléctricos, con objeto de poder compararlos:

PROGRAMA DE COLABORACIÓN

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•  Conductividad eléctrica del Grafeno:  0,96·108 (Ω·m)-1

•  Conductividad eléctrica del Cobre:  0,60·108 (Ω·m)-1

•  Conductividad eléctrica del Silicio:  4,5·10-4 (Ω·m)-1

De lo visto en los valores anteriores de conductividad, se desprende que el grafeno es un magnífico conductor de la electricidad.

Pero, por qué es el grafeno tan buen conductor. La respuesta hay que buscarla de nuevo en su estructura interna. Gracias a su particular disposición espacial de los átomos de carbono en el grafeno, y al enlace de tipo covalente que se establece entre ellos, los electrones se pueden desplazar sobre su superficie a una velocidad increíblemente elevada, mayor que en ningún otro material conocido.

Investigaciones recientes han podido medir dicha velocidad arrojando unos resultados sorprendentes: se mueven alrededor de 1000 km/s, tan sólo 300 veces inferior a la velocidad de la luz en el vacío. Por tanto, se puede decir que, en el caso del grafeno, su estructura interna proporciona un camino libre de obstáculos para la rápida circulación de los electrones, que son los que conducen la electricidad.

Pero además, en el caso del grafeno, además de ser un excelente conductor de la electricidad, se calienta muy poco cuando circula la corriente eléctrica por él. Recordemos que el efecto Joule en los materiales consistía en que cuando circula corriente eléctrica a través de un material, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por el que circulan, elevándose la temperatura del material. En el caso del grafeno, como el choque de los electrones con los átomos de carbono es muy pequeño, resulta un menor efecto Joule.

En efecto, en cualquier material, por el mero hecho de estar a una temperatura determinada, posee una cierta energía asociada a esa temperatura, que se traduce en una especie de vibración de su red atómica. Cuando por un material circula corriente eléctrica, los electrones que se mueven a través del material pueden chocar con estos átomos vibrantes, dando lugar a la conocida "resistencia eléctrica", que es una propiedad intrínseca de todo material y no puede eliminarse a menos que el material se enfríe hasta cerca del cero absoluto.

En el caso del grafeno, ciertos estudios han demostrado que las vibraciones térmicas tienen un efecto muy pequeño sobre los electrones cuando circulan a través del grafeno, de tal modo que los átomos que vibran a temperatura ambiente producen una resistividad que es cerca del 35 por ciento menor que la resistividad de la plata, que es el material de más baja resistividad a temperatura ambiente conocido hasta el momento.

Como resultado, el grafeno es un material que se calienta muchísimo menos que lo haría cualquier otro material cuando circula la corriente eléctrica por él, debido precisamente a que tiene un menor efecto Joule.

 

2.3- Conductividad térmica

Otra propiedad donde destaca notablemente el grafeno es en poseer una extraordinaria conductividad térmica. Este hecho permite al grafeno tener mucha utilidad en aquellas aplicaciones donde se requiera de un material que conduzca bien el calor. Y hay que decir que el grafeno, como conductor del calor, es mejor que cualquier otro material conocido.

Como dato, a continuación se adjunta los valores de la conductividad térmica a temperatura ambiente del grafeno y su comparación con la del cobre, que es un excelente conductor del calor.

•  Conductividad térmica del grafeno:  5.000 W·m-1·K-1

•  Conductividad térmica del cobre:  400 W·m-1·K-1

De nuevo, la explicación de por qué el grafeno es tan buen conductor del calor hay que buscarla en su estructura interna, y en la facilidad que tienen los átomos de carbono que componen la red cristalina del grafeno para moverse, en comparación con la de otros materiales.

Esta alta conductividad térmica del grafeno, su estructura en forma de láminas bidimensionales con un espesor finísimo y de muy poco peso, y su buena capacidad para poder integrarse con el silicio, hace que el grafeno sea actualmente un material muy empleado en la fabricación de dispositivos electrónicos.

De hecho, el grafeno se está empleando muchísimo como material que sirva para la evacuación de calor en los dispositivos electrónicos, también se está aplicando para la fabricación de disipadores térmicos, así como material que combinado con otros materiales den lugar a nuevos compuestos con una gran conductividad térmica.

 

2.4- Propiedades mecánicas

El grafeno es el material con la mayor resistencia mecánica de todos los materiales conocidos en la naturaleza, incluso es mucho más resistente que el más resistente de los aceros. Esta propiedad hace del grafeno que sea un material que pueda resultar de gran utilidad en aquellas aplicaciones donde se requiera de una gran resistencia mecánica y de muy poco peso.

Resistencia mecánica del grafeno

El origen de la gran resistencia mecánica que ofrece el grafeno hay que buscarlo en los enlaces covalentes tipo σ que se establece entre los átomos de carbono que conforman su red cristalina.

Las principales propiedades mecánicas de un material, como son su tensión de rotura, su rigidez, fragilidad, resiliencia o su tenacidad se pueden deducir de la curva de tensión-deformación que se obtiene del ensayo de tracción de una muestra de material.

Como se sabe, este ensayo consiste en someter a una probeta cilíndrica de material a una determinada tensión mecánica (σ) (fuerza por unidad de área) en la dirección longitudinal a su eje principal, hasta lograr que se produzca su rotura, midiéndose entonces la deformación que se origina (ε) en la probeta.

Los valores de resistencia mecánica en los materiales convencionales (macroscópicos) se refieren a la fuerza necesaria para la rotura de una muestra de material con una sección determinada, y por lo tanto, sus unidades se miden en N/m2 (Newton/metro2).

Pero este tipo de ensayos no se pueden llevar a cabo para determinar las propiedades mecánicas de materiales que se constituyen en forma de membranas microscópicas, como es el caso del grafeno.

Este material, al configurarse como una lámina bidimensional donde se obvia el grosor de la lámina, dado que se trata de láminas de espesores atómicos, se introduce el concepto de módulo de Young bidimensional y resistencia mecánica bidimensional (E2D, σmáx2D), que se refiere a la fuerza que necesitamos para deformar una lámina con una determinada longitud transversal, y por lo que tendrán unidades de N/m.

Fuerza atómica para calcular el límite elástico del grafeno

Para medir la resistencia mecánica de una lámina de grafeno se suele emplear un microscopio de fuerza atómica, que presiona perpendicularmente la lámina de grafeno para doblarla y obtener así su límite de rotura.

Las primeras medidas directas del módulo de Young fueron obtenidas experimentalmente realizando indentaciones sobre membranas de grafeno suspendidas y ancladas en sus bordes, haciendo uso de un microscopio de fuerzas atómicas.

Fue la primera vez que se midió el módulo de Young de una sola capa atómica de grafeno, obteniéndose un valor de 340 N/m para el E2D del grafeno. Esto implica un valor del módulo de Young tridimensional (E) de 1 TPa.

Como resultado de estos ensayos se concluye que los sólidos de red covalente basados en átomos de carbono, como son el diamante, los nanotubos y el grafeno, tienen los valores del módulos de Young más altos que se han medidos en cualquier otro material.

Para poder realizar comparaciones de estas magnitudes bidimensionales con las correspondientes de los materiales convencionales se suele normalizar dividiendo por la separación entre capas que presenta el material en su forma de cristal tridimensional. En el caso del grafeno se deberá dividir por la distancia entre capas del grafito (0,335 nm).

Esquema explicativo del origen de las unidades del módulo de Young bidimensional y tridimensional

El elevado valor obtenido para el módulo de Young nos indica que el grafeno es un material sumamente elástico, que puede soportar grandes presiones modificando su elongación sin sufrir rotura.

Otra de las propiedades excepcionales del grafeno es su alta resistencia mecánica, que se caracteriza mediante la tensión de rotura. Por definición, la tensión de rotura (σmáx) es la máxima tensión mecánica que puede soportar un material antes de romperse, es decir, se corresponde con el punto máximo de tensión en la curva de tensión-deformación del material.

Curva tensión-deformación del grafeno

Según la curva tensión-deformación del grafeno, que se muestra en la figura adjunta, los valores que se han obtenido experimentalmente para la tensión de rotura bidimensional del grafeno son extremadamente altos, de valor σmáx2D = 42 N/m (tensión a la rotura de una lámina de grafeno).

Este valor de rotura para una lámina de grafeno implica una tensión de rotura tridimensional de σmáx3D = 130 GPa, que es el valor de resistencia a la rotura más alto medido en cualquier material. Esta tensión de rotura del grafeno se alcanza a una deformación (ε) de aproximadamente el 20%.

Por tener una idea de la extraordinaria resistencia mecánica que puede ofrecer el grafeno, se puede comparar con la resistencia de los mejores aceros estructurales, cuyos valores están en el orden de ~500 MPa, es decir, que el grafeno presenta una resistencia mecánica a la rotura unas 200 veces mayor que el mejor de los aceros.

Por otro lado, el grafeno presenta una rotura frágil, o dicho de otra manera, que la deformación es reversible mientras que la tensión esté por debajo del punto de rotura. En este sentido, el grafeno no sufre deformación plástica permanente, sino que se comporta de manera elástica en todo momento hasta que alcanza su punto de rotura. Por lo tanto, se tiene que su resiliencia y tenacidad son la misma, y se estima en un valor de ~205 N/m.

El coeficiente de Poisson (ν), otra de las propiedades mecánicas que caracteriza a los materiales, sirve para cuantificar el estrechamiento transversal de la sección cuando a una pieza se le somete a un estiramiento longitudinal, de manera que la pieza sufre una contracción en la dirección perpendicular a la del estiramiento. Su expresión sería la siguiente:

 

εtransversal

 

ν =  


 

 

εlongitudinal

 


Recientes estudios demuestran que el coeficiente de Poisson del grafeno da valores muy cercanos al del grafito, por lo que se suele tomar igual a éste, de valor ν = 0,165.

A continuación, y a modo de resumen, se incluyen los valores asociados a las propiedades mecánicas más representativas del grafeno:

•  Resistencia mecánica a la rotura:  130 GPa

•  Módulo de Young (E):  1 TPa

•  Coeficiente de Poisson (ν):  0,165

•  Resiliencia y Tenacidad:  205 N/m

En conclusión, y debido a que el grafeno es un material que ofrece una combinación de flexibilidad, una elevadísima resistencia, y muy poco peso, ofrece un increíble potencial para su aplicación en industrias tan importantes como la del automóvil o la aeronáutica, que permita el desarrollo de vehículos y aeronaves menos pesados, más seguros y resistentes.

 

2.5- Otras propiedades de interés

En este apartado se van a relacionar otras propiedades interesantes del grafeno que hacen de este material uno de los de mayor potencial de desarrollo en el futuro.

-  Capacidad de reacción con otros compuestos:

El grafeno es un material que puede reaccionar químicamente con otras sustancias. Esta propiedad permite poder combinar el grafeno con otros materiales con objeto de obtener otros nuevos compuestos que tengan diferentes y mejoradas propiedades.

Un ejemplo de esto es el desarrollo de nuevos tipos de nanocomposites que se combinan con láminas de grafeno con objeto de mejorar algunas de sus propiedades, como aumentar su resistencia mecánica. De esta manera, estos materiales se pueden emplear como sustitutivos de plásticos en diversas aplicaciones, consiguiéndose una reducción de peso en las piezas finales, además de mejorar las prestaciones de resistencia mecánica, térmicas y eléctricas.

-  Capacidad aislante:

Se ha descubierto que membranas fabricadas por un compuesto donde interviene el grafeno, en concreto membranas de óxido de grafeno, son impermeables a todos los gases y líquidos conocidos.

Ello es debido a que la estructura interna de estas membranas hechas con óxido de grafeno presentan una densidad atómica muy alta, que impide el paso de otras moléculas a través de ellas.

Lámina de grafeno transparente

-  Propiedades ópticas:

El grafeno es un material que se puede considerar prácticamente transparente, ya que absorbe casi el 2,3% de la intensidad de la luz blanca que llega a su superficie (transmitancia aproximada del 97,7%).

Esta propiedad, unida a la extraordinaria flexibilidad que posee el grafeno y su excelente conductividad eléctrica, permite el empleo de este material para la fabricación de circuitos flexibles y transparentes, lo que abre la puerta a su uso en múltiples aplicaciones asociadas a las nuevas tecnologías.

Así, el grafeno se está empleando en la actualidad en la fabricación de pantallas táctiles flexibles para dispositivos electrónicos, resultando pantallas de una vida útil casi ilimitada y a un costo de fabricación muy competitivo.

-  Propiedades magnéticas:

El grafeno no es un material magnético. Sin embargo, su estructura interna puede ser modificada artificialmente de manera que permita dotar al grafeno de propiedades magnéticas si para ciertas aplicaciones fuese necesario.

 

2.6- Resumen de las principales propiedades del grafeno

A continuación se incluye un resumen de las propiedades y características más importantes y que mejor caracterizan al grafeno en sus muchas aplicaciones prácticas:

-  La composición química del grafeno es carbono puro, distribuyéndose los átomos según una red cristalina plana de tipo hexagonal.

-  El grafeno es un material bidimensional y muy ligero. Se presenta en forma de láminas delgadísimas y de muy poco peso, con una densidad de tan sólo 0,77 mg/m2.

-  El grafeno es el material más resistente de la naturaleza, incluso 200 veces más resistente que el mejor de los aceros, estimándose el valor de su resistencia mecánica a la rotura en 130 GPa.

-  El grafeno tiene una alta conductividad térmica y eléctrica, incluso mayor que las del cobre y la plata, que son excelentes conductores.

-  El grafeno se calienta menos al conducir la electricidad (menor efecto Joule) y, por tanto, es más eficiente que otros muchos materiales conductores al incurrir en menos pérdidas por generación de calor.

-  El grafeno es más duro a ser rayado que el diamante.

-  El grafeno, mientras no alcance su rotura, es más flexible que la fibra de carbono, y más elástico.

-  El grafeno es hidrófugo, es decir, que repele al agua y la corrosión.

-  El grafeno No reacciona con el oxígeno del aire, ni se oxida, lo que garantiza su gran durabilidad.

-  El entramado atómico interno de las láminas de grafeno en muy denso, lo que las convierte en impermeables a gases y líquidos. Sin embargo, permite el paso del vapor de agua.

-  Las láminas de grafeno son casi transparentes a la luz. La absorción óptica de una lámina de grafeno es de aprox. 2,3% en el espectro visible.

-  Las láminas de grafeno soportan la radiación ionizante, por lo que es un material que puede ser utilizado en ámbitos con riesgos de radiación, como el sanitario (radioterapias, etc.).

-  El grafeno es biocompatible, es decir, que el grafeno no es tóxico para las células biológicas.

-  Aunque el grafeno permite el desarrollo de células biológicas es también un excelente bactericida, o sea, que las bacterias no crecen en él, por lo que el grafeno puede ser utilizado en la industria de la alimentación o de la biomedicina.

-  El grafeno puede combinarse con otros materiales y dar lugar a nuevos compuestos que mejoren las propiedades, lo que amplía sus posibilidades de usos.

3- Principales aplicaciones del grafeno

3.1- Almacenamiento de energía: supercondensadores y baterías

En el mundo actual, donde el uso de las energías renovables cada vez tiene mayor importancia, el almacenamiento de la energía es el cuello de botella que puede limitar la implantación más generalizada de estas energías menos contaminantes.

Un ejemplo claro se tiene en el desarrollo del coche eléctrico, donde el tamaño de las baterías y su peso condiciona mucho la autonomía del vehículo. Así, los fabricantes de vehículos se ven obligados a emplear baterías sobredimensionadas para así poder compensar la pérdida de eficiencia que se producen en las baterías durante su tiempo de uso, o para evitar que las baterías no lleguen a descargarse por completo, dado que podrían dañarse.

Una posible solución al empleo de las baterías convencionales basadas en reacciones químicas, es el uso de condensadores. Un condensador es un dispositivo eléctrico que puede almacenar carga eléctrica en sus placas sin necesidad de reacciones químicas.

Los condensadores tienen la ventaja de conseguir una carga inmediata de electricidad y de aguantar un número de ciclos de carga y descarga ilimitado. El problema radica en que, a igualdad de peso, la capacidad de almacenamiento de un condensador representa tan sólo un 5% la capacidad de almacenamiento que podría ofrecer una batería.

Condensador de grafeno

Una solución donde actualmente se trabaja es en la fabricación de nuevos supercondensadores basados en el grafeno. Como se sabe la capacidad de almacenamiento de un condensador depende en gran medida del área de las placas que lo conforman, es decir, a mayor área de placas mayor capacidad, pero también mayor peso del dispositivo.

Sin embargo, si se emplean nuevos materiales más ligeros y que a la vez sean buenos conductores, se podría conseguir mejorar la relación superficie de placa / peso del condensador. Y aquí es donde el grafeno tiene su oportunidad.

El grafeno es un superconductor de la electricidad y muy ligero de peso, que ofrece una gran superficie específica (alrededor de 2675 m2/g), lo que permitiría fabricar capas para condensadores muchísimo más ligeras y de mayor tamaño, lo que aumentaría la capacidad de almacenamiento de energía del condensador sin necesidad de aumentar en exceso el peso del condensador.

-  Baterías:

El empleo de baterías que almacene la energía eléctrica para su posterior uso es cada vez más habitual, pensemos en su uso en los vehículos eléctricos o en aplicaciones de autoconsumo eléctrico en viviendas, etc.

Por tanto, es de vital importancia el desarrollo de baterías que sean cada vez más eficientes, que su recarga sea lo más rápida posible, y que tenga una vida útil lo más duradera, es decir, que soporte el mayor número de ciclos de carga y descarga sin perder eficiencia y capacidad de almacenamiento.

En este sentido, el grafeno debido a que ofrece una gran superficie específica y una inmejorable conductividad se presenta como la gran alternativa al grafito para la fabricación de los ánodos de las baterías de ión litio que se usan actualmente.

El uso del grafeno para fabricar estos nuevos electrodos va a permitir que las nuevas baterías de grafeno puedan conservar la carga hasta diez veces más y que se puedan realizar su recarga diez veces más rápido que las que utilizan grafito.

 

3.2- Fabricación de células solares fotovoltaicas

El grafeno también tiene una aplicación importante en la fabricación de células solares fotovoltaicas que permita que se fabriquen células más ligeras, flexibles y baratas.

Celda solar fotovoltaica fabricada con grafeno

En la fabricación de celdas solares fotovoltaicas se emplea una hoja de una capa de grafeno de alta conductividad que se combina con una fina malla de nanocables metálicos, y que servirán para transportar la corriente eléctrica que se genera entre las células que conforman el panel fotovoltaico.

Sin embargo, uno de los mayores problemas que presenta el grafeno para ser aplicado en la fabricación de células solares fotovoltaica es que es muy transparente, de manera que sólo puede absorber alrededor del 3% de la energía de la luz solar que le llega. Esto haría que la mayor parte de fotones que chocasen con la célula solar pasarían a través de la lámina de grafeno sin participar en la generación de corriente eléctrica.

Este inconveniente está siendo solventado adhiriendo sobre la superficie de pequeñas láminas de material de oro y titanio de tan sólo unos nanómetros de anchura. Con ello se consigue aumentar la opacidad de la célula de grafeno de manera considerable, de tal forma que se logra absorber más del 60% de la luz incidente.

En este sentido, se estima que las células solares fotovoltaicas con grafeno podrían alcanzar una eficiencia de conversión de un 10%, lo que le convertiría en un claro competidor al tradicional silicio en la fabricación de placas solares fotovoltaicas.

Además, el grafeno ofrece una respuesta termoeléctrica muy sensible a la luz, lo que le da mucha ventaja para ser empleado como absorbedor de energía solar. En este sentido, el grafeno es sensible en un amplio intervalo de longitudes de onda, cosa que no ocurre con la mayoría de materiales empleados para este propósito donde sólo responden a longitudes de onda concretas.

Debido a esta extraordinaria sensibilidad a la luz, el grafeno también puede ser muy bien empelado como material para la fabricación de fotodetectores o en sistemas de visión nocturna, dado que el grafeno es un material que puede reaccionar ante un intervalo de energía bastante amplio, desde la luz visible hasta los infrarrojos.

 

3.3- Fabricación de dispositivos electrónicos

El grafeno, gracias a sus excelentes propiedades conductoras, de flexibilidad, durabilidad y ligereza, está siendo empleado ya como material para la fabricación de microprocesadores que lleven incorporados transistores de grafeno, con objeto de fabricar una próxima generación de ordenadores mucho más rápidos que los actuales.

Esquema de transistores de grafeno

Como ya se ha dicho, gracias a su estructura interna, el grafeno permite que los electrones puedan circular a velocidades muy superiores que en el resto de materiales semiconductores que actualmente se emplean en la fabricación de componentes electrónicos, lo que hace que la respuesta de los transistores de grafeno sea mucho más rápida.

Además, el grafeno tiene la ventaja que apenas genera efecto Joule, lo que se traduce en que se calienta muchísimo menos por la circulación de la corriente eléctrica. Y por si fuera poco, los transistores realizados con grafeno son dispositivos muchísimo más ligeros de peso, debido a la estructura interna del grafeno de tipo bidimensional, donde la capa de grafeno es finísima de tan sólo un átomo de espesor.

Con todo ello, la incorporación del grafeno como material para la fabricación de transistores está permitiendo conseguir dispositivos con una velocidad de conmutación muy elevada. Algunos prototipos ya han alcanzado los 100 GHz, es decir, más del doble de rápido que un transistor de silicio de dimensiones comparables, aunque se cree que podrían alcanzar velocidades de 1.000 GHz, lo que está permitiendo aumentar la rapidez de conmutación de ordenadores y demás dispositivos electrónicos.

 

3.4- Fabricación de pantallas táctiles flexibles

Otras de las aplicaciones del grafeno, gracias a sus excelentes propiedades de conductividad eléctrica, flexibilidad y transparencia, es su uso en la fabricación de pantallas táctiles flexibles para dispositivos electrónicos, resultando pantallas de una vida útil casi ilimitada y a un costo de fabricación muy competitivo.

Desarrollando esta idea, ya se están fabricando dispositivos electrónicos flexibles, y que son ultrasensibles a la luz, lo que está permitiendo la fabricación de teléfonos móviles y ordenadores totalmente flexibles que se pueden enrollar como si fuera una hoja de papel.

Pantallas táctiles flexibles fabricadas con grafeno

Además, estos tipos de dispositivos, gracias a la alta sensibilidad a la luz de las láminas de grafeno, pueden desempeñar labores y funcionar como dispositivos de fotodetección, como pueden ser las cámaras de visión nocturna, o incluso también como detectores de moléculas que están basados en el análisis espectroscópico de la luz que reflejan, y que pueden tener aplicación para el diagnóstico médico o la industria farmacéutica.

 

3.5- Fabricación de nuevos materiales compuestos

Otra de las más importantes aplicaciones del grafeno es su uso como componente para la fabricación de nuevos materiales compuestos.

Como se ha visto, el grafeno presenta unas propiedades químicas y mecánicas extraordinarias por sí mismo, pero además es un elemento que también permite poder integrarlo en otras estructuras tridimensionales de mayor tamaño con el objetivo de crear nuevos materiales compuestos con mejores propiedades.

Entre los materiales compuestos de mayor interés donde integrar el grafeno destacan los materiales compuestos de matriz polimérica. Empleando el grafeno para formar parte de estos materiales, da como resultado nuevos compuestos que presentan una mayor rigidez y resistencia que los tradicionales compuestos de nanotubos de carbono con un peso similar.

El grafeno que se emplea en estos compuestos sirve para unir mejor a los polímeros, lo que permite un acoplamiento más eficaz en la estructura del material. Como resultado, se pueden obtener nuevos materiales compuestos con una altísima relación resistencia mecánica / peso, lo que resulta especialmente útil en la fabricación de componentes en la industria automovilística o en la aeronáutica.

 

3.6- Otras aplicaciones del grafeno

-  Sensores

Otras de las aplicaciones del grafeno es su uso en la fabricación de sensores de alta sensibilidad, que puedan servir para la fabricación de sistemas y dispositivos de detección de gases, biosensores, etc.

La opción que ofrece el grafeno para poder utilizarlo en la fabricación de sensores radica en que posee una gran capacidad de adsorción de moléculas exteriores en su red cristalina. Esta propiedad permite que cualquier elemento exterior a la lámina de grafeno pueda ser retenido en su estructura. Debido a ello, cuando un elemento exterior queda retenido en su red cristalina produce alteraciones en su estructura, bien generando electrones o bien huecos en su estructura interna en función de la naturaleza del material detectado.

Estas alteraciones en la estructura interna de la lámina de grafeno darán lugar a pequeños cambios en su resistividad, que podrá ser medida y usada como una señal para la detección de la presencia de otros elementos.

Esta propiedad, unido a la elevada superficie específica de las láminas de grafeno (alrededor de 2675 m2/g), convierte al grafeno en un material idóneo para la fabricación de sensores de gran sensibilidad, que pueden llegar a niveles de detección de incluso moléculas o de átomos individuales.

-  Desalinización y depuración de aguas

Posiblemente, la disponibilidad de fuentes de agua potable y apta para el consumo humano es una de las preocupaciones más importantes de muchas poblaciones en todo el mundo.

Pues bien, frente a los sistemas tradicionales de depuración o desalinización de aguas, como puedan ser los sistemas basados en la ósmosis inversa, que son excesivamente caros y difíciles de aplicar para la producción masiva de agua potable, existe la posibilidad del empleo de un novedoso sistema cuyo componente principal es el grafeno, concretamente en forma de láminas de grafeno perforadas.

Los sistemas actuales para la depuración y desalinización de aguas están basados en la ósmosis inversa. Este sistema usa membranas para filtrar la sal contenida en el flujo de agua que atraviesa estas membranas. Para hacer que el agua fluya por estas membranas, en la mayoría de los casos con espesores hasta mil veces superior a las de las láminas de grafeno, es necesario aplicar presiones extremadamente altas, que hace que el consumo de energía en este sistema sea exageradamente alto, por lo que resulta un sistema muy caro, que en la mayoría de los casos no resulta rentable para potabilizar grandes caudales de agua.

Desalinización del agua mediante grafeno

Sin embargo, se está desarrollando un nuevo sistema de desalinización de agua basado en el uso de láminas de grafeno perforadas. Estas láminas disponen de agujeros que deben tener un tamaño muy preciso, acorde al tamaño de las moléculas de agua y de las sales que arrastra, a las que se le incorporan de otros elementos químicos que hace que los bordes de estas pequeñísimas aperturas interactuasen químicamente con las moléculas de agua que pasa a su través, repeliéndolas o atrayéndolas.

Este nuevo sistema de depuración de agua empleando láminas de grafeno necesita para funcionar de una presión mucho menor, y por lo tanto, su consumo energético es considerablemente inferior que los sistemas tradicionales basados en la ósmosis inversa, además de ser mucho más eficientes.

Por otro lado, teniendo en cuenta las excelentes propiedades del grafeno en resistencia y durabilidad, las láminas de grafeno serán muchísimo más duraderas que las membranas usadas actualmente en los sistemas de ósmosis inversa.

Además, las exigencias de fabricación de las láminas de grafeno para aplicaciones de depuración de agua no son tan estrictas, y por tanto es más barato su fabricación, que si se aplicara en otros campos, como en el caso de los componentes electrónicos u ópticos.

-  Disipadores de calor

Debido a la excelente conductividad térmica que presenta el grafeno, mejor que la de cualquier otro material conocido, permite que pueda ser empleado con gran eficiencia como material para la fabricación de disipadores de calor.

Uno de los sectores donde es más imprescindible disponer de un sistema de refrigeración eficiente es en la electrónica. Cada vez se fabrican dispositivos electrónicos más potentes que necesitan de una refrigeración adecuada para garantizar su máxima durabilidad y rendimiento.

Además, en el mundo de la electrónica los componentes que se empleen deberán ser también muy ligeros, que desempeñen su función ocupando el mínimo espacio necesario.

En este sentido, si hay algún material que reúna estos requisitos (poco peso, durabilidad y excelente conductividad térmica) es el grafeno, por lo que se está empezando a usar también como material para la fabricación de disipadores térmicos en dispositivos electrónicos.

Así, actualmente se están usando disipadores térmicos para dispositivos electrónicos empleando una aleación de cobre y grafeno, resultando ser mucho más eficientes, que permiten disipar el calor generado por cualquier circuito eléctrico hasta un 40% más rápido que los disipadores tradicionales de aluminio o cobre, además de resultar su fabricación también más económica.

-  Recubrimientos protectores

El grafeno es inerte químicamente, es decir, no reacciona con el oxígeno del aire, ni se oxida, lo que garantiza su gran durabilidad. Esta propiedad hace que se esté empleando el grafeno para fabricar ciertos compuestos para usarlos como recubrimientos que protejan los metales contra la corrosión.

En este sentido, se están consiguiendo nuevos recubrimientos basados en el grafeno que protegen de la corrosión y de la oxidación con la misma eficiencia que los recubrimientos tradicionales de base orgánica, con la diferencia de que éstos últimos necesitan una capa de aplicación 5 veces más gruesa que los recubrimientos de base de grafeno.

Principales usos del grafeno

 

 

 

 

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