Grafeno y aplicaciones

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Respecto a la conductividad térmica de estas finas láminas, se dice que conduce el calor unas 100 veces mejor que el cobre. Y por lo que trata de la conductividad eléctrica también supera al cobre e incluso es 100 veces mejor que el silicio. Estas dos propiedades hacen que este material pueda cambiar la electrónica de tal y como la conocemos ahora.

Estudios hechos por Massachusetts Institute of Technology (MIT) revelan que las propiedades del grafeno pueden variar dependiendo de la presencia o no de otros materiales. Se esperaba que, como el grafito, independientemente de la sustancia que hicieran reaccionar con el grafeno, éste no cambiara su forma de comportarse, pero esto no ha sido así. Según el MIT, este hecho hará que se amplíe el uso del grafeno.

Sin duda, hay numerosas propiedades sorprendentes de este material, y aún muchas están por descubrir ya que la investigación con el grafeno sigue en marcha. Gracias a estas propiedades encontradas, los científicos tienen en mente muchas aplicaciones posibles en un futuro para darle un gran protagonismo al grafeno.

- Resultados y aportaciones a la ciencia y al conocimiento humano.

Los investigadores, en poco tiempo, han conseguido darle mucha utilidad al material descubierto, y cada vez aparecen más aplicaciones nuevas que serán posibles en un futuro gracias a este material y a sus propiedades extremadamente sorprendentes. Muchas de las aplicaciones que poco a poco se irán haciendo realidad según los estudios, son realmente alucinantes ya que parecen ciencia ficción. Desde una televisión delgada y flexible como un papel, una olla de cocina que emitirá una advertencia si detecta la bacteria E. coli, posibles tratamientos para médulas espinales dañadas, chalecos antibalas tan finos y flexibles como una hoja de papel y hasta un acelerador de partículas como el CERN de Ginebra pero que ocupe solamente 1cm2.

Podemos diferenciar entre varios tipos de utilidades: más relacionadas con la química, y más relacionadas con la electrónica.

Empezaremos con aplicaciones más relacionadas con la química como un método para la obtención del gas natural y la filtración del CO2. Después de algunos experimentos, se ha descubierto que gracias a la impermeabilidad característica del grafeno se puede hacer separar moléculas de gas por su tamaño, utilizando los poros de la hoja de grafeno.

Con ello, se ha propuesto crear membranas más eficientes energéticamente para producir gas natural y para disminuir el CO2 que desprenden las centrales térmicas y filtrarlo en los tubos de escape de los vehículos. Se propone hacer estas membranas de grafeno porque para atravesarlas, las moléculas no necesitan mucha energía.[pic 5]

Para hacer esta separación, un equipo de investigación de la Universidad de Colorado en Boulder, Estados Unidos, hizo poros nanométricos en finas láminas de grafeno [ver Fig. ] con un proceso de grabado oxidativo inducido por luz ultravioleta. Después, midieron la permeabilidad de algunos gases como el hidrógeno, CO2, argón, nitrógeno, metano, entre otros, y con ello demostraron que según el tamaño de cada molécula se puede hacer una separación de gases.[pic 6]

Este proyecto todavía está en investigación ya que se necesitan equipos con mucha precisión para hacer los poros de la medida deseada.

Debido a la misma propiedad nombrada anteriormente, la permeabilidad característica del grafeno, también se pueden hacer láminas de este material con el objetivo de desalinizar el agua más eficazmente. Ya existen varios métodos para desalinizar el agua, ya que el agua dulce es un bien escaso, y muchos países carecen de él, sin embargo el agua del mar parece un recurso inagotable y para ello hay que desalinizarla. Actualmente, en las plantas desalinizadoras se utiliza la ósmosis inversa mediante membranas para filtrar la sal, pero se necesitan unas condiciones específicas, además de mucha energía para hacer pasar el agua a través de las membranas. Es un método muy caro y por ello no se extiende alrededor del mundo. Sin embargo, con el nuevo método basado en el grafeno, la filtración de la sal será más eficiente, rápida y menos cara.[pic 7][pic 8]

Esta aplicación se puede realizar debido al método de creación de poros con las medidas deseadas que hemos nombrado anteriormente en otra aplicación. Además, investigadores han adherido otros elementos al grafeno para que los agujeros reaccionen químicamente con las moléculas de agua y así poder controlar la atracción o repulsión de ellas.

Esto hace que sea mucho más fácil hacer atravesar las moléculas de agua por la lámina de grafeno y necesitar menos energía al hacerlo.

Esta aplicación también está en fase de investigación teórica y experimental por parte del MIT, pero se piensa que en un futuro próximo se pondrá en práctica.

En el terreno de la tecnología, se investigan varias aplicaciones del material del futuro como la creación de baterías de iones de litio y silicio-grafeno. Un equipo de investigación junto con un grupo de ingenieros de Nortwestern University, en Estados Unidos, ha conseguido desarrollar unas baterías basadas en iones de litio y la combinación del silicio convencional y el grafeno, estas baterías tienen 10 veces más capacidad que las actuales, se recargan 10 veces más rápido y tienen mucha más vida que las de ahora. [pic 9][pic 10]

El funcionamiento de una batería cuando se está descargando se trata de que los iones de litio se trasladan desde el ánodo, a través del electrolito, hasta el cátodo, mientras que cuando la batería se está descargando pasa justo lo contrario. La capacidad de carga tiene que ver con al cantidad de átomos de litio que puede guardar el ánodo o el cátodo, mientras que la velocidad de la recarga tiene que ver con la velocidad a la que se trasladan los iones de litio desde el cátodo al ánodo a través del electrolito.

Un átomo de silicio puede almacenar más átomos de litio que si hubiera un átomo de carbono, pero el silicio se expande y se contrae cuando está en proceso la recarga y con el tiempo se produce su rotura mientras que las láminas de grafeno son muy largas, y por eso la velocidad de recarga es más lenta. Así que se ha encontrado una solución para las desventajas de cada material: la combinación del grafeno con el silicio, colocando silicio entre las láminas de grafeno. Hecho que hace que aumente la capacidad de carga.

Para aumentar la velocidad de recarga se utiliza el método de oxidación química que trata de