i+d | grafenoNicolas Gyraud R&D Director en GMD Solutions El grafeno: ¿simple moda o material del futuro? El interés científico e industrial por el grafeno ha crecido de forma exponencial durante los últimos años hasta convertirse, hoy en día, en el material más investigado en el mundo. Según numerosos expertos, sus extraordinarias y variadas propiedades abrirían grandes posibilidades en diferentes sectores tanto científico-tecnológicos como industriales. Este artículo expone algunas posibles mejoras que podría aportar este novedoso material al sector de la energía. E l grafeno es una lámina de carbono puro, cuyos átomos están unidos en malla hexagonal según un patrón regular. Al tener un espesor de un solo átomo, es considerado como un material bidimensional. La entrega del Premio Nobel de Física 2010 a A. Geim y K. Novoselov, de la Universidad de Manchester, por su trabajo en experimentos pioneros sobre el grafeno, demuestra el gran impacto que los últimos avances sobre el material han tenido sobre la comunidad científica. Un informe de CambridgeIP realizado en 2013 confirma esta tendencia: entre 2007 y 2013 se han registrado más de 7.000 patentes a nivel internacional sobre procesos de fabricación y aplicaciones del grafeno. Aerogel de grafeno. Zhejiang University. energética xxi · Nº 135 · SEP13 Además, junto al interés científico, se nota también una gran esperanza industrial y tecnológica: un conjunto de grupos de investigación europeos aseguró una beca de mil millones de euros de la Unión Europea en 2013 para financiar trabajos de investigación en relación con este material. El grafeno exhibe varias propiedades nunca vistas en otros materiales. Entre muchas otras, se puede destacar sus características mecánicas extraordinarias. Tiene una resistencia a la rotura 100 veces superior a una lámina de acero del mismo espesor. Sin embargo, es muy ligero, con una densidad de 0,77mg/m2 (unas 1.000 veces menor que el papel). A nivel eléctrico, su resistividad es un 35% inferior a la del co- bre, lo que supone una capacidad superior para conducir la electricidad. Es también un excelente conductor térmico (conduce el calor 10 veces mejor que el cobre), suponiendo una gran oportunidad para aplicaciones que necesitan una disipación de calor importante. Las propiedades ópticas del grafeno son también únicas. En primer lugar, no tiene banda prohibida (bandgap en inglés), lo que le permite absorber radiación de cualquier longitud de onda (lo sorprendente es que también puede llegar a tener bandgap, bajo determinadas condiciones, sin afectar sus propiedades electrónicas). Además, con solo una capa de unos nanómetros de espesor, puede absorber hasta un 2,3% de luz blanca, valor que aumenta si se añaden láminas una encima de otra. Debido a sus propiedades únicas, muchos ven el grafeno como el material que va a revolucionar el mundo de las tecnologías. Sus propiedades mecánicas le permiten ser mezclado con epoxis para obtener composites que podrían ser usados para reemplazar metales empleados en la construcción de coches y aviones, haciéndolos más ligeros y reduciendo su consumo. La electrónica también es un campo para el que el grafeno ofrece nuevos horizontes. Los dispositivos electrónicos convencionales están hechos a partir de silicio semiconductor, contactos de metal, uniones dopadas, etc. que se añaden uno encima de otro para formar el dispositivo. Por otro lado, nuevos conceptos de nano-diodos y transistores de única capa están en desarrollo. Con el uso de canales electrónicos de nano-escala, estos nuevos dispositivos son los más rápidos al día de hoy (pueden tener una velocidad hasta 1.5THz). La estructura microscópica monocapa del gra- 83 parecidas a las de las baterías de acido de plomo. que es la principal limitación en su uso. el grafeno es capaz de generar electrones en respuesta a fotones con un rango de longitudes de onda mucho mayor al silicio. el gran reto tecnológico sigue siendo la fabricación a gran escala del material. Los electrodos de grafeno se benefician de su alta conductividad eléctrica y son también más robustos que los hechos de plata o ITO. pero no son tan buenas para convertir la luz en electricidad. según científicos del NIST. De esta forma se pueden alcanzar densidades de energía más altas. Utilizando el carácter bidimensional del grafeno. estas técnicas no se han utilizado a nivel industrial. Por estas razones. energética xxi · Nº 135 · SEP13 . El grafeno en su forma original no mejora la capacidad de almacenamiento del hidrógeno. Por otro lado. la principal limitación de estos dispositivos es la baja 84 Sensor de grafeno. Sin embargo. la energía almacenada por unidad de volumen) lo que se traduce en un gran volumen del dispositivo o en la necesidad de recargarlo mucho más a menudo. está visto como una fuente de energía con gran capacidad para sustituir a los combustibles fósiles en el futuro. Se demostró que. a diferencia de lo que ocurre normalmente en los materiales semiconductores. Varios métodos de fabricación han sido desarrollados. El uso del hidrogeno como fuente de energía podría también beneficiarse del alta área de superficie del grafeno. la investigación para su producción en grandes cantidades empleando técnicas económicas no ha parado. lo que abarataría considerablemente el coste de producción. permiten almacenar grandes cantidades de hidrógeno. Posibles aplicaciones incluyen electrónicas de alta velocidad. añadiendo grafeno. El hidrógeno tiene la gran ventaja de estar disponible en gran cantidad en el universo y solo produce vapor de agua al quemar- se en el aire. Células solares con electrodos hechos de grafeno en lugar de plata y óxido de indio (ITO) y estaño ya han sido fabricadas. como el silicio o el arseniuro de galio. extensamente utilizados para células fotovoltaicas. podrían ver su tamaño reducido y ser utilizados en productos electrónicos de gran consumo como los ordenadores portátiles y los smartphones. los supercondensadores. enlazadas y separadas por moléculas para mantener la distancia entre laminas constante (del orden de unos Angstroms). Además. se alcanzaría un 50% más de corriente en el circuito. Estos ejemplos son solo una muestra de los beneficios que puede ofrecer el grafeno. Además. El gran reto es su almacenamiento. Otros estudios apuntan a que el grafeno sería muy eficiente a la hora de convertir la luz en electricidad. este cambio supondría una reducción de los costes de producción debido al alto precio de la plata y del ITO. el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) ha demostrado que el grafeno puede convertir un fotón absorbido en más de un electrón. Sin embargo. El sector de la energía también podría aprovecharse de algunas de las propiedades únicas del grafeno. densidad de energía (es decir. KTH Royal Institute. lo que significa que podría tener una mayor eficiencia que los materiales actualmente utilizados para la fabricación de células solares. lo que significa un rendimiento mucho más alto para este tipo de células. que de momento tienen un uso limitado en aplicaciones que requieren una potencia alta durante un tiempo muy corto y que no están limitadas por el volumen. el grafeno podría ser utilizado en lugar de platino en los electrodos de estas células. siendo uno de los más populares el crecimiento epitaxial sobre carburo de silicio a altas temperaturas y bajas presiones. Pero a pesar de los retos que todavía conlleva su producción a gran escala. las células solares sensibilizadas con colorantes están fabricadas con materiales mucho más baratos que las células de semiconductor. detección e emisión de THz en el infrarrojo lejano y sensores químicos de alta sensibilidad. Sin embargo. se consigue aumentar el área de superficie en contacto con el líquido de electrólito. Gracias a esta mejora. es decir 10 veces más altas que los supercondensadores actuales. Los supercondensadores son condensadores que se recargan de forma muy rápida y que tienen una vida útil casi infinita. en los que un fotón se convierte en un único electrón. Desde entonces. Otras investigaciones subrayan la posibilidad de mejorar los supercondensadores con el uso de grafeno. Este resultado podría suponer un avance importante para el almacenamiento del hidrógeno y permitir a este tecnología dar un paso adelante hacía su uso diario. A gran escala. el grafeno es una revolución científica y todo apunta a que es ya el material del futuro 7 Fabricación grafeno. Si el abanico de sus posibilidades se abre cada día un poco más.i+d | grafeno feno es ideal para integrar este material en estos dispositivos con el fin de mejorar su rendimiento. Recientemente. láminas de grafeno oxidado apiladas una encima de la otra. Fue aislado por primera vez en 2004 de forma muy artesanal. Monash University.