El grafeno es una sustancia valorada y utilizada como blindaje antibalas o en recubrimiento de autos para hacerlos irrompibles y más seguros, gracias a sus componentes altamente resistentes. Está compuesta por carbono puro. Con átomos organizados en un patrón regular hexagonal parecido al grafito. Al grafeno se le están encontrando propiedades que, unido a otras sustancias puede producir grandes beneficios, como reducir la emisión de CO2 a la industria cementera.
Su denominación no resulta popular. Ni sus características ni usos. Para entenderlo, es el material más delgado conocido y casi transparente. Una lámina de un átomo de espesor es unas 200 veces más resistente que el acero actual más fuerte. De allí que se emplee en blindajes. Fue aislado en 2004 en la Universidad de Manchester por Andre Geim y Konstantin Novoselov, quienes ganaron un premio Nobel por su descubrimiento.
En ese momento, en medio de mucha publicidad, se decía que el grafeno ofrecía posibilidades asombrosas. Ciertamente es extremadamente ligero y flexible. También es un excelente conductor del calor y la electricidad. Y muestra una interesante capacidad de absorción de luz.
Los investigadores todavía están encontrando formas de ajustarlo para obtener otras funciones. Recientemente, por ejemplo, se ha demostrado que al disponer varias láminas de grafeno en ángulos particulares, se puede crear una versión superconductora del material. Es decir, que deja pasar la electricidad sin resistencia.
Sin embargo, sigue sin emplearse en gran medida. Pero eso podría estar a punto de cambiar. El hormigón está lejos de la superconductividad en el espectro de la sensualidad tecnológica, reseña The Economist. Pero es un material importante y de gran preocupación para aquellos que intentan frenar el calentamiento global, porque el proceso de elaboración inevitablemente libera dióxido de carbono. Y el grafeno puede ser la clave para reducir considerablemente esa contribución.
¿El grafeno reduce la emisión de CO2?
El hormigón se fabrica mezclando arena, grava, agua y cemento. Y el cemento se hace tostando piedra caliza, una roca compuesta de carbonato de calcio, para expulsar el dióxido de carbono y dejar atrás el óxido de calcio. Los 5.000 millones de toneladas de cemento producidos cada año representan alrededor del 8% del CO2 antropogénico del mundo. Y generan emisiones anormalmente altas por dólar de ingresos obtenidos en comparación incluso con otras industrias contaminantes.
Si se agrega menos del 0,1 % en peso de grafeno a la mezcla, el concreto termina siendo un 30 % más resistente y, un hormigón más fuerte significa que se necesita menos, con la consiguiente reducción de emisión de CO2.
Ojo, hay un camino por recorrer. Y como ocurre con la mayoría de los materiales nuevos, la producción comercial puede tardar años en escalar hasta el punto de adopción en el mercado masivo. Los compuestos de fibra de carbono a base de petróleo se inventaron en la década de 1950. Pero pasaron más de 30 años antes de que comenzaran a usarse en cantidades significativas en aviones y automóviles.
El grafeno ahora se está moviendo en varias tecnologías. Según la firma de analistas id TechEx, la capacidad de producción anual mundial del material fue inferior a las 3.000 toneladas en el primer trimestre de 2019. Para este primer trimestre, esa cifra se cuadruplicó, a 12.700 toneladas.
Los nuevos métodos de producción, como los de Levidian Nanosystems y otros que se están desarrollando, están contribuyendo a este crecimiento. Además del metano, el grafeno se fabrica a partir de una gama cada vez mayor de materiales. Incluidos plásticos mixtos desechados que podrían terminar en un vertedero. Esto evita «exfoliar» el grafito extraído, que en la actualidad es el proceso de fabricación dominante.
Lo bueno y lo malo del grafeno
El grafito, la forma común de carbono cristalino (el más raro es el diamante) es, en esencia, muchas capas de grafeno apiladas una encima de la otra. De hecho, para hacer su descubrimiento, Geim y Novoselov usaron cinta adhesiva para despegar capas individuales de un bloque de grafito. Como eso es demasiado tedioso para el uso industrial, se han desarrollado varios métodos químicos y mecánicos para acelerar las cosas.
Dos de los mayores proveedores del mundo, utilizan procesos patentados a base de agua para realizar la exfoliación. NanoXplore, en Canadá, aumentó recientemente su capacidad a 4.000 toneladas al año. Y Sixth Element Materials Technology, una empresa en China, planea expandir su capacidad anual de 1.000 toneladas.
Sin embargo, los diversos grados de grafeno producidos por exfoliación no son necesariamente verdes. El grafito no es un recurso renovable y debe extraerse, lo que puede ser perjudicial para el medio ambiente.
Como alternativa, algunos productores obtienen su materia prima en otros lugares. Esto puede ser como compuestos orgánicos en forma gaseosa, como el metano. O como líquidos como el etanol, un alcohol que se puede hacer a partir de materia vegetal.
Estos se utilizan en la deposición química de vapor (cvd), un proceso industrial establecido hace mucho tiempo. Cvd se basa en una reacción química, a veces en combinación con calor y un catalizador. Para depositar átomos de carbono convertidos en vapor sobre un sustrato, como cobre o níquel. A continuación, se puede eliminar el sustrato, si se desea, y recuperar el grafeno, recoge The Economist.
Implicaciones para el ambiente y la salud
Pero usar grafeno, en sus múltiples facetas, incluso en la de reducir la emisión de CO2, no es tan simple como “rociar un poco de polvo de hadas mágico en el producto final”, advierte Adrian Potts. Director ejecutivo de Applied Graphene Materials. Una empresa británica que fabrica su propio grafeno a partir de etanol mediante un proceso cvd y también compra el material.
Su experiencia particular se encuentra en lo que se denomina tecnologías de «dispersión». Esto significa poner grafeno de pocas capas en una variedad de sustancias diferentes para que sea más fácil mezclarlo con los productos. Por sí solo, el grafeno tiende a volver a acumularse en grafito, lo que puede disminuir su utilidad.
La idea, dice Potts, es hacer que «el grafeno permanezca como grafeno» cuando se mezcla con cosas como tratamientos anticorrosión. Compuestos e incluso la cera para automóviles utilizada para pulir y proteger la carrocería del vehículo.
Sin embargo, persisten algunas preocupaciones sobre las implicaciones para la salud del uso creciente de nanomateriales de ingeniería como el grafeno. Los investigadores están tratando de obtener una mejor comprensión de cómo podrían ingresar al cuerpo y cuáles podrían ser los efectos de hacerlo. Por lo tanto, agrega Potts, será importante para la industria a medida que se amplía para encontrar formas que no solo permitan que el grafeno se use en aplicaciones a granel, sino que también se use de manera segura.
Procesos de descarbonización
No todos están convencidos de que el grafeno esté en la cúspide de un gran éxito como solución ambiental y en la disminución de la emisión de CO2. Richard Collins, director de investigación de América del Norte de id TechEx, sigue de cerca el negocio. Está de acuerdo en que el grafeno podría convertirse en una tecnología para ciertos procesos de descarbonización. “Pero la materia prima y los procesos utilizados por los principales jugadores hacen que llamarlo material verde sea una exageración”.
Algunos de los nuevos métodos de producción, como el proceso flash, podrían cambiar eso. Especialmente si pueden usar materiales de desecho como alimentos desechados como materia prima, señala Collins. Pero advierte que estos métodos se encuentran en una etapa temprana y aún tienen que probarse a escala.
Sin embargo, agrega, hay un precedente que se encuentra con los hermanos mayores y menos glamorosos del grafeno, los nanotubos de carbono. Básicamente, se trata de láminas enrolladas de grafeno y también se pueden fabricar con cvd.
Los nanotubos de carbono han estado en desarrollo durante una década más o menos que el grafeno. Con una producción anual que ronda los miles de toneladas. Pero la demanda está empezando a dispararse y puede llegar a más de 70.000 toneladas para 2032. ¿La razón? Los nanotubos de carbono han encontrado fabricar cátodos para las baterías de iones de litio utilizadas por los autos eléctricos. Con las gigafábricas de baterías surgiendo en el mundo, esto se ha convertido en un negocio.
Los investigadores buscan formas de usar el grafeno para mejorar el rendimiento de las baterías. El grafeno podría permitir que las baterías de los vehículos eléctricos sean más livianas, duraderas y de carga más rápida. Si es así, el grafeno habrá encontrado otro mercado importante.
Incógnitas por despejar
El grafeno no solo podría contribuir a bajar la emisión de CO2. Muchos de los otros usos potenciales del grafeno además del hormigón y las baterías también podrían convertirse en grandes mercados. El simple hecho de hacer que las cosas duren más con recubrimientos anticorrosión es importante. Y producir estructuras compuestas más resistentes sería bueno para el medio ambiente. Porque necesitarán menos mantenimiento y no será necesario reemplazarlas con tanta frecuencia.
Y cuando, eventualmente, estas cosas lleguen al final de sus vidas, si el grafeno se puede recuperar y usar nuevamente, sería un impulso bienvenido para construir una economía circular. Nada es seguro con las nuevas tecnologías, pero el tiempo del material maravilloso podría estar llegando.
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