Materiales

Grafeno, sostenibilidad y construcción

27 de abril de 2022

La invención del grafeno

Al parecer, a los señores Konstantin Novoselov y Andre Geim les gustaba divertirse en su tiempo libre y, según cuentan, los viernes por la noche era su “noche de los experimentos” y los dos profesores de física de la Universidad de Manchester se reunían para hacer cosas algo diferentes de las que hacían en su trabajo diario. Una de esas solemnes noches, se supone que los dos estuvieron jugueteando con un trozo de grafito (mina de lápiz, para la mayoría de nosotros) y un poco de cinta adhesiva. Pegaban la cinta al bloque, la quitaban y luego pegaban la cinta grafitada a otra nueva para separar las capas depositadas. El resultado de este juego fue el aislamiento de una capa de grafito única de un átomo de grosor, que más tarde se conocería como grafeno, por sus propiedades únicas y distintivas.

Propiedades del grafeno

El aislamiento inicial de este material permitió que el equipo de la Universidad de Manchester pudiera estudiar de qué era capaz. Desde que en el año 1772 Antoine Lavoisier calentara por primera vez un diamante en una cámara de vacío y lo convirtiera en grafito, las maravillas del carbono son cada vez más evidentes. Su investigación acabó dando lugar a los diamantes sintéticos, la lonsdaleita (también conocida como fibra de carbono), el buckminsterfullereno y los nanotubos de carbono. Estas estructuras en particular, de escala nanométrica, tienen unas propiedades fantásticas. De hecho, lo que Geim y Novoselov se preguntaron a continuación fue: “¿Qué pasaría si pudiéramos colocar estos nanomateriales en plano?”.

El grafeno es un material 2D, una lámina hexagonal de carbono de un átomo de grosor. Solo puede existir con este grosor: si se quita una capa, no hay nada; si se añade una capa, se vuelve a tener grafito. Es más fino, más fuerte (300 veces la resistencia específica del acero) y más rígido que cualquier otro material descubierto hasta ahora, transporta mucha más electricidad y más rápido (un millón de veces más rápido que el cobre) y tiene menos resistencia que cualquier otro, disipa el calor con una rapidez increíble (3000 W mK-1, frente a los ~400 W mK-1 del cobre), permite el efecto cuántico llamado túnel de Klein, podría (en teoría) filtrar la sal directamente del agua, podría revolucionar los paneles solares, etc. La lista es interminable.

Pero una característica muy frustrante de este material es que es muy difícil de aislar en grandes cantidades con buena calidad. Por eso, a pesar del premio que se les otorgó a Geim y Novoselov en 2010, aún no se usa con frecuencia; aunque se está trabajando mucho para encontrar una solución:

Fabricación de grafeno

La Universidad de Rutgers ha logrado fabricar láminas de grafeno a partir de grafito, oxidándolo con ácido nítrico hasta convertirlo en óxido de grafeno, y filtrando estas láminas para separarlas del líquido, antes de disolver el filtro y usar hidracina para desoxigenar el resto y transformarlo en una lámina del material puro. A esto se le llama óxido de grafeno reducido o RGO. Entretanto, se ha estado utilizando la deposición química de vapor o CVD de Caltech para extraer grafeno del gas metano sobre una superficie de cobre que, supuestamente, una vez ampliada y automatizada será capaz de producir varios centímetros o metros de grafeno a la vez.

Deposición química de vapor

El enfoque más sostenible hasta ahora es el promovido por la empresa Carbotura, con sede en Florida: cultivan cáñamo de crecimiento rápido (con un contenido insignificante de ciertos productos químicos conocidos) en terrenos baldíos de cultivo intensivo y vertical para extraer el CO2 directamente del aire (y, de paso, purificar el agua contaminada por la extracción de fosfatos). Después, lo hierven para extraer aceites y otras sustancias que luego usan para activar procesadores y hornos. El biocarbón resultante lo utilizan como sustrato en su reactor de plasma pulsado de 200 kW para convertir el carbono en, tal como lo ha llamado la propia empresa, biografenoTM. La empresa afirma que tiene la mejor calidad del mercado.

Al ser el cáñamo su sustrato de partida, se calcula que cada año se extraerán 44.000 toneladas de CO2 de la atmósfera por centro de fabricación. La empresa espera poder utilizar en el futuro cualquier residuo de carbono, incluidos los plásticos de los vertederos y los neumáticos usados.

Esta lista no es ni mucho menos exhaustiva, y se está trabajando para intentar producir la mejor calidad al mejor precio. Pero el modelo de Carbotura suena muy prometedor para todos, suponiendo que se pueda escalar.

Aplicaciones actuales

Durante los últimos cuatro años más o menos, se han estado realizando pruebas con este increíble material en el mundo real. En el sur de España, una empresa llamada Graphenstone lo ha estado usando con éxito en pinturas. La empresa afirma que las fibras de grafeno que añaden a sus pinturas aumentan la conductividad térmica, la flexibilidad, la resistencia y la uniformidad, además de reducir la necesidad de mantenimiento.

Sin embargo, parece que son las infraestructuras las que más se están beneficiando del grafeno actualmente, tal y como apuntábamos en nuestro blog «El cemento reforzado con grafeno es más duro, más resistente y más sostenible», allá por 2018. Desde entonces, se han realizado diferentes pruebas en el Reino Unido.

En 2019 se probó un tramo de carretera de 750 metros de largo y 150 mm de profundidad en Curbridge, Oxfordshire, que aumentó en un 70% la vida útil del asfalto. Después, se probó un tramo de carretera de 700 metros en la propia ciudad de Oxford, con un tráfico más intenso. Ahora, un tramo de aproximadamente 5 kilómetros de la A1 en Northumberland incluirá el material mejorado.

En el futuro, la segunda línea de tren de alta velocidad (o HS2) planificada en Inglaterra incorporará edificaciones fabricadas con ConcreneTM, impreso en 3D, desarrollado por el Centro de Innovación en Ingeniería del Grafeno. Los muros de contención de la línea principal de la estación de Euston (Londres) se construirán con robots de impresión 3D de 5 toneladas. Estos edificios no contarán con ninguna barra de refuerzo de acero. En su lugar, confiarán en la mayor resistencia y durabilidad del Concrene. Entre otras ventajas, se reducirán los materiales y el tiempo de construcción y se mejorará la seguridad.

Futuras aplicaciones

Por el momento, se sigue probando el grafeno en proyectos de bajo riesgo. Pero de aquí a cinco años, a medida que se vayan precisando las normas y la legislación en materia de salud y seguridad, ¿quién sabe qué es lo que puede ocurrir?

El grafeno reforzado será quizá la siguiente evolución. A diferencia de su homónima macroscópica, esta barra de refuerzo está en una escala nanométrica. Los investigadores utilizan un esqueleto con base de níquel y un catalizador que actúa como molde, sobre el que se adhiere el grafeno. Al retirar el esqueleto, el grafeno permanece, como el sirope de chocolate después de comerte un helado. De esta forma, puede utilizarse como barra de refuerzo de una estructura convencional de hormigón armado, lo que permitirá a los ingeniosos ingenieros construir cualquier cosa que se les ocurra.

aerogel de grafeno

El aerogel de grafeno, o aerografeno, es desde 2020 el material más ligero y menos denso conocido por la humanidad, con un peso de solo 160 g/m3 (sin incluir el aire que se encuentra entre las estructuras). Cualquiera que esté familiarizado con el campo de los aerogeles no podrá evitar sentirse intrigado.

Por último, pensando a largo plazo, ¿se podrá usar este increíble material para construir algo realmente salido de la ciencia ficción? Por ejemplo, el cable de un ascensor espacial de 36.000 km. Adrian Nixom, director de la empresa británica Nixor, cree que una vez que el cable de grafeno monocristalino sea una realidad, sujetar una estructura tan gigantesca costaría unos 20.000 millones de dólares. Los materiales adicionales y la instalación elevarían el coste a unos 200.000 millones. Y aunque puede parecer excesivo, si tenemos en cuenta que se podría reducir el coste de los viajes espaciales de 20.000 $ por kilo a unos 200 $ por kilo, seguro que habría alguien interesado en invertir en una infraestructura tan avanzada.

un ascensor espacial

Ha tardado en llegar, pero parece que el grafeno está empezando a tener cada vez más peso, de forma lenta pero segura.

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