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LA REVOLUCIÓN DE LA NANOTECNOLOGÍA.
APLICACIONES DE MATERIALES 2D Y USO DEL GRAFENO

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1 CONTEXTO: APLICACIÓN MATERIALES 2D Y USO DEL GRAFENO EN LA INDUSTRIA DE LA NANOTECNOLOGÍA
2 ¿QUÉ ES Y CÓMO NOS AYUDA LA NANOTECNOLOGÍA?
3 LOS MATERIALES 2D Y SU APLICABILIDAD NANOTECNOLÓGICA
4 USO Y APLICACIONES DEL GRAFENO EN PRODUCTOS
4.1 Características y propiedades del grafeno:
4.2 Uso y aplicaciones del grafeno en la industria
4.3 Impulso nacional e internacional del uso del grafeno
5 LA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE MADRID Y EL ESTUDIO DEL GRAFENO
5.1 NANOMATER LAB: mascarillas contra la covid19 y el grafeno
5.2 Atom by Atom y el transporte eléctrico del grafeno
5.3 Los competidores del grafeno en el área de materiales 2D
6 CASOS DE ÉXITO EN EL USO Y APLICACIÓN DEL GRAFENO

1 CONTEXTO: APLICACIÓN MATERIALES 2D Y USO DEL GRAFENO EN LA INDUSTRIA DE LA NANOTECNOLOGÍA

  • El Foro Económico Mundial declaró los materiales 2D como una de las 10 tecnologías emergentes del año 2016, debido al incremento en su producción para una amplia gama de aplicaciones que van desde filtros a agua y aire, hasta modelos revolucionarios de dispositivos electrónicos y baterías.
  • Se abrió una ventana de oportunidades en el mercado de productos basados en el grafeno, que alcanzó los 310,4 millones de dólares en 2020 y se espera que alcance los 2.100 millones de dólares en 2025.
  • En 2017 se comercializaron a nivel mundial 8.046,1 toneladas de compuestos metálicos, cerámicos y de polímero mejorados con grafeno, dato que se espera que alcance las 39.945 toneladas en 2023.
  • España se encuentra posicionado como uno de los países potencia en la investigación, fabricación y uso del grafeno.

2 ¿QUÉ ES Y CÓMO NOS AYUDA LA NANOTECNOLOGÍA?

La nanotecnología es la ciencia que estudia materia en tamaños muy reducidos (entre 1 y 100 nanómetros). Esta rama comprende el análisis de una gama de materiales muy variados, así como también de procesos de fabricación y tecnologías que se emplean para generar y mejorar productos de uso cotidiano en la sociedad en ámbitos como la salud, dispositivos electrónicos, equipamientos deportivos, productos domésticos y de uso personal, sector energético, entre muchos otros. En los últimos años, el mercado global de la nanotecnología ha ido creciendo a pasos agigantados debido a los importantes desarrollos que ha alcanzado, siendo uno de los más relevantes la expansión en el conocimiento de los materiales formados capas de uno o pocos átomos de espesor, o materiales 2D. Entre estos se encuentran el siliceno, el fosforeno, los dicalcogenuros de metales de transición y, por supuesto, el grafeno.

3 LOS MATERIALES 2D Y SU APLICABILIDAD NANOTECNOLÓGICA

De hecho, el Foro Económico Mundial declaró los materiales 2D como una de las 10 tecnologías emergentes del año 2016 , debido al incremento en su producción para una amplia gama de aplicaciones que van desde filtros a agua y aire, hasta modelos revolucionarios de dispositivos electrónicos y baterías. Asimismo, en 2018, se realizaron más de 10.000 publicaciones académicas sobre materiales 2D y alrededor de 1.200 artículos sobre compuestos de materiales 2D .


MERCADO GLOBAL DE LA NANOTECNOLOGÍA:


Fuente: UAM, en base a datos de Statista.


4 USO Y APLICACIONES DEL GRAFENO EN PRODUCTOS

Por su parte, el grafeno fue estudiado en profundidad a partir de 2004, cuando los físicos rusos André K. Geim y Konstantin Novoselov consiguieron aislar, a partir del grafito, una lámina de grafeno. Este hallazgo les hizo merecedores del Premio Nobel de Física en 2010 . Desde entonces, se abrió una ventana de oportunidades en el mercado de productos basados en el grafeno , que alcanzó los 310,4 millones de dólares en 2020 y se espera que alcance los 2.100 millones de dólares en 2025.


MERCADO GLOBAL DE PRODUCTOS BASADOS EN GRAFENO:


Fuente: UAM, en base a datos de Statista.


Asimismo, el volumen del mercado de compuestos mejorados con grafeno se encuentra creciendo rápidamente. De hecho, de acuerdo con Statista, en 2017 se comercializaron a nivel mundial 8.046,1 toneladas de compuestos metálicos, cerámicos y de polímero mejorados con grafeno, dato que se espera que alcance las 39.945 toneladas en 2023.


VOLUMEN DEL MERCADO GLOBAL DE COMPUESTOS MEJORADOS CON GRAFENO:


Fuente: UAM, en base a datos de Statista.


4.1 Características y propiedades del grafeno:

Este material se caracteriza por ser una lámina de espesor monoatómico que se encuentra compuesta por la unión de átomos de carbono con hibridación sp, la cual genera una red cristalina con forma hexagonal. Se puede obtener bien a partir de materiales que tienen grafeno como bloque elemental (ej.: grafito y carbono); gracias a exfoliaciones mecánicas o químicas, reducciones de óxidos o descompresiones de nanotubos, o bien a partir de átomos de carbono procedentes de moléculas orgánicas; gracias a procedimientos como la deposición química del vapor o el crecimiento epitaxial.

Entre las propiedades del grafeno se encuentran cuestiones como:

  1. Su alta elasticidad y dureza
  2. Su elevado nivel de conductividad térmica y eléctrica
  3. Su alto grado de movilidad de electrones y huecos a temperatura ambiente
  4. Su alta capacidad de generar electricidad a través de su exposición a la luz solar, su carácter inerte químicamente hablando
  5. Su efecto antibacteriano frente a algunos tipos de bacterias.

Fuente: UAM, en base a datos de Material Properties.



4.2 Uso y aplicaciones del grafeno en la industria

Todas estas propiedades convierten al grafeno en un material con un potencial enorme en el área de la tecnología para.

  • Baterías
  • Pantallas táctiles y de cristal líquido
  • LEDs orgánicos
  • Sensores

Además, el grafeno puede promover:

  • La utilización de energías renovables por su capacidad de generar electricidad a través de la luz solar
  • Avances en el sector automovilístico reduciendo los tiempos de carga y aumentando la autonomía de los autos
  • Mejoras en equipamientos deportivos, progresos en el sector de alimentos y salud .
  • Desarrollos en temas de seguridad y defensa.
  • Recientemente, también ha empezado a indagarse su uso en la arquitectura, especialmente en la fabricación de hormigones, pinturas, recubrimientos y películas.

No obstante, muchas de estas implementaciones del grafeno aún se encuentran en fase de desarrollo debido a la falta de técnicas escalables y económicas para el procesamiento del grafeno a nivel industrial.


Fuente: ATRIA Innovation.


4.3 Impulso nacional e internacional del uso del grafeno

A nivel internacional, no son muchas las iniciativas que han intentado impulsar el uso del grafeno, aunque en el continente europeo se han puesto en marcha acciones para cambiar esto. Por su parte, la Unión Europea ha desarrollado un proyecto a gran escala y sin precedentes para fomentar la investigación e innovación en temas relacionados con el grafeno a nivel industrial. La organización internacional otorgó un presupuesto de 1.000 millones de euros al proyecto que lleva como nombre Graphene Flagship . Mediante un consorcio académico-industrial, un grupo de investigadores trabajan en potenciar el uso del grafeno al máximo, repartiéndose en 6 divisiones y 19 paquetes de trabajo . Además, en octubre de este año se llevó a cabo la XI Conferencia del Grafeno , siendo este el mayor evento europeo en grafeno y materiales 2D hasta la fecha. Contó con la participación de más de 1.600 ponentes y 6.300 participantes de 65 países de Europa y el mundo .

En el contexto español destaca el físico Pablo Jarillo , quien en 2020 fue galardonado con el Premio Wolf de Física al descubrir, junto con el equipo de investigación del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), que lidera una nueva y revolucionaria propiedad del grafeno en la transmisión de energía y la física teórica. El investigador determinó que, al colocar dos capas de grafeno giradas en 1,1 grados, el material resultante se convierte en un superconductor , capaz de servir como conductor de corriente eléctrica sin ninguna resistencia ni pérdida de energía. Asimismo, España se encuentra posicionado como uno de los países potencia en la investigación, fabricación y uso del grafeno gracias a Graphenano, grupo empresarial considerado como uno de los mayores productores de grafeno a nivel global.


5 LA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE MADRID Y EL ESTUDIO DEL GRAFENO


5.1 NANOMATER LAB: mascarillas contra la covid19 y el grafeno

La Universidad Autónoma de Madrid también ha sido pionera en la investigación del uso del grafeno en España. Recientemente, en esta Universidad se han realizado diversos estudios en la materia, siendo uno de los más relevantes el realizado por el grupo Nanomater Lab . (liderado por Félix Zamora, catedrático del Departamento de Química Inorgánica de la UAM), en el que se concluyó que las mascarillas que contienen grafeno como carga en el composite con polipropileno no desprendían sustancias tóxicas en las condiciones de uso recomendadas, por lo que su utilización en mascarillas FFP2 es totalmente segura para la salud. Esta investigación se llevó a cabo en un momento crucial, pues la crisis sanitaria a raíz de la COVID-19 estaba en pleno apogeo y los resultados sirvieron para generar tranquilidad ante la información difundida por medios de comunicación de Canadá sobre la posibilidad de que el grafeno pudiese ser nocivo para la salud . Asimismo, este grupo de la UAM está investigando sobre el uso de nuevos textiles profilácticos eficientes contra la COVID-19 basados en productos no tejidos modificados con grafeno y sus derivados, un proyecto de I+D+i llevado a cabo en un consorcio en el que participan equipos del IFIMAC-UAM, la Universidad de Granada y el Consejo Superior de Investigaciones Científicas del Estado .


5.2 Atom by Atom y el transporte eléctrico del grafeno

Por otra parte, el grupo Atom By Atom de la UAM, coordinado por Ivan Brihuega, ha estado trabajando en temas referentes al control del magnetismo y transporte eléctrico del grafeno mediante el uso de átomos de hidrógeno. A su vez, el trabajo de Julio Gómez-Herrero y su equipo de la UAM, permitió realizar contribuciones a las propiedades mecánicas del grafeno , así como descubrir que se puede lograr el dopaje del grafeno mediante el uso de puntas de diamante en microscopios de fuerza atómica cuando este se somete a presiones superiores a 10 GPa .


5.3 Los competidores del grafeno en el área de materiales 2D

Sin duda alguna, el descubrimiento del grafeno representa un hito muy reciente, por lo que, aunque ya existan avances importantes en su aplicación, resulta necesario continuar con el proceso de investigación del material para poder descubrir todas las oportunidades que puede brindar a la sociedad, generando nuevas tendencias y avances beneficiosas en distintos ámbitos. Asimismo, ya están surgiendo fuertes competidores en el área de materiales 2D.

  • El borofeno; aún más flexible y duro que el grafeno
  • el dicloruro de cromo pirazina; que posee cualidades similares al grafeno pero cuenta, a su vez, con las ventajas de estructuras biológicas que le otorgan particularidades únicas que podrían abrir una ventana de oportunidades en lo que a su uso respecta.
  • Por otro lado, en materia de tecnología resalta el antimoneno, material 2D que también ha ido teniendo un fuerte impacto a nivel de investigación. Este está compuesto por átomos de antimonio, siendo su principal cualidad el excelente gap electrónico que presenta (característica que no comparte el grafeno).

Fue la UAM, a través de un grupo de trabajo del Instituto de Investigación Avanzada en Ciencias Químicas (IAdChem), quien descubrió, mediante la técnica de exfoliación en fase líquida, una manera de poder producir láminas de antimonio de pocos átomos de espesor estable en condiciones ambiente. Años más tarde, un equipo de trabajo, compuesto por investigadores de la UAM, la Universidad de Valencia y la Universidad Erlangen-Nuremberg de Alemania, fue capaz de crear un método para la producción de antimoneno en escala industrial , generando un espacio de trabajo a nivel internacional para la investigación y el uso de este material en diferentes ámbitos tecnológicos.

En materia de energía, destacan las perovskitas bidimensionales, un material semiconductor que posee características ideales para aplicaciones fotovoltaicas y de emisión de luz. Un grupo de trabajo de la UAM, comprendido por Álvaro Magdaleno, Ana Herranz, Antonio Fernández-Domínguez y otros investigadores del centro universitario, fue el que descubrió que las perovskitas, en su modalidad bidimensional, presentan mayor resistencia a la humedad y al aire que en su forma común. Para ello, intercalaron láminas de cadenas orgánicas (aislantes de electricidad) con láminas de redes cristalinas octaédricas (conductoras), lo que les permitió concluir que este material puede brindar oportunidades de mejora en el diseño de dispositivos fotovoltaicos o de emisión de luz.

6 CASOS DE ÉXITO EN EL USO Y APLICACIÓN DEL GRAFENO

Son varios los casos en los que se ha logrado hacer uso del grafeno exitosamente.
Entre estos destacan:.

  • COMERCIOS. Una aplicación práctica real del grafeno en la actualidad es en las etiquetas de seguridad en tiendas. Vorbeck Materials, empresa estadounidense, es una de las principales compañías productoras de esta modalidad de alarmas. Gracias al grafeno, las etiquetas llevan un circuito impreso que activa el sonido de la alarma si se manipula o extrae del comercio sin una desconexión previa realizada por el personal de la tienda. Sin duda alguna, este avance ha supuesto mejoras en el comercio, pues las etiquetas pueden arrugarse sin alterar su función y, además, se adquieren a un precio bastante reducido (pocos céntimos por etiqueta).
  • EQUIPAMIENTO DEPORTIVO. Son cada vez más las palas de pádel y raquetas de tenis que incorporan grafeno en su estructura, bien sea en la superficie de impacto, en el marco o como relleno, en la espuma que conforma el cuerpo. Además, es muy común en cascos de protección utilizados en deportes como el ciclismo, ya que su conductividad térmica promueve la disipación del calor, así como una ventilación elevada. También se utiliza en la fabricación de tablas de surf y esquís. Asimismo, empresas como Inov-8 y Colmar han hecho uso del grafeno en la fabricación de sus colecciones de ropa y calzado deportivo debido a la durabilidad que brinda a sus productos.
  • SALUD. Como se indicó anteriormente, uno de los usos que se le da al grafeno es en la fabricación de sensores médicos, siendo uno de los más novedosos y revolucionarios el desarrollado por un grupo de investigadores del Instituto Tecnológico de California. A través de unos sensores inalámbricos fabricados con grafeno, colocados encima de una lámina de plástico grabada con láser, los científicos lograron construir una estructura 3D capaz de detectar telemáticamente la COVID-19. El sensor funciona debido a que se le incorporan anticuerpos capaces de detectar la presencia de la COVID-19 debido a la alta sensibilidad del grafeno que le permite detectar en dosis pequeñas compuestos en sangre, sudor y saliva.
  • ESTÉTICA. El Grupo Graphenano ha sido pionero en la incorporación de polímeros en su línea de productos estéticos. Tanto su disco de biopolímero nanoreforzado con grafeno G-CAM para uso odontológico, como sus cosméticos AcquaGraph a base de algas y grafeno, muestran la incorporación del material en tratamientos estéticos en el área de la odontología y de la dermatología.
  • ARQUITECTURA Y CONSTRUCCIÓN. La empresa MC Spain, en colaboración con el Grupo Graphenano, crearon aditivos con grafeno que aumentan la vida útil del hormigón, mejoran su protección contra la carbonatación, su difusión de cloruros y su resistencia a sulfatos, así como que le brindan una mejor permeabilidad. Asimismo, cada vez son más las empresas de arquitectura y de construcción que hacen uso de soluciones basadas en grafeno en cuestiones como los paneles solares, sistemas domóticos, cementos, polímeros, materiales cerámicos y recubrimientos
  • ELECTRÓNICA. El grafeno permite elaborar supercondensadores con mejores características de las habituales (capacidad específica, densidad de energía y potencia), sustituyendo otros componentes más caros, más contaminantes y menos eficientes. Asimismo, son utilizados como complementos en otros dispositivos de almacenamiento de energía como las baterías empleadas en vehículos eléctricos. Por ejemplo, la compañía australiana Graphene Manufacturing Group desarrolló unas baterías de iones de aluminio y grafeno que tienen una densidad de potencia diez veces mayor a las baterías de litio comunes, así como una vida útil tres veces más duradera y una velocidad de carga considerablemente superior (sin necesidad de un sistema de refrigeración).
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