Toma un trozo de cinta adhesiva y aplícala a la “mina” de un lápiz. Tire de la cinta y puede que aún tenga algunas escamas finas de grafito adheridas. Dobla la cinta por la mitad y desdóblala, para dividir las escamas. Hágalo 10 o 20 veces y, si su técnica es buena, entonces felicitaciones, acaba de hacer el material más delgado conocido, y casi el más fuerte.
El truco de la cinta es literalmente como Andre Geim y Konstantin Novoselov lograron aislar por primera vez el grafeno, una capa de carbono de un átomo de espesor y por lo tanto bidimensional, en la Universidad de Manchester en el Reino Unido en 2004. Seis años más tarde, los físicos ganaron el Premio Nobel por sus esfuerzos, y por una buena razón.
Las propiedades del grafeno son extraordinarias, como lo demuestran los productos emergentes que incorporan el material: auriculares que suenan mejor, teléfonos inteligentes más fríos, carreteras más difíciles y envases de champú más respetuosos con el medio ambiente.
El grafeno no sólo es el material más delgado y segundo más fuerte del mundo – una forma unidimensional de carbono llamada carbyne lo ha superado allí – sino que es increíblemente ligero y transparente. También es muy flexible o muy rígido, dependiendo de cómo se trate. Está entre los mejores conductores térmicos y los conductores eléctricos más rápidos, y también es genial para dejar pasar el agua mientras bloquea cualquier otra cosa, lo que lo convierte en un excelente filtro y barrera. Y, como demostraron Geim y Novoselov, el grafeno puede ser bastante fácil de hacer
Estas propiedades, además de la notable noticia de los premios Nobel, condujeron a una tonelada de promoción sobre grafeno hace una década. Pero aún quedaba mucho trabajo por hacer, como averiguar la mejor manera de fabricar y luchar por el grafeno, encontrar aplicaciones donde tenga sentido económico y construir lentamente nuevos mercados. Así que el bombo se calmó.
Ahora, sin embargo, el tiempo de la sustancia milagrosa puede estar llegando.
Prestemos atención
“Puedo escuchar cada detalle musical con un nivel de claridad que sólo he experimentado desde el podio frente a una orquesta”, declaró Gustavo Dudamel, director musical de la Filarmónica de Los Ángeles, al apoyar los primeros auriculares basados en Grafeno del mundo -un conjunto llamado GQ, hecho por una startup canadiense llamada Ora– en una declaración.
Aprovechando las propiedades de rigidez, ligereza y amortiguación del grafeno -su capacidad de dejar de moverse tan pronto como una corriente eléctrica deja de pasar a través de él- Ora está utilizando el óxido de grafeno para fabricar membranas para auriculares y altavoces. El propio Novoselov ha aclamado a la empresa por asegurar que “el grafeno está oficialmente fuera del laboratorio y dentro del mundo del audio“.
Figura 1. Auriculares con propiedades de grafeno de Ora
“Durante casi dos décadas, las propiedades teóricas del grafeno han sido vistas como el material de diafragma del ‘Santo Grial‘ para los altavoces”, dice el cofundador de Ora, Ari Pinkas, explicando que los diseñadores de altavoces normalmente tienen que comprometerse con la rigidez, la ligereza o la amortiguación.
Pinkas dice que su compañía está trabajando con las principales marcas de computadoras portátiles y teléfonos inteligentes en la fabricación de altavoces más pequeños y más fuertes para sus dispositivos, y se prevé que algunos diseños se lanzarán en 2022. Sin embargo, citando acuerdos de no divulgación, no está nombrando ningún nombre.
“Cuando el grafeno irrumpió en escena, fue un material maravilloso que cambiaría el mundo”, dice Richard Collins, analista principal de la firma de investigación de mercado de tecnología avanzada IDTechEx.
“Para ser honesto, si hablas con mucha gente del grafeno, todavía piensan que cambiará todo”, añadió Collins.
“Lo que ha sucedido es que, durante ese período de 10 años, has tenido a muchas compañías probándolo. Has tenido un montón de usuarios finales que lo han explorado. Siendo realistas, sólo ahora y en los próximos años estamos llegando a ese punto de inflexión.”
Salgamos a la carretera: esta es la potencia del grafeno
Del audio al asfalto: La fuerza de grafeno está despertando interés en la industria de la construcción.
La industria tiene un problema de larga data con las emisiones; tanto como el 8% de las emisiones de CO2 del mundo provienen de la producción de hormigón. La adición de grafeno a la mezcla podría ayudar a reducir esas emisiones, porque permitiría un hormigón más fuerte, lo que significa poder usar menos hormigón.
Pero la capacidad del grafeno para conducir rápida y eficientemente el calor (una propiedad que ha llevado a su uso en algunos teléfonos inteligentes Huawei recientes) también está demostrando ser útil.
¿Recuerdan el mortal colapso de puente que ocurrió hace un par de años en Génova, Italia? El asfalto en el reemplazo del puente contiene polvo de grafeno hecho por una empresa italiana llamada Directa Plus. Esto ayuda a distribuir el calor a través de la superficie de la carretera, así que en temperaturas bajo cero hay menos probabilidad de que los puntos fríos generen grietas que eventualmente se conviertan en baches.
“La propiedad más impresionante es que este aditivo es capaz de triplicar la vida de la carretera de seis a siete años a 18 a 21 años”, afirma Giulio Cesareo, cofundador y CEO de Directa Plus. Pero ese está lejos de ser el único uso de las nanoplataformas de grafeno de la compañía.
Cesareo y sus cofundadores americanos -que desde entonces han vendido sus acciones al multimillonario cirujano convertido en inversor Patrick Soon-Shiong- son veteranos de Union Carbide. El italiano se unió al gigante químico estadounidense (ahora propiedad de Dow) justo después del desastre de Bhopal de 1984, en el que una planta de pesticidas de Union Carbide en la India tuvo una fuga de gas y envenenó a más de medio millón de personas.
Las secuelas de esa tragedia alimentaron el interés de Cesareo por el medio ambiente y la sostenibilidad, que ahora se manifiesta en la labor de Directa Plus.
Por un lado, el método de Directa Plus para producir grafeno se basa en la física en lugar de la química: en lugar de utilizar productos químicos para cultivar la sustancia en el metal, utiliza calor y presión extremos para exfoliar el grafeno de las partículas de grafito. Esto, dice Cesareo, hace más fácil y más barato producir telas a base de grafeno que pueden ser usadas con seguridad en la piel, en la ropa y en las máscaras faciales (ambas están en el mercado, usando el grafeno de Directa Plus).
La empresa también ha estado trabajando con la empresa rusa Lukoil y la austríaca OMV en la descontaminación del suelo y el agua que ha sido contaminada por los derrames de petróleo en Rumania. Debido a que el grafeno es capaz de bloquear la mayoría de los fluidos mientras que sólo deja pasar el agua, el polvo de Directa Plus se está utilizando en barreras que absorben el petróleo derramado, limpiando el entorno. Cuando se saturan, pueden ser efectivamente exprimidos y utilizados de nuevo.
“Sacamos 400 toneladas de petróleo crudo que se enviaron a la refinería”, dice Cesareo de los primeros despliegues.
Aplicación del grafeno: envases más ecológicos
La función del grafeno como barrera flexible es naturalmente muy útil en el mundo de los embalajes, teniendo en cuenta los beneficios medioambientales.
Este mes, una nueva empresa con sede en el Reino Unido llamada Toraphene reveló un biopolímero que, según dice, proporciona la primera alternativa totalmente biodegradable, compostable y comercialmente viable para los envases de plástico. El material homónimo, que combina el grafeno con polímeros naturales de plantas, se está utilizando primero en las bolsas de compras.
Pero el verdadero avance -el que inició el viaje de Toraphene en 2011, cuando sus fundadores eran investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Noruega- estará en los envases para líquidos.
El director general Gaute Juliussen dice que el gigante de bienes de consumo Unilever se acercó a Toraphene hace cuatro años, pidiendo un mejor sobre de champú (Unilever confirma que las empresas tuvieron discusiones.) Los sobres actuales utilizan unas pocas capas de plástico para la resistencia y una de óxido de aluminio, para proporcionar una barrera contra el líquido que rezuma. Torafeno dice que su material proporciona la fuerza y la impermeabilidad necesarias, pero en una forma que puede ser fácilmente reciclada ya que es sólo orgánico y de carbono.
En cualquier caso, las discusiones de Unilever fracasaron: Después de dos años de negociaciones de contratos, dice Juliussen, el intento de adquisición hostil por parte de Kraft Heinz dio lugar a grandes medidas de reducción de costos con el fin de impulsar los dividendos, y la I+D se vio muy afectada. Como los contactos de Toraphene ya se habían abandonado, no hubo acuerdo, y la startup pasó a una ronda de financiación colectiva recién concluida (y con un gran exceso de solicitudes) para llevar su envase al mercado.
“El tipo de grafeno que estamos buscando para el envasado costará actualmente a granel alrededor de 200 dólares por kilo”, dice Juliussen.
Collins de IDTechEx dice que algunas compañías están vendiendo grafeno por menos de 10 dólares por kilogramo en estos días. Pero el grafeno de Toraphene proviene de grafito de cantera en lugar de ser sintetizado a bajo costo, un enfoque que puede crear un producto inferior.
“Debido a que usamos tan poco de él [menos del 0,2% del envase es de grafeno] somos capaces de hacer envases económicos con él”, dice Juliussen.
“Añade tal vez un 10% más o menos al coste, pero luego añadimos resistencia al envase de más del 20%. Net-net, somos capaces de conferir un beneficio”.
La próxima parada: tazas de café de papel, que actualmente utilizan un forro de plástico como impermeabilización que también hace difícil su reciclaje.
Toraphene ha registrado una patente para el uso de su material como forro, y actualmente está trabajando en la aprobación de los reguladores de las normas alimentarias de EE.UU. y Europa.
Según Collins, es este tipo de área donde el grafeno podría realmente tener éxito. (IDTechEx calcula que el mercado de varios tipos de material de grafeno tendrá un valor de 700 millones de dólares para 2031, frente a los menos de 100 millones de hoy en día). Sí, hay productos de consumo que se venden más por el uso del grafeno – auriculares, raquetas de tenis, zapatos – pero “el éxito es que se vendan cientos o miles de toneladas de su material”, dice.
Figura 2. El valor del grafeno para diferentes tipos de sectores. Crédito: IDTechEx
“La realidad es que si hablas con una empresa de automóviles, no va a gastar dinero en un forro resistente al desgaste, porque el grafeno añade marketing”, dice Collins. “Es la economía a lo largo de la vida útil del producto, ¿tiene sentido? Ese es el empuje de ese punto de inflexión”.
Cargando hacia adelante
Lo que nos lleva finalmente a una de las compañías más habladas que operan actualmente en el espacio grafeno: Skeleton Technologies.
La empresa estonio-alemana tiene contratos con algunos de los mayores nombres de la industria automotriz europea -aunque es reacia a publicarlos por ahora- y no se trata de material para revestimiento, sino para el almacenamiento de energía en baterías de grafeno.
Si apilas capas de grafeno normales y planas, se agrupan y terminas con grafito de nuevo. Así que Skeleton desarrolló un método propio de fabricación de grafeno curvo, que supera este problema. Utiliza este grafeno curvo en ultracondensadores.
Eso significa que las baterías pueden ser cargadas en segundos, un millón de veces, sin necesidad de materiales escasos como el litio y el cobalto. Estos ultracondensadores ya están siendo utilizados en excavadoras, en equipos médicos y en transporte: En las ciudades alemanas de Mannheim, Heidelberg y Ludwigshafen, están recuperando la energía de frenado de los tranvías y reutilizándola para la aceleración.
“Es más barato y más pequeño que cualquier tipo de solución de baterías”, dice el CEO de Skeleton, Taavi Madiberk.
Sin embargo, debido a que estos ultracondensadores almacenan menos energía que las baterías tradicionales de iones de litio, es probable que los ultracondensadores de grafeno coexistan con otras tecnologías y las complementen.
Según Madiberk, el mayor beneficio del grafeno curvo es el manejo de las cargas máximas que causan que las baterías de iones de litio estándar se sobrecalienten y degraden con el tiempo; la combinación de ambos permite que los paquetes de baterías sean un 30% más pequeños y el doble de duraderos. También habla del potencial de los ultracondensadores de Skeleton para mantener la estabilidad de la red eléctrica a medida que las energías renovables relativamente impredecibles se vuelven más predominantes.
Skeleton ha estado desarrollando su tecnología desde los primeros días del grafeno, en 2009, pero sólo empezó a comercializar sus ultracondensadores hace un par de años. Con una cartera de contratos que ya supera los 150 millones de euros (182 millones de dólares), recaudó 41 millones de euros en una ronda de inversiones en octubre para ampliar y preparar su lanzamiento de “superbaterías“, para las que Madiberk ve un mercado potencial de 60.000 millones de euros.
“Tal vez en 2009, si hubiera sabido cuánto tiempo se tarda, no estoy seguro de que hubiéramos puesto en marcha la empresa”, dice Madiberk, cuya trayectoria se basa en el comercio electrónico. “En términos de grafeno y de llegar al mercado, es paciencia, paciencia, paciencia”.
Noticia tomada de: Fortune / Traducción libre del inglés por World Energy Trade
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