El grafeno es un material laminar formado por una sola capa de átomos de carbono dispuestos en una red de panal 2D y que se obtiene a partir del grafito. Entre sus características, es duro, flexible, delgado y conductor del calor y de la electricidad. Actualmente tiene multitud de aplicaciones en el ámbito de la tecnología.
Concretamente, un milímetro de grafito contiene tres millones de capas de grafeno, material que solamente consiste en una capa de átomos de carbono y que se constituye en una estructura semejante a la de un panal de abejas, es decir, de forma hexagonal.
Sus características de dureza hacen que este material se use para múltiples aplicaciones en el ámbito tecnológico, pero también en otros. De hecho, es el material más resistente que se conoce en la naturaleza.
El grafeno se comercializa en láminas para su empleo en campos como la electrónica, la informática o en la aeronáutica; y también en polvo, que se usa en ámbitos donde no se requiere un material de alta calidad.
La utilidad del grafeno parece no tener fin.
Hallazgo
Recientemente un grupo de científicos descubrió que el grafeno permite naturalmente el transporte de protones, especialmente alrededor de sus arrugas a nanoescala.
La investigación inició hace más de diez años, cuando científicos de la Universidad de Manchester demostraron que el grafeno es permeable a los protones (núcleos de átomos de hidrógeno).
El descubrimiento fue imprevisto y refutó las predicciones teóricas que sugerían que se requerirían millones de años para que un protón atravesara la densa estructura cristalina del grafeno. Debido a esta disparidad existía una teoría que sugería que los protones podrían estar penetrando a través de pequeños agujeros —o poros— en la estructura del grafeno en lugar de la propia red cristalina.
La investigación, publicada en la revista Nature, es un esfuerzo conjunto entre la Universidad de Warwick, donde lo encabeza el profesor Patrick Unwin, líder del Departamento de Química; y la Universidad de Manchester, donde lo encabezan Marcelo Lozada-Hidalgo, físico mexicano experto en cristales bidimensionales, y Andre Geim, físico ruso y Premio Nobel de Física 2010 por sus trabajos sobre el grafeno.
En el documento los científicos explican que utilizando mediciones de resolución espacial ultraalta demostraron de manera concluyente que los cristales de grafeno perfectos permiten el transporte de protones.
Asimismo descubrieron que los protones se aceleran fuertemente alrededor de las arrugas y ondulaciones a nanoescala presentes en el cristal de grafeno.
Hidrógeno verde
El descubrimiento tiene una inmensa importancia para la economía del hidrógeno. Y es que los instrumentos existentes para generar y utilizar hidrógeno a menudo dependen de costosos catalizadores y membranas, algunos de los cuales tienen impactos ambientales notables: reemplazarlos con cristales 2D sostenibles como el grafeno —cristales bidimensionales con estructura de panal con propiedades electrónicas muy particulares— podría desempeñar un papel fundamental en el avance de la producción de hidrógeno verde, mitigando posteriormente las emisiones de carbono y favoreciendo al cambio hacia un entorno de carbono neto cero.
Para llegar a estas conclusiones los investigadores utilizaron microscopía celular electroquímica de barrido (SECCM), una técnica que admite medir pequeñas corrientes de protones en regiones de tamaño nanométrico, lo que permitió a los investigadores visualizar la distribución espacial de las corrientes de protones a través de membranas de grafeno.
Los investigadores indicaron que si el movimiento de protones se hubiera restringido a los agujeros del grafeno las corrientes se habrían aislado en puntos específicos. Sin embargo, no se observaron corrientes tan concentradas, lo que desmiente la teoría sobre los agujeros en las estructuras del grafeno.
De igual forma señalaron que fue sorprendente no ver absolutamente ningún defecto en los cristales de grafeno. “Nuestros resultados proporcionan pruebas microscópicas de que el grafeno es intrínsecamente permeable a los protones”, indicaron.
Inesperadamente se descubrió que las corrientes de protones se aceleraban alrededor de arrugas de tamaño nanométrico en los cristales. Los científicos descubrieron que esto se debe a que las arrugas “estiran” efectivamente la red de grafeno, proporcionando así un espacio más grande para que los protones penetren a través de la prístina red cristalina. Esta observación ahora reconcilia el experimento y la teoría.
Lozada-Hidalgo indicó que “estamos efectivamente estirando una malla de escala atómica y observando una corriente más alta a través de los espacios interatómicos estirados en esta malla; esto es realmente alucinante”.
El equipo es optimista acerca de cómo este descubrimiento puede allanar el camino para nuevas tecnologías de hidrógeno.
Lozada-Hidalgo agregó que “explotar la actividad catalítica de ondulaciones y arrugas en cristales 2D es una forma fundamentalmente nueva de acelerar el transporte de iones y las reacciones químicas. Esto podría conducir al desarrollo de catalizadores de bajo costo para tecnologías relacionadas con el hidrógeno”.
Usos del grafeno
Este material puede encontrarse incluido en numerosos aparatos que rodean nuestro día a día, como computadoras, coches, teléfonos inteligentes o equipos de música.
También puede servir para fabricar aviones, satélites espaciales o automóviles, así como en edificios, convirtiéndolos en construcciones más seguras y resistentes.
En la electrónica puede usarse para la creación de baterías de mayor duración y menor tiempo de carga, sustituyendo materiales contaminantes.
De hecho, el grafeno es capaz de generar electricidad a través de la energía solar, por lo que ya se investiga como opción en el campo de las energías limpias.
Chalecos antibalas, zapatos resistentes, motocicletas, robótica, láser, sensores, trenes, audífonos, prótesis, envases para alimentación y un largo etcétera son algunas de las aplicaciones que tiene y podría tener este material.