Grafeno 101: Formas clave, propiedades y aplicaciones de vanguardia

El grafeno, aislado y caracterizado por primera vez en 2004 por investigadores de la Universidad de Mánchester (Mánchester, Reino Unido) que usaron cinta adhesiva para separar grafito en capas individuales de carbono, valió a sus fundadores Andre Geim y Kostya Novoselov el Premio Nobel de Física en 2010. Una década después, las aplicaciones compuestas mejoradas con grafeno (desde supercondensadores reforzados con nanofibras de aramida para baterías de vehículos eléctricos hasta utillaje compuesto aeroespacial y recipientes a presión criogénicos) continúan acaparando titulares. El material en sí ha estado disponible comercialmente durante unos 10 años, pero, según Terrance Barkan, director ejecutivo del Graphene Council (New Bern, Carolina del Norte, EE. UU.), el camino del grafeno hacia la comercialización se ha acelerado significativamente en los últimos años. De hecho, más de 2.300 patentes relacionadas con grafeno han sido aprobadas solo en los últimos 12 meses, informa el Graphene Council.

Formas y propiedades

El grafeno es una lámina bidimensional y plana de átomos de carbono enlazados en una densa red cristalina con forma de panal. Aunque la forma más pura de grafeno tiene solo un átomo de espesor, el grafeno también puede fabricarse en láminas que comprenden hasta 10 o más capas de carbono.

Los productores de grafeno fabrican grafeno de un par de formas diferentes. Una forma es exfoliar capas individuales de carbono de un material de partida como el mineral grafito. Alternativamente, capas de carbono pueden depositarse sobre un sustrato a partir de una materia prima gaseosa como metano (esto se llama deposición química de vapor, o CVD). El CVD produce las versiones más delgadas, de una sola capa de grafeno; la mayoría de los productos de grafeno a granel o multicapa que se usan en aplicaciones compuestas se exfolian del grafito.

Después de que se otorgara el Premio Nobel a Geim y Novoselov en 2010, siguió un auge en empresas y laboratorios ansiosos por desarrollar aplicaciones que usen grafeno, según Barkan, porque el material ha demostrado ser el más fuerte, rígido y delgado disponible hasta ahora.

En compuestos, el grafeno se usa típicamente como aditivo dentro de matrices de resina y otros materiales para mejorar una variedad de propiedades mecánicas, incluyendo conductividad eléctrica y térmica, durabilidad, flexibilidad, rigidez, resistencia UV, reducción de peso y resistencia al fuego. De particular importancia para uso en aplicaciones compuestas, señala Barkan, es que el grafeno también puede reducir la falla por cizallamiento interlaminar, eliminar problemas de microfisuración dentro de un laminado compuesto y mejorar la resistencia al impacto/tenacidad. "Es básicamente magia", concluye.

También hay un factor de sostenibilidad inherente al uso de grafeno, señala Barkan. El grafeno en sí puede reciclarse de productos de desecho como biodiésel, y su durabilidad puede aumentar la vida útil de un material o producto, haciéndolos más sostenibles. Además, el grafeno es carbono puro, lo que evita la toxicidad potencial de otros químicos o aditivos usados en matrices de resina.

Formas de grafeno

La forma final del producto de grafeno depende, primero, del número de capas de carbono que componen el material. Según Barkan, aunque el grafeno "prístino" tiene solo una capa atómica de espesor, un material que tiene 10 capas atómicas de carbono o menos todavía se refiere en el mercado como grafeno. El grafeno se categoriza típicamente como grafeno de muy pocas capas (vFLG, 1-3 capas de carbono), grafeno de pocas capas (FLG, 2-5 capas), grafeno multicapa (MLG, 2-10 capas), o nanoplaquetas de grafeno (GNP, pilas de láminas de grafeno que pueden consistir en múltiples capas).

Además de las capas de carbono, el grafeno viene en varias formas comerciales, incluyendo óxido de grafeno (GO, que es un compuesto de carbono, oxígeno e hidrógeno); óxido de grafeno reducido (rGO, que tiene menos oxígeno y más carbono); polvo, solución o pasta de grafeno; nanoplaquetas de grafeno (con un espesor entre 1-3 nanómetros y dimensiones laterales que van de 100 nanómetros a 100 micrómetros); y grafeno funcionalizado, que añade elementos a la superficie o bordes del grafeno para algunas aplicaciones. Un ejemplo de grafeno funcionalizado es el grafeno tratado con plasma producido por Haydale (Ammanford, Reino Unido), que se dice ayuda a prevenir la aglomeración durante la dispersión en una resina, según Gemma Smith, directora global de marketing de Haydale.

En general, menor número de capas significa mayor precio. Según el Graphene Council, el grafeno con 1-2 capas puede costar hasta 100.000 dólares por metro cuadrado (aunque las formas comerciales son mucho menos costosas), mientras que el grafeno multicapa cuesta entre 50-1.500 dólares por kilogramo. Para muchas aplicaciones compuestas, dice Barkan, el grafeno multicapa o las nanoplaquetas de grafeno exhiben más que suficientes propiedades para ser usadas. Barkan también señala que las moléculas de grafeno son tan pequeñas que están completamente encapsuladas en la resina; no hay posibilidad de que "caigan" o sean "liberadas" durante la fabricación.

Hay varias formas en que el grafeno en cualquiera de sus formas puede dispersarse para una aplicación, usando funcionalización, compounding o una variedad de solventes y surfactantes. Barkan señala que un obstáculo para la comercialización del grafeno es que los métodos de dispersión siguen siendo un desafío para entender y ejecutar en muchas aplicaciones.

Según Barkan, para aplicaciones compuestas, las nanoplaquetas multicapa (1-5 nanómetros de espesor) en forma de polvo negro se mezclan típicamente en la resina líquida o endurecedor. A diferencia de muchos otros tipos de aditivos, el grafeno solo necesita incorporarse en cantidades muy pequeñas para lograr las propiedades deseadas, frecuentemente menos del 1% en peso y a menudo hasta una décima de porcentaje o menos en peso, dice Barkan. Algunas empresas también están añadiendo grafeno al apresto de fibra para ciertas aplicaciones, o incluso puede tejerse en las fibras; algunos proveedores de fibra de nailon han hecho esto, señala Barkan.

"El grafeno puede usarse en casi cualquier plástico, resina o solvente que puedas imaginar", dice Barkan. Esto incluye termoplásticos, en los que el grafeno se incorpora típicamente en las perlas o pellets termoplásticos durante la etapa de mezcla en fusión. La combinación de grafeno con termoplástico, dice Barkan, aumenta la temperatura de servicio de la resina y extiende su vida útil.

Proveedores y aplicaciones

Según Barkan, actualmente hay más de 200 empresas que afirman suministrar grafeno. De estas, dice que alrededor del 80% son operaciones a escala de laboratorio. Estima que hay unos 30 productores industriales de grafeno operando actualmente, con nuevas empresas entrando al mercado frecuentemente. La siguiente es una lista de proveedores comerciales de grafeno que son miembros del Graphene Council:

Proveedor de Grafeno	Ubicación
Abalonyx	Oslo, Noruega
Applied Graphene Materials	Redcar Cleveland, Reino Unido
Avanzare	Navarrete, España
First Graphene	Henderson, Australia
General Graphene Corp.	Knoxville, Tennessee, EE. UU.
Glaeren	Ciudad de México, México
Global Graphene Group	Dayton, Ohio, EE. UU.
Graphenea	San Sebastián, España
Grolltex	San Diego, California, EE. UU.
Nanotech Energy	Los Ángeles, California, EE. UU.
Ntherma	Milpitas, California, EE. UU.
Standard Graphene	Ulsan, Corea del Sur
Thomas Swan	Consett, Reino Unido
Universal Matter	Houston, Texas, EE. UU.
Versarian PLC	Cheltenham, Reino Unido
William Blythe	Accrington, Reino Unido
XG Sciences	Lansing, Míchigan, EE. UU.
Zen Graphene Solutions	Thunder Bay, Canadá

Mercados y aplicaciones: Desde artículos deportivos hasta el espacio

El Graphene Council ha identificado 45 áreas principales de aplicación para el grafeno, que van desde semiconductores hasta recubrimientos y caucho, y compuestos, que el Graphene Council dice que es actualmente el mayor usuario de grafeno.

Dentro de la industria de compuestos, los mercados finales que usan grafeno van desde artículos deportivos hasta aeroespacial e impresión 3D, en diversos grados de comercialización. Según Philip Rose, CEO del fabricante de nanoplaquetas de grafeno XG Sciences (Lansing, Míchigan, EE. UU.), el mercado del grafeno aún está madurando, especialmente dentro de la industria de compuestos.

"Los mercados emergen y crecen con el tiempo", explica. La comercialización de un nuevo material "comienza con unas pocas aplicaciones a bajo volumen, luego muchas aplicaciones a bajo volumen. Y luego obtienes un número de esas creciendo a volumen intermedio, y luego un número menor creciendo a volumen muy alto. [Con el grafeno], todavía estamos en la etapa de 'pocas aplicaciones a bajo volumen' en el espacio de compuestos. Y eso podría ser por varias razones: argumentos de cadena de suministro, eficacia, u otras razones. Creo que es solo un problema de madurez... y eso solo lleva tiempo, y educación."

Rose señala a la industria de artículos deportivos como el primer gran adoptante de compuestos mejorados con grafeno. "[El mercado de] artículos deportivos podría beneficiarse no solo de los atributos de rendimiento [del grafeno], sino también de los atributos de marketing", dice. "En el mundo de los artículos deportivos, todos quieren lo último y lo mejor". Así que cuando el grafeno se convirtió en el nuevo material "último y mejor", los fabricantes de artículos deportivos comenzaron rápidamente a probar su valor en equipos deportivos de compuestos de alta gama, como palos de hockey sobre hierba, bolas de golf, esquís y raquetas de tenis. Según Barkan, algunas aplicaciones de grafeno en productos compuestos de artículos deportivos se han elevado a producción en serie.

"Típicamente lo que pasa después de que los artículos deportivos [adoptan un material]", continúa Rose, "es que el mercado industrial empieza a adoptarlo, y eso puede volverse bastante amplio". El alcance del grafeno dentro del mercado industrial, señala, no se limita a compuestos: muchos de los clientes actuales de XG Sciences usan grafeno para mejorar el rendimiento de envases, o la reciclabilidad de botellas de plástico.

Los compuestos mejorados con grafeno también han visto varios éxitos en la industria automotriz, donde el grafeno presenta una oportunidad para añadir resistencia y resistencia al impacto con menos material, reduciendo así el peso total de la pieza. Por ejemplo, XG Sciences trabajó con Ford Motor Co. (Dearborn, Míchigan, EE. UU.) en espuma de poliuretano mejorada con grafeno que mejoró durabilidad, ruido, vibración y dureza (NVH) y peso en componentes producidos para los vehículos Ford F-150 y Mustang. Además, la empresa de coches deportivos de lujo Briggs Automotive Co. (BAC, Liverpool, Reino Unido) anunció en agosto de 2019 que todos los paneles de carrocería de su supercoche Mono R monoplaza se producen con compuestos de fibra de carbono 100% mejorados con grafeno usando grafeno funcionalizado de Haydale, señalando, dice Barkan, potencial para más oportunidades dentro de la industria automotriz.

En aeroespacial, la resistencia al impacto y la reducción de peso son clave. El mercado aeroespacial "parece que tendría un gran potencial", dice Rose, "pero las aplicaciones no han aumentado realmente a un volumen apreciable todavía". Aunque la calificación completa aún no se ha logrado para componentes de aviones compuestos mejorados con grafeno, se han presentado o están en desarrollo varias piezas demostrativas en aeroespacial comercial. Por ejemplo, un consorcio financiado por la Unión Europea llamado Graphene Flagship, que consiste en más de 150 organizaciones asociadas en 23 países, anunció en 2018 el desarrollo de un borde de ataque horizontal de cola mejorado con grafeno para un Airbus A350. Los socios del consorcio Airbus, Aernnova y Grupo Antolin-Ingeniería informaron que el demostrador mostró propiedades mecánicas y térmicas aumentadas, lo que les permitió hacer el borde de ataque más delgado y ligero manteniendo las propiedades requeridas. El Graphene Flagship también está encabezando un proyecto que analiza el uso de grafeno en superficies de deshielo de aeronaves, así como aplicaciones en automoción, baterías y más.

La conductividad eléctrica es otro beneficio potencial del grafeno en aplicaciones aeroespaciales. En noviembre de 2019, Haydale lanzó una gama de prepregs mejorados con grafeno para protección contra rayos. La empresa informó que el material mejorado con grafeno funcionalizado es adecuado para una mejor conductividad eléctrica en componentes estructurales y para envoltorios en sistemas de aviónica electrónica.

En el mercado espacial, la tendencia del grafeno a mitigar problemas de microfisuración dentro de laminados compuestos se presta a recipientes a presión compuestos para almacenamiento de combustibles y oxidantes de vehículos de lanzamiento espacial, como el criotanque esférico, totalmente compuesto, enrollado por filamentos de Infinite Composites Technology (ICT, Tulsa, Oklahoma, EE. UU.) anunciado a principios de este año.

Una aplicación que Barkan dice que se pasa por alto es el uso de grafeno en utillaje compuesto. Los beneficios del utillaje compuesto mejorado con grafeno incluyen utillaje más duradero y mejor distribución de calor, dice. Un ejemplo reciente de esto es un material de utillaje prototipo desarrollado por SHD Composites Ltd. (SHD, Sleaford, Reino Unido) en colaboración con Composite Tooling and Engineering Solutions Ltd. (CTES, Matlock, Reino Unido) y Applied Graphene Materials (AGM, Redcar & Cleveland, Reino Unido). Mejorado con nanoplaquetas de grafeno de AGM, un mandril de herramienta AFP (colocación automática de fibra) de CFRP demostró potencial para utillaje de piezas aeroespaciales de menor costo y alto rendimiento. El equipo está trabajando en desarrollos como procesar el material fuera de autoclave (OOA) y utillaje prototipo para aplicaciones de compuestos termoplásticos.

Experimentalmente, Barkan dice que el grafeno también se está probando como mejora para palas de turbinas eólicas compuestas, cuyas superficies de alto impacto y necesidad de estructuras ligeras se beneficiarían de la inclusión de grafeno en la matriz. Smith añade que Haydale también ve potencial para el grafeno en palas de turbinas eólicas para mejorar la conductividad eléctrica y proteger contra rayos.

En ruta hacia la comercialización completa

¿Qué sigue para este "material maravilla"? Barkan predice la comercialización completa del grafeno dentro de la próxima década. "Tenemos mucho impulso positivo", dice Rose, añadiendo, "todavía estamos en una fase de descubrimiento, pero comenzará con diseño y actividad deliberados, que en el mundo automotriz lleva mucho tiempo, y más rápido en mercados como artículos deportivos... Pero eso luego proporciona más robustez en la cadena de suministro y más conocimiento sobre eficacia, y luego se vuelve auto-propagante".

"Creo que todos los sectores ahora compiten por el uso de grafeno", añade Smith, "porque hemos aprendido cómo usar grafeno, y cómo y dónde ofrece mejoras, gracias a una enorme cantidad de investigación en empresas e instituciones como la Universidad de Mánchester específicamente analizando diferentes aplicaciones... Como industria, estamos teniendo conversaciones sensatas con grandes empresas espaciales, grandes empresas aeroespaciales, grandes empresas automotrices, y debido a esto, creo que el uso de grafeno en compuestos va a crecer. No hay razón por la que no lo haría."

Mientras tanto, continúan surgiendo estudios para llenar lagunas de conocimiento. Por ejemplo, el Graphene Council está trabajando con Composites One (Arlington Heights, Illinois, EE. UU.), la Universidad de Mánchester, Huntsman (The Woodlands, Texas, EE. UU.) y Chromaflo (Ashtabula, Ohio, EE. UU.) para coordinar un proyecto que prueba diferentes formas de grafeno dentro de un sistema de resina común. Para el proyecto, nanoplaquetas de grafeno, óxido de grafeno, óxido de grafeno reducido y grafeno funcionalizado se añadirán cada uno a un sistema de resina común (resina epoxi Araldite GY 282 de Huntsman, elegida porque es un sistema de resina común y ampliamente utilizado), cada uno al 1% en peso, 0,5% en peso y 0,1% en peso. Con no menos de 14 materiales de muestra diferentes de ocho empresas obtenidos, cada sistema de material se convertirá en una pieza que tiene resina pero no grafeno, grafeno pero no fibra, resina con grafeno y fibra de vidrio, y resina con grafeno y fibra de carbono. Las pruebas incluirán resistencia al impacto, resistencia a la tracción, módulo de flexión y pruebas de cizallamiento interlaminar, dice Barkan.

"Será la primera vez que haya una comparación cara a cara independiente de terceros de diferentes tipos de grafeno de diferentes empresas usando el exacto mismo sistema de resina y exactamente las mismas pruebas", dice Barkan. El Graphene Council planea publicar los resultados públicamente.

"Realmente invito a la gente a echar un vistazo al [grafeno] con un nuevo par de ojos", concluye Barkan, "porque la calidad es diferente [ahora, comparado con hace una década]. El precio es diferente. Las técnicas de manipulación están avanzadas. Tenemos casos de estudio probados, tenemos ejemplos. Se está comercializando. Y vale la pena echarle un vistazo."