Investigadores de la Universidad de Rice informan en Nature que pueden eliminar prácticamente cualquier fuente de carbono sólido, desde restos de comida hasta neumáticos viejos de automóviles, y convertirla en grafeno, láminas de átomos de carbono apreciados para aplicaciones que van desde plástico de alta resistencia hasta electrónica flexible.

Las técnicas actuales producen pequeñas cantidades de grafeno perfecto o hasta toneladas de trozos de grafeno menos preciados.

El nuevo método ya produce gramos por día de grafeno casi prístino en el laboratorio, y los investigadores ahora lo están aumentando a kilogramos por día.

“Este trabajo es pionero desde un punto de vista científico y práctico“, ya que promete hacer que el grafeno sea lo suficientemente barato como para usarlo para fortalecer el asfalto o la pintura, dice Ray Baughman, químico de la Universidad de Texas, Dallas.

“Ojalá lo hubiera pensado“.

Los investigadores ya fundaron una nueva empresa, Universal Matter, para comercializar su proceso de conversión de residuos en grafeno.

Con láminas delgadas de átomos de carbono dispuestas como alambre de gallina, el grafeno es más fuerte que el acero, conduce la electricidad y el calor mejor que el cobre y puede servir como una barrera impermeable que evita la oxidación de los metales.

Pero desde su descubrimiento en 2004, el grafeno de alta calidad, ya sea en hojas sueltas o en unas pocas capas apiladas, ha seguido siendo costoso de fabricar y purificar a escala industrial.

Eso no es un problema para fabricar dispositivos diminutos como transistores de alta velocidad y diodos emisores de luz eficientes.

Pero las técnicas actuales, que producen grafeno al depositarlo en un vapor, son demasiado costosas para muchas aplicaciones de gran volumen.

Y los enfoques de mayor rendimiento, como pelar grafeno de trozos de grafito mineral, producen manchas compuestas de hasta 50 capas de grafeno que no son ideales para la mayoría de las aplicaciones.

El grafeno viene en muchas formas.

Las hojas individuales, que son ideales para la electrónica y la óptica, se pueden cultivar utilizando un método llamado deposición química de vapor.

Pero produce solo pequeñas cantidades.

Para grandes volúmenes, las empresas suelen utilizar una técnica llamada exfoliación líquida.

Comienzan con trozos de grafito, que son solo una miríada de capas de grafeno apiladas.

Luego usan ácidos y solventes, así como molienda mecánica, para cortar las escamas.

Este enfoque generalmente produce plaquetas pequeñas, cada una compuesta de 20 a 50 capas de grafeno.

En 2014, James Tour, químico de Rice, y sus colegas descubrieron que podían hacer una forma pura de grafeno, cada pieza de unas pocas capas de espesor, al eliminar una forma de carbono amorfo llamado negro de carbón con un láser.

Breves pulsos calentaron el carbono a más de 3000 kelvins, rompiendo los enlaces entre los átomos de carbono.

A medida que la nube de carbono se enfrió, se unió en la estructura más estable posible, el grafeno.

Pero el enfoque todavía producía cantidades muy pequeñas y requería mucha energía.

Hace dos años, Luong Xuan Duy, uno de los estudiantes de posgrado del Tour, leyó que otros investigadores habían creado nanopartículas metálicas al eliminar un material con electricidad, creando la misma breve explosión de calor detrás del éxito del enfoque con láser de grafeno.

“Me preguntaba si podría usar eso para calentar una fuente de carbono y producir grafeno“, dice Duy.

Entonces, puso una pizca de negro de carbón en un vial de vidrio transparente y le aplicó 400 voltios durante aproximadamente 200 milisegundos.

Inicialmente consiguió basura.

Pero después de un poco de ajustes, logró crear un destello blanco amarillento brillante, lo que indica que la temperatura dentro del vial estaba alcanzando aproximadamente 3000 grados Kelvin.

Las pruebas químicas revelaron que había producido grafeno.

Resultó ser un tipo de grafeno que es ideal para usos a granel.

A medida que los átomos de carbono se condensan para formar grafeno, no tienen tiempo para acumularse en un patrón regular, como lo hacen en el grafito.

El resultado es un material conocido como grafeno turboestático, con capas de grafeno mezcladas en todos los ángulos uno encima del otro.

“Eso es algo bueno“, dice Duy.

Cuando se agrega al agua u otros solventes, el grafeno turboestático permanece suspendido en lugar de acumularse, permitiendo que cada mancha del material interactúe con cualquier compuesto al que se agregue.

“Esto lo convertirá en un material muy bueno para las aplicaciones“, dice Monica Craciun, física de materiales de la Universidad de Exeter.

En 2018, ella y sus colegas informaron que agregar grafeno al concreto más que duplicó su resistencia a la compresión.

El equipo del Tour vio el mismo resultado.

Cuando agregaron solo 0.05% en peso de su grafeno producido al instante al concreto, la resistencia a la compresión aumentó un 25%.

El grafeno agregado al polidimetilsiloxano, un plástico común, aumentó su resistencia en un 250%.

Esos resultados podrían reavivar los esfuerzos para usar el grafeno en una amplia gama de compuestos.

Investigadores en Italia informaron recientemente que agregar grafeno al asfalto reduce drásticamente su tendencia a fracturarse y más que duplica su vida útil.

El año pasado, Iterchimica, una empresa italiana, comenzó a probar un tramo de carretera de 250 metros en Milán pavimentado con asfalto con grafeno.

Las pruebas en otros lugares han demostrado que agregar grafeno a la pintura mejora dramáticamente la resistencia a la corrosión.

Estas aplicaciones requerirían grafeno de alta calidad por tonelada.

Afortunadamente, el punto de partida para este grafeno difícilmente podría ser más barato o más abundante: prácticamente cualquier materia orgánica, incluidos los granos de café, restos de comida, llantas viejas y botellas de plástico, se puede vaporizar para hacer el material.

“Estamos convirtiendo la basura en grafeno“, dice Duy.

Fuente: ScienceMag

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