Con financiamiento del Concytec, investigadores de la PUCP evaluarán metodologías de fabricación de grafeno
“Las fuentes del paraíso”, la celebrada novela de ciencia ficción de 1979 escrita por Arthur C. Clarke, describe la epopeya de un ingeniero que, en el siglo 22, desarrolla un elevador al espacio: un ascensor que conecta la superficie de la Tierra con una estación espacial a 36,000 km de altura y que transporta gente y carga fuera del planeta, sin el uso de propulsores.
Sin materiales lo suficientemente resistentes y ligeros para construir una torre de esta naturaleza, un proyecto así no era menos fantástico que los saltos al hiperespacio de Star Wars. Hasta que en 2004 Andre Geim y Konstantin Novoselov, de la Universidad de Manchester, desarrollaron una novedosa metodología de producción del grafeno. En grandes cantidades, este material 200 veces más fuerte que el acero y cinco veces más ligero que el aluminio sería la base de un elevador al espacio.
Y científicos de la Pontificia Universidad Católica del Perú (PUCP), financiados por el Consejo Nacional de Ciencia, Tecnología e Innovación Tecnológica (Concytec), proponen producir grafeno en nuestro país nada menos que a partir de residuos forestales amazónicos.
Ellos se hicieron acreedores a una subvención por S/ 350,000 al integrar la lista de 190 proyectos de 20 regiones del país, ganadores de la Convocatoria Proyectos de Investigación Aplicada y Desarrollo Tecnológico 2018, desarrollada en convenio con el Banco Mundial (BM). Los montos para cada proyecto van desde los S/ 63 mil hasta los S/ 500 mil por proyecto, sumando un desembolso total de alrededor de S/ 57 millones.
Sobre el grafeno
El grafeno, hay que decirlo, es un producto del carbón, así como el grafito —del que están hechas las minas de los lápices— o incluso el diamante, material en la cima de la escala de Mohs, que mide la dureza de diversos minerales.
La diferencia del grafeno está en cómo están ordenados y enlazados sus átomos, lo cual le da su forma única a nivel atómico. Sus átomos están ordenados en forma de hexágonos, como el alambrado de un gallinero, con enlaces atómicos bastante fuertes, lo que da sus inusuales propiedades al material resultante.
Este ya había sido concebido teóricamente mucho antes del 2004 pero fue recién entonces cuando los científicos en Manchester pudieron producir grafeno a partir de grafito. Con la ayuda de una cinta adhesiva, se pudo extraer una fina capa superficial de partículas de grafito. A partir de ello, emplearon químicos para disolver la cinta adhesiva, lo que dejó microscópicas hojuelas de grafeno. Como resultado, se obtuvo un material liviano, resistente, flexible, altamente eficiente como electroconductor y particularmente fino: las láminas desarrolladas apenas tienen un átomo de espesor, por lo que se les ha denominado desde entonces como materiales bidimensionales.
El resultado: una fina hoja que goza de inusitada resistencia acompañada de elasticidad, pues el grafeno puede extenderse hasta 20% de su largo original. Por ello, son numerosas sus potenciales aplicaciones en la industria de la vestimenta, los wearables y dispositivos como smartphones y Smart tv -que apuntan al desarrollo de pantallas flexibles - aprovechando, además, que una hoja apenas absorbe un 2% de la luz, por lo que es prácticamente transparente.
El carbono abunda en la naturaleza y solo el hidrógeno, el elemento más extendidamente presente en todo el universo conocido, lo supera: se conocen más de 10 millones de compuestos químicos donde está presente el carbono. No obstante, aislarlo en su forma pura y en cantidades que permitan la fabricación en serie de grafeno es un reto ambicioso. De hecho, es esta la razón por la que, aún 15 años después, el grafeno no ha tomado por asalto las industrias que, en teoría podría potenciar.
La primera estructura de carbono que ya ha conquistado comercialmente cierta parte de la industria de materiales son los nanotubos de carbono, como electroconductores en diversos dispositivos electrónicos.
Así, el grafeno espera su hora. Por su óptima conductividad térmica y eléctrica, supera de lejos a materiales como el cobre y se acerca al desempeño de superconductores, sin los mecanismos de enfriamiento que estos requieren. Su escala nanométrica, además, abre las posibilidades a desarrollar tintas con polvo de grafeno, para la impresión de circuitos electrónicos de performance óptima. Tan solo imprimir un diseño con esta tinta en nuestra ropa o incluso en nuestra piel, como tatuajes, podría significar circuitos integrados que monitoreen nuestros indicadores de salud en tiempo real.
El grafeno en el Perú y el desafío de los científicos de la PUCP
De acuerdo con una investigación de 2013 del Grupo de Investigación Carbón Biomasa (PUCP), en el Perú se genera 10 millones de toneladas de biomasa residual, esto es, restos de la propia actividad agroindustrial, la agricultura y la industria maderera. Estos residuos son, potencialmente, la materia prima para producir el material de futuro.
Por ello, para el equipo de investigadores de la PUCP, el financiamiento del Concytec servirá para identificar un método que permita obtener grafeno a partir de desechos forestales provenientes de diferentes tipos de madera en la amazonia. “Para ello, nuestra misión es evaluar diversas metodologías de fabricación a partir de fuentes disponibles en la Amazonía peruana”, señala Omar Troncoso Heros, ingeniero mecánico por la PUCP y Doctor en química por la Universidad de Valencia, quien lidera el proyecto.
Al tratarse de un proyecto de investigación aplicada, no se espera desarrollar una investigación básica sino más bien identificar para luego aplicar algún tipo de tecnología existente al contexto local, esto es, adaptar esta tecnología para el uso de recursos amazónicos.
En tal sentido, ya existen varias metodologías ensayadas en el extranjero enfocadas en la síntesis del grafeno o derivados de este a partir del uso de materia vegetal. Una de las más recientes, publicada por científicos de la Academia China de las Ciencias a mediados del año pasado en Material Letters, propone que un método “simple, ecológico y escalable” para obtener grafeno a partir de las hojas muertas del alcanfor utilizando pirolisis, calentando a 1200 ° C este material, para luego separar grafeno de ello gracias a la D-tirosina y la centrifugación.
“Apuntamos a obtener grafeno similar al comercial, el más puro. Idealmente, este tiene un átomo de espesor, pero este grafeno es difícil de conseguir en laboratorio. Una alternativa más económica y viable es producir óxido de grafeno, que, si bien no es de un átomo de espesor, tiene un espesor que se aproxima al del grafeno puro. El óxido, entonces, es reducido para llevarlo a ser lo más cercano al grafeno”, explica el científico.
El proyecto, asegura Troncoso, será llevado a cabo en conjunto con la Universidad Nacional Amazónica de Madre de Dios (Unamad). La primera etapa consiste en hacer una suerte de inventario de fuentes de carbono disponibles en Madre de Dios, en forma de biomasa muerta, esto es, desechos forestales. La segunda etapa consistirá en el procesamiento de estos materiales para obtener una fuente de carbono pura y la tercera etapa será la aplicación de los procesos en cuestión para obtener grafeno.
“El grafeno puede cambiar la matriz de materiales que actualmente conocemos”, señala Troncoso. Así, también nos puede acercar al cielo, con un elevador más allá de las nubes.
