Los caminos del grafeno hacia el mercado

por | Mar 5, 2011 | Finanzas | 0 Comentarios

Los investigadores llevan 25 años estudiando las extraordinarias propiedades de los fulerenos, los nanotubos de carbono y el grafeno. Sin embargo, su comercialización no es ni rápida ni sencilla.

En los cuentos de hadas, el tercer lugar a menudo es el mejor: el tesoro suele estar en el tercer cofre y el tercer hijo es el que consigue la fama y la fortuna. La historia se puede repetir para el grafeno, la tercera forma de “nuevo carbono” y la última en descubrirse. Hasta ahora, ha sido escaso el impacto en la industria de las dos primeras: los fulerenos1, con forma de balón de fútbol y descubiertos en 1985, y los nanotubos de cabono2, cilindros huecos caracterizados por primera vez en 1991. En cambio, parece que los buenos augurios rodean al grafeno, una lámina plana de carbono del grosor de un átomo. Un claro ejemplo es la rapidez con la que los revolucionarios experimentos sobre sus propiedades se hicieron merecedores del Premio Nobel de Física de 2010.

Apenas habían pasado seis años desde que los galardonados, Andre Geim y Kostya Novoselov, de la Universidad de Manchester (Reino Unido) informaran por primera vez del uso de cintas adhesivas para obtener capas de grafeno del grosor de un átomo a partir de bloques de grafito3. No obstante, resulta que el material, que en esencia es simplemente un nanotubo sin enrollar, presenta unas propiedades casi milagrosas: una sola capa de grafeno es a la vez el material más fino, resistente y rígido del mundo, además de ser un excelente conductor del calor y la electricidad.

El grafeno ha acaparado la atención de los medios en tanto que las empresas compiten por explotar dichas cualidades en el mercado. El año pasado se escribieron alrededor de tres mil artículos de investigación sobre este material y se solicitaron más de 400 patentes relacionadas con él. Corea del Sur planea invertir cerca de 220 millones de euros para comercializar el grafeno y empresas de la talla de IBM o Samsung están realizando experimentos con aparatos electrónicos basados en él, caracterizados por su pequeño tamaño y rapidez, y que un día pueden llegar a sustituir a los chips de silicio. Las expectativas en torno al grafeno han alcanzado tales proporciones que quien no esté muy metido en el mundo de la tecnología puede preguntarse por qué no lo ha conquistado todavía.

La realidad, sin embargo, no se parece al cuento de hadas. Otros compuestos de carbono anteriores al grafeno generaron expectativas similares. Un ejemplo son los fulerenos, para los que apenas se han encontrado aplicaciones prácticas. A pesar de que los nanotubos han tenido mejor suerte, producirlos es caro y son difíciles de controlar. Su escaso impacto industrial demuestra lo difícil que puede llegar a ser la comercialización de un nuevo material.

Aun así, la historia de los nanotubos presenta algunos elementos esperanzadores. Las aplicaciones en dispositivos electrónicos de tecnología punta no llegarán hasta dentro de algunos años, pero otras con una tecnología menos avanzada se encuentran mucho más cerca de salir al mercado. Ejemplo de ello son las películas conductoras basadas en nanotubos usadas para almacenar energía y en pantallas táctiles. Otra aplicación relativamente sencilla, el uso de nanotubos para reforzar los materiales compuestos utilizados en aviones y automóviles, está llegando al mercado. En previsión de una subida de la demanda, los fabricantes de nanotubos han aumentado su producción, llegando a fabricar varios cientos de toneladas al año.

Por esa misma razón, puede que éste sea el momento oportuno para que los fabricantes de grafeno, siguiendo su ejemplo, comiencen a producir las láminas en masa. El grafeno sirve para el mismo tipo de aplicaciones que los nanotubos, pero presenta varias ventajas clave, como la facilidad de producción y manejo, además de beneficiarse de dos décadas de investigación con nanotubos. Asimismo, disponer de esta retrospectiva permite a los fabricantes de grafeno tener una mejor idea de qué aplicaciones merece la pena investigar y cómo evitar los mismo errores de los nanotubos durante su primera década.

Entre carbonos anda el juego

Las extraordinarias propiedades que presentan tanto los nanotubos como el grafeno surgen de su estructura común: una retícula a escala atómica de átomos de carbono que sigue el patrón de un panal de abejas. Los enlaces carbono-carbono son extremadamente fuertes y producen una relación excepcionalmente alta entre fuerza y peso. La fuerza del grafeno es tal que, por ejemplo, según el comité del Premio Nobel, una hamaca de un metro cuadrado de grafeno perfecto podría soportar el peso de un gato de 4 kg. La hamaca pesaría 0,77 miligramos, es decir, menos de lo que pesa el bigote de un gato, y sería invisible a efectos prácticos.

La simetría con la que se disponen los átomos en la red hexagonal también permite que las dos formas de nanocarbono conduzcan la electricidad de forma mucho más fácil que el silicio utilizado en los chips de los ordenadores. Por ese motivo, presenta una resistencia eléctrica mucho menor y genera mucho menos calor, una ventaja cada vez más útil ya que los chips que se fabrican tienen una densidad cada vez mayor de funciones en sus circuitos.

Además, se pueden generar muchas propiedades nuevas mediante pequeños cambios en la estructura del carbono. En el grafeno, por ejemplo, las propiedades eléctricas dependen de factores como el tamaño de una determinada lámina, la presencia o ausencia de defectos en la red de la lámina y si ésta se encuentra sobre una superficie conductora. De forma similar, en los nanotubos se puede hacer que una misma estructura sea semiconductora o metálica simplemente cambiando su diámetro, longitud o “giro” (ángulo entre las líneas de los hexágonos y la dirección del tubo). Asimismo, existen diferencias entre los tubos aislados y aquellos en los que los cilindros están anidados dentro de otros, denominados nanotubos de pared múltiple.

Estas propiedades han alimentado grandes esperanzas de revolucionar por completo las aplicaciones electrónicas y los investigadores han hecho grandes progresos en el laboratorio. En 1998, por ejemplo, los físicos presentaron un transistor fabricado a partir de un único nanotubo semiconductor4 y en 2007 se anunció la síntesis de un radiotransistor basado en nanotubos de carbono5.

Sin embargo, desde la perspectiva de la producción a escala industrial de estos circuitos, la elevada variabilidad de los nanotubos es una maldición. Éstos se suelen producir en reactores, en los que los catalizadores guían la formación de los tubos a partir de un vapor rico en carbono. Habitualmente se genera una multitud de tubos de diferentes tipos (de pared múltiple, de pared única, semiconductores y metálicos), tamaños y diámetros, cada uno con diferentes propiedades electrónicas. Según John Rogers, químico físico de la Universidad de Illinios, en Urbana-Champaign (EE. UU.), “la diversidad es beneficiosa hasta que se tiene una población demasiado diversa. Entonces se convierte en un quebradero de cabeza”.

“Hoy en día, muchas empresas están aumentando la producción simultáneamente.”

Hasta hace cinco años, los investigadores no sabían cómo separar los nanotubos semiconductores de los metálicos6. Superada dicha dificultad, aún quedan otras, como ensamblar los nanotubos seleccionados en lugares predeterminados del chip o conectar los tubos, que están separados, sin que ello afecte al rendimiento. Por eso, muchos físicos han llegado a la conclusión de que no sería práctico sustituir el silicio por nanotubos de cabono. En palabras de Phaedon Avouris, del centro de investigación Thomas J. Watson, en Yorktown Heights, Nueva York (EE. UU.), “para fabricar un circuito integrado se necesitan miles de millones de transistores idénticos basados en nanotubos de cabono, todos con la misma tensión de corte”. Esto no es factible con la tecnología disponible en la actualidad.

El grafeno, en cambio, da pie a un mayor optimismo. Actualmente, las láminas de mayor calidad se fabrican calentando una oblea de carburo de silicio en el vacío, lo que deja una capa de grafeno puro en el plano superior. Este método presenta menos problemas relacionados con la variedad incontrolada de lote a lote que la síntesis de nanotubos y las láminas planas que se obtienen son más grandes y fáciles de manejar que los nanotubos.

Ahora bien, el grafeno también tiene sus problemas. El grafeno aislado conduce tan bien la electricidad que es difícil parar la corriente. Este aspecto se debe solucionar si se quiere utilizar el material en dispositivos digitales como los transistores, que controlan el paso de corriente como un conmutador. Para modificar las propiedades electrónicas del material de forma adecuada, es decir, creando una banda prohibida o la ruptura de los niveles de energía de los electrones, lo cual lo convierte básicamente en un semiconductor, la lámina se debe cortar en cintas muy finas. Según Avouris, esta opción es probablemente más sencilla que intentar colocar miles de millones de nanotubos en un chip, pero todavía no es posible con las tecnologías comerciales.

Estas dificultades de procesamiento hacen pensar que el grafeno no va a sustituir al silicio a corto plazo. Según James Tour, químico orgánico especializado en nanotecnología de la Universidad de Rice en Houston (Texas, EE. UU.), “se han invertido cantidades astronómicas de tiempo y dinero en el desarrollo de la electrónica del silicio. Pretender que el grafeno compita con el silicio en la actualidad es como pedir a un niño de diez años que sea pianista profesional porque ha estado recibiendo clases durante los últimos seis años”.

Mientas tanto, las estructuras de nanocarbono pueden ser más competitivas en aplicaciones electrónicas menos avanzadas, tales como la utilización de películas conductoras finas para los electrodos transparentes en las pantallas táctiles o las placas solares. Es muy posible que los paquetes de nanotubos de carbono diferentes o las láminas de grafeno de menor calidad y más baratas producidas por métodos alternativos al procesamiento del carburo de silicio proporcionen la conductividad necesaria para dichos electrodos.

Rebaja de las expectativas

En junio de 2010, por ejemplo, un equipo encabezado por Byung Hee Hong, de la Universidad Sungkyunkwan de Suwon (Corea del Sur), publicó que había usado vapor rico en carbono para depositar películas de grafeno de 75 centímetros (en diagonal) en planchas de cobre, que posteriormente se grababan y se reciclaban7. El gigante surcoreano de dispositivos electrónicos Samsung ya está probando está técnica en pantallas táctiles comerciales, que según las previsiones de Hong, podrían llegar en dos o tres años.

La cuestión es si las películas de grafeno pueden competir con los materiales usados actualmente en las pantallas táctiles, como el óxido de indio dopado con estaño (ITO). Hong se muestra optimista: el coste del ITO está aumentando rápidamente, porque el indio es un elemento que no abunda. Ahora bien, de nuevo la historia de los nanotubos de carbono ha de servir como aviso. En un inicio se pensó que los tubos formarían parte de las pantallas de televisión del futuro, gracias a su capacidad de emitir electrones desde sus extremos para excitar el fósforo presente en la pantalla. En la práctica, sus competidores, las pantallas de plasma y de cristal líquido, mejoraron más en menos tiempo y son las que se utilizan hoy habitualmente.

Un nicho de mercado muy apetitoso para el nanocarbono podría ser el de los dispositivos electrónicos flexibles, aún incipiente. Se trata de pantallas o sensores que podrían llevarse en la ropa, pegarse en la pared o imprimirse en láminas enrollables. En este campo, su único competidor son los polímeros conductores orgánicos, ya que los demás materiales no se pueden imprimir en plástico. Según Rogers, el rendimiento de dichos polímeros es bastante bajo, por lo que los nanotubos y los circuitos basados en grafeno, que se pueden transferir a sustratos flexibles, podrían competir con garantías.

No obstante, incluso estas aplicaciones electrónicas específicas pertenecen al futuro. Por ahora, los cientos de toneladas de nanocarbono comercial que se fabrican cada año se destinan a materiales compuestos usados en deportes, baterías de litio y vehículos.

El objetivo es distribuir las láminas o tubos de nanocarbono a lo largo de resinas o polímeros, de forma que cumplan un doble objetivo: por un lado, frenar el avance de las grietas y, por otro, disipar el calor y la carga eléctrica. Por ejemplo, el nuevo Audi A4 dispone de filtros de gasolina de plástico con nanotubos de carbono que protegen frente a la electricidad estática. Asimismo, el uso de nanotubos en los electrodos de las baterías de litio fue una de las primeras aplicaciones en salir al mercado, de la mano de Showa Denko, una empresa de ingeniería química basada en Tokio.

Reducción de costes

En un principio, los problemas básicos de procesamiento que presentaban los nanotubos fueron un gran obstáculo. Estos materiales tendían a enredarse a la salida del reactor, por lo que era muy difícil distribuirlos de forma regular a lo largo del plástico o la resina. A pesar de los avances, este problema limita la proporción de nanotubos a un 1-2% del peso final del producto, cantidad que contrasta con el 20-30% habitual en la fibra de carbono convencional. El otro problema era, y sigue siendo, el coste. Según David Hwang, de la empresa de evaluación tecnológica Lux Research, con sede en Nueva York, materiales como el acero, el aluminio o los plásticos y rellenos como el negro de carbón cuestan unos pocos euros o céntimos de euro. En cambio, los nanotubos de pared múltiple se venden a unos 75 €/kg. A medida que crece la producción, el precio está bajando, pero sólo caerá hasta 40 €/kg en 2020, de acuerdo con las previsiones de Lux Research.

El grafeno de calidad compuesta puede llegar a ser mucho más barato, aunque ahora su coste sea similar. Como demostraron Geim y Novoselov en 2004, se pueden extraer láminas de grafeno de diferentes tamaños a partir de grafito3, una materia prima que cuesta apenas unos pocos euros por kilogramo. El grafeno es además más fácil de distribuir a lo largo de la resina que los nanotubos.

Ahora bien, por muy prometedoras que sean estas previsiones, la realidad es que estas aplicaciones son todavía huecos por cubrir, en opinión de Steve Hahn, científico del Grupo de Empresas y Desarrollo Comercial de la empresa Dow Chemical, con sede en Midland (Michigan, EE. UU.) “He estado buscando posibles aplicaciones para el grafeno —afirmó—, pero casi siempre encuentro algo bastante más barato que sirve para lo mismo.

“El grafeno encontrará su lugar, pero llevará más tiempo de lo que la gente cree.”

Michael Knox, presidente de XG Sciences, empresa fabricante de grafeno recién fundada en East Lansing (Michigan, EE. UU.), se mostró de acuerdo. Añadir pequeñas placas de grafeno a los materiales compuestos no es un cambio radical, es “una mejora gradual”. No obstante, esto no es nada desdeñable. “Si pudiera conseguir una mejora del 10-20% en un compuesto de polipropileno a un precio razonable, probablemente podría vender un millón de toneladas al año y los fabricantes de coches se llevarían una gran alegría”, concluyó.

La clave para las empresas jóvenes que fabrican grafeno es encontrar aplicaciones específicas y, a partir de ahí, averiguar cómo aumentar la capacidad de producción sin forzar demasiado. Por ejemplo, la empresa Vorbeck Materials, situada en Jessup (Maryland, EE. UU.), ha decidido centrarse en la fabricación de tinta conductora basada en grafeno. John Lettow, cofundador y presidente de la empresa, afirmó que la tinta estaría presente en las tarjetas inteligentes y las etiquetas de identificación por radiofrecuencia de las tiendas en el primer trimestre de 2011.

Una de las aplicaciones a corto plazo del grafeno pueden ser los supercondensadores, que utilizan láminas de grafeno arrugadas para comprimir una superficie grande en un espacio pequeño, de manera que se almacena más carga eléctrica por gramo que en ningún otro material. Otros investigadores están estudiando el uso del nanocarbono para fabricar electrodos catalizadores en las baterías combustibles o incluso para fabricar membranas de purificación de agua. Pero, como es habitual, el problema reside en encontrar ventajas claras sobre materiales ya existentes, como el carbono activado.

Hay una propiedad de los nanotubos de cabono que no tienen las láminas de grafeno: pueden ser muy largos. En la actualidad, los nanotubos que se mezclan en resinas y plásticos son habitualmente cortos, pero la empresa Nanocomp Technologies, situada en Concord, New Hampshire (EE. UU.) puede, según afirmó, enrollar largas fibras de nanotubos en láminas o hilos conductores de la electricidad que podrían sustituir al cableado de cobre en algunas aplicaciones. Peter Antoinette, director ejecutivo de Nanocomp, afirmó que “en un avión, hay unos 90 kilómetros de cableado de cobre” y sustituirlo por cables de nanotubos, mucho más ligeros, reduciría sustancialmente el peso y con ello el consumo de combustible.

Según Hwang, dicha actividad es muy prometedora para los nanotubos de carbono. “Era necesario llevar a cabo mucha investigación antes que que los nanotubos fueran viables comercialmente. Sin embargo, en los siguientes cinco años, su trayectoria comercial va a ser muy diferente.”

Cabe preguntarse si, en realidad, los nanotubos de cabono han tardado demasiado tiempo en arrancar. Según muchos de los fabricantes de nanotubos, son necesarios 20 años o más para que un nuevo material, sea el que sea, tenga impacto insdustrial. Brian Wardle, director del consorcio de estructuras aeroespaciales y nanoingeniería en el Instituto Tecnológico de Massachussetts de Cambridge (EE. UU.), “la investigación sobre la fibra de carbono comenzó en la década de los cincuenta. Fueron necesarios 15 años para que se empezara a utilizar en aplicaciones aeroespaciales y militares (como se supo mucho tiempo después) y no fue hasta mediados de los ochenta cuando se empezaron a ver aviones comerciales con una pequeña parte de las estructuras de fibra de carbono”. Puede que el camino de los nanotubos sea simplemente el habitual para pasar del descubrimiento a la industria y puede que el grafeno siga el mismo recorrido. Según Antoinette, “el grafeno encontrará su lugar, pero llevará más tiempo de lo que la gente cree”.

¿Y qué ocurrirá mientras tanto? “Hoy en día, muchas empresas están aumentando la producción simultáneamente —apuntó Hanh—. Hay dos opciones: o se van a la quiebra o encuentran un mercado. Pase lo que pase, nos servirá a todos para sacar conclusiones sobre la comercialización de nuevos productos.”

Referencias

1. Kroto, H. W. et al. Nature 318, 162-163 (1985).

2. Iijima, S. Nature 354, 56-58 (1991).

3. Novoselov, K. S. et al. Science 306, 666-669 (2004).

4. Tans, S. J. et al. Nature 393, 49-52 (1998).

5. Jensen, K. et al. Nano Lett. 7, 3508-3511 (2007).

6. Arnold, M. S. et al. Nano Lett. 5, 713-718 (2005).

7. Bae, S. et al. Nature Nanotech. 5, 574-578 (2010).

Via: http://www.npgiberoamerica.com/union-fenosa/quimica-los-caminos-del-nuevo-carbono-hacia-el-me.html

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