El grafeno: los nuevos materiales que cambiarán el mundo y la minería

Los nuevos materiales pueden cambiar el mundo. Hay una razón por la que hablamos de la Edad del Bronce y la Edad del Hierro. Concreto, acero...


Los nuevos materiales pueden cambiar el mundo. Hay una razón por la que hablamos de la Edad del Bronce y la Edad del Hierro. Concreto, acero inoxidable y silicio hicieron posible la era moderna. Ahora está emergiendo una nueva clase de materiales, cada uno compuesto por una sola capa de átomos, con un potencial de gran alcance. Conocido como materiales bidimensionales (2D), esta clase ha crecido en los últimos años para incluir capas similares a láminas de carbono (grafeno), boro (borofeno) y nitruro de boro hexagonal (grafeno blanco), germanio (germaneno), silicio (silicato), fósforo y estaño. Se han demostrado teóricamente más materiales 2D pero aún no sintetizados, como el graphyne de carbono. Cada uno tiene propiedades interesantes, y las diversas sustancias 2D se pueden combinar como ladrillos de Lego para construir aún más nuevos materiales.

Esta revolución en monocapas comenzó en la primera década de los años 2000 cuando dos científicos crearon célebremente grafeno 2D con cinta adhesiva, probablemente la primera vez que la ciencia ganadora del premio Nobel se hizo usando una herramienta encontrada en los laboratorios. El grafeno es más fuerte que el acero, más duro que el diamante, más ligero que casi cualquier cosa, transparente, flexible y un conductor eléctrico ultrarrápido. También es impermeable a la mayoría de las sustancias, excepto el vapor de agua, que fluye libremente a través de su malla molecular.

En la aplicación, inicialmente, más costoso que el oro, el precio de grafeno se ha desplomado gracias a las tecnologías de producción mejoradas. El nitruro de boro hexagonal ahora también disponible comercialmente y configurado para seguir una trayectoria similar. El grafeno se ha vuelto lo suficientemente barato como para incorporarlo en los filtros de agua, lo que podría hacer que la desalinización y el tratamiento de aguas residuales sean mucho más asequibles. A medida que el costo continúa disminuyendo, se puede agregar grafeno a las mezclas de pavimentación de carreteras o concreto para limpiar el aire urbano, además de sus otras fortalezas, el material absorbe monóxido de carbono y óxidos de nitrógeno de la atmósfera.

Otros materiales 2D probablemente sigan la trayectoria que tiene el grafeno, al mismo tiempo que encuentran otros usos de gran volumen a medida que disminuye el costo, como en productos de alto valor como la electrónica, otros ingenieros trabajan formas de explotar sus propiedades únicas. El grafeno, por ejemplo, se ha utilizado para fabricar sensores flexibles que se pueden coser en prendas de vestir, que en realidad se imprimen en 3D directamente en telas usando nuevas técnicas de fabricación de aditivos. Cuando se agrega a los polímeros, el grafeno puede producir alas de avión más fuertes y más ligeras como los neumáticos de bicicleta.

El nitruro de boro hexagonal se ha combinado con grafeno y nitruro de boro para mejorar las baterías de iones de litio y los supercondensadores. Al empacar más energía en volúmenes más pequeños, los materiales pueden reducir los tiempos de carga, prolongar la vida de la batería y reducir el peso y los desperdicios para todo, desde teléfonos inteligentes hasta vehículos eléctricos.

Siempre que nuevos materiales entren en el ambiente, la toxicidad es siempre una preocupación. En este aspecto hay que ser cauteloso y vigilar los problemas. Diez años de investigación sobre la toxicología del grafeno, hasta ahora, no arrojó nada que suscite inquietudes sobre sus efectos en la salud o el medio ambiente. Pero los estudios continúan.

La invención de los materiales 2D ha creado una nueva caja de herramientas potentes para tecnólogos. Los científicos e ingenieros están mezclando y combinando con entusiasmo estos compuestos ultrafinos, cada uno con propiedades ópticas, mecánicas y eléctricas únicas, para producir materiales óptimos personalizados para una amplia gama de funciones. El acero y el silicio, los cimientos de la industrialización del siglo XX, los nuevos materiales serian de la cuarta revolución industrial (4.0), mas aun, el grafeno podría ser el futuro del diseño de baterías, se podría utilizar casi todos los dispositivos electrónicos móviles, desde su teléfono móvil, computadora portátil, automóviles, hasta fuentes de alimentación de reserva en aviones e incluso naves espaciales.

La vida de la batería es con frecuencia el factor restrictivo en muchas aplicaciones existentes y experimentales. Es clave para el futuro de tecnologías como los autos eléctricos , y para el almacenamiento de energía de alta capacidad para renovables como la energía eólica y solar. El grafeno tiene una serie de propiedades interesantes que han llevado a los investigadores a sugerir la modificación de los componentes de las baterías de iones de litio, o el uso de grafeno como medio de almacenamiento de energía en lugar de soluciones prometedoras.

El desafío de los prototipos es la capacidad de producción a escala para satisfacer las demandas de la industria electrónica de consumo. Las soluciones basadas en grafeno han sido hasta ahora notoriamente difíciles de fabricar a gran escala, gracias en parte a la dificultad de aislar el grafeno de alta calidad. Sin embargo, el futuro para el almacenamiento de energía y la tecnología de eficiencia energética se ve brillante. Si el grafeno finalmente juega un papel en la revolución o no, está claro que la investigación sobre estas tecnologías finalmente llevará a la introducción de productos más baratos y duraderos con mayor capacidad.

Con estos materiales 2D se puede esperar una revolución energética como resultado de los dispositivos de almacenamiento de energía de próxima generación, lo que podría ayudar a que los vehículos completamente eléctricos, la generación de energía renovable a gran escala y el fina de nuestra dependencia de los combustibles fósiles.

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El grafeno: los nuevos materiales que cambiarán el mundo y la minería
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