Aplicaciones

• Paneles y células solares: Los electrodos que componen actualmente las placas solares son rígidos y se fabrican con óxido ITO (óxido de indio y estaño), un material escaso que se ha multiplicado por 10 su precio. La sustitución de estos componentes por grafeno permitirá abaratar la fabricación de los paneles y crear superficies flexibles y translúcidas que absorban la luz.

• Baterías eficaces y rápidas de cargar: En la actualidad el mundo es digital pero muchos componentes siguen siendo similares a los de los aparatos analógicos, como por ejemplo las pilas. El polvo de grafeno aplicado a una batería no solo multiplicaría su eficacia (logrando una carga rápida) sino que las haría ligeras y flexibles.

• Reemplazo potencial para los chips de silicio en informática: La clave está en el espín del grafeno, el cual es el elemento que define el tipo de giro de un electrón. El grafeno permite transportar la información sobre ese giro a largas distancias y durante mucho tiempo, permitiendo un nuevo tipo de procesador de información. Así se puede controlar la conducción de los electrones y amplificar o reducir sus señales eléctricas para crear transistores mucho más rápidos. Este descubrimiento tiene una importante aplicación informática: los ordenadores con microprocesadores compuestos por transistores de grafeno podrán procesar información mucho más rápido y con menos energía que los actuales.

CIRCUITOS ELECTRÓNICOS TRANSPARENTES Y FLEXIBLES

• Revolución digital: La flexibilidad y conductividad del grafeno permiten crear una lámina interactiva que se puede transformar según las necesidades en un teléfono móvil inteligente, una tableta táctil, un GPS, una pantalla de ordenador… Actualmente todos estos soportes tienen una carcasa rígida, elemento que desaparecerá con el grafeno.

• Biomedicina: El material podrá aplicarse en imagen médica basada en terahertzios (dichas frecuencias pueden atravesar la ropa, pero no la piel, a diferencia de otras como por ejemplo los de Rayos X). Además, podría ser parte activa de un biosensor, para medidas rápidas de concentraciones de virus o marcadores tumorales. Su capacidad de fijar grupos químicos complementarios permite atrapar las sustancias que se quieren detectar.

• Blindaje: Dadas las mencionadas propiedades del grafeno en cuanto a resistencia, dureza y flexibilidad una de las aplicaciones está encaminada a la fabricación de corazas humanas en el ámbito de la seguridad, por ejemplo un chaleco antibalas de una flexibilidad sólo comparable a su extrema resistencia, y tan fino como el papel.

Cargas

Las propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas y estructurales del grafeno permiten obtener composites con potenciales aplicaciones en muchos campos debido a sus propiedades mejoradas. El menor precio y mayor disponibilidad de estematerial han permitido que se empiece a considerar como una alternativa a la utilización de nanotubos de carbono como refuerzo en polímeros.

PANTALLAS TÁCTILES ENROLLABLES

Una de las aplicaciones más prometedoras es la obtención de nanocomposites poliméricos derivados de grafeno. En este sentido, GPA está estudiando la introducción de diferentes tipos de grafeno en polímeros para ver cómo influyen en las propiedades mecánicas de los compuestos. La introducción de grafeno permite modificar el modulo de tensión y flexión, así como la resistencia del material.

Recientes estudios demuestran la alta conductividad térmica del grafeno, la resistencia mecánica comparable a los nanotubos de carbono, las buenas propiedades de transporte, y su considerable efecto termoeléctrico. Con el fin de explotar estas propiedades, el grafeno se viene incorporando a matrices poliméricas, aunque es esencial disponer de una determinada organización morfológica, control estricto de la interfase, dispersión adecuada y fácil procesabilidad para alcanzar las mejores prestaciones del nanocompuesto. Estos requisitos se pueden conseguir gracias a la versatilidad de las propiedades superficiales del grafeno y que a su vez se pueden modificar según los fines específicos. Por ejemplo, usando tensioactivos y polielectrolitos para mejorar la exfoliación y la dispersión del grafeno en los distintos medios a través de interacciones físicas o electrostáticas. Mediante el uso de moléculas orgánicas como isocianato de fenilo y porfirina unidas a la superficie de grafeno se mejoran las dispersiones en polímeros no polares como el poliestireno (PS). En general, la dispersión de grafeno se mejora mediante su modificación estructura. Sin embargo, en ocasiones para conseguir dispersiones estables de grafeno y optimizar la microestructura de los nanocompuestos es necesaria, como ya veremos, la funcionalización de grafeno con polímeros.

Conductor / Antiestático

La conductividad eléctrica, en la mayoría de los compuestos conductores, aumenta con el incremento del contenido de la carga. En la mayor parte de los casos la incorporación de muy pequeñas cantidades de componente grafítico (< 1,0 % en peso) en el polímero, lleva consigo el paso de ser aislante a tener una conducción de alrededor de 10-4 S/cm.

ELECTRODOS TRANSPARENTES Y FLEXIBLES

Retardador de llama / Resistente al fuego

De forma similar a las propiedades de conductividad eléctrica, los polímeros cargados con EG podrán experimentar mejora de sus propiedades térmicas, ya que el grafito presenta alta conducción térmica. Después de la exfoliación de GO se requiere poca cantidad de carga para conseguir alta conductividad térmica, aumentando ésta con el contenido de nanocarga.

El umbral de percolación depende de cada sistema, de forma que a mayor longitud de las láminas de grafeno en el polímero, el porcentaje de percolación disminuye. La razón estriba en que la relación de aspecto aumenta con la longitud de las mismas. A mayor relación de aspecto existe una mejor capacidad de generar una red conductora con menos material. Con la adición del 4% en peso de partículas grafíticas largas se consiguen conductividades térmicas de 0,87 W/mK lo que representa un aumento próximo al 300% respecto al polímero inicial (0,22 W/mK). Se han comparado resultados de conductividad térmica de polímeros cargados con EG con los valores obtenidos para fibras de carbono o fibras con fuerte tratamiento térmico, resultando para los primeros valores de conductividad de 4,3 W/mK que significa una mejora del 1030% o un 53% mayor que las fibras tratadas térmicamente.

El coeficiente de expansión térmica (CTE) de los polímeros con EG depende de la concentración y del tamaño de las nanopartículas. El EG tiene un valor de CTE inferior al del polímero puro, siendo el resultado de la mezcla un compromiso entre ambos materiales. Las láminas de mayor longitud proporcionan los valores más bajos de CTE para cada nivel de carga.

Dureza / Resistencia al rayado

Las láminas de grafeno obtenidas a partir de EG mediante intercalación y exfoliación presentan una gran superficie y una alta relación de aspecto y cumplen los requisitos imprescindibles para obtener nanocompuestos de alta resistencia. El área superficial teórica de una lámina de grafeno es 2.630-2.965 m²/g. Además, el grafito es uno de los materiales más duros conocidos por unidad de peso y presenta un valor teórico del módulo de Young de 1.600 GPa. Por tanto, con estas características estamos ante un importante reforzante de materiales compuestos.

Tanto la resistencia a la tracción como el módulo de Young mejoran mucho cuando se preparan nanocompuestos poliméricos a partir de derivados de grafito, incluso a porcentajes bajos, como ocurre con los nanocompuestos de PAN y policarbonato con derivados de grafito.

Recientemente, Brinson y col. han demostrado que a partir de nanocompuestos PMMA-grafeno funcionalizado, además de obtener un aumento en la Tg de 30ºC, consiguen valores del módulo de Young, resistencia a la rotura y estabilidad térmica competitivos con los obtenidos con nanotubos de carbono. En particular, el módulo elástico a temperatura ambiente, medido a partir de la curva del módulo de almacenamiento, aumenta un 33% para una concentración de 0,01% en peso en grafeno funcionalizado respecto al polímero inicial. Estos resultados indican que la morfología y la funcionalización de grafeno permiten una mejor interacción con el polímero que los nanotubos de carbono sin funcionalizar o que el tradicional EG, dando lugar a mejores propiedades térmicas y mecánicas a excepcionalmente bajas concentraciones.