Grafeno: qué es, cómo se fabrica y para qué sirve realmente

Qué es el grafeno: un átomo de espesor y sesenta años de teoría

El grafeno es un cristal bidimensional formado exclusivamente por átomos de carbono dispuestos en una red hexagonal, como un panal de abeja, con el grosor de un solo átomo: unos 0,335 nanómetros. Harían falta unos tres millones de láminas apiladas para alcanzar un milímetro. Y no es un material exótico en origen: el grafito de un lápiz es, en esencia, un apilamiento de miles de millones de capas de grafeno débilmente unidas entre sí. Sobre el papel, los físicos lo estudiaban desde 1947, cuando P. R. Wallace calculó su estructura electrónica como modelo teórico del grafito; pero durante décadas se asumió que un cristal estrictamente bidimensional sería inestable y jamás existiría aislado.

En 2004, Andre Geim y Konstantin Novoselov, de la Universidad de Mánchester, demostraron lo contrario con un método casi doméstico: pegar celo sobre grafito, despegarlo y repetir la operación hasta quedarse con una sola capa. Aquellos «experimentos de los viernes por la noche» acabaron publicados en Science y les valieron el Premio Nobel de Física de 2010. Desde entonces, el grafeno ha pasado de curiosidad de laboratorio a industria incipiente, con miles de patentes y decenas de plantas de producción en todo el mundo.

Propiedades del grafeno: la ficha técnica de un material récord

¿Por qué tanto entusiasmo? Porque las propiedades del grafeno, medidas en muestras impecables de laboratorio, baten récords en varias categorías a la vez:

Una advertencia honesta: estos valores corresponden a láminas monocristalinas casi perfectas. El grafeno industrial —copos, polvos, óxidos reducidos— conserva parte de estas virtudes, pero rara vez todas al mismo tiempo.

• Resistencia mecánica: con una resistencia intrínseca de unos 130 gigapascales, es el material más resistente jamás ensayado; a igualdad de peso, unas 200 veces más resistente que el acero.
• Rigidez extrema: módulo de Young de aproximadamente 1 terapascal.
• Conductividad eléctrica: movilidad electrónica de hasta 200.000 cm²/(V·s) en muestras suspendidas, muy por encima del silicio.
• Conductividad térmica: hasta unos 5.000 W/(m·K), frente a los ~400 del cobre.
• Transparencia: una monocapa absorbe solo el 2,3 % de la luz visible.
• Flexibilidad e impermeabilidad: se dobla sin romperse y ni siquiera el helio, el átomo más pequeño, logra atravesarlo.

Cómo se fabrica el grafeno: del celo al reactor químico

El método de la cinta adhesiva (exfoliación mecánica) sigue produciendo el grafeno de mayor calidad, pero solo genera copos microscópicos: perfecto para investigación, inviable para la industria. Para escalar existen tres grandes rutas. La exfoliación en fase líquida separa las capas del grafito con disolventes y ultrasonidos; es barata y produce toneladas de copos pequeños, suficientes para tintas, recubrimientos y materiales compuestos. La deposición química en fase de vapor (CVD) descompone metano sobre una lámina de cobre a unos 1.000 °C y hace crecer películas continuas de alta calidad, aptas para electrónica y sensores, aunque transferirlas del cobre a otro sustrato sigue siendo delicado y caro. Y la reducción de óxido de grafeno ofrece un material imperfecto pero económico y fácil de procesar.

El método determina el producto, y no todo lo que se comercializa como grafeno lo es: un análisis publicado en Advanced Materials en 2018 concluyó que muchas muestras comerciales contenían menos de un 10 % de grafeno auténtico. Ante cualquier producto «con grafeno», las preguntas clave son siempre las mismas: ¿cuántas capas, qué tamaño de copo y cuántos defectos?

Para qué sirve el grafeno hoy: aplicaciones reales frente al bombo

Dos décadas después de su aislamiento, el grafeno ya está en productos cotidianos, casi siempre como ingrediente que mejora a otro material, no como protagonista en solitario:

En el otro platillo de la balanza está el bombo. El grafeno no ha sustituido al silicio en los procesadores —carece de banda prohibida, de modo que un transistor de grafeno no se puede «apagar» del todo— y promesas como ascensores espaciales o curas milagrosas pertenecen, hoy por hoy, a la ciencia ficción. La regla práctica: conviene desconfiar de cualquier titular en el que el grafeno lo resuelva todo, y de cualquier producto que no especifique cuánto grafeno contiene y de qué tipo.

• Materiales compuestos: raquetas, cuadros de bicicleta, neumáticos y esquís más ligeros y rígidos.
• Gestión térmica: láminas de disipación de calor en teléfonos móviles de gama alta.
• Baterías: aditivo conductor en electrodos y ánodos de silicio-grafeno que aceleran la carga; las baterías «100 % grafeno» siguen siendo marketing.
• Sensores: detectores de gases, biosensores y sensores de efecto Hall de altísima sensibilidad.
• Tintas conductoras imprimibles y recubrimientos anticorrosión.
• Construcción: hormigón reforzado con grafeno, ya ensayado en obra real en el Reino Unido, que permite reducir la cantidad de cemento.

El grafeno en la investigación energética: del supercondensador al calor ambiental

La energía es el campo donde el grafeno concentra más investigación. Su superficie específica teórica —unos 2.630 m² por gramo: un solo gramo extendido cubriría más de un tercio de un campo de fútbol— lo hace ideal para supercondensadores que se cargan en segundos. Como electrodo transparente y flexible se ensaya en células solares de nueva generación, y como aditivo ya alarga la vida útil de baterías comerciales. Es una de las líneas más activas dentro de las innovaciones en energías renovables que se estudian actualmente.

El resultado más sorprendente llegó en octubre de 2020. El equipo de Paul Thibado, en la Universidad de Arkansas, demostró en Physical Review E que una lámina de grafeno suspendido nunca está quieta: ondula constantemente por la agitación térmica del ambiente, y ese vaivén puede inducir una corriente minúscula en un circuito con diodos que la rectifican. Hablamos de potencias del orden de picovatios —nada que cargue un móvil— y no de una máquina de movimiento perpetuo: la energía procede del calor del entorno. Pero el experimento estableció algo importante: el grafeno puede convertir fluctuaciones ambientales en electricidad medible.

Por qué el grafeno importa para la investigación neutrinovoltaica

Aquí es donde este material conecta con nuestro propio trabajo. Neutrino Energy Group, organización de investigación fundada en Berlín en 2008 por Holger Thorsten Schubart, desarrolla la tecnología neutrinovoltaica: un material multicapa patentado de grafeno dopado y silicio (patente WO2016142056A1) diseñado para convertir en corriente eléctrica diversas formas de flujo ambiental: radiación térmica y electromagnética del entorno y, como componente adicional, el impulso de partículas como los neutrinos. El grafeno dopado es el corazón de ese apilamiento: sus ondulaciones y su excepcional respuesta electrónica son precisamente las propiedades que el experimento de Thibado midió en 2020.

La base científica se apoya en resultados verificables: el Nobel de Física de 2015 a Takaaki Kajita y Arthur B. McDonald demostró mediante la oscilación de neutrinos que estas partículas tienen masa, y el experimento COHERENT confirmó en 2017 que transfieren un impulso medible a la materia. Conviene decirlo con claridad: la tecnología neutrinovoltaica se encuentra en fase de investigación y desarrollo; no es un producto que se pueda comprar hoy. Para profundizar: qué es un neutrino, cómo funciona la tecnología neutrinovoltaica y qué otras nuevas tecnologías energéticas exploran los laboratorios.