Ciencia de materiales
Limpieza del grafeno: clave para la comercialización
Añade Securities.io a tus fuentes preferidas en Google
A lo largo de los años, el grafeno ha recibido muchos adjetivos. Algunos lo han llamado el ‘asombroso material milagroso’, mientras que otros lo han denominado un ‘supermaterial probado’. El mundo despertó a las maravillas del grafeno hace más de una década.
En 2012, Nature publicó un artículo titulado ‘A roadmap for graphene‘, que explicó por qué el grafeno estaba emergiendo rápidamente como la ‘manzana de los ojos’ de la comunidad científica. Los investigadores destacaron las propiedades del grafeno como la razón de este interés, diciendo:
“Esta tela de carbono de un solo átomo de espesor combina de manera única una resistencia mecánica extrema, conductividades electrónica y térmica excepcionalmente altas, impermeabilidad a los gases, así como muchas otras propiedades supremas, todas las cuales la hacen altamente atractiva para numerosas aplicaciones.”
Al reconocer el potencial del grafeno, la Unión Europea decidió destinar 1.000 millones de euros o US$1.3 mil millones a él entre 2013 y 2023. La inversión tenía como objetivo confirmar las capacidades transformadoras del grafeno, especialmente cuando se aplica a la electrónica, la energía, la salud, la construcción, etc. Estas iniciativas contaron con el respaldo de una larga trayectoria de investigación, ya que se redactaron más de 8.000 artículos sobre el grafeno entre 2005 y 2013.
Desde entonces, el interés en el grafeno dentro de la comunidad científica no ha disminuido. Ahora, los investigadores están explorando formas de comercializar el grafeno a mayor escala. En uno de esos estudios, un equipo de ingenieros de la Universidad de Columbia, junto con colegas de la Universidad de Montreal y del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, investigó las posibilidades de limpiar el grafeno, preparándolo para una reproducción comercial a gran escala.
Abordando los desafíos de la síntesis de grafeno mediante deposición química de vapor (CVD)
El CVD ha sido uno de los dos métodos tradicionales para sintetizar grafeno, siendo el otro el método de ‘cinta adhesiva’. El método, también conocido como crecimiento por CVD, logra sus objetivos al hacer pasar un gas que contiene carbono, como el metano, sobre una superficie de cobre a aproximadamente 1000 °C.
El proceso descompone el metano de modo que los átomos de carbono pueden reorganizarse y alinearse en una única capa de grafeno con forma de panal. La ventaja de este método sobre el método de ‘cinta adhesiva’ es que el crecimiento por CVD puede crear muestras de grafeno mucho más grandes, de centímetros o incluso metros de tamaño. Por el contrario, el método de ‘cinta adhesiva’ produce grafeno muy pequeño, de apenas unas decenas de micrómetros.
Los resultados del crecimiento de grafeno por CVD son más ampliamente utilizables que los obtenidos con el método de ‘cinta adhesiva’. Sin embargo, las muestras sintetizadas por CVD presentan problemas de reproducibilidad y calidad variable.
Para abordar estos desafíos, los investigadores han desarrollado un método de deposición química de vapor sin oxígeno (OF-CVD) que puede crear muestras de grafeno de alta calidad a escala.
Al hablar sobre la innovación y su carácter pionero, James Hone, autor principal de la investigación y profesor Wang Fong-Jen de Ingeniería Mecánica en Columbia Engineering, dijo lo siguiente:
“Demostramos que eliminar prácticamente todo el oxígeno del proceso de crecimiento es la clave para lograr una síntesis reproducible y de alta calidad de grafeno por CVD. Esto es un hito hacia la producción a gran escala de grafeno.”
La investigación, además de lo que logró en el campo de la ciencia y la tecnología, también mostró cómo deben funcionar las colaboraciones académicas. Hace seis años, Richard Martel y Pierre Levesque, coautores de la investigación de Montreal, demostraron que trazas de oxígeno pueden ralentizar el proceso de crecimiento y grabar el grafeno. Durante ese tiempo, basándose en los hallazgos de Martel y Levesque, Christopher DiMarco, GSAS 19, diseñó y construyó un sistema de crecimiento por CVD donde era posible controlar la cantidad de oxígeno durante el proceso de automatización.
El presente estudio es una continuación del trabajo de Martel, Levesque y Di Marco, donde Xingzhou Yan y Jacob Amontree, actuales estudiantes de doctorado, descubrieron que el crecimiento por CVD era mucho más rápido cuando se eliminó la traza de oxígeno. La calidad de estas muestras de CVD sin oxígeno es prácticamente idéntica a la del grafeno exfoliado, que es bastante limpio y está libre de impurezas que de otro modo podrían interferir con las propiedades deseables del grafeno.
Además de producir grafeno limpio y puro, los investigadores descubrieron que era posible predecir la velocidad de crecimiento por CVD en un rango de diferentes parámetros, incluyendo la presión del gas y la temperatura.
En los próximos días, los investigadores planean avanzar con el grafeno desarrollando un método para transferir limpiamente el grafeno de alta calidad del catalizador metálico de crecimiento a otros sustratos funcionales, como el silicio. Esto ampliaría enormemente las posibilidades del grafeno.
‘Grafeno’ limpio: la clave para la comercialización
El grafeno, desde sus inicios, ha ganado reconocimiento por sus múltiples cualidades. Sus átomos de carbono están perfectamente distribuidos en una formación hexagonal de panal, con solo 0,3 nanómetros de espesor, con un mero 0,1 nanómetros entre cada átomo. Esta simplicidad estructural y pureza otorgan al grafeno varias propiedades.
Por ejemplo, es 200 veces más fuerte que el acero y, sin embargo, seis veces más ligero. Su transparencia es casi perfecta, permitiendo que pase aproximadamente el 98% de la luz mientras absorbe solo el 2%. El grafeno también es impermeable a los gases, y sus propiedades podrían alterarse añadiendo componentes químicos a su superficie. Annick Loiseau, del Oficina Nacional de Estudios e Investigación Aeroespacial (ONERA), acuñó el lema que decía, “¡El futuro está en el grafito de lápiz!”
En esencia, el grafeno estaba listo para ser comercializado. Estaba preparado para el gran salto. Sin embargo, un aspecto que seguía siendo polémico era la limpieza del grafeno manteniendo su tamaño. La presente investigación muestra cómo crear grafeno limpio que tenga dimensiones de centímetros o incluso metros y prepararlo para una comercialización a gran escala.
Con los beneficios del grafeno disponibles para que todos los exploren y utilicen, la comunidad científica se interesó en investigar las posibilidades de otras estructuras elementales monolámina. El elemento que destacó fue el boro, cuya monocapa se denomina borófen.
La comparación entre grafeno y borófen
Grafeno y borófen constan de láminas individuales de sus respectivos elementos. Poseen alta resistencia estructural, son muy flexibles y no se degradan fácilmente.
También existen algunas diferencias. Por ejemplo, el grafeno presenta láminas planas y una estructura de red hexagonal. Las láminas de borófen presentan una ligera curvatura y existen en tres subalótropos con diferentes disposiciones de triángulos y hexágonos.
Ya hemos discutido las propiedades que posee el grafeno. Las propiedades del borófen lo convierten en un elemento crucial en la fotovoltaica, la electrónica flexible y las tecnologías de pantallas, gracias a su alta conductividad eléctrica y transparencia óptica a lo largo de la dirección ‘a’ y a todo tipo de anisotropía novedosa.
En conjunto, el desarrollo del grafeno y del borófen ha permitido probar diferentes innovaciones tecnológicas con interesantes cualidades aplicadas.
En la discusión de hoy, que se centra en el grafeno, analizaremos empresas que fueron innovadoras en su aplicación del grafeno. Pero antes de examinar empresas individuales y sus logros, debemos analizar el Graphene Flagship, el consorcio pionero que está abriendo nuevos horizontes para desarrollar diferentes soluciones con grafeno.
El Graphene Flagship
Financiado por la Unión Europea, el Graphene Flagship reúne a 118 socios académicos e industriales en 12 proyectos de investigación e innovación y un proyecto de coordinación y apoyo ‘para avanzar la autonomía estratégica de Europa en tecnologías que dependen del grafeno y otros materiales 2D.’
En los últimos diez años, el Graphene Flagship ha alcanzado muchos hitos. El más reciente y quizás el más vital de estos hitos hasta ahora ha sido el éxito del proyecto pionero de integración de semiconductores de materiales 2D del grafeno.
El proyecto comenzó en octubre de 2020 para llevar el grafeno y materiales relacionados (GRM) del laboratorio a una producción y uso comercial escalable. Con un presupuesto de 20 millones de euros distribuido en cuatro años, el proyecto 2D Experimental Pilot Line (2D‑EPL) se centró en la creación de prototipos, la fabricación de obleas y la habilitación de procesos.
Los resultados fueron prometedores, por decir lo menos. Gracias a los logros del proyecto, académicos, investigadores y empresas privadas tuvieron una oportunidad sin precedentes de probar y crear prototipos de ideas novedosas para dispositivos de materiales 2D. Esto condujo a ejecuciones de obleas multiproyecto (MPW), que permitieron el desarrollo de prototipos a gran escala y bajo costo.
En el área de habilitación de procesos, el Graphene Flagship asistió a la comunidad científica construyendo dos herramientas nuevas a medida, incluyendo un reactor de deposición química de vapor metalorgánica (MOCVD) de Aixtron y una herramienta automatizada de transferencia de capas 2D de SUSS MicroTec (SMHN.SW ). Estas herramientas permitieron realizar pruebas exhaustivas y modificar los procesos de crecimiento y transferencia de capas de materiales 2D, los cuales son esenciales para lograr altas capacidades de producción en el futuro.
Al explicar los logros del Graphene Flagship y su proyecto 2D‑EPL, Patrik Johansson, director del Graphene Flagship, dijo lo siguiente:
“La línea piloto no se trata solo de los datos duros y los avances científicos y tecnológicos que hemos reunido, sino también — y quizás aún más importante — de las interacciones personales que han creado un espacio para la fertilización cruzada de ideas para el futuro de la innovación en materiales 2D en Europa. Dado que se prevé que el mercado global del grafeno crezca exponencialmente, pasando de unos ingresos anuales de 380 millones de dólares en 2022 a 1,5 mil millones de dólares en solo cinco años, proyectos como el 2D‑EPL son vitales para mantener a Europa a la vanguardia del desarrollo y la innovación.”
Además del consorcio, algunas empresas y negocios individuales han realizado un trabajo sobresaliente en este campo. En los segmentos a continuación, discutimos brevemente un par de esas compañías.
#1. NanoXplore
Fundada en 2011 y con sede en Montréal, Quebec, NanoXplore cuenta con una instalación de producción de polvo de grafeno de 4.000 toneladas métricas al año (GRA.TO ) diseñada con una estructura modular. La empresa se especializa en desarrollar y formular soluciones basadas en grafeno como aditivo para mejorar el rendimiento de materiales industriales dentro de termoplásticos y termoestables.
La instalación de NanoXplore posee capacidades de extrusión de primera clase para crear masterbatches mejorados con grafeno en poliolefinas y polímeros de ingeniería. A través de su tecnología limpia patentada y propietaria, NanoXplore brinda a sus clientes una gama de soluciones basadas en grafeno, incluyendo el polvo GrapheneBlackTM y pellets de masterbatch mejorados con grafeno. La división de negocios de Composites de NanoXplore ofrece productos plásticos y compuestos estándar y personalizados a diversos clientes en los sectores de transporte, embalaje, electrónica y otras industrias.
Graphene Black de NanoXplore es un polvo de grafeno de uso múltiple con el mejor equilibrio entre mezclabilidad y fabricabilidad. Esto permite que el grafeno aumente su viabilidad comercial y mejore significativamente las propiedades de los plásticos y polímeros.
NanoXplore también está intentando añadir GrapheneBlack a las químicas actuales de iones de litio en ánodos de iones de litio habilitados con silicio para mejorar la capacidad energética y la velocidad de carga en sus baterías mejoradas con grafeno, que resultan útiles para vehículos eléctricos, sistemas de almacenamiento de energía y camiones y autobuses eléctricos.
Según sus últimos informes financieros, NanoXplore obtuvo ingresos de 33,87 millones y casi 92 millones de dólares canadienses para los períodos de tres y nueve meses que terminaron el 31 de marzo de 2024, respectivamente.
Otra empresa que ha destacado en la fabricación limpia de polvo de grafeno es GMG o Graphene Manufacturing Group Limited.
#2. Graphene Manufacturing Group Limited
Es una empresa de tecnología limpia con un proceso de producción propietario que fabrica polvo de grafeno a partir de materias primas de bajo costo y fácilmente disponibles. El proceso produce ‘grafeno de alta calidad, bajo costo, escalable, ajustable y libre de contaminantes’ que ayuda a desarrollar soluciones en los ámbitos del ahorro energético y el almacenamiento de energía.
Más específicamente, la línea de productos de GMG incluye recubrimientos mejorados con grafeno para calefacción, ventilación, aire acondicionado y refrigeración (HVAC‑R), lubricantes y fluidos. La empresa también está trabajando en la comercialización de baterías de iones de aluminio con grafeno de GMG, que tienen el potencial de ofrecer una mayor densidad energética que las baterías de iones de litio.
Para los períodos de tres y nueve meses que terminan el 31 de marzo de 2024, GMG obtuvo ingresos de 53.000 y 212.000 dólares australianos, respectivamente.
¿El material maravilloso del futuro?
Las propiedades y características revolucionarias del grafeno le permitirán lograr más en el futuro. Se utilizará en electrónica, fotónica, energía, biomedicina, compuestos y en el diseño de los materiales 2D del mañana.
Estos materiales 2D ofrecen propiedades físicas y químicas excepcionales, impulsando aplicaciones revolucionarias en optoelectrónica, energía, detección, compuestos y más. La clave para crecer rápidamente sería desarrollar métodos que trabajen con el grafeno de la manera más sostenible y de bajo costo posible.
