Desarrollo de soluciones basadas en grafeno más probable a medida que los efectos sobre la salud parecen mínimos

El grafeno, con su enorme potencial, representa un avance significativo en la ciencia de materiales. Extraído del grafito, una forma cristalina de carbono, el grafeno se presenta como un material notablemente importante más que como un elemento. Lo encontrarás comúnmente en la mina de un lápiz.

Al ser el material más delgado con solo un átomo de espesor, el grafeno se destaca por su ligereza, elasticidad y resistencia. Posee una resistencia 200 veces mayor que el acero y un grosor mil veces menor que el cabello humano.

Este material único es cinco veces más ligero que el aluminio, que a su vez es tres veces más ligero que el acero, y posee diversas propiedades. Entre ellas se incluyen la capacidad de absorber luz y una alta conductividad eléctrica y térmica, allanando el camino para innovaciones en varios sectores.

En la industria electrónica, la alta conductividad del grafeno prolonga significativamente la vida útil de las baterías y acorta el tiempo de carga, mejorando la eficiencia energética y la durabilidad de los dispositivos mientras evita el sobrecalentamiento. Su ligereza supera una de las limitaciones importantes de los drones: la pesada fabricación de baterías para el almacenamiento de energía.

La flexibilidad del grafeno y su capacidad para absorber poca luz lo hacen ideal para fabricar pantallas duraderas para diversos dispositivos. Mientras tanto, su resistencia lo convierte en un componente crucial para los avances en el sector de la iluminación.

En la construcción, el grafeno mejora el aislamiento de los edificios y ofrece resistencia a la humedad, la corrosión y el fuego, contribuyendo a una mejor regulación térmica en los hogares. Por lo tanto, puede ser muy beneficioso en el sector de energía renovable, ya que generará más energía de la que se produce actualmente. Mientras tanto, en el cuidado de la salud, puede ayudar a crear audífonos más ligeros, así como huesos y músculos mediante operaciones quirúrgicas.

Las posibles aplicaciones del grafeno incluyen también transistores, antenas, chips de computadora, supercondensadores, secuenciación de ADN, filtros de agua y células solares.

Dadas las diversas propiedades del grafeno y su potencial para revolucionar tantos sectores diferentes, la comunidad científica ha estado observando de cerca al grafeno. Investigadores y empresas de todo el mundo han estado estudiando y experimentando con este material.

Esta semana, un estudio por físicos del MIT encontró un “efecto Hall cuántico anómalo fraccional” en el grafeno. El efecto Hall cuántico fraccional es algo extremadamente raro que, si se controla, puede ayudar a construir computadoras cuánticas tolerantes a fallos.

Este efecto solo se ha observado unas pocas veces, y eso mayormente bajo campos magnéticos muy altos y cuidadosamente mantenidos. Pero esta vez, el efecto se vio en un material que los científicos no esperaban y, además, en ausencia de un campo magnético. Este descubrimiento tiene importantes implicaciones para el campo de la física fundamental. Es probable que abra el camino a una nueva forma de computación cuántica que sea sustancialmente más resistente a las perturbaciones.

En otro estudio, los investigadores revelaron un método novedoso para sintetizar óxido de grafeno (GO), que es dispersable en solventes. El nuevo método combinó el ácido del método de Hummers y el oxidante del método de Brodie para producir GO de manera simple pero con un número reducido de defectos.

Sin embargo, aunque el grafeno tiene un enorme potencial de aplicación, aún no se usa ampliamente y sigue siendo explorado. El volumen de producción limitado, el alto costo y los riesgos para la salud son los principales factores que limitan la adopción del grafeno. No obstante, uno de estos factores podría no ser tan limitante.

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Ensayo humano muestra que inhalar grafeno es seguro

El grafeno fue aislado por primera vez por los científicos Andre Geim y Konstantin Novoselov en 2004, por lo que recibieron el Premio Nobel de Física en 2010. Alabado como un ‘material maravilloso’, el grafeno ha sido explorado en todo el mundo, incluso en el campo de la salud, mediante dispositivos implantables y sensores.

En el cuidado de la salud, el material también está siendo investigado en relación con terapias dirigidas contra condiciones como el cáncer. Pero, por supuesto, antes de que el material pueda usarse con fines médicos, debe probarse para detectar posibles efectos adversos. Y un estudio sugiere que un tipo específico de grafeno puede inhalarse sin ningún riesgo agudo para la salud humana.

Este ensayo clínico, que involucró la primera exposición controlada, utilizó una forma del material delgada, ultra‑pura y compatible con el agua — óxido de grafeno (GO).

El grafeno es un nanomaterial 2D de una o pocas capas de una red de carbono, y su forma oxidada ha mostrado promesa en las ciencias biomédicas gracias a su compatibilidad con las células sanguíneas, hidrofobicidad, alta superficie para funcionalización química y una estabilidad coloidal razonable en soluciones biológicamente relevantes. Los materiales de óxido de grafeno en capas, en particular, se estudian para aplicaciones de membranas. Sin embargo, hay datos toxicológicos limitados e inconsistentes disponibles para el óxido de grafeno.

Aunque se desarrollan para aplicaciones amplias, como señaló el estudio, los nanomateriales de óxido de grafeno están asociados con posibles preocupaciones de seguridad para la salud humana. Como resultado, el equipo realizó un ensayo controlado aleatorio doble ciego para averiguar cómo la inhalación de este material influye en las funciones agudas de nuestros pulmones y vasos sanguíneos.

Los materiales de GO altamente purificados, delgados y libres de metales y endotoxinas se sintetizaron mediante un método modificado de Hummers. Las nanosheets de GO (nanostructuras 2D con un grosor entre 1 y 100 nm) tenían un tamaño estrictamente definido y no presentaban contaminación elemental. El estudio utilizó dos dimensiones laterales: GO pequeño (s‑GO) y GO ultrasmall (us‑GO).

Más de una docena de voluntarios participaron en el estudio, donde experimentaron una exposición cuidadosamente controlada, que consistió en respirar el material a través de una máscara facial. Los participantes inhalaron óxido de grafeno durante dos horas mientras pedalaban en una cámara de exposición móvil diseñada específicamente. Los voluntarios regresaron para exposiciones controladas repetidas unas semanas después. Esta vez, la investigación se centró en experimentar con partículas de óxido de grafeno de varios tamaños.

Así, los 14 voluntarios jóvenes y sanos inhalaron tanto GO pequeño como GO extremadamente pequeño con una concentración de 200 μg m−3 (microgramos por metro cúbico de aire) en visitas repetidas. La concentración real de s‑GO fue 214 ± 23 μg m−3, y la de us‑GO fue 224 ± 17 μg m−3, manteniéndose a un nivel constante durante las dos horas.

Aprovechando al máximo la nanotecnología

El estudio midió los efectos del material sobre la función pulmonar, la coagulación sanguínea, la presión arterial y la inflamación en la sangre antes de la exposición y a intervalos de dos horas.

Los investigadores no encontraron efectos adversos del material sobre la presión arterial ni la función pulmonar. No tuvo reacciones desfavorables en los demás parámetros biológicos analizados. Sin embargo, observaron que la inhalación de óxido de grafeno puede influir en la forma en que la sangre coagula, aunque enfatizaron que el efecto era muy pequeño.

En cuanto al análisis de la proteómica sanguínea altamente enriquecida, mostró muy pocas proteínas plasmáticas diferenciales, mientras que la formación de trombos solo aumentó ligeramente en un modelo ex vivo de lesión arterial.

Este estudio, según el profesor Kostas Kostarelos, de la Universidad de Manchester, y el Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2) en Barcelona, demuestra que las formas puras de óxido de grafeno pueden desarrollarse más mientras se minimiza el riesgo para la salud humana. Él señaló:

“Nos ha llevado más de diez años desarrollar el conocimiento necesario para llevar a cabo esta investigación, desde el punto de vista de la ciencia de materiales y biológica, pero también desde la capacidad clínica para realizar estudios controlados de forma segura.”

El estudio fue realizado por investigadores de las Universidades de Edimburgo y Manchester y financiado por UKRI EPSRC y la British Heart Foundation. Según los investigadores, se requiere más trabajo para determinar si dosis más altas de diferentes formas de grafeno tendrían un efecto distinto en la salud. El equipo también está interesado en explorar si una exposición prolongada al óxido de grafeno causaría riesgos adicionales para la salud.

Aunque los nanomateriales como el grafeno tienen un gran potencial, debe asegurarse que “se fabriquen de manera segura antes de que puedan usarse más ampliamente en nuestras vidas”, dijo el Dr. Mark Miller (BSc, PhD), investigador senior en el Centre for Cardiovascular Science de la Universidad de Edimburgo. Explorar la seguridad del grafeno en humanos nos ayudará a comprender cómo este material único podría afectar al cuerpo, y “con un diseño cuidadoso, podemos aprovechar la nanotecnología de forma segura”, añadió.

En cuanto a las limitaciones del estudio, los investigadores señalaron que solo detectaron cambios en los parámetros biológicos basándose en su trabajo previo con nanopartículas de escape de diésel, y que el número de participantes podría ser insuficiente para detectar los efectos más sutiles de la inhalación de GO.

Además, los investigadores eligieron la dosis específicamente para prevenir efectos fisiológicos evidentes, lo que sugiere que concentraciones más altas de GO o duraciones de exposición más largas podrían revelar efectos no observados en este estudio. Asimismo, la imposibilidad de extender el estudio más allá de 6 horas significó que probablemente se perdieron algunas vías inflamatorias.

Dicho esto, el estudio muestra claramente que inhalar las nanosheets de óxido de grafeno ultra‑purificadas y delgadas, que son de tamaño nanométrico, no afecta a humanos sanos. De esta manera, sienta las bases para investigar los efectos de otros nanomateriales bidimensionales (sustancias planas, no esféricas, con una dimensión <100 nm) en humanos.

Este estudio abre la puerta al desarrollo de nuevos métodos de administración de fármacos para tratar enfermedades. Al diseñar un sistema de liberación de fármacos optimizado, el objetivo es transportar agentes terapéuticos de manera controlada mientras se minimizan los efectos secundarios en el tejido sano.

Sin duda, es un paso importante hacia una evaluación de riesgos integral del grafeno y los nanomateriales 2D que tienen el potencial de abordar múltiples desafíos globales, adoptando un enfoque de diseño seguro para aprovechar el verdadero potencial de este material único.

Empresas que exploran el grafeno

Las soluciones basadas en grafeno pueden beneficiar enormemente a muchas industrias y a numerosas empresas como Tesla (TSLA ), Samsung, Lockheed Martin (LMT ), Ford, Intel (INTC ) y 3M, entre otras. Ahora, veamos las empresas que están explorando el grafeno y desarrollando soluciones basadas en el material:

#1. Graphenea

El principal fabricante de materiales basados en grafeno, Graphenea, ofrece grafeno de alta calidad para aplicaciones de investigación e industriales. El portafolio de la empresa incluye óxido de grafeno, chips de transistores de efecto de campo de grafeno (GFETs), películas de grafeno CVD y servicios de fundición de grafeno (GFAB).

La lista de productos de Graphenea, por su parte, incluye una tarjeta Graphenea y los modelos mGFET-4D y mGEFD-4P para aplicaciones de detección. La empresa es socia de Graphene Flagship, promocionada como la mayor iniciativa de investigación en Europa para esfuerzos coordinados con un presupuesto de 1 mil millones de euros.

#2. Haydale Graphene Industries

La empresa tecnológica global se especializa en el procesamiento de grafeno, entre otros nanomateriales, para diversas aplicaciones. Con una capitalización de mercado de 4,44 millones, las acciones de Haydale Graphene Industries (HAYD-GB: London Stock Exchange) cotizan a 0,45, con una caída del 5,26 % en lo que va del año (YTD). La empresa tiene un EPS (TTM) de -0,85 y un P/E (TTM) de -0,53.

Losingresos netos interanuales han caído un 28,20 % a una pérdida de 6,17 mln a pesar de un aumento de más del 48 % en los ingresos a 4,30 mln, lo cual se debe a un incremento en el costo de los bienes vendidos como porcentaje de las ventas. En la segunda mitad del año pasado, Haydale recaudó £5 m mediante una suscripción a 0,5 p/acción y ofreció una oferta minorista de hasta £1 m para inversores individuales.

La empresa se asoció recientemente con PETRONAS Ventures, la rama de comercialización tecnológica de la compañía malasia de petróleo y gas Petroliam Nasional Berhad, para funcionalizar el grafeno en aplicaciones de productos. Esta colaboración fue un intento de impulsar la producción masiva de productos basados en grafeno en numerosas industrias.

En diciembre de 2023, el Gobierno de Gales otorgó a la empresa financiación SMART para desarrollar fluidos de transferencia de calor impregnados con grafeno en asociación con el fabricante de fluidos de transferencia de calor a base de agua Hydratech.

#3. IBM

Este gigante tecnológico ha estado explorando el grafeno en la electrónica. Hace aproximadamente una década, IBM construyó un chip de grafeno que era 10 000 veces más rápido que los ICs de grafeno anteriores. Luego, muchos años después, IBM utilizó las propiedades únicas del grafeno para desarrollar técnicas de fabricación que permitieron escalar los dispositivos semiconductores a tamaños de característica menores de 7 nanómetros en obleas de silicio.

Esto representa un salto significativo en la tecnología de semiconductores, empujando los límites de la miniaturización y el rendimiento. IBM ha estado invirtiendo mucho tiempo y miles de millones de dólares en el futuro de la nanoelectrónica, incluido el uso del grafeno.

Con una capitalización de mercado de 164 mil millones de dólares, las acciones de la empresa (IBM: NYSE) se han negociado a 181,20 $, con un aumento del 9,87 % en lo que va del año. IBM ha reportado ingresos (TTM) de 61,86 mil millones de dólares y tiene un EPS (TTM) de 8,03, un P/E (TTM) de 22,37 y un ROE (TTM) de 33,36 %. La empresa también paga un rendimiento de dividendo del 3,70 %.

Conclusión

El grafeno, un material extremadamente diverso, encuentra amplias aplicaciones en los sectores de energía, electrónica y construcción. En el sector tecnológico, este material puede cambiar por completo la forma en que interactuamos con la tecnología. Este estudio demuestra además que el sector médico puede usar este material único de forma segura sin efectos perjudiciales para la salud humana y el cuerpo. Sin embargo, lograr los beneficios completos del grafeno requiere una producción a escala masiva a bajo costo, un hito que aún no se ha alcanzado.

No obstante, no se puede negar que el grafeno es el “material del futuro”, y con razón. Al ser el material más delgado, flexible y resistente del mundo, representa una verdadera revolución que puede cambiar el mundo.

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