El grafeno es uno de los materiales más interesantes y versátiles. El primer material bidimensional del mundo, esta capa única de átomos de carbono dispuestos en una red hexagonal tiene un conjunto de propiedades únicas y excepcionales. Además de ser el material más delgado, resistente y liviano conocido, el grafeno es flexible, impermeable a las moléculas y extremadamente conductor eléctrico y térmico.
Mientras el mundo se esfuerza por mantener su ritmo de innovación, el grafeno tiene mucho que ofrecer. El grafeno está ayudando a facilitar la próxima generación de tecnología: desde interconexiones para la comunicación de datos hasta pantallas y carcasas. Por ejemplo, la naturaleza fuerte y flexible del grafeno hace posible pantallas flexibles y baterías flexibles. Su excelente capacidad de detección se puede utilizar en la próxima generación de dispositivos electrónicos portátiles y para desarrollar componentes básicos para el Internet de las cosas.
La combinación única de propiedades del grafeno junto con su facilidad de incorporación en materiales compuestos significa que puede mejorar el mundo de los compuestos. El grafeno también está allanando el camino para nuevos diagnósticos y tratamientos en el ámbito de la administración de fármacos y los biosensores.
Composición y Recubrimientos
La próxima generación de compuestos y recubrimientos puede mejorarse con grafeno. Su excelente resistencia, conductividad, flexibilidad, naturaleza liviana y propiedades de barrera son útiles para una amplia gama de aplicaciones.
Desde recubrimientos antiestáticos y anticorrosión hasta compuestos ultrarresistentes y ultraligeros, el grafeno no solo puede mejorar el rendimiento de los materiales actuales, sino que también permite nuevos campos de aplicación.
El casco de motocicleta de grafeno se lanzó como producto comercial en 2016. Un revestimiento de grafeno permite una mejor distribución de la fuerza de impacto, lo que hace que el casco sea menos susceptible a daños en comparación con los cascos sin grafeno, incluso en condiciones de alta temperatura.
Desarrollado por: Momodesign e IIT
El grafeno puede desempeñar un papel clave en las industrias automotriz, aeroespacial y de la construcción, donde se puede utilizar para mejorar las propiedades de los paneles de los automóviles, las alas aeroespaciales o el hormigón.
Como aditivo en recubrimientos, el grafeno podría usarse para impermeabilizar casas o prevenir la oxidación de los barcos. La conductividad y flexibilidad del grafeno también lo convierte en un aditivo prometedor para el termoformado de plásticos.
Sensores
A medida que la sociedad empuja los límites de sus capacidades de detección, el grafeno tiene un papel importante que desempeñar. La gran superficie del grafeno, la alta conductividad eléctrica, las propiedades ópticas únicas y la alta conductividad térmica lo hacen ideal para los sensores. Los sensores ultrasensibles basados en grafeno también pueden ser más pequeños, más ligeros y menos costosos que los sensores tradicionales.
Existen sensores de contaminación ambiental, de pH y de gases de base química, hasta sensores de presión y deformación. La compatibilidad biológica del grafeno también hace que se use en sensores biológicos capaces de detectar moléculas como el ADN y muchos analitos diferentes, como glucosa, glutamato, colesterol, hemoglobina. Los sensores de grafeno pueden mejorar nuestras vidas, desde la creación de envases de alimentos inteligentes que pueden monitorear la idoneidad de los alimentos para el consumo humano, hasta sensores portátiles que pueden monitorear la salud en tiempo real.
Energía
A medida que la población mundial se expande, la demanda de producción y almacenamiento de energía aumenta constantemente. El grafeno y los materiales relacionados (GRM), con su gran superficie, gran conductividad eléctrica, naturaleza liviana, estabilidad química y alta flexibilidad mecánica, tienen un papel clave que desempeñar para satisfacer esta demanda tanto en la generación como en el almacenamiento de energía.
Las células solares, las baterías, los supercondensadores, el almacenamiento de hidrógeno y las células de combustible son áreas en las que los GRM pueden marcar la diferencia. Estos podrían usarse para producir dispositivos nuevos y únicos o integrarse en dispositivos actuales para mejorar su rendimiento.
Por ejemplo, el grafeno activado habilita supercondensadores para el almacenamiento de energía y también aumenta su vida útil, capacidad energética y tasa de carga para las baterías de iones de litio. Para la generación de energía, los GRM, como el bisulfuro de molibdeno, se pueden utilizar para extender la vida útil de las células solares de perovskita.
La creación de células solares de perovskita de gran superficie con una alta eficiencia energética y una larga vida útil es posible gracias al grafeno. La ingeniería de interfaz con grafeno y materiales relacionados aumenta la estabilidad y la eficiencia de las células solares.
Las excelentes propiedades eléctricas del grafeno se pueden utilizar para generar energía limpia para un futuro sostenible. Universidad de Roma Tor Vergata (Italia), IIT (Italia), TEI Creta (Grecia)
Los supercondensadores de grafeno almacenan grandes cantidades de energía y pueden cargarse y descargarse rápidamente. Las excelentes propiedades eléctricas del grafeno permiten un transporte de energía súper rápido y almacenar hasta 100 veces más energía.
Los supercondensadores de grafeno permitirán una carga ultrarrápida de dispositivos móviles y harán que la alta potencia sea más portátil.Thales (Francia), Istituto Italiano di Tecnologia (Italia)
Tecnologías Biomédicas
A medida que la demanda de servicios sanitarios sigue aumentando, también lo hace la demanda de soluciones sanitarias novedosas. Estas soluciones deberían ser más eficaces, menos costosas, prevenir y curar enfermedades y deberían ser igualmente eficaces en todo el mundo.
El grafeno está allanando el camino para diagnósticos y tratamientos novedosos, gracias a sus propiedades únicas, como alta superficie, movilidad de electrones y potencial de funcionalización; todo favorable para las tecnologías biomédicas. Por ejemplo, el área de superficie del grafeno es una excelente plataforma para la administración de fármacos y la conductividad hace que los biosensores sean eficaces.
La capacidad del grafeno para convertirse en andamios mientras se mantiene la conductividad inherente se puede utilizar en la ingeniería de tejidos. Una nueva investigación ha demostrado que el grafeno se puede incorporar con un polímero para fabricar sensores electromecánicos muy sensibles y que se puede utilizar para hacer implantes cerebrales profundos mejorados.
Electrónica
A medida que la industria de la electrónica se esfuerza por mantener su ritmo de innovación, el grafeno (que es flexible, fuerte, delgado y altamente conductor) tiene mucho que ofrecer. El grafeno puede ayudar a facilitar la próxima generación de tecnología, desde chips e interconexiones para la comunicación de datos hasta pantallas flexibles para la tecnología portátil. Dado que la miniaturización es un factor impulsor importante de la industria electrónica, la delgadez del grafeno junto con su conductividad a alta temperatura ambiente muestra una gran promesa.
En el ámbito inalámbrico, se han construido los primeros prototipos de antenas de comunicación de campo cercano flexibles basadas en grafeno, que proporcionan una solución muy competitiva para etiquetas de identificación de radiofrecuencia flexibles. La combinación de la capacidad del grafeno para integrarse en la electrónica con su excelente capacidad de detección significa que también se puede utilizar para proporcionar los componentes básicos de la Internet de las cosas.
Fotónica y Optoelectrónica
Las propiedades del grafeno lo hacen ideal para sistemas de comunicaciones ópticas y optoelectrónicas de próxima generación. Sus excelentes propiedades eléctricas y absorción óptica de banda ancha son muy adecuadas para dispositivos optoelectrónicos de alto rendimiento y pueden integrarse fácilmente con sistemas fotónicos de silicio. Además, su flexibilidad, robustez y estabilidad ambiental tienen el potencial de habilitar dispositivos completamente nuevos.
Las tecnologías basadas en grafeno están demostrando ser parte integral de la nueva generación de comunicaciones, como 5G, lo que permite sistemas de comunicación óptica de alto rendimiento a través de dispositivos optoelectrónicos ultrarrápidos y compactos. Desde láseres e interruptores ópticos hasta comunicación inalámbrica y recolección de energía, el grafeno jugará un papel importante en el campo de la optoelectrónica.
Flexibles y Wearables
Las tecnologías portátiles se han utilizado para aumentar nuestras capacidades durante los últimos siglos, que se remontan a la invención del reloj mecánico en el siglo XV. Los relojes inteligentes de hoy en día se han acompañado de una gama de dispositivos portátiles como pulseras inteligentes, joyas, parches y otros dispositivos similares. La computación ubicua y su integración con accesorios como correas, relojes, anteojos, ropa e implantes, han dado como resultado una mayor intra e interconectividad entre los seres humanos y su entorno. Desde medir los signos vitales hasta detectar las condiciones ambientales, todo es parte de un futuro en el que los wearables jugarían un papel clave en nuestra toma de decisiones y acciones en la vida.
Este futuro está a nuestras puertas gracias a los avances tecnológicos recientes, pero requiere un cambio radical en los componentes básicos de las tecnologías portátiles. Los metales pueden ser costosos, tóxicos y su rendimiento se degrada cuando se someten a tensiones mecánicas, mientras que los semiconductores tradicionales son rígidos con propiedades optoelectrónicas limitadas. Existe una demanda de dispositivos inteligentes discretos, suaves y livianos que puedan usarse sin ser notados. El grafeno y otros materiales bidimensionales son, debido a sus propiedades inherentes, extremadamente adecuados para tales dispositivos. Ofrecen una plataforma de material alternativa para la creación de productos portátiles multifuncionales y de bajo costo con factores de forma únicos. Se han desarrollado prototipos de dispositivos de seguimiento de la salud, sensores ambientales, textiles electrónicos duraderos y fuentes de energía flexibles, por nombrar algunos, y se han demostrado funcionalidades adicionales más allá de los límites del estado de la técnica.
El grafeno permite antenas NFC totalmente flexibles, además de ser el material más fino, resistente y ligero conocido, el grafeno es flexible, impermeable y extremadamente conductor eléctrico y térmico. Todas las propiedades son adecuadas para antenas NFC de próxima generación.
Wearables de grafeno para vigilancia de la salud y visión nocturnaLa banda de fitness habilitada con grafeno mide la frecuencia cardíaca, la hidratación, la saturación de oxígeno, la frecuencia respiratoria y la temperatura. La tecnología se exhibió en el MWC19.
Aeronáutica y Espacio
El grafeno y los materiales relacionados son muy prometedores para las aplicaciones espaciales y aeronáuticas, y ya se están probando gracias a la investigación innovadora llevada a cabo por los socios insignia de Graphene. Nuestros resultados más recientes sugieren claramente que el grafeno será una verdadera revolución en estos campos.
Aeronáutica
Los principales socios insignia de Graphene, como Airbus, Lufthansa Technik y Leonardo, han demostrado las posibilidades del grafeno y los materiales relacionados en la aeronáutica. El grafeno mejora las propiedades mecánicas de las piezas planas, permitiendo que su construcción sea más fina y ligera, al tiempo que mantiene o mejora la funcionalidad. Esto se traduce en importantes ahorros de combustible, reduciendo costos y emisiones de gases de efecto invernadero.
El grafeno también llevará a los fabricantes a producir aeronaves más seguras: uno de los proyectos más recientes de Spearhead financiado por Graphene Flagship, GICE, desarrollará sistemas termoeléctricos de protección contra el hielo basados en grafeno. Estos nuevos dispositivos mantendrán las piezas de los aviones libres de hielo sin afectar las propiedades aerodinámicas, lo que conducirá a vuelos más seguros y ecológicos.
Espacio
Las propiedades del grafeno hacen que el material sea ideal para una gran variedad de aplicaciones en la exploración espacial humana. Esta es una de las razones detrás de nuestro taller insignia ESA – Graphene Flagship, que se ha organizado durante la Semana del Grafeno durante dos años consecutivos hasta ahora. Desde piezas más ligeras para nuestras naves espaciales hasta nuevos biomateriales para una mejor cicatrización de heridas en el espacio exterior, las posibilidades del grafeno son ilimitadas.
Algunos prototipos ya han sido probados en diferentes campañas de vuelo parabólico de gravedad cero, lo que ha dado lugar a dispositivos habilitados con grafeno como los tubos de calor de bucle, fundamentales en los sistemas de refrigeración en el espacio, y las velas solares, clave para los sistemas de propulsión sin combustible de las naves espaciales.
Después de estas primeras pruebas de gravedad cero, el grafeno finalmente llegó al espacio en 2019. Para probar las posibilidades de las tintas de grafeno en el espacio, los socios emblemáticos de Graphene, Université Libre de Bruxelles, University of Pisa y University of Cambridge, en colaboración con la ESA, lanzaron un cohete en el espacio de órbita baja desde la base de la Corporación Espacial Sueca en Kiruna, Suecia.
El cohete MASER 14 permitió más de seis minutos de microgravedad, lo que dio a los investigadores un largo período de tiempo para validar las interesantes propiedades de las tintas de grafeno. Las tintas de grafeno podrían ser clave para la exploración espacial a largo plazo, ya que permitirían imprimir dispositivos electrónicos y de energía bajo demanda.