Cómo hacer grafeno puro en un instante a partir de la basura

Un nuevo y barato proceso produce grafeno de alta calidad en cantidades de varios gramos a partir de prácticamente cualquier material basado en carbono. Al sintetizar este alótropo 2D de carbono de manera sostenible a gran escala, el método podría llevar a añadir grafeno al hormigón u otros materiales compuestos para fortalecerlos. Como resultado, necesitaríamos estos materiales de construcción en menores cantidades, reduciendo su huella de carbono, explica James M. Tour, de la Universidad de Rice (Texas, EE.UU.), uno de los líderes del proyecto de investigación.

Aunque el grafeno puede hacerse de muchas maneras, como por ejemplo mediante síntesis orgánica, deposición química de vapor o exfoliación de grafito, estos métodos o bien no producen grafeno de alta calidad en grandes cantidades, o bien requieren de productos químicos nocivos o procesos de alto consumo energético. Un equipo de la Universidad de Rice, dirigido por Tour, Boris I. Yakobson y Rouzbeh Shahsavari, descubrieron que podían usar el ‘flash Joule heating’ o calentamiento Joule ultrarrápido, un proceso barato y energéticamente muy eficiente, para transformar carbón, desperdicios alimenticios y plástico en grafeno de alta calidad en cantidades de varios gramos, y en menos de un segundo (Nature 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-1938-0).

Tour cuenta que Duy X. Luong, un estudiante de doctorado del grupo de Tour, leyó un artículo en el que se usaba el calentamiento Joule ultrarrápido para hacer diferentes fases de materiales y decidió ver qué pasaría usando carbón. “Hubo un pequeño ‘puf’, un pequeño destello”, dice Tour, y añade que el análisis de espectroscopia Raman del material negro que resultó de este proceso reveló que Luong había convertido carbón en grafeno.

“En seguida supe el valor”, dice Tour sobre el descubrimiento. Dice que cayó en la cuenta de que, si el proceso funcionaba con carbón, que tiene una estructura bastante diferente a la del grafeno, probablemente funcionaría con cualquier material basado en carbono. Probaron el proceso con éxito con todo tipo de cosas, incluidas cáscaras de pistacho, piel de patata, neumáticos y tereftalato de polietileno usado. “Tras una optimización, se puede hacer el grafeno más limpio que se ha fabricado nunca”, dice Tour.

El proceso consiste en comprimir ligeramente el material a base de carbono entre dos electrodos, todo dentro de un tubo de cuarzo o cerámica. A este aparato se le aplica una descarga eléctrica (flash) de alto voltaje desde un condensador que calienta el material de carbono a temperaturas superiores a 3000 grados Kelvin en menos de un segundo. El proceso convierte el carbono amorfo en grafeno mientras que todos los demás productos químicos se volatilizan y escapan. Debido a que el grafeno se produce tan rápidamente, sus capas no tienen tiempo para alinearse mediante electrostática, facilitando la obtención de láminas individuales de grafeno.

En el artículo, los investigadores explican que la mayor cantidad de grafeno sintetizado fue de un gramo por ‘flash’, aunque Tour asegura que después han llegado a hacer hasta 5 gramos por ‘flash’ en su laboratorio, y que han obtenido financiación del Departamento de Energía de EE. UU. para aumentar la escala hasta 100 g por ‘flash’.

Jiaxing Huang, profesor de la Universidad del Noroeste (Illinois, EE.UU.), que estudia el procesamiento de materiales, comenta que muchas de las posibles aplicaciones de grafeno requerirían material de alta calidad, producido de manera escalable y sostenible, algo que es un desafío, añade. “Muchas aplicaciones demostradas de grafeno están pasando por un momento de “decepción” debido a estos retos en su síntesis”. El equipo de la Universidad de Rice ha logrado superarlos, dice. “Es un trabajo hermoso.”