En defensa del óxido de grafeno

Tipos de grafeno / Graphene typesComo en todos los grupos, o como en todas las familias, los distintos componentes son diferentes y cada uno tiene distintas aptitudes y calidades. Los hay más guapos, más cultos, más sufridos, más brillantes, más creativos, más sociables… o menos.

Lo que está claro es que no se puede tener de todo y que, en función cuál sea la actividad a desarrollar, el sujeto que la llevará a cabo de forma más productiva y eficiente no tiene por qué ajustarse precisamente al que tenga un perfil que más “más” tenga. Esta misma metáfora es perfectamente válida para reivindicar el papel del óxido de grafeno en muchas aplicaciones frente al resto de materiales de grafeno.

El grafeno es, por definición, cada una de las capas del espesor de un átomo que forman parte de la estructura del grafito cuando están aisladas. De los distintos materiales basados en grafeno conocidos, el primer grafeno sintetizado fue el obtenido por exfoliación con cinta scotch de grafito HOPG (grafito sintético ultracristalino producido a temperaturas de 3000ºC) y es el que mejores medidas electrónicas, térmicas y mecánicas ha dado. Pero… el método de producción no es válido.

Comenzó entonces una carrera para obtener el mejor grafeno. Aquellos interesados en propiedades electrónicas (sensores y transistores) sólo están interesados en métodos que produzcan monocapas individuales de grandes dimensiones, sin defectos, gran tamaño de monocristales y perfectamente depositadas en un sustrato. Las necesidades de producción en estas aplicaciones son ínfimas en comparación con las necesidades de otras, por lo que están únicamente interesados en grafeno CVD, que produce grafeno de esas características a muy pequeña escala.

El resto de aplicaciones precisa de cantidades muchos órdenes de magnitud mayores, que sólo pueden obtenerse a partir de un material que lo contenga y sea abundante y barato como el grafito. Por métodos escalables, primero se desarrolló el óxido de grafeno (por exfoliación del 100 años antes descubierto óxido de grafito), que consiste en monoláminas o muy pocas láminas basadas en grafeno, con multitud de grupos oxigenados y defectos estructurales tanto en plano como en borde.

Si bien este óxido de grafeno se obtiene con rendimientos muy satisfactorios, tiene propiedades mermadas: los defectos y el oxígeno producen que las láminas tengan la aromaticidad rota, y por tanto, no tengan conductividad eléctrica ni térmica, además de que las propiedades mecánicas son un 20% de las teóricas del grafeno (e incluso tienen un espectro Raman “muy feo”). Se han desarrollado procesos de reducción (eliminación de oxígeno) que, aunque recuperan en gran medida la conductividad eléctrica y térmica del óxido de grafeno, este sigue teniendo defectos y sus propiedades mecánicas no mejoran.

suspension_reducido_popupPosteriormente, se desarrolló el grafeno prístino por exfoliación de grafito en fase líquida. Grafeno de verdad, sin defectos, sin oxígeno, conductor, resistente y con un Raman muy bonito, de forma que el óxido de grafeno quedaba como una cenicienta (aislante, con muchos defectos, con oxígeno, un 20% de resistente y Raman muy feo). Sin embargo, como en todas las familias y grupos, se puede brillar sin tener todos los “más”.

Primero, el óxido de grafeno es el de mayor rendimiento en monocapas y, segundo, el óxido de grafeno es el más polar por sus grupos, lo que hace que sea el que mejor se dispersa e individualiza en agua o disolventes polares. Esto le convierte en el que mayor interacción e interfase puede tener, y por tanto que se aproveche su elevadísima superficie específica. Todo eso se traduce en que los famosos aerogeles de grafeno (menos densos que le aire y muy conductores) solo pueden producirse a partir de óxido de grafeno, al igual que el necesario para aplicaciones biomédicas.

Además, en materiales compuestos se requiere su funcionalización, es decir, el anclaje de grupos funcionales para mejorar la interacción entre los componentes del material, algo que se favorece por la presencia de los grupos oxigenados del óxido de grafeno. Por ejemplo, en resinas termoestables que precisan entrecruzamiento, la dispersión y la funcionalización son clave si se desean mejorar aspectos como resistencia, abrasión, fatiga, rayado…

Sí, aunque su Raman sea muy feo (que sin duda lo es) y su pico 2D no se levante, el óxido de grafeno es capaz de ser el más efectivo para determinadas respuestas y aplicaciones sin tener todos los “más, y por tanto debe reivindicarse como el que más.

Ignacio Martín Gullón
Asesor Científico de Applynano

 

Un comentario

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