El grafeno no se moja o ¿Cómo destilar Vodka con grafeno?

 

Yo prefiero el Whisky, que queréis que os diga. Eso sí, el grafeno me parece un nanomaterial de lo más interesante: Una sola capa de átomos de carbono dispuestos como el enrejado de la valla metálica de un jardín. Pero es que con los descubrimientos publicados en Science y Nature Materials (dos de las revistas científicas más prestigiosas) a finales de Enero, ya poco importa que  tenga excelentes propiedades mecánicas. De hecho, es muy fuerte y resistente. ¡A ver quien es el guapo que lo rompe en mil pedazos!  Además, y debido a su flexibilidad, puede usarse para recubrir casi cualquier superficie. Pero no sólo eso se sabía. Resulta que también es inerte químicamente, así que nada de reaccionar con el oxigeno del aire y oxidarse como un metal cualquiera. Y conduce el calor y la electricidad mejor que nadie. Es la caña, ¡vamos! Pero es que ahora, dos grupos de investigadores independientes han descubierto, entre ellos el premio Nobel Sir Andre Geim, que es impermeable. Si, has leído bien. Como el chubasquero que usamos cuando llueve.

Conferencia de Novoselov sobre el grafeno en Bilbao.


Los investigadores esperaban que los diminutos espacios entre los átomos de carbono en su estructura fueran demasiado pequeños para que ni el agua ni otra cosa cualquiera pudieran pasar a través de ellos. Pero se encontraron una sorpresa. Y, llegado hasta aquí, tú te preguntaras: ¿Pero qué es lo que han descubierto? Pues si leemos el artículo de
Nature Materials nos encontramos que los investigadores concluyen que las fuerzas de van der Waals no se ven afectadas por el grafeno. Si nunca has oído hablar de estas fuerzas atractivas (como el magnetismo de un imán) pero que aparecen entre átomos y moléculas y tienen una alcance de al menos varios nanómetros, pues esta conclusión no te dirá gran cosa.  A mí, como físico, me apasiona jeje. Y es que, en el caso del oro, el cobre y el silicio, las fuerzas de van der Waals entre la superficie y las gotas de agua determinan como se extiende el agua sobre la superficie sólida, esto es, como se moja. Debido a su alcance, estas fuerzas no se ven afectadas por la presencia de una capa de un solo átomo de carbono de espesor entre la superficie y la gota de agua. En otras palabras, las fuerzas de van der Waals son capaces de “mirar a través de” capas de grafeno ultradelgadas.

 

Pero es que aún hay más: Si apilan 6 capas de grafeno sobre la superficie metálica entonces se acabó esta transparencia del grafeno al mojado. En estas condiciones, la separación entre la gota de agua y la superficie recubierta por el grafeno es lo suficientemente grande (esto es siempre relativo, pues hablamos de seis capas de grafeno que nos da unos 2 nanómetros de espesor) para que las fuerzas de van der Waals ya no sientan la superficie bajo el recubrimiento de grafeno.

Un orificio, como el de una botella, tapado por una capa de grafeno.

 

“Son tan inusuales las propiedades encontradas que es difícil imaginar que no puedan ser de utilidad en el diseño de equipos para filtración de agua”. Andre Geim (Premio Nobel de Física en 2010).

 

Pero no nos distraigamos y volvamos a lo que es noticia: ¡Se ha descubierto que el grafeno es impermeable!. Para demostrarlo, en Science nos cuentan que han fabricado membranas (filtros como los que usamos para preparar el café, por ejemplo) apilando las capas de un sólo átomo de carbono del grafeno pero en este caso oxidadas (esto es, con grupos hidroxilo -Un hidrógeno y un oxígeno, OH- alrededor). Estas láminas, más de 100 veces más finas que un cabello, siguen siendo muy fuertes, flexibles y fáciles de manejar, como el propio grafeno.

 

El experimento que hicieron consistió en sellar un contenedor metálico con estas membranas de óxido de grafeno.  Llenaron de Helio el contenedor y vieron si se “fugaba”. Esto es lo que se llama la prueba de fugas con Helio. Y la superó. Ni el detector más sensible fue capaz de medir gas alguno que se filtrara a través de la membrana. Pero las sorpresas de este nanomaterial no acaban aquí. El mismo contenedor metálico, llenado de agua y sellado con las mismas membranas, dejaba que el agua se evaporase tan rápido como si no estuviera sellado. No hay ninguna duda, ¡Este material es increíble!

El grafeno mejorará los deshumidificadores.

 

Y nos queda la pregunta más importante por contestar: ¿Y esto para que sirve? Los autores del Nature Materials proponen una aplicación práctica de este nuevo recubrimiento en las superficies de cobre utilizadas en los deshumidificadores. Debido a su exposición al agua, estas se oxidan. Lo que disminuye la transferencia de calor y la eficiencia del aparato. Un revestimiento de las superficies de cobre del deshumidificador con una fina capa de grafeno prevendría su oxidación, según los investigadores, y el funcionamiento del dispositivo no se vería afectado porque el grafeno no cambia la forma en que el agua interacciona con el cobre. El profesor Geim, a raíz de su artículo en Science, comenta: “Son tan inusuales las propiedades encontradas que es difícil imaginar que no puedan ser de utilidad en el diseño de equipos para filtración de agua”.  ¡Ah!, y para acabar, tu dirás: ¿Qué pasa con el Vodka? Pues que a ninguno de los autores del artículo de Science les gusta (Ya es algo que tengo en común con un premio Nobel jeje). No, vale. Con el Vodka se echaron unas risas. No te olvides que Geim y Novoselov son los que recibieron el Nobel después de descubrir el grafeno pegándole cinta adhesiva a la mina de un lápiz. Así que sellaron una botella de Vodka con las membranas de óxido de grafeno y consiguieron que la bebida aumentara su grado de alcohol, al concentrarse como en un alambique, tras evaporarse el agua del interior de la botella a través de la membrana. Sin embargo, el grupo de la Universidad de Manchester no ven una aplicación inmediata en las destilerías. Esta visto que la llegada de la nanotecnología al mundo de las bebidas alcohólicas tendrá que esperar.

Emilio Castro

Referencias:

Rafiee J, Mi X, Gullapalli H, Thomas AV, Yavari F, Shi Y, Ajayan PM, & Koratkar NA (2012). Wetting transparency of graphene. Nature materials PMID: 22266468

Nair RR, Wu HA, Jayaram PN, Grigorieva IV, & Geim AK (2012). Unimpeded permeation of water through helium-leak-tight graphene-based membranes. Science (New York, N.Y.), 335 (6067), 442-4 PMID: 22282806

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17 Comentarios en “El grafeno no se moja o ¿Cómo destilar Vodka con grafeno?”

  1. Alejandra Peñaherrera Abril 16, 2017 at 2:10 am #

    Hola, me gustó mucho el artículo! Estoy planteando el tema de mi tesis porque egresé de Ingeniería ambiental hace poco y he leído sobre el grafeno, desde que lo escuché por primera vez me pareció un material increíble!, y la primer idea en que pensé fue en utilizarlo para filtración de aguas residuales, por favor espero que usted pueda contestarme me ayudaría mucho, el si usted opina que una tesis así sería viable, tengo pensado el tema hasta ahora como: MEMBRANA DE OXIDO DE GRAFENO PARA FILTRACION DE CONTAMINANTES EN AGUAS RESIDUALES, ENSAYOS DE PRUEBA- ERROR, tengo muchas dudas acerca de cómo realizar la membrana y si sería muy costoso? Y si mi tema estaría bien planteado hasta ahora?.
    Saludos!

    • Emilio Castro Otero Abril 19, 2017 at 1:19 pm #

      Hola Alejandra,
      Muchas gracias por tu comentario. Me alegra mucho que te haya gustado el artículo. Y todavía más que como ingeniera ambiental te intereses en este ámbito de investigación de la nanotecnología aplicada al medio ambiente. Yo acabo de terminar de cursar hace unos meses un máster sobre nanotecnología medioambiental en la Universidad de Zaragoza en el que tenía un par de compañeros de clase que eran licenciados en ciencias ambientales también. Personalmente, además de en medicina, le veo un enorme potencial de investigación y desarrollo tecnológico a la nanotecnología en el área medioambiental.
      En cuanto a tus preguntas, decirte que nunca he investigado en grafeno, aunque sí con otros nanomateriales. Por lo que lo que te puedo comentar es en base a lo que he leído y escuchado a otros. Y, en cualquier caso, te recomiendo que busques otras opiniones más expertas que la mía.
      Que yo conozca hay un par de grupos de investigación destacados en este ámbito de las membranas de óxido de grafeno para filtración. Uno en Manchester y otro en Berkeley. En el de Manchester han publicado este año en la revista Nature Nanotechnology un estudio en que con estas membranas consiguieron tamizar sales comunes convirtiendo el agua del mar en potable (http://www.manchester.ac.uk/discover/news/graphene-sieve-turns-seawater-into-drinking-water/ y http://www.azonano.com/article.aspx?ArticleID=4275). Ya antes consiguieran filtrar con ellas moléculas orgánicas, nanopartículas y sales de gran tamaño. Su tecnología parece ser capaz de controlar el tamaño de poro y ser escalable. Y aunque su investigación está enfocada a la desalinización, converge con lo que serían nanotecnologías para filtración de aguas. En Berkeley ya tienen unas membranas de óxido de grafeno patentadas desde 2015 que pueden eliminar con eficacia contaminantes de las aguas residuales, como productos farmacéuticos, patógenos y disruptores endocrinos y pueden aplicarse a la reutilización de aguas residuales, desalinización y tratamiento de aguas pluviales (http://www.thegraphenecouncil.org/?page=Desalination). En Manchester dicen que da buenos resultados para preparar las membranas la sencilla técnica de la evaporación del agua de una suspensión acuosa de óxido de grafeno. En cualquier caso trabajar con óxido de grafeno es menos costoso que con grafeno. Aquí en España hay al menos una empresa vasca (Graphenea) que comercializa estas suspensiones acuosas de óxido de grafeno a un precio asequible.
      Terminar recomendándote un par de lecturas en las que no he podido profundizar pero que igual te ayudan a centrar y analizar el estado del arte de cara a comenzar tu proyecto de tesis. Una es un capitulo de libro en que se revisa la tecnología de tratamiento de aguas con membranas de óxido de grafeno publicado el año pasado y escrito por investigadores de la Armada estadounidense. Puedes acceder a él gratis registrándote en la red social para investigadores Research Gate (https://www.researchgate.net/publication/294873314_Graphene_and_graphene_oxide_membranes_for_water_treatment). La otra es para darte un enfoque más empresarial, porque también hay alguna empresa trabajando en desarrollar tecnología y productos comerciales en este ámbito de las nanotecnologías para la filtración de agua y la desalinización (https://www.graphene-info.com/graphene-water-treatment).
      Bueno. Espero haberte sido de ayuda con mi respuesta. Eso sí, personalmente te animo a seguir adelante con tu proyecto de tesis y te deseo mucha suerte y éxito.
      Emilio

      • Alejandra Peñaherrera Celorio Mayo 18, 2017 at 2:10 am #

        Me ha sido de mucha ayuda la información, le agradezco por compartir su conocimiento conmigo, así pude aclarar las ideas sobre lo que haré en mi tesis.

        Es alentador saber que hay profesionales como usted que nos impulsan a seguir formándonos académicamente, en mi caso, con el objetivo de posteriormente contribuir a la ciencia e investigación y, por ende, a mejorar la calidad de vida de las personas, en pro de un ambiente sano y ecológico, mil gracias, saludos desde Ecuador, Dios lo bendiga. 

  2. Claudia Marzo 26, 2015 at 9:07 am #

    ¡Hola! En mi proyecto de tesis planeo fabricar un recubrimiento nanoestructurado a base de grafeno para proteger moldes de arena sílica que usan en fundición de aluminio, precisamente porque algo me hablaron de la "no mojabilidad del grafeno". Quisiera saber su opinión al respecto, es decir ¿será posible fabricar una película delgada y utilizarla con éste fin? ya que vengo de un área totalmente diferente y no estoy familiarizada con éste material, sólo sé que es de descubrimiento reciente y que tiene excelentes propiedades, así que me gustaría tener más información un poco más digerible para irme familiarizando con lo científico, gracias, saludos.

    • Emilio Castro Otero Marzo 28, 2015 at 12:49 pm #

      Hola Claudia,

      Gracias por tu comentario y pregunta.

      Actualmente se está investigando bastante el uso de grafeno para recubrimientos en diversos sectores industriales. Así que ánimo con esa línea de investigación de tu proyecto de tesis.

      El año pasado publicaba el propio premio Nóbel André Geim de la Universidad de Manchester un artículo breve en Nature reportando su trabajo en esta dirección. Ellos están utilizando láminas de óxido de grafeno reducidas químicamente para recubrimientos protectores.

      Usar las de grafeno a día de hoy parece complicado por las reducidas dimensiones de las láminas que se han fabricado, pero tiempo al tiempo.

      En su caso, han desarrollado una pintura que se puede aplicar sobre cualquier tipo de material, incluida la arena de sílica que tú estás pensando en estudiar.

      Aquí te dejo el enlace a un resumen divulgativo de su trabajo:

      http://www.kurzweilai.net/a-new-impermeable-form-of-graphene-oxide-could-be-the-ultimate-protective-coating

      Pero existen otras aproximaciones al tema. Ya que hablas de recubrimientos nanoestructurados, en el Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen (AIDO) tienen un proyecto, llamado Grafecoat, que trata de conseguir recubrimientos basados en nanocomposites de resina y grafeno. Esta técnica da problemas de formación de agregados al dispersar el grafeno en la matriz polimérica, pero debe ser algo superable técnicamente.

      En este centro también están trabajando en recubrimientos basados en óxido de grafeno reducido pero en su caso utilizando tecnología láser.

      Aquí tienes un enlace para leer más si te interesa:

      http://www.aido.es/sala-de-prensa/noticias/i/108881/60/aido-emplea-el-grafeno-para-desarrollar-recubrimientos-avanzados

      Espero haber sido de ayuda con mi respuesta. En cualquier caso te animaría a darte de alta en una red social específica para investigadores como es Research Gate y plantear allí tu pregunta. Con un poco de suerte alguien con experiencia y más conocimientos en recubrimientos y grafeno te pueden orientar y aportar una visión más detallada. Ya hay alguna pregunta en esa dirección:

      http://www.researchgate.net/post/How_to_coat_the_uniform_graphene_oxide_solution_on_the_substrate

      Un saludo,

      Emilio

  3. jean Abril 20, 2012 at 4:14 pm #

    Hola estoy interesado en este tema del grafeno y voy a hacer un "Trabajo de recerca" de bachillerto relacionado con la historia y avances del grafeno. Me gustaria tener información del grafeno y de sus avances, para comunicaros conmigo jean_saez@hotmail.com

  4. Félix Díaz Febrero 7, 2012 at 6:47 pm #

    Marchando una de química. El carbono tiene valencia 4, y en el grafeno está formando tres enlaces, por lo que queda un electrón libre. Es la misma estructura del grafito, sólo que en éste son varias las capas, y se unen unas a otras a través de esos enlaces que quedan libres.
    Si unimos una capa de hexágonos de carbono tipo grafito a otro material, sin duda se formará algún tipo de unión debido a esos electrones libres. De hecho estoy seguro, aunque no he hallado información al respecto, que las maravillosas propiedades del grafeno tienen mucho que ver con esos electrones que sobran, y que en el grafito le dan la conductividad eléctrica.

  5. Cabezón Febrero 6, 2012 at 11:50 pm #

    Perdón si no he entendido bien, pero creo que hay un error. El artículo enlazado no dice que el grafeno sea impermeable, sino ¡super-permeable! O sea, que el agua lo atraviesa tan rápido como si no hubiera nada.

    • emiliocastro Febrero 8, 2012 at 11:42 am #

      Hola Baldo Mero!

      El grafeno es impermeable. Por el contrario, el que es muy permeable o “superpermeable”, como bien apuntas, es el óxido de grafeno.

      En el primer artículo que comentamos en la entrada se habla del grafeno y su mojabilidad (el Nature Materials): Recubren superficies metálicas con láminas de grafeno (de unos pocos nanómetros de espesor) para comprobar como se mojan.

      En el segundo se habla del óxido de grafeno y su permeabilidad (el Science del premio Nobel André Geim): Sellan recipientes con membranas de óxido de grafeno (de varias micras de espesor) para ver si son permeables. Estas membranas están formadas por planos paralelos de óxido de grafeno y dejan pasar el vapor de agua a través de ellas sin ofrecer casi resistencia, pero impiden el paso de las demás moléculas (por ejemplo las de alcohol del vodka jeje) estudiadas por los investigadores.

      La sorprendente permeabilidad de estos filtros o membranas de óxido de grafeno sólo se observa cuando la humedad ambiental es elevada. Dado que las membranas de óxido de grafeno absorben humedad fácilmente (son higroscópicas), los investigadores creen que este agua absorbida aumenta la distancia entre los planos de óxido de grafeno en la membrana, facilitando la difusión o movimiento de las moléculas de vapor de agua a través de ellos.

      Seguimos hablando.

  6. Aurelio Llorente Febrero 6, 2012 at 12:34 pm #

    Perdón por mi ignorancia, pero tengo una duda sobre la forma de sujetar la capa de grafeno al cobre. No se mucho de enlaces, pero me da la sensación de que los enlaces de los átomos de carbono están ocupados por los átomos de alrededor, vamos que la lámina de grafeno es como una sábana en la que no se puede "pegar nada".
    Si esto es así ¿cómo se podría sujetar la lámina de grafeno al cobre?

    Si he dicho una burrada muy gorda, por favor, tener piedad.

    • Emilio Castro Otero Febrero 6, 2012 at 4:02 pm #

      Hola Aurelio,

      Por favor, tú pregunta sin miedo. Que en este blog se trata de hablar de ciencia, como su nombre indica.

      La técnica que utilizan para recubrir un metal reactivo, como el cobre, con una capa de grafeno no se basa en “pegar” una lámina de grafeno sobre el metal sino en “construirla sobre él”. La técnica se llama deposición química en fase vapor (CVD en sus siglas en inglés). Y consiste en exponer una superficie metálica muy caliente (en este caso la de cobre) a un gas que contenga carbono, como puede ser por ejemplo el metano. La presencia de la superficie metálica favorece que se produzca la descomposición catalítica del metano en carbono e hidrógeno, actuando el cobre como catalizador de la reacción química. Los átomos de carbono resultantes se ordenan sobre la superficie metálica formando una red periódica con forma de malla metálica y un sólo átomo de espesor. Así, lo que hacen los investigadores no es “pegar” el grafeno al cobre, sino que ordenan los átomos de carbono, procedentes de la descomposición de un gas rico en carbono, sobre la superficie de cobre para obtener la fina lámina de grafeno, que actúe como recubrimiento antioxidante de la superficie metálica.

      Pero si es cierto que, como apuntas, la interacción del grafeno con los metales, en concreto con el cobre, es muy pequeña. Esto lo ha estudiado hace poco un grupo de colegas de la Universidad Autónoma de Madrid y lo publicaban en Agosto del año pasado en la revista Nanoletters (http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl201281m). Estudiando como construir grafeno sobre una superficie de un metal inerte como el oro (el cobre, comparativamente, es mucho más reactivo, basta pensar en lo fácilmente que se oxida) obtuvieron evidencias de que la interacción del grafeno tanto con el oro como con el cobre (que ellos utilizaron en sus experimentos como control, esto es, un material de comportamiento conocido con el que comparar los resultados experimentales obtenidos con el oro) es muy débil.

      Y, por cierto, gracias por tu comentario. Este blog sólo es un éxito si despierta preguntas en quién lo lee y, entre todos, aprendemos un poquito más de ciencia hablando sobre ella.

      Un saludo,

      • Aurelio Llorente Febrero 7, 2012 at 12:15 am #

        Creo que voy a tener que empaparme bien el manual de química de la UNED que imprimí hace tiempo. El proceso de "fabricación" de la lámina de grafeno parece muy interesante, pero sigo sin imaginarme como esos átomos de carbono, que tienen sus tres enlaces ocupados con los átomos de carbono de alrededor. Me imagino que es como poner un papel encima de una chapa, si soplas el papel sale volando. Tal vez necesito eso, aprender un poco de química básica y entender bien como funcionan los enlaces entre átomos, porque con lo poco que recuerdo de la química que aprendí en el instituto es que si no hay enlaces libres en el átomo no se le puede "pegar" nada. Entiendo que si depositan los átomos de carbono encima del cobre se podrán "volar" con una ligera brisa.

        Todo esto del grafeno y los nanotubos tiene muy buena pinta, pero a veces se me hace muy complicado imaginarme como tiene que ser manipular algo tan extremadamente pequeño y sobre todo sus futuras aplicaciones industriales a la hora de, por ejemplo, fabricar en serie. ¡Que estamos hablando de algo que tiene un átomo de espesor! Es casi imposible de ver.

        • Félix Díaz Febrero 7, 2012 at 6:49 pm #

          Hoy en día es posible manipular átomos individuales. Como ejemplos espectaculares, hay por ahí imágenes de palabras escritas con átomos.

        • Emilio Castro Otero Febrero 8, 2012 at 4:36 pm #

          Hola Aurelio!

          Gracias por tus comentarios y preguntas. Me hacen leer más sobre lo que he escrito y eso me encanta, aunque no siempre tenga tiempo para ello.

          No pienses en la interacción entre la capa de grafeno y el cobre de la superficie como si fueran a formar un enlace covalente simple o sigma del tipo de que forman los tres carbonos vecinos en la estructura del grafeno, como ya te comentó Félix (¡Gracias! Somos una comunidad de divulgadores con mucha vidilla, ¡Da gusto!). Su interacción es más débil pero suficiente para que no “salga volando” la capa de grafeno. Con la de euros que cuesta todavía una capa de grafeno, nadie está como para dejarla sin agarrar y que se le escape volando a la primera brisa que sople al abrir la ventana del laboratorio jeje.

          Pero vamos a intentar entender lo que ocurre en términos de valencias y enlaces como lo planteas. Las configuraciones electrónicas del cobre (Cu) y carbono (C) son:

          Cu: 1s22s22p63s23p63d104s1
          C: 1s22s22p2

          Así que al cobre le falta 1 electrón en su orbital electrónico 4s y al carbono 4 electrones para llenar su capa 2p. Debido a la ausencia de estados vacíos en la capa 3d en el cobre, el carbono del grafeno sólo pueden formar enlaces débiles con el cobre a través de transferencia de electrones a estados 4s, que son diferentes de los enlaces covalentes simples o sigma formados entre dos átomos de carbono en la estructura del grafeno y también de los que pueden formar los átomos de carbono con otros metales, por ejemplo el niquel (con configuración electrónica 1s22s22p63s23p63d84s2 y al que faltan 2 electrones para llenar su orbital 3d).

          Una última cosa. Sobre lo de que es casi imposible ver el grafeno. En la foto de la capa de grafeno tapando un agujero que puse en mi entrada puedes ver como "se ve" con el ojo, sin ningún tipo de ayuda, grafeno con un sólo átomo de espesor. Yo ví esta foto por primera vez en un centro comercial de Braga y me gustó mucho. Y es que es justo de esta capacidad de ver y manipular los materiales átomo a átomo que surge la nanotecnología. En la que yo trabajo. Aunque yo no he tenido el gusto de ver nunca grafeno al microscopio electrónico o de fuerzas atómicas, si que he observado y manipulado nanopartículas de oro o magnéticas, de unos pocos nanómetros de diámetro, en varias ocasiones. Y aunque resulta impactante no es imposible desde luego. Te recomiendo uno de los enlaces de mi colega Iván García Cubero sobre la Física del Grafeno en el blog Wis Physics (http://www.wisphysics.es/2010/10/la-fisica-del-grafeno). La imagen del grafeno tomada con un microscopio electrónico de transmisión que el recoge y fue publicada en la revista Chemical Communications en 2009 (http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2009/CC/b911395a), es de lo más impactante e impresionante que he visto yo hasta día de hoy.

          Otra cosa. Ya hay tres plantas industriales en España produciendo grafeno. Una en Donostia (Graphenea), otra en la Rioja (Avanzare) y otra en Burgos (Grupo Antolín). Los nanomateriales ya no sólo los podemos encontrar en los laboratorios. Ya se está produciendo industrialmente (incluso en España). Y aunque no haya todavía muchos productos con nanomateriales en el mercado, cada día son más.

          Seguimos hablando.

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