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(noticias nanowerk) Desde su primer descubrimiento en 2004 en la Universidad de Manchester, el grafeno ha causado revuelo en la comunidad científica. Sus descubridores recibieron el Premio Nobel en 2010 por desarrollar la idea; luego se trataba de encontrar formas de implementarla y aplicarla. Roop Mahajan, profesor Lewis A. Hester de ingeniería mecánica en Virginia Tech con un nombramiento conjunto en ciencia e ingeniería de materiales, ha contribuido con un importante paso adelante en esta carrera.
Las tesis centrales
Investigación
El grafeno, a menudo denominado el “material milagroso”, tiene propiedades incomparables: es 200 veces más resistente que el acero, pero más liviano que el papel y tiene propiedades mecánicas únicas. A microescala, consta de redes de carbono hexagonales de sólo un átomo de espesor.
Debido a su combinación única de propiedades, el grafeno podría encontrarse en muchos lugares diferentes:
El equipo de Mahajan integró el grafeno en materiales y tecnologías existentes para aumentar su resistencia sin añadir mucha masa adicional y desarrolló un enfoque práctico para explotar las propiedades únicas del grafeno. El esfuerzo ha producido innumerables formas innovadoras de incorporar grafeno en productos cotidianos, liberando todo el potencial del material.
Sea más ecológico y rentable
Dado que el grafeno está hecho principalmente de carbono, los investigadores deben comenzar con un material que sea naturalmente rico en carbono. El grafito, el ingrediente principal de las minas de los lápices, es la opción más común porque su composición es carbono casi puro.
Debido a que el grafeno es una capa de material de un átomo de espesor, su producción requiere un esfuerzo de procesamiento significativo. La técnica más popular es una versión modificada de un enfoque conocido como Método de la Langosta y utiliza ácido sulfúrico, permanganato de potasio, nitrato de sodio y peróxido de hidrógeno en varias etapas. Tres de estos cuatro químicos se consideran peligrosos.
Pero el grupo de Mahajan ha ideado una forma más sostenible de extraer grafeno no del grafito sino del carbón, reduciendo drásticamente el número de productos químicos agresivos a uno solo: el ácido nítrico. Con menos sustancias químicas peligrosas y menos esfuerzo de eliminación, este enfoque reduce el impacto ambiental y el riesgo para los investigadores.
Reemplazar el grafito como principal fuente del material del futuro trae beneficios. La mayor parte del grafito proviene de China, lo que hace que la cadena de suministro sea algo incierta. Además, el grafito es un componente importante de las baterías y el fuerte aumento de la demanda mundial de baterías ha provocado una disminución significativa de esta oferta.
Aunque el carbón contiene una proporción menor de carbono (entre un 60 y un 80 por ciento en comparación con una composición de casi el 100 por ciento en el grafito), el método de producción menos peligroso del equipo promete un futuro mejor para el medio ambiente. Este cambio también podría abrir las puertas a una economía del carbón que está cayendo rápidamente en todo el mundo, en gran parte debido a su contribución al calentamiento global al quemar carbón.
Además de los beneficios medioambientales, también existen beneficios económicos. El método de Mahajan es más rentable que los métodos anteriores y crea una oferta de menor costo que podría estimular nuevas innovaciones en el mercado y respaldar la comercialización.
«Reducir el costo de producción del grafeno es fundamental para explotar plenamente sus propiedades excepcionales y acelerar su adopción generalizada en diversas aplicaciones, lo que podría estimular el desarrollo de nuevos mercados e industrias», dijo Mahajan.
Molinos, mármoles y ácido
En el proceso único de Mahajan, el viaje para sintetizar grafeno comienza triturando cuidadosamente trozos de carbón en bruto hasta obtener un polvo grueso. El polvo se vierte en un gran cilindro que contiene canicas blancas de diferentes tamaños y luego se enrolla. Las canicas muelen y trituran el polvo, reduciendo aún más su tamaño. Luego, el polvo molido con bolas se elimina químicamente de impurezas como sulfitos metálicos y cenizas.
Luego, el carbón molido y limpio se coloca en un baño de ácido nítrico, que convierte el carbón en óxido de grafeno. El ácido se drena y el carbono sin reaccionar se elimina, lo que produce polvo de óxido de grafeno, que luego se puede convertir en grafeno mediante tratamiento térmico. Esta es la sustancia que se ha mezclado con adhesivos, silicona, vidrio y metal para crear nuevos materiales compuestos para una amplia gama de aplicaciones.
El equipo de Mahajan demostró un rendimiento superior del carbón sobre el grafeno derivado del grafito. Este trabajo innovador ha dado lugar a un flujo constante de publicaciones, incluida una en la revista carbón (“Un método simple para convertir carbono en óxido de grafeno y su aplicación a un biosensor”). Este artículo detalla el novedoso proceso del equipo y demuestra la superioridad del grafeno derivado del carbono en el desarrollo de sensores altamente sensibles para la separación y detección de aptámeros de ADN monocatenario. Debido a su capacidad para unirse a moléculas objetivo específicas con alta afinidad y especificidad, estos sensores se utilizan ampliamente en diagnóstico, terapia, seguridad alimentaria y diversas industrias.
El equipo en India
Ampliar la comprensión tanto de un material novedoso como de un proceso novedoso requiere un equipo ampliado, y Mahajan sabía exactamente a quién acudir, gracias a su papel de liderazgo en la presencia de investigación global de Virginia Tech.
Mahajan es Director de Investigación e Innovación Estratégicas en VT India y tiene una línea directa para impulsar la innovación. Con sede en Chennai, India, este equipo de científicos desempeñó un papel central en el crecimiento de la empresa de grafeno.
Este trabajo dio lugar a un artículo reciente en Nanomateriales aplicados ACS (“Síntesis simplificada en un solo recipiente de óxido de grafeno de diferentes carbones y su aplicación potencial para mejorar el rendimiento mecánico de los nanocompuestos de GFRP”) con énfasis en el papel del óxido de grafeno como nanorelleno en la mejora del rendimiento mecánico de los polímeros reforzados con fibra de vidrio. Y el equipo está explorando activamente otras aplicaciones potenciales, incluidas
Si bien el desarrollo de nuevas tecnologías crea un entorno científico apasionante, Mahajan se centra en algo más que la innovación. Reducir los peligros ambientales y aumentar la producción del “material milagroso” tiene un impacto más profundo: una mejor calidad de vida para todos. Contribuyen a ello un uso más inteligente de la energía, materiales más fiables y numerosas opciones de atención sanitaria.
«Esta amplia gama de aplicaciones demuestra el notable potencial de las tecnologías de grafeno derivadas del carbón para remodelar industrias y mejorar vidas a escala global», dijo Mahajan.
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