El grafeno posee un enorme potencial para ser aplicado en diversas aplicaciones debido a sus propiedades únicas. En particular, en el ámbito de las baterías, se está investigando su integración para mejorar tanto la eficiencia como la durabilidad. Los posibles beneficios del grafeno incluyen una mayor densidad de energía, permitiendo almacenar más energía en un espacio reducido, lo cual es una gran ventaja para dispositivos portátiles y vehículos eléctricos.
Su alta conductividad permite tiempos de carga más rápidos y una vida útil mayor al reducir la degradación. También podría reducir significativamente el peso total de la batería, lo que, en el caso de un vehículo eléctrico, se traduce en una mayor autonomía. Sin embargo, su producción a gran escala y de forma pura se enfrenta a desafíos técnicos y económicos que, por ahora, impiden su comercialización. La investigación continua en este campo es esencial para desbloquear todo el potencial del grafeno en las baterías y otras aplicaciones.
Un nuevo material a base de grafeno y oro
Un equipo de investigadores de la Universidad sueca de Linköping ha desarrollado un innovador material al que han denominado ‘goldeno’, ya que está compuesto al integrar átomos de oro en la estructura del grafeno, creando así finísimas hojas compuestas por una sola capa de átomos dorados. Esta arquitectura ha dado lugar también a una denominación formada por la unión del nombre de sus dos componentes en inglés: la fusión de las palabras ‘oro’ y ‘grafeno’.
La fabricación del goldeno se lleva a cabo mediante un sustrato tridimensional, donde los átomos de oro se intercalan entre capas de titanio y carbono. Curiosamente, el descubrimiento de sus aplicaciones fue un hallazgo fortuito, ya que originalmente se había concebido para otros usos.
Lo que hace al goldeno tan especial son sus excepcionales características, como su durabilidad, maleabilidad y capacidad de estiramiento, sumado a su ligereza y transparencia. Al convertir el oro en una estructura de un solo átomo de espesor, adquiere propiedades semiconductoras, abriendo un abanico de posibilidades para su uso en la generación de hidrógeno y en la síntesis de productos químicos valiosos.
¿Cómo se obtiene y para qué sirve?
La elaboración del goldeno es un proceso complejo que los investigadores suecos han publicado en la revista Nature. Se inicia con una cerámica conductora de electricidad conocida como carburo de titanio y silicio, dispuesto este en capas delgadas. Inicialmente, su intención era recubrir este material con oro para establecer un contacto eléctrico. Sin embargo, al exponer el componente a altas temperaturas, el oro reemplazó al silicio dentro del material base, en un fenómeno denominado 'intercalación'.
Se trata por lo tanto de un hallazgo en parte accidental, ya que el material base se había concebido originalmente para aplicaciones diferentes. Durante años, los investigadores tuvieron esta combinación de carburo de titanio y oro sin saber cómo separar el oro para obtener láminas de un solo átomo de grosor.
La novedad fundamental se produce cuando se diseña un método inspirado en la técnica de la forja japonesa, utilizando el reactivo de Murakami. Este reactivo se emplea tradicionalmente para eliminar impurezas del acero y cambiar su color. Ajustando las concentraciones y tiempos de exposición del reactivo, y realizando el grabado en la oscuridad para evitar la reacción del cianuro con la luz, se logró exfoliar el oro del carburo de titanio.
Para estabilizar las láminas de oro y evitar que se enrollen, se incorporó un tensioactivo, una molécula larga que separa y estabiliza las láminas. Este proceso culminó en la creación del goldeno, con propiedades extraordinarias que lo hacen idóneo para aplicaciones como la producción de hidrógeno y la fabricación de productos químicos de alto valor.
En comparación con otros materiales, el goldeno se distingue por su eficiencia. Tiene una excepcional conductividad eléctrica y térmica excepcional, superior a la del cobre y el aluminio y comparable con el grafeno. A pesar de su delgadez, es también resistente y flexible como el grafeno. Al ser un semiconductor, puede ser utilizado en la electrónica, similar al silicio, pero con la ventaja de ser más delgado y potencialmente más eficiente en dispositivos electrónicos.
Las propiedades del goldeno lo hacen idóneo para una amplia variedad de aplicaciones en tecnología y ciencia de materiales. Actualmente, la fabricación de láminas de goldeno alcanza los 200 milímetros, lo que ya posibilita su implementación en aplicaciones prácticas.
Su estructura bidimensional podría facilitar procesos de captura y almacenamiento de carbono (CO2) contribuyendo a la lucha contra el cambio climático.
Su estructura bidimensional podría permitir la eliminación selectiva de impurezas y contaminantes lo que podría aprovecharse para desarrollar sistemas de filtración y purificación de agua más efectivos y sostenibles.
Además, el goldeno muestra eficacia como catalizador, lo que permite una de sus aplicaciones más interesantes ya que podría impulsar la producción de hidrógeno verde, una fuente de energía limpia y renovable que precisa de una generación eficiente que es esencial para la transición hacia una economía más sostenible.
