Grafeno: ¿para qué sirve y cuál es su aplicación en el sector energético?

El grafeno es un material que, puesto en forma de panel, es 200 veces más resistente que el acero y un millón de veces más pequeño que un cabello y ha captado la atención mundial desde su descubrimiento en 2004, cuando Andrei Gejm y Konstantin Novosiol ganaron el Premio Nobel de Física por sus investigaciones pioneras. Pero, ¿qué es y para qué sirve el grafeno?

El grafeno es un material muy versátil y está considerado como un elemento revolucionario para las tecnologías del futuro, con aplicaciones que van desde la electrónica hasta la medicina. En el ámbito energético, el grafeno puede ser clave en el avance de la eficiencia del almacenamiento de energía.

En este artículo, exploramos para qué sirve el grafeno, los desafíos que enfrenta su implementación y su impacto en la salud humana y en el medioambiente.

¿Qué es el grafeno?: características y propiedades

El grafeno es un nanomaterial* compuesto por una capa de átomos de carbono obtenidos del grafito y dispuestos en una estructura hexagonal, similar a un panal de abejas. Tiene un espesor de un solo átomo, lo que lo convierte en un material bidimensional.

*Un nanomaterial es un material cuya estructura, componentes o partículas tienen al menos una de sus dimensiones en el rango de 1 a 100 nanómetros. Debido a su tamaño extremadamente pequeño, los nanomateriales pueden exhibir propiedades físicas, químicas y biológicas diferentes de las de los mismos materiales en dimensiones más grandes.

Este patrón hexagonal le proporciona unas características que no están presentes en otros materiales. ¿Cuáles son estas propiedades distintivas?

• Conductividad eléctrica y térmica. El grafeno es un excelente conductor de electricidad, incluso mejor que el cobre. Los electrones se desplazan a gran velocidad a través de su estructura, lo que lo convierte en un material prometedor para transistores de alta velocidad y dispositivos electrónicos avanzados. Además, su notable conductividad térmica lo hace idóneo para la gestión del calor en circuitos electrónicos, contribuyendo a mejorar la eficiencia y longevidad de estos sistemas.
• Resistencia. Aunque su estructura es muy delgada, el grafeno es uno de los materiales más resistentes conocidos, lo que le permite soportar enormes tensiones sin fracturarse. Esta combinación única de fuerza y ligereza ha generado un gran interés en la industria aeroespacial y automotriz, donde una de las prioridades es reducir el peso estructural sin comprometer la resistencia.
• Flexibilidad. Además de ser altamente resistente, el grafeno también tiene una flexibilidad destacable. Esto lo convierte en un material ideal para aplicaciones en las que se requiere doblar o estirar materiales sin que se rompan, como pantallas flexibles, dispositivos portátiles y textiles inteligentes.
• Transparencia. El grafeno es casi transparente, ya que solo absorbe el 2% de la luz. Esta propiedad lo convierte en un material excelente para aplicaciones que requieren tanto transparencia como alta conductividad eléctrica, como pantallas táctiles o paneles solares y otros dispositivos ópticos que requieren transparencia y alta conductividad eléctrica.

¿Para qué se sirve el grafeno?: aplicaciones actuales y futuras

Con sus propiedades únicas, el grafeno ha despertado el interés de diversas industrias. Lo encontramos en elementos cotidianos, como palas de pádel, teléfonos móviles, equipos de música, ordenadores y coches. Incluso se están realizando investigaciones para producir agua potable 

A continuación, te explicamos en detalle para qué sirve el grafeno y las aplicaciones del grafeno en el sector de la electrónica, la aeronáutica, la construcción, la biomedicina, además del sector energético.

Aplicaciones del grafeno en la electrónica

El grafeno, con sus propiedades excepcionales, permite explorar nuevas alternativas en el desarrollo de dispositivos avanzados:

• Aumento de la flexibilidad. El grafeno se usa para crear circuitos electrónicos ultraplanos, flexibles y más económicos que los tradicionales. 
• Mejora del rendimiento. Permite mejorar el rendimiento de dispositivos como microchips y transistores, haciéndolos más eficientes. Asimismo, se usa en sensores de proximidad, por ejemplo, para encender o apagar luces, y en pantallas táctiles.

Aplicaciones del grafeno en la aeronáutica

Las propiedades del grafeno abre nuevas posibilidades en el campo de la aeronáutica:

• Reducción de peso y aumento de la resistencia. Empresas como Airbus están investigando la aplicación del grafeno en estructuras de aeronaves para crear componentes más ligeros y resistentes e, incluso, mejorar las propiedades mecánicas.
• Aumento del rendimiento. Asimismo, el grafeno tiene aplicaciones interesantes en la gestión térmica para transferir fluidos sin partes mecánicas o mejorar la eficiencia de los sistemas de refrigeración.

Aplicaciones del grafeno en la construcción

El grafeno ofrece numerosos beneficios y aplicaciones prometedoras en el sector de la construcción:

• Mejora del aislamiento térmico. Proporciona un aislamiento mucho más fino que los materiales tradicionales, ahorra espacio y mejora la eficiencia energética.
• Aumento de la resistencia y la seguridad. Ofrece una mayor impermeabilidad y protección contra agentes externos que otros materiales.
• Mejora de la eficiencia energética. Existen pinturas con grafeno que contribuyen a la regulación térmica de los edificios, lo que puede ayudar a reducir las necesidades de climatización. Además, algunas de estas pinturas pueden absorber dióxido de carbono, favoreciendo una mejora en la calidad del aire. 

Aplicaciones del grafeno en la medicina

El grafeno también está generando un impacto positivo en el ámbito de la biomedicina: 

• Desarrollo de biosensores capaces de detectar enfermedades en etapas tempranas, lo que aumenta las posibilidades de un tratamiento exitoso. 
• Creación de membranas ligeras y duraderas para dispositivos electrónicos.
• Avance en la marcación de células cancerosas. Al inyectar una sustancia derivada de grafeno en estas células, se logra que emitan luz, facilitando la detección precisa de la forma y el tamaño del tumor. 
• Desarrollo de sistemas de administración de medicamentos más efectivos. La superficie del grafeno puede ajustarse para transportar y liberar diversos fármacos de forma controlada, dirigiéndose directamente a células específicas.

Aplicaciones del grafeno en la industria energética

La construcción de baterías recargables con grafeno podría generar un gran salto hacia la eficiencia energética, evitando el sobrecalentamiento de los dispositivos, por lo que serían más duraderos y ligeros. De hecho, Graphenano Nanotechnologies y el Instituto de Ciencia Molecular de la Universidad de Valencia han creado una batería con grafeno que incrementa la eficiencia energética en un 60%.

Sin embargo, no solo resulta útil en la fabricación de baterías recargables, sino que también podría contribuir a una mejor regulación térmica de las viviendas e industrias, consiguiendo un ahorro importante en la climatización de espacios.

Estas son algunas de las aplicaciones que tiene el grafeno en el sector energético:

• Incremento de la eficiencia de los paneles solares. El uso de grafeno ha logrado mejorar su eficiencia en menos de una década, acercándose a los paneles convencionales de silicio. Esto, a su vez, potencia la generación de energía solar.
• Aumento en la eficiencia de diversas fuentes de energía renovable, contribuyendo a una mayor producción energética.
• Mejora en la autonomía de los vehículos eléctricos y reducción de los tiempos de carga gracias a las baterías de grafeno.

• Aplicación en supercondensadores*, ofreciendo nuevas oportunidades para mejorar el almacenamiento de energía .

*Dispositivo de almacenamiento de energía por medios físicos con una alta capacidad y velocidad de carga y descarga.

Esta innovación promete convertirse en un avance significativo en el campo de las energías renovables, ya que tiene el potencial de generar mucha más energía en comparación con los métodos actuales.

Asimismo, la nanotecnología está siendo aplicada en el desarrollo de nuevos materiales para aerogeneradores, optimizando tanto su resistencia mecánica como su conductividad eléctrica, lo que mejora su eficiencia y durabilidad. 

Desafíos y limitaciones del grafeno: ¿cuáles son sus barreras actuales?

El grafeno se está aplicando en múltiples sectores, pero todavía existen algunos obstáculos que limitan su aplicación generalizada en la actualidad.

El grafeno puede obtenerse fácilmente a partir de materiales de carbono abundantes, como el grafito, mediante métodos como la exfoliación. Sin embargo, la producción de grafeno de alta calidad, esencial para aprovechar al máximo sus propiedades, implica procesos complejos y costosos, como la deposición química de vapor, un proceso que requiere mucho tiempo para producir cantidades de grafeno muy pequeñas.

Esto hace que la industria se enfrente a costes de fabricación y manipulación elevados, lo que conlleva otro problema: el aumento del precio de los productos fabricados con grafeno.

El futuro del grafeno: innovaciones que cambiarán el mundo

Aunque es un material que todavía está en fase de desarrollo, el grafeno tiene un enorme potencial para revolucionar sectores clave como la energía, la biomedicina, la tecnología y la construcción. Su capacidad para mejorar la eficiencia de las energías renovables y transformar el almacenamiento energético podría marcar un antes y un después en la transición hacia un modelo energético más sostenible.

Por ello, existe un amplio consenso entre la comunidad científica sobre la necesidad de profundizar más en el estudio de las propiedades y los usos del grafeno, sobre todo en lo que respecta a su seguridad. El objetivo de esta investigación en curso es optimizar su uso, considerando su impacto a largo plazo tanto en los seres humanos como en el medioambiente.

En este sentido, Grand View Research predice que el mercado mundial del grafeno se expandirá entre el año 2024 y 2030, alcanzando una tasa de crecimiento anual del 35,1% y un valor de 1.609 millones de dólares. 

Solo apostando por la innovación y el desarrollo continuo de alternativas competitivas estaremos un paso más cerca de construir un sistema energético más limpio, eficiente y accesible para todos. El grafeno, con su inmenso potencial para optimizar la eficiencia y sostenibilidad en sectores clave, representa una de las grandes promesas tecnológicas en esta transición hacia el modelo energético del futuro, caracterizado por las “4 D”: descarbonizado, descentralizado, digitalizado y democratizado. 

Únete a la innovación y sé parte del cambio que transformará el mundo tal y como lo conocemos. Apuesta por soluciones que nos acerquen a ese futuro sostenible, cada vez más próximo.