Tecnologías emergentes de materiales avanzados

Compendio OCTI - septiembre de 2021

Compendio OCTI - septiembre de 2021Tecnologías emergentes de materiales avanzados

Observatorio Científico, Tecnológico y de Innovación – OCTIDisponible en: http://www.octi.cu

REDACCIÓNRosa Agnelys Hernández Rodríguez *Nelaida Calleja Chico *Imilka Martínez Barreras *Alina Rodríguez Trujillo *

* Centro de Información y Gestión Tecnológica Pinar del Río(IDICT - CIGET).

REVISIÓNRoelvis Ortiz NúñezYudayly Stable Rodríguez

DISEÑO EDITORIALPatricia Larrea Ortiz

© Instituto de Información Científica y Tecnológica – IDICTCalle 18A entre 41 y 47. Reparto Miramar, Municipio Playa.La Habana, Cuba. Teléfono: (07) 2031851

Está permitida la reproducción total o parcial de esta obra y su difusión telemática siempre y cuando sea para uso personal de los lectores y no con fines comerciales.

La Habana, septiembre de 2021

CONTENIDO

Introducción 5

1. Tecnologías emergentes 6

2. Materiales avanzados o nuevos materiales 72.1. Materiales funcionales 92.2. Nanomateriales 10

2.2.1. Grafeno y nanotubos de carbono 13

3. Aplicaciones de nanomateriales en sectores de interés 203.1. Salud 203.2. Energía 243.3. Medio Ambiente 263.4. Electrónica 273.5. Transporte 293.6. Alimentación 303.7. Construcción 30

Referencias 32

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Las innovaciones y tecnologías transforman los negocios, la economía, la sociedad y la vida en el planeta. Las nuevas tecnologías traen oportunidades y vulnerabilidades para los países más desarrollados y, al mismo tiempo, contribuyen a aumentar la brecha con los países en vías de desarrollo.

Las tecnologías emergentes se han convertido en un tema de discusión recurrente en el ámbito académico y productivo, tanto para grandes empresas como para pequeñas y medianas empresas (Pymes) lo que las lleva a un proceso de transformación digital. Esta inmersión de tecnologías emergentes en las organizaciones, justamente, busca mejorar la productividad de las mismas, brindando soluciones al convertir cantidades importantes de información en conocimiento útil para la toma de decisiones oportunas. Así mismo, las tecnologías ponen a disposición de las empresas nuevas y mejores formas de llevar acabo sus operaciones, permitiéndoles redefinir los negocios, para que los usuarios perciban nuevas formas de valor en los productos y servicios que se ofertan (Comisión Económica para América Latina y el Caribe, 2019).

Diversos estudios presentan listas de las tecnologías emergentes que se consideran relevantes dentro de las cuales se encuentran, por ejemplo, Internet Móvil, Nanotecnología, Genómica, Energías Renovables, Robótica Avanzada, Materiales Avanzados, Mapeo del Cerebro, Biotecnología, Almacenamiento Eficiente de Energía, Tecnologías de la Información y la Comunicación (TIC), Impresión 3D, Automatización del Trabajo del Conocimiento, Tecnología de la Nube, Vehículos Autónomos, entre otras.

Los materiales avanzados o nuevos materiales son considerados como productos de nuevas tecnologías fruto del desarrollo de la química y la física aplicada, de la ingeniería y de la ciencia de los materiales. Estos están siendo de gran importancia en las últimas décadas ya que ofrecen diversas funciones gracias a sus buenas propiedades, lo que permite desempeñar con notoriedad múltiples avances en varios campos, como es el caso de la tecnología, medicina, electrónica, óptica, entre otros.

Luego de un análisis de fuentes actualizadas se muestran los principales fundamentos científicos y aplicaciones de los Materiales Avanzados. El compendio se centra en el estudio de materiales funcionales y nanomateriales, dentro de estos últimos los nanotubos de carbono y grafeno.

Introducción

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El tiempo es una de las dimensiones básicas de análisis cuando se estudian las tecnologías y su impacto en cualquier ámbito, sea la sociedad, la educación, el mercado laboral o cualquier otro. Un análisis abordado desde un eje temporal permite comprender que las tecnologías están en un proceso continuo de cambio, lo cual impone a su vez un ritmo vertiginoso de cambio en todos los espacios de la vida y la cotidianidad. Y es precisamente el tiempo la dimensión clave que hace posible entender qué son las tecnologías avanzadas. Tecnologías para las cuales se usan indistintamente conceptos como los de tecnologías digitales, tecnologías de la información y la comunicación, nuevas tecnologías, tecnologías emergentes o tecnologías avanzadas, lo que permite poner el foco de atención en los desarrollos tecnológicos más recientes, las tecnologías más punteras e incluso aquellas sobre las cuales aún no existe una comprensión de sus posibles aplicaciones prácticas y reales (Espinosa, & Cartagena, 2021).

Según Navas, Londoño, Ruiz & Ruiz (2012), la literatura concuerda en que las tecnologías emergentes se caracterizan por ser de aceptación incierta y arriesgada, carecer de datos históricos para su estudio, ser impredecibles en su comportamiento, sus aplicaciones son desconocidas y no probadas y, por todo lo anterior, se convierten en tecnologías muy difíciles de gestionar.

En el 2015, algunos investigadores del Centro de Mack de la Escuela Wharton en la Universidad de Pensilvania, definen una tecnología emergente como una ciencia basada en la innovación con el potencial de crear una nueva industria o transformar una industria existente. Algunas áreas de la innovación tecnológica como la “nanotecnología” o “genómica” tienen el potencial de afectar a prácticamente todas las industrias, de alguna manera (The Wharton School & University of Pennsylvania, 2015).

Otros autores consideran que son aquellas que se encuentran en la etapa inicial de su

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1.Tecnologías emergentes

Figura 1. Tecnologías emergentes. / Tomado de BlogPosgrado PUCP

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ciclo de vida, por lo cual tienen características particulares con respecto a las demás tecnologías (en crecimiento, maduras o en declive). Al respecto, como su nombre lo indica, las tecnologías emergentes se encuentran en la etapa embrionaria o emergente de su ciclo de vida (Enciso & Hernández, 2016).

Según Enciso & Hernández (2016) otra característica importante de las Tecnologías Emergentes es que pueden ser consideradas como tal según el contexto. Algunas ya no lo son en los países desarrollados, pero aún se considera emergentes en los países en vías de desarrollo donde las infraestructuras son poco robustas para dar soporte a esta.

Actualmente es difícil concebir el desarrollo de una tecnología emergente aislada de otras tecnologías. Otra característica interesante de las tecnologías emergentes es que, al converger con otras tecnologías, tienen la potencialidad de transformar sectores o industrias ya existentes, así como de crear nuevas industrias o mercados (Amaro & Robles, 2020).

Acorde con el Foro Económico Mundial, el ritmo sin precedentes del cambio tecnológico significa que nuestros sistemas de salud, transporte, comunicación, producción, distribución, y energía —solo para nombrar unos pocos— se transformarán completamente, debido a las tecnologías emergentes que impulsarán la cuarta revolución industrial (Solis, 2019).

Para que las nuevas tecnologías avancen hacia el uso común, se requiere del uso del diseño como un puente entre lo tecnológico y lo físico. El World Economic Forum, con fundamento en diversos estudios, enlista diversas tecnologías emergentes que sugieren la evolución de la industria hacia una nueva etapa, similar a la Revolución Industrial, las mismas que ya son campo fértil para la aplicación del diseño en la práctica para volver tangible lo intangible, estas tecnologías son: la Inteligencia Artificial y la Robótica, la Realidad Virtual y la Realidad Aumentada, Impresión 3D, el Internet de las Cosas, Blockchain, Drones, Biotecnología y Materiales Avanzados (Solis, 2019).

Históricamente la evolución y desarrollo del hombre ha estado ligada a los materiales, desde la elaboración de herramientas para cazar, para labrar la tierra, para defenderse y para hacer la guerra, tal es la importancia de los materiales utilizados en las diferentes etapas, que se les ha designado con su nombre (Morán et al., 2020).

Es así como la sociedad humana atravesó las edades de piedra, del bronce y del hierro, hasta llegar a una era marcada por el uso del silicio y materiales como los compuestos, los inteligentes y los nanoestructurados (Dávila et al., 2011; Nuez, 2020).

La utilización del término “nuevos materiales” surge en 1980. En esta década, varios artículos científicos y organizaciones científicas comenzaron a usar la frase “nuevos materiales”.

De igual forma, varias publicaciones de renombre empezaron a usar los términos en inglés “new materials” o “advanced materials”. Por este motivo en Ecuador y en América Latina se empezó a utilizar la traducción literal “nuevos materiales” o “materiales avanzados” (Dávila et al., 2011).

La disponibilidad de nuevos materiales y procesos de fabricación ha contribuido significativamente durante todas las etapas de desarrollo de la humanidad, llegando a convertirse en motor de la innovación (Nuez, 2020). Los avances en ciencia y tecnología de materiales han marcado el ritmo del progreso en las diferentes épocas de la humanidad. En la actualidad, su influencia es espectacular. En casi todos los ámbitos de la vida, la investigación y el desarrollo de materiales son la base de productos y tecnologías innovadoras que

.2Materiales avanzados o nuevos materiales

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nos facilitan la vida y con los que podemos hacer que nuestra sociedad sea más segura y sostenible (Kuhn, 2020).

La utilización de nuevos materiales ha permitido grandes avances en todos los sectores. La industria automotriz (autopartes), la aeroespacial y aeronáutica, la construcción, la industria petrolera, la química, la medicina y biomedicina, los productos de consumo, entre otros, se han visto beneficiados con su uso.

Con el reconocimiento de la utilidad y la necesidad de obtener nuevos materiales, se concibieron nuevos procesos de fabricación, nuevas técnicas de caracterización y nuevas disciplinas científicas, permitiendo que hoy se disponga de materiales con propiedades significativamente superiores a los tradicionales.

El desarrollo científico y tecnológico ha promovido y a la vez se ha beneficiado grandemente del continuo avance de lo que hoy se conoce como la ciencia e ingeniería de materiales. La conceptualización del uso de los materiales ha pasado de un procesamiento básico de materias primas disponibles en la naturaleza hacia la formulación de materiales con propiedades a la medida, que se obtienen y caracterizan con la ayuda de tecnologías muy sofisticadas (Dávila et al., 2011). (Figura 2)

Por lo tanto, penetrar en el mundo de los nuevos materiales es abrir un nuevo espectro de posibilidades, ya que la sociedad y las tecnologías evolucionan de forma conjunta y sinérgica.

Los materiales avanzados o inteligentes poseen ciertas propiedades que pueden ser modificados de manera controlada y reversible por agentes externos como campos eléctricos, temperatura, campos magnéticos, entre otros. Dichos materiales tienen aplicaciones diversas que pueden incluso permitir la creación de nanotecnología (Parajó et al., 2020).

Existen varias formas de clasificar cualquier tipo de material y por lo tanto también lo hay en el caso de los nuevos materiales. Una de las clasificaciones más comunes es la siguiente, atendiendo a sus propiedades y usos:• Materiales estructurales.• Materiales funcionales.• Nanomateriales.

En este compendio se particularizará en torno a los materiales funcionales y nanomateriales, abordando sus características, funcionalidades y aplicaciones.

Figura 2. Desarrollo de nuevos materiales. / Tomado de Pexels (This Is Engineering)

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2.1 Materiales funcionalesLa ciencia e ingeniería de los materiales abarcan no solamente a los materiales tradicionales estructurales sino también a los materiales funcionales. Esta joven disciplina es indispensable para potenciar la capacidad industrial, la innovación tecnológica y mejorar la calidad de nuestras vidas. Nuevos y mejores materiales son una tecnología que puede estimular la innovación (Morán et al., 2020).

Los nuevos materiales, y en general, cualquier tipo de material, puede utilizarse principalmente en dos tipos de aplicaciones: estructurales y funcionales. Los materiales estructurales se utilizan en aplicaciones que requieren ciertas propiedades mecánicas específicas. Por otra parte, un material funcional tiene el objetivo de satisfacer una función o propiedad en particular, ya sea electrónica, magnética, nuclear, óptica, etc. Debido a su naturaleza los materiales funcionales están siempre presentes en el desarrollo de nuevas aplicaciones e invenciones (Dávila et al., 2011).

Los materiales funcionales destacan sus propiedades eléctricas, magnéticas, acústicas, ópticas, biológico-químicas o específicamente mecánicas, que pueden ser alteradas con el fin concreto de modificar sus propiedades macroscópicas. Se trata de materiales inteligentes cuando estos cambios son posibles en el material ya elaborado. Hoy en día, existe una abundancia tan grande de materiales polifacéticos que a veces resulta difícil mantener la visión de conjunto (Kuhn, 2020).

Los materiales funcionales son aquellos empleados no por sus propiedades mecánicas, puesto que no son las mejores, sino por sus propiedades ópticas, magnéticas, eléctricas, químicas, etc. (Figura 3).

Pueden dividirse en:

- Biomateriales: Son aquellos materiales, la mayoría de ellos estructurales (cerámicas, metales, vítreos) que pueden colocarse en el cuerpo sin que sean rechazados por este. Se usan mucho en Medicina, para implantes, prótesis, tejidos blandos.

- Materiales fosforescentes: Son aquellos materiales que, al incidir un haz de electrones sobre ellos, son capaces de emitir luz, mostrando imágenes de distintos colores en función de sus características. Son por ejemplo el Óxido de itrio (Y2O3), o el Metasilicato de cinc (Zn2SiO4).

- Cristales líquidos: empleados en la industria telefónica y de dispositivos similares para hacer pantallas planas y transparentes, ya que son materiales que pueden estructurarse formando láminas finas que conducen la corriente y son de bajo peso específico. Podemos distinguir óxido de estaño dopado con indio o grafeno, el más importante.

- Imanes potentes: Aleaciones de neodimio-hierro-boro; o bien los de samario-cobalto, muy útiles por sus propiedades magnéticas, lo que permite crear imanes permanentesmuy potentes.

Figura 3. Fabricación de materiales avanzados: molde conductor de grafito. / Tomado de SINC (Clarisa Guerra)

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La nanotecnología permite controlar y modificar la materia y los sistemas a escala nanométrica (Figura 4) con el objetivo de cambiar significativamente sus características respecto de las observadas a escala macroscópica (Ojeda et al., 2019).

Según la Organización Internacional de Estandarización (ISO), las dimensiones a nanoescala se definen en rango de 1 a 100 nm aproximadamente, siendo el tamaño el parámetro clave para identificar un nanomaterial. El prefijo “nano” es de origen griego y significa diminuto, enano, pequeño y se utiliza en el sistema internacional de unidades para indicar un factor de 10-9 (1nm = 1.10-9m) (ISO/TS 80004-2, 2015).

Las primeras definiciones acerca del término de nanomaterial aparecieron en la nueva regulación para productos cosméticos en la Unión Europea en el año 2009. A partir de esta definición diversos organismos internacionales han propuesto definiciones de nanomateriales.

La ISO los define como un material que tiene alguna dimensión externa a escala nano (nanobjeto) o que tiene una estructura interna o superficial en nanoescala (material

nanoestructurado) (ISO/TS 80004-2, 2015). La Comisión Europea recomienda considerar un nanomaterial como aquel material natural, incidental o manufacturado que tiene 50% o más de partículas con tamaño en el orden de 1 a 100 nm.

Los nanomateriales difieren en sus propiedades físicas, químicas o biológicas de las sustancias a escala normal. Estos cambios se deben a su tamaño pequeño combinado con la energía superficial, dada la cantidad de átomos en la superficie externa del material y la cantidad reducida en el interior. Por otra parte, los electrones del material se distribuyen en distintos niveles energéticos generando una estructura electrónica diferente a la original, apareciendo fenómenos cuánticos que modifican las propiedades eléctricas, ópticas y magnéticas del sistema (Ojeda et al., 2019).

Las aplicaciones de estos nanomateriales son indispensables en diferentes campos como la industria textil, farmacéutica, alimenticia, armamentística, robótica, informática, electrónica, mecánica y en la medicina, por mencionar algunos (Thiruvengadam et al., 2018).

2.2 NanomaterialesFigura 4. Comparación de escalas biológicas y tecnológicas. Escala nanométrica. / Tomado de Wikipedia

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CLASIFICACIÓN DE LOS NANOMATERIALESLa literatura presenta diferentes clasificaciones para los nanomateriales. Estos se pueden clasificar teniendo en cuenta su origen, de acuerdo a sus dimensiones, a su composición química, a su utilidad en los alimentos, entre otras.

Clasificación según su origen (Ruiz, 2015).

- Nanocompuestos de origen natural:Algunos son de origen biológico, como por ejemplo muchos virus y bacterias, y otros de origen mineral o medioambiental como los que contiene el polvo de arena del desierto o las nieblas y humos derivados de la actividad volcánica o de fuegos forestales.

- Nanomateriales generados por la actividad humana:Estos pueden ser clasificados a su vez en nanomateriales generados de forma voluntaria o involuntaria.

Nanomateriales generados de forma involuntaria: En este grupo se incluyen todas aquellas nanopartículas producidas “no deseadas” resultado de la actividad humana. Se producen en su mayoría en

procesos industriales tales como pirolisis a la llama del negro de carbono, producción de materiales a gran escala por procedimiento a altas temperaturas (como el humo de sílice, partículas ultrafinas de óxido de titanio y otros metales ultrafinos), procesos de combustión (diesel, carbón), obtención de pigmentos o en procesos domésticos.

Nanomateriales generados de forma voluntaria (nanomateriales manufacturados): Estos son los producidos mediante nanotecnologías, es decir, son productos resultantes de procesos orientados a su obtención. A grandes rasgos, la síntesis de nanopartículas es realizada mediante dos tipos de metodologías de obtención que se describen a continuación (Figura 5): • Método descendente o “top-down”.

Aquellos en los que se va reduciendo el tamaño de las partículas a partir del procesamiento de una partícula “padre” de tamaño no nanométrico, hasta alcanzar la nanoescala.

• Método ascendente o “bottom-up”. Aquellos en los que las nanopartículas se obtienen de la combinación de átomos o moléculas.

Figura 5. Técnicas de síntesis de nanomateriales basados en carbono. / Tomado de Revista Repertorio de Medicina y Cirugía

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Clasificación de los nanomateriales utilizados en alimentos

Los nanomateriales utilizados en alimentos se clasifican en tres grupos diferentes (Ojeda et al., 2019):

- Nanomateriales orgánicos:Lípidos, proteínas y polisacáridos, utilizados para encapsular vitaminas, antioxidantes, colorantes, saborizantes y preservadores, formando micelas, liposomas o nanoesferas, etc. Tienen la ventaja de permitir mayor ingestión, absorción, biodisponibilidad y estabilidad en el organismo.

- Nanomateriales combinados orgánico / inorgánico:Son los llamados funcionalizados desuperficie, son agregados a una matriz por

funcionalidad específica (antimicrobianos, antioxidantes, reguladores de permeabilidad y rigidez).

- Nanomateriales inorgánicos:Son metales y óxido de metales, nanopartículas de Ag, Fe, Se, TiO2, utilizados como aditivos, suplementos alimentarios o en el envasado.

Clasificación de los nanomateriales atendiendo a sus dimensiones

En función del número de dimensiones que, en la estructura considerada, tengan carácter nanométrico, los nano-objetos se pueden clasificar en nanomateriales 0D, 1D y 2D (Figura 6). Así mismo, también se definen los materiales nanoestructurados (Amaya & Quiroga, 2019; Gómez, 2018).

Figura 6. Clasificación de los nanomateriales de acuerdo con sus dimensiones. / Tomado de Dialnet

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Clasificación de los nanomateriales de acuerdo a su composición química

Otra clasificación de nanomateriales se realiza atendiendo a su composición química (Figura 7), entre los que se encuentran: Au: oro; Ag: plata; SiO2, dióxido de silicio; TiO2, dióxido de titanio; SnO2, dióxido de estaño; CdSe, selenurio de cadmio (Jiménez & Chirino, 2018).

Cuando se habla de nanomateriales se incluyen los materiales nanoestructurados, nanoporosos nanopartículas, nanopolvos, nanofibras, fullerenos, nanotubos de carbonos, nanohilos, dendrímeros, electrónica nuclear, puntos cuánticos y láminas delgadas. Su importancia radica en su tamaño, situado entre la escala macroscópica y la escala atómica, y en las propiedades nuevas que superan a otras ya existentes. Además de ser disruptivos, dando lugar a tecnologías que sustituyen otras ya existentes con menores costos de materias primas y de producción.

Los nanomateriales pueden tener varias formas y estructuras, como esféricas, en forma de aguja, tubos, plaquetas, etc. En condiciones ambientales las nanopartículas tienden a unirse y formar aglomerados. Estos aglomerados tienen varias formas, desde estructura dendrítica hasta cadenas o estructuras esféricas con tamaños normalmente en el rango de los micrómetros. Entre los ejemplos más destacados de nanomateriales se tienen los fullerenos, grafeno, nanotubos de carbono, nanofibras, esferas de carbono, etc (Torres & Madaí, 2020).

• GrafenoAunque el grafeno ha sido objeto de estudio durante varias décadas, se había considerado como un material teórico que se presuponía imposible de encontrar en estado libre en la naturaleza (Ghany et al., 2017).

2.2.1 Grafeno y nanotubos de carbono

Figura 7. Clasificación de los nanomateriales de acuerdo a su composición química. / Tomado de SCIelo.org

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El grafeno está constituido por carbono en su forma más pura (Sorroza et al., 2018). Es una lámina de átomos de carbono sp2 hibridados de un solo átomo (Artero, 2020). Se trata de un material singular debido a sus numerosas aplicaciones en todos los campos en que se desenvuelve el hombre. Presenta una enorme capacidad para establecer redes complejas con otros elementos, convirtiéndose en soporte para la química orgánica y la existencia de vida en el planeta (Sorroza et al., 2018).

No fue hasta 2004 cuando los físicos Andre Geim y Konstantin Novoselov, en una investigación llevada a cabo en la Universidad de Manchester, consiguieron desarrollar un sencillo método de aislamiento del grafeno a partir del grafito (Figura 8) y por ello fueron merecedores del Nobel de Física en 2010 (Lee et al., 2016).

Figura 8. Andre Geim y Konstantin Novoselov ./ Tomado de NobelPrize.org

Figura 9. Representación de la lámina de grafeno y los materiales carbonáceos derivados de este.

/ Tomado de Graphenano

Puede producirse a partir de 4 métodos diferentes, por deposición química de vapor, crecimiento epitaxial de grafeno, exfoliación mecánica de grafeno a partir de grafito a granel y reducción de derivados del grafeno como el óxido de grafeno. El último método muestra el potencial para la producción de láminas de grafeno en las cantidades a granel que son necesarias para la aplicación a los compuestos (Artero, 2020).

El grafeno es el precursor de muchas otras formas de carbono, es la unidad elemental básica en 2D para construir todos los materiales grafíticos de las demás dimensiones. Por ejemplo, si las capas de átomos de carbono las envolvemos a modo de forro de un balón, arqueadas en estructuras de cero dimensiones (0D), obtenemos fullerenos; si las enrollamos cilíndricamente en estructuras 1D, darán lugar a los nanotubos; finalmente, si superponemos más de 10 capas tridimensionalmente (3D), obtendremos el grafito (Figura 9) (Grupo Graphenano, 2017).

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El grafeno, siendo una alotropía del carbono, supone hoy en día uno de los grandes avances de la nanotecnología. Dicho componente estructural del grafito posee propiedades que lo han transformado en un material con un elevado potencial de cara al futuro. Entre las excelentes propiedades de este nanomaterial bidimensional se encuentran sus propiedades térmicas, eléctricas, de fuerza, de elasticidad, toxicidad, entre otras (Rol, 2020).

Tanto el alótropo puro, como su forma oxidada, son materiales de bajo coste, resistentes y de una elevada flexibilidad. Estas propiedades (Figura 10), junto con su fácil proceso de aislamiento y síntesis, los convierten en materiales versátiles y con potenciales aplicaciones en ámbitos muy diversos como la electrónica o la medicina (Rol, 2020).

Su gran potencial tecnológico ya se ha demostrado en pantallas táctiles, condensadores, dispositivos espintrónicos, pilas de combustible, baterías, sensores, películas conductoras transparentes, circuitos de alta frecuencia, en la eliminación de material tóxico, electrónica molecular, almacenamiento y conversión de energía, así como electrónica flexible. Industrias como la automotriz, tintas conductoras, entre otras, ya producen grafeno en el orden de miles de toneladas por año (Urcuyo et al., 2021).

El elevado número de propiedades del grafeno, o de forma más general de los materiales basados en grafeno o derivados de este, hacen que su espectro de aplicaciones sea muy amplio, prácticamente ilimitado, casi supeditados a las barreras de la imaginación humana.

Figura 10. Propiedades del grafeno. / Tomado de Nobbot

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Para poder hacernos una idea de en cuántos campos distintos puede aplicarse el grafeno, basta con echar un vistazo a nuestro alrededor. Ordenadores, coches, teléfonos móviles y equipos de música son, por mencionar sólo algunos de ellos, cosas que encontramos frecuentemente en nuestra vida cotidiana en las que el grafeno se podría llegar a aplicar.

Por sus propiedades, el grafeno puede servir como material en la fabricación de aviones, satélites espaciales o automóviles, haciéndolos más seguros. También en la construcción de edificios, pues los convertiría en más resistentes.

Pero, sobre todo, destacan sus aplicaciones (Figura 11) en el campo de la electrónica, donde a través de su capacidad para almacenar energía puede dotar a las baterías de una mayor duración y un menor tiempo de carga, establecer conexiones más rápidas e incluso contribuir a mejorar el medio ambiente

sustituyendo a materiales contaminantes que hoy en día nos vemos obligados a utilizar.

El grafeno es capaz de generar electricidad a través de la energía solar, lo que le convierte en un material muy prometedor en el campo de las energías limpias. Si se construyeran con grafeno las placas solares, podrían generar varias veces más energía por hora quelas actuales.

No hay que olvidar su relevancia en el ámbito de la salud. Su futuro en terrenos como la medicina se presenta realmente prometedor. Las investigaciones han demostrado que, al ser funcionalizado, puede ser usado para transportar fármacos, contribuir para la secuenciación de ADN, utilizarse como biosensores, servir para la creación de prótesis, e incluso se podría aplicar para mejorar el tratamiento de algunas enfermedades y para rastrear el entorno celular para la regeneración de tejidos (Grupo Graphenano, 2017).

Figura 11 (a). Principales aplicaciones del grafeno. Esferas Digital y Electrónica. / Tomado de Nobbot

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17Figura 11 (b). Principales aplicaciones del grafeno. Esferas Salud, Seguridad, Medio ambiente y otras. / Tomado de Nobbot

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• Nanotubos de carbonoLos nanotubos de carbono son una lámina de grafito de un átomo de espesor (llamada grafeno) enrollada en un cilindro, con un diámetro del orden nanométrico (Torres & Madaí, 2020). Se han reportado varios tipos de nanotubos compuestos de diferentes materiales, por ejemplo, el silicio o nitruro de Boro, pero generalmente el término se aplica a nanotubos de carbono (CNTs, por sus siglas en inglés, Carbon Nanotubes). Son una forma alotrópica del carbono; su estructura puede considerarse como una lámina de grafito enrollada sobre sí misma (Piña & Enrique, 2020).

Están constituidos por redes hexagonales de carbono curvadas y cerradas, formando tubos de carbono nanométricos con una serie de propiedades físicas de gran valor que fundamentan el interés que han despertado en numerosas aplicaciones tecnológicas. Son sistemas ligeros, huecos y porosos que tienen alta resistencia mecánica, y, por tanto, interesantes para el reforzamiento estructural de materiales y formación de composites de bajo peso, alta resistencia a la tracción y enorme elasticidad (Ruiz, 2015).

Los nanotubos de carbono pueden exhibir una variedad de formas, como recta, curva y helicoidal, debido a la existencia de los

anillos de carbono hexagonal, pentagonal y heptagonal como resultado de su hibridación sp2 y sp3. A su vez los nanotubos de carbono helicoidales se pueden dividir en diversas categorías basadas en la naturaleza helicoidal del material: hélice simple, doble o triple, de trenza, de espiral, de bobina, de resorte, etc. Los principales métodos de síntesis son: ablación láser, descarga por arco eléctrico y deposición química en fase vapor (Torres & Madaí, 2020).

Dependiendo de la forma en que estos nanotubos están enrollados y la manera en cómo se conforma la lámina original, el resultado puede llevar a nanotubos de distinto diámetro y geometría interna (Piña & Enrique, 2020).

En función de las capas que tienen de grafito, con lo que están formados, pueden ser nanotubos de carbono de pared sencilla, que forman un cilindro hueco que resulta al enrollarse una lámina de átomos de carbono (grafeno) sobre sí misma y nanotubos de carbono de pared múltiple que consiste en capas de láminas de grafito enrolladas concéntricamente con un espacio entre ellas de 0.36nm, con un diámetro externo de 10 a 50 nm (Ruiz, 2015) (Figura 12).

Figura 12. Tipos de nanotubos de carbono. / Tomado de Wikipedia.

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Propiedades de los nanotubos de carbono

Al ser estructuras “derivadas” de grafeno presentan propiedades muy interesantes, por ejemplo, electrónicas: son buenos conductores pues cada átomo de carbono tiene un electrón deslocalizado, esta propiedad puede verse alterada debido a impurezas y/o distorsiones en su estructura y según sea esta, pueden ser conductores o semiconductores, e incluso mostrar su conductividad en varias dimensiones. Además, se trata de un material muy ligero, pero seis veces más resistente que el acero, esto es debido a la hibridación de sus átomos. Se ha demostrado teóricamente que muchas de sus propiedades dependen directamente de su diámetro y de su estructura. En cuanto a sus propiedades térmicas, como su conductividad calorífica, puede llegar a alcanzar valores de 6000 W/mK, es decir más del doble del valor del diamante, o 15 veces superior a valores del cobre o la plata (Liébana, 2020).

Sus excepcionales propiedades mecánicas, eléctricas y térmicas, su elevada relación de aspecto, baja densidad y gran flexibilidad, hacen de los nanotubos de carbono un material muy atractivo en diferentes campos de aplicación. Los CNT se usan en una gran variedad de aplicaciones como baterías recargables, sensores, piezas de automóviles y barcos (Figura 13). La alineación y ordenación de los CNT es un tema que despierta un gran interés ya que las propiedades mecánicas, térmicas, y eléctricas de estas macro estructuras de CNT son muy inferiores a las de los CNT individuales. La introducción de los nanotubos de carbono en matrices poliméricas para mejorar los proequipamientos deportivos, filtros de agua, etc. (Bernal et al., 2019).

Figura 13. Algunas aplicaciones de los nanotubos de carbono. / Tomado de DIGITAL.CSIC

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Un sector tan sensible como la salud se ha visto beneficiado por el desarrollo de las tecnologías y materiales avanzados. Muchos son los ejemplos que lo demuestran.

Hoy el mundo entero se encuentra buscando respuestas y rápidas soluciones a una pandemia que avanza sin regirse por tiempos ni números. Todo lo que se ha investigado en cuanto a tecnologías y buenas prácticas necesita reinventarse, en medio de este contexto los materiales avanzados, dentro de ellos los que son basado en grafeno, cumplen roles significativos y son vías para dar soluciones a problemas puntuales.

Un ejemplo de ello es su presencia en la construcción de dispositivos de diagnóstico temprano y eficiente para la detección del

SARS-CoV-2, así como para contener el brote. Estudios recientes se han dedicado a la creación de estos sensores, entre los cuales está el biosensor reportado por Seo et al. (2020), basado en Transistor de efecto de campo (field-effect transistor - FET) para detectar una de las proteínas del SARS-CoV-2, cuyo anticuerpo se puede anclar a un electrodo de grafeno mediante el éster ácido 1-pirenobutírico N-hidroxisuccinimida (PBASE).

El rendimiento del sensor se determinó utilizando proteínas antigénicas, virus cultivados y muestras de torunda nasofaríngea de pacientes con Covid-19 (Figura 15). Se concluyó que el dispositivo es un método de diagnóstico inmunológico altamente sensible para Covid-19 que no requiere pretratamiento ni etiquetado de la muestra. Por lo tanto, proporciona una respuesta simple, rápida y

3.1 Salud3.Aplicaciones de nanomateriales en sectores de interés

Figura 14. Placa con chips hechos de grafeno, para uso en neurociencias. / Tomado de YouTube.

Figura 15. Diagrama del procedimiento de operación del sensor FET Covid-19. / Tomado de MDPI.

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altamente receptiva en la detección del virus SARS-CoV-2 en muestras clínicas. Este tipo de resultados confirma la versatilidad y valía del grafeno.

Siguen siendo significativos los avances en aras de frenar la pandemia y por tanto todo lo que refiere al uso y mejora de dispositivos de seguridad. Una nueva técnica para la creación de nanofibras ayuda a la producción en masa segura y rentable de nanofibras poliméricas de alto rendimiento, dicha técnica de producción conocida como “centrifugado múltiple” ha demostrado una tasa de producción de nanofibras por hora hasta 300 veces mayor que la del método convencional de electrohilado, teniendo aplicaciones potenciales, incluido el desarrollo de filtros de mascarilla para la protección contra el coronavirus.

La avanzada técnica viene de la mano de investigadores de KAIST (Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea), quienes han mostrado que las nanofibras son buenos filtros para mascarillas debido a que sus interacciones mecánicas con las partículas de aerosol le dan mayor capacidad para capturar más del 90% de las partículas nocivas, como el polvo fino y las gotas que contienen virus.

Una pandemia como la de Covid-19 ha acelerado la demanda en los últimos años de un mejor tipo de mascarilla facial. El filtro de máscara a base de nanofibras de polímero (Figura 16), que puede bloquear de manera

más efectiva las partículas dañinas, también ha tenido una mayor demanda a medida que continúa la pandemia (Kwak et al., 2021).

Otra de las áreas donde los nanomateriales han revolucionado la salud es en su cuidado al generar herramientas para diagnosticar y tratar las enfermedades desde dentro del cuerpo, a nivel celular o molecular. Para realizar diagnósticos tempranos, en ramas como la imagenología se implementaron nanodispositivos utilizados como agentes de contraste y tintes fluorescentes, debido a sus características químicas y físicas, las mismas les confieren mejor dispersión óptica, buena biocompatibilidad y la capacidad de unirse a diferentes ligandos, lo cual los convierte en dispositivos con múltiples funciones pues se unen a las células blanco, generan la imagen para el diagnóstico y transportan medicamentos, permitiendo un tratamiento específico y eficiente.

Es importante señalar que, aunque se ha logrado un notable progreso en el uso de nanopartículas para imágenes de superresolución y seguimiento de una sola molécula, existen limitaciones importantes, como son el tamaño relativamente grande de las nanopartículas y su complejidad química de superficie, características que dan lugar a dificultades en la administración intracelular dirigida y en el marcaje específico de dianas subcelulares (Gómez, 2019).

Figura 16. Mascarilla de grafeno contra el coronavirus. / Tomado de Agencia SINC

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22Figura 17. Aplicación de nanomateriales de interés biomédico. / Tomado de ResearchGate

Es muy variada la aplicación de los nanomateriales en el sector biomédico. La diversidad de nano–fármacos disponibles favorece que puedan tener aplicaciones diversas en su vía de administración, por ejemplo: NTC= Nanotubos de carbono, son comúnmente usados en la entrega dirigida de fármacos por inhalación; VLPS= Partículas Tipo Virus (por sus siglas en inglés Virus Like Particles) para la transportación de genes y

encimas en vacunas; QDS= Puntos cuánticos (por sus siglas en inglés quantum dots) usados en la imagenología, un ejemplo son los de núcleo de Cadmio Telurio (CdTe) dopado con sulfuro de Zinc (ZnS); FeONPs= nanopartículas de óxido de hierro, para su uso efectivo en protectores solares; AuNPs= nanopartículas de oro; AgNPs= nanopartículas de plata, usado en la entrega dirigida de fármacos vía oral (Figura 17).

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Continuando con los avances más significativos de los nanomateriales, se encuentra el uso de los mismos en las diferentes ramas de la medicina, este es el caso de la oftalmología, donde su uso se hace patente en los implantes de retina (Figura 18), pueden servir como prótesis ópticas para personas ciegas cuyos nervios ópticos están intactos (Paz, 2018).

De igual forma la ortopedia se ha visto beneficiada con los avances realizados en el campo de los nanomateriales, en el uso de manos protésicas robóticas (Figura 19), donde un sensor portátil fabricado con un compuesto de celulosa y grafeno podría controlar las manos protésicas robóticas (Paz, 2018).

Por otro lado, se puede ver su aplicabilidad en dispositivos, como es el caso de sensores de bienestar flexibles, mediante estos dispositivos portátiles (parches, brazaletes, etc.) que incorporan unos sensores basados en grafeno, se puede medir el ritmo cardíaco, temperatura corporal, etc. (Paz, 2018).

El grafeno, presenta dentro de sus propiedades que es bactericida, capaz de inhibir el crecimiento de microorganismos como bacterias, virus y hongos, sin afectar al

Figura 18. Prótesis de retina basada en grafeno. / Tomado de Agencia SINC

Figura 19. Prototipo de prótesis robótica de mano. / Tomado de El Occidental

ADN humano. Además, por ser carbono, se ha demostrado que permite el crecimiento de células, lo que lo convierte en un sustrato con un potencial muy interesante para la medicina regenerativa o para la industria alimentaria (Mujal & Colom, 2021).

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La conservación y la generación de energía han sido para el hombre de mucho interés. Los paneles solares constituyen una tecnología que desde su surgimiento ha tenido completa aceptación en la industria y el mercado, las fuentes renovables de energía y en este caso, la solar, es la riqueza y el recurso más preciado con que cuenta el hombre para hacer más fácil su vida en la tierra. Luego el grafeno es un material que ha venido a aportar nuevas propiedades a estas tecnologías convirtiéndolas en verdaderas joyas de la vida.

La aplicación de este nanomaterial en la fabricación de células solares fotovoltaicas garantiza a las mismas ligereza, flexibilidad y rentabilidad en los costos (Figura 20).

Debido a esta extraordinaria sensibilidad a la luz, el grafeno también puede ser muy bien empelado como material para la fabricación de fotodetectores o en sistemas de visión nocturna, dado que el grafeno es un material que puede reaccionar ante un intervalo de energía bastante amplio, desde la luz visible hasta los infrarrojos (Rodríguez, 2021).

La compañía ZnShine Solar, el fabricante líder de módulos fotovoltaicos, está presente en Colombia desde 2018 y lleva a cabo esta tecnología, desarrollada y patentada a través de la compañía nacional Energía y Potencia.

3.2 Energía Dentro de los beneficios que se cuentan en sus paneles solares de grafeno se pueden mencionar:

• Exclusividad: esta tecnología de grafeno es patentada por ZnShine, único fabricante en el mundo en utilizar hasta el momento esta aplicación.

• Protección ante los agentes climáticos: cuando llueve, los paneles normales siempre quedan expuestos a una capa de agua que al secarse conserva partículas de polvo. Los paneles con recubrimiento de grafeno, permiten que el agua se deslice, evitando que se generen esas capas de mugre.

• Protección ante el polvo: ante la adhesión de polvo o mugre, estos paneles ofrecen una gran ventaja, pues por ejemplo si se estima que la vida útil de un panel es de 20 a 25 años, al instalarlo en una carretera, por ejemplo, una zona arenosa, los agentes de la contaminación y la polución van quedando adheridos al panel, reduciendo su eficiencia. En un panel de grafeno, la adherencia del polvo es menor, lo cual lo hace más eficiente en el tiempo y reduce los costos de mantenimiento.

• Capacidad de radiación: en un panel corriente, las capas de polvo disminuyen la radiación que reciben y los hacen menos eficientes. En los paneles de grafeno, esto no ocurre, pues conservan la capacidad de aprovechar una gran cantidad de la radiación que reciben.

Figura 20. Células solares fotovoltaicas hechas de grafeno. / Tomado de EcoInventos

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• Limpieza: la lluvia es suficiente para garantizar la limpieza, lo cual no ocurre con un panel normal, pues a pesar de que esté expuesto a la lluvia o se le haga una limpieza, el polvo no se desprenderá fácilmente, por lo cual requiere mayor frecuencia de limpieza y un mantenimiento más complejo.

• Las heces de las aves: las aves tienden a posarse en los paneles, depositando las heces en los módulos y evitando que pase la radiación. Esto también puede ocasionar los denominados “puntos calientes” que en el largo plazo podrían ocasionar cortocircuitos e incluso un daño total de la instalación. En los paneles de grafeno, con el tiempo se van degradando las heces de las aves de una forma más rápida que en un panel convencional.

• Todo esto repercute en menores gastos de operación, mayor eficiencia y una mayor vida útil del panel (ZnShine Solar, 2020) (Figura 21).

Modos más novedosos para almacenar energía atrapan los esfuerzos de los investigadores y el grafeno constituye un material clave para llevar a cabo los proyectos en curso. El Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología, perteneciente al Ministerio de Ciencia de Corea del Sur (KAIST, por sus siglas en inglés), desarrolla un condensador híbrido acuoso rápido y potente basado en grafeno que puede conducir a un nuevo tipo de sistema de almacenamiento de energía (Ock et al., 2018).

El equipo ha desarrollado un dispositivo de almacenamiento híbrido basado en grafeno con densidad de potencia 100 veces más rápido que las baterías convencionales, lo que permite que se cargue en unos pocos segundos. Los especialistas afirman que podría ser adecuado para pequeños dispositivos electrónicos portátiles (Ock et al., 2018).

Figura 21. ZnShine Solar, proveedor global de soluciones fotovoltaicas. / Tomado de Zonnepanelen.net

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El cuidado de la vida y la calidad de los elementos que son vitales para la misma, son de sumo valor para el hombre. Muchas investigaciones se han volcado a facilitar la manera de hacer más limpio el medio ambiente y en busca de las vías más rentables para alcanzar la perdurabilidad por más tiempo de la especie humana en esta gran casa de todos.

El cuidado de las aguas es conocido por un tema medular y, además, la limpieza de las mismas, pues no siempre son las buenas prácticas, hay mucha conciencia que hacer, pero también muchos esfuerzos para lograr una vida de calidad.

Un equipo de científicos del Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes (Alemania) y el Institut de Bioenginyeria de Barcelona (IBEC) han desarrollado el prototipo, que se ha publicado en la revista Nano Letters, Microrrobot de grafeno mil veces más pequeño que un cabello humano es capaz de eliminar los residuos de plomo del agua contaminada (Figura 22). Al cabo de una hora de buceo el microrrobot absorbe el 95% de los residuos (Vilela et al., 2016).

El uso de los recursos naturales que en muchos casos no son renovables, como es el caso del agua potable, se ha convertido en un punto de

atención para investigaciones. En un esfuerzo constante el hombre busca sin descanso las formas en las que pueda extender este recurso por más generaciones.

En función de alcanzar esta meta, se ha desarrollado un nuevo sistema de desalinización de agua basado en el uso de láminas de grafeno perforadas. Estas láminas disponen de agujeros que deben tener un tamaño muy preciso, acorde al tamaño de las moléculas de agua y de las sales que arrastra, a las que se le incorporan otros elementos químicos que hace que los bordes de estas pequeñísimas aperturas interactúen químicamente con las moléculas de agua, repeliéndolas o atrayéndolas.

Este nuevo sistema de depuración de agua empleando láminas de grafeno necesita para funcionar de una presión mucho menor, y, por lo tanto, su consumo energético es considerablemente inferior que los sistemas tradicionales basados en la ósmosis inversa, además de ser mucho más eficientes (Moreno et al., 2018).

Investigadores han sintetizado con éxito una membrana de grafeno con poros cuyo tamaño, forma y densidad se pueden modificar en la nanoescala con precisión atómica. La presencia de poros en el grafeno puede modificar sus

3.3 Medio ambiente

Figura 22. Microrrobot para eliminar residuos de plomo en aguas contaminadas. / Tomado de La Vanguardia

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propiedades básicas, empezando por hacerlo permeable y útil como tamiz. Se trata de un cambio de estructura que, combinado con las propiedades intrínsecas de este material de un átomo de grosor y más fuerte que el diamante, lo convierte en un excelente candidato para desarrollar filtros más duraderos, selectivos y energéticamente eficientes para sustancias extremadamente pequeñas, como gases de efecto invernadero, sales o biomoléculas (Moreno et al., 2018).

El área de las tecnologías y la electrónica es una muy marcada en el desarrollo del grafeno como componente base, gracias a sus excelentes propiedades conductoras, de flexibilidad, durabilidad y ligereza. Es el caso de la fabricación de microprocesadores que llevan incorporados transistores de grafeno, con el fin de fabricar una próxima generación de ordenadores mucho más rápidos que los actuales.

Los componentes electrónicos fabricados con grafeno tienen la ventaja que apenas generan efecto Joule, lo que se traduce en que se calienta muchísimo menos por la circulación de la corriente eléctrica. Y, por si fuera poco, los transistores realizados con grafeno son dispositivos muchísimo más ligeros de peso, debido a la estructura interna del grafeno de tipo bidimensional, donde la capa de grafeno es finísima de tan sólo un átomo de espesor.

La incorporación de este nanomaterial en la fabricación de transistores está permitiendo conseguir dispositivos con una velocidad de conmutación muy elevada (Figura 23). Algunos prototipos ya han alcanzado los 100 GHz, es decir, más del doble de rápido que un transistor de silicio de dimensiones comparables, aunque se cree que podrían alcanzar velocidades de 1.000 GHz, lo que está permitiendo aumentar la rapidez de conmutación de ordenadores y demás dispositivos electrónicos(Rodríguez, 2021).

3.4 Electrónica

En el campo de la seguridad, la electrónica ha desarrollado diversas soluciones para enfrentar situaciones de peligro, robos y falsificaciones, y así poder ofrecer garantías a las personas que usan algún dispositivo. En este caso se encuentra la empresa FlexEnable quienes han creado un sensor de huellas digitales flexible capaz de generar una imagen de su huella dactilar en tiempo real (Figura 24). Sus aplicaciones pueden ir desde poder envolver

Figura 23. Transistor de chipset de grafeno. / Tomado de GizChina.it.

Figura 24. Prototipo de sensor de huellas FlexEnable. / Tomado de Digital Trends

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dicho sensor alrededor de un volante, colocarlo en la parte posterior de su teléfono, o incluso una empuñadura de pistola, bloqueando el acceso para cualquier persona, que no sea el propietario. El empleo del grafeno en esta tecnología proporciona una capa base conductora, flexible y transparente, pero esta vez se combina con diferentes transistores y sensores (Paz, 2018).

Otra área donde se aplican materiales tan versátiles como el grafeno es en la confección de componentes para la trasmisión de datos y la comunicación. Son entonces sus propiedades adecuadas para la próxima generación de las antenas Near Field Communication (NFC, por sus siglas en inglés) y que se traduce como Tecnología Inalámbrica de Corto Alcance.

Una investigación del socio italiano CNR-ISOF muestra que es posible usar grafeno para producir antenas NFC totalmente flexibles. Al combinar la caracterización del material, el modelado computarizado y la ingeniería del dispositivo, los investigadores del Graphene Flagship diseñaron una antena que podría intercambiar información con dispositivos de comunicación de campo cercano, como un teléfono móvil, que coincida con el rendimiento de las antenas metálicas convencionales. Las antenas NFC basadas en grafeno son químicamente inertes, altamente resistentes a miles de ciclos de flexión y pueden depositarse en diferentes sustratos poliméricos estándar o tejidos de seda.

Un reto de la tecnología moderna es poder remplazar metales con materiales reciclables más ligeros, más baratos, que consuman menos energía y mejores. El grafeno puede, debido a sus propiedades, ser sustituto eficaz de muchas materias primas en las industrias de la electrónica hoy (Graphene Flagship, 2018).

Los científicos han remplazado los electrodos tradicionales de óxido de indio y estaño que se encuentran dentro de las pantallas OLED con electrodos hechos de grafeno, los cuales miden 370 mm por 470 mm y que solo tienen un grosor de 5 nanómetros.

Este tipo de descubrimiento podría dar paso a una nueva era de artículos y wearables, estos últimos conocidos como tecnologías de uso cotidiano que se llevan siempre encima, a los que se les ha incorporado un microprocesador (Boxall, 2017).

Figura 25. Pantalla flexible con tecnología OLED ./ Tomado de MuyComputer

Desde hace años las pantallas flexibles han sido una ambición con la que las marcas han soñado para poder crear ropa y artículos inteligentes que se puedan adaptar a los seres humanos. Un equipo de científicos surcoreanos ha logrado integrar electrodos hechos de grafeno en una pantalla OLED, estos pequeños electrodos pueden ser dispuestos en paneles flexibles con tecnología OLED lo cual podría dar un vistazo al futuro de las pantallas flexibles en dispositivos móviles (Figura 25).

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Los grupos de personas o sociedades, a través del tiempo, experimentaron la necesidad de trasladarse de un lugar a otro con el objetivo de satisfacer necesidades que no se podía suplir en donde vivían, tanto por el agotamiento de recursos naturales, el desarrollo del comercio, entre otras causas. Los medios para desplazarse se han desarrollado y diversificado hasta límites insospechados. De igual manera, las innovaciones con respecto a los materiales principales para su confección se han ido actualizando, buscando ventajas, eficiencia y mejoras en sus características y funcionabilidad. La infraestructura vial que permite el uso de los medios terrestres también mejora la calidad de vida en los usuarios del transporte.

Graphene Flagship está llevando a cabo un proyecto de colaboración entre el Instituto Italiano de Tecnología (ITT) y la empresa italiana de diseño Momodesign para desarrollar un casco de motocicleta basado en grafeno (Figura 26). El resultado obtenido fue un casco más seguro y que proporciona un mayor confort térmico. Están construidos con dos partes: una cáscara exterior sólida y una parte interior de espuma de poliestireno (Graphene Flagship, 2021).

3.5 Transporte En la industria automovilística el grafeno encuentra lugar en la confección de neumáticos. Los nanotubos de carbono son una de las nanocargas más prometedoras para su aplicación en el campo de la ciencia y la tecnología del caucho. Sus excelentes propiedades mecánicas y eléctricas imparten a las matrices elastoméricas bajas concentraciones de carga añadida, y hacen de este nanomaterial un candidato ideal para sustituir o complementar a las cargas convencionales empleadas actualmente en la industria (Bernal et al., 2019).

Un pavimento de asfalto o concreto debe resistir las peores pruebas de esfuerzo, fatiga, peso, altas temperaturas y lluvia a las que se enfrentará día tras día hasta su desgaste total. Las características de resistencia mecánicas que deben tener estos materiales, tales como, mejoras en fatiga que alarguen la vida útil del pavimento, aumento en los módulos dinámicos de las mezclas (más resistencia) y que sean menos deformables a los cambios de temperatura, son motivos de investigación. Los nanomateriales pueden hacer factible una mejora en todas estas características.

Ingenieros civiles y químicos de la Pontificia Universidad Javeriana combinaron esfuerzos para estudiar las ventajas de uso de los nanomateriales en pavimentos. De la síntesis del carbono pueden salir como productos los nanotubos o las nanofibras que dependerán del número de paredes que tengan a nivel nanoscópico, e incluso tener la forma de una dona. Estos nanotubos, nanofibras y nanohebras serán más resistentes entre más paredes los conformen.

La mezcla modificada a partir de estos materiales es muy flexible a la fatiga, muy resistente por el aumento de los módulos dinámicos y a temperaturas y cargas elevadas. La impermeabilidad que le aporta el nuevo material al asfalto evita la presencia de agua dentro de la mezcla y así prever roturas y ahuecamientos en las vías (Calderón, 2017).

Figura 26. Casco para motocicleta creado con grafeno. / Tomado de SemiNuevos

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La alimentación, tanto para persona o animales, permite cumplir las necesidades nutricionales que se requieren para funcionar correctamente, de esa manera se propicia un buen estado de salud. No se puede perder de vista que comer sano protege de sufrir ciertas enfermedades. Con la industrialización y el aumento de las producciones de alimentos de todo tipo, se hace necesario el desarrollo de novedosos materiales y formas de envase y empaque, que permitan una mayor duración a estos productos.

Los materiales para el envasado de alimentos suelen estar hechos de plástico. Su principal punto débil radica en la incapacidad para impedir que gases como el oxígeno y otras pequeñas moléculas penetren y alcancen el alimento. Añadir nanomateriales como nanoarcillas, nitruro de titanio o dióxido de titanio puede mejorar las propiedades de un material, haciéndolo más ligero y más resistente, por ejemplo. Además, los nanomateriales pueden evitar que los gases y la luz penetren en el envase y causen degradación y también pueden tener propiedades antimicrobianas (Figura 27), lo que contribuye a mantener los alimentos frescos durante largos períodos

3.6 Alimentación

Figura 27. Envases más impermeables para la mejor conservación de los alimentos.

/ Tomado de The Food Tech

La actividad constructiva es de gran valor para los seres humanos, ya que les permite crear y desarrollar espacios artificiales para cubrir una buena parte de sus necesidades. Las nuevas tecnologías y el uso de nuevos aditivos y materiales, hace que construcciones actuales y futuras sean más resistentes al desgaste y la corrosión, a las altas temperaturas y presión, gran dureza y resistencia, además de un bajo peso y costo mínimo.

La industria valenciana de aditivos químicos de hormigón y productos para mantenimiento y reparación de industrias, edificios u obra pública, MCSpain y Graphenano Smart

3.7 Construcción

de almacenamiento y protegidos de bacterias nocivas (ECHA European Chemicals Agency, 2021).

La utilización del grafeno puede mejorar el rendimiento de los envases, aumentar la capacidad de reciclaje y habilitar nuevas funciones. La compañía Tetra Pak trabaja en el proyecto europeo Graphene Flagship como único representante de este sector.

Los sensores flexibles ultradelgados de grafeno pueden integrarse en los envases de Tetra Pak como portadores de información, tanto para los productores como para la distribución o los propios consumidores (Huete, 2019).

Otro ejemplo es el proyecto GraFood, en el que participan científicos españoles, quienes esperan revolucionar el envasado de los alimentos para que duren más gracias al grafeno.

En concreto, el Centro Tecnológico del Plástico (Andaltec), busca junto a científicos de Rumanía, Italia y Eslovenia la forma de introducir el uso de nanomateriales como el grafeno en el packaging alimentario, lo que permitirá que los alimentos se mantengan más tiempo en buen estado (Andaltec, 2017).

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Materials, dedicada al desarrollo y aplicación de aditivos de grafeno para materiales de construcción avanzada, han firmado un acuerdo de colaboración para la fabricación y comercialización de aditivos con grafeno incorporado que aumentan la vida útil y durabilidad del hormigón.

Estas nanopartículas de grafeno, además, mejoran los resultados de penetración de agua bajo presión, protección contra la carbonatación, difusión de cloruros o resistencia a sulfatos y en su forma oxida absorbe residuos radiactivos.

También señalan desde la empresa que el grafeno es “el mejor transmisor térmico que existe en la naturaleza”, y que, gracias a esta propiedad innata y a su integración en las matrices de los hormigones y morteros se consigue aumentar su conductividad térmica, haciéndolos transmisores/disipadores de calor (Europa Press, 2021).

El grafeno, destaca por la gran ventaja que supone su facilidad para integrarse en otros compuestos, es capaz de transferir sus propiedades a otros materiales, mejorándolos.

The Graphene Box (2019), promueve para el sector de la construcción el uso del grafeno en:

• Estructuras reforzadas.• Cristales irrompibles.• Suelos y paredes interactivos.• Mobiliario ultra-resistente.• Cementos más resistentes y ligeros que

los actuales.• Composite anti-corrosivo.• Resinas capaces de absorber la luz solar

y transformarla en energía.• Composites altamente resistentes para

evitar deterioros en fachadas.

Existe un amplio consenso en la comunidad de investigadores de que el hormigón, el material de construcción más utilizado en todo el mundo, debe diseñarse a nanoescala, donde sus propiedades químicas y fisicomecánicas

pueden mejorarse realmente. En artículo presentado en la revista Advanced Funtional Materials se muestra un innovador hormigón multifuncional de nanoingeniería con una gama sin precedentes de propiedades mejoradas en comparación con el hormigón estándar. (Figura 28)

Estos incluyen un aumento de hasta un 146% en la resistencia a la compresión y un 79,5% en la resistencia a la flexión, mientras que al mismo tiempo se encuentra un rendimiento eléctrico y térmico mejorado. Una sorprendente disminución de la permeabilidad al agua en casi un 400% en comparación con el hormigón normal hace que este nuevo material compuesto sea ideal para construcciones en áreas sujetas a inundaciones. El mismo se obtiene mediante la adición de dispersiones de grafeno estabilizadas con agua, un avance en el campo emergente del hormigón de nanoingeniería que se puede aplicar fácilmente en una industria de la construcción más sostenible (Dimov et al., 2018).

Figura 28. Fundición de hormigón reforzado con grafeno. / Tomado de Grafeno.co

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