Grafeno, un supermaterial para IoT

Paloma Recuero de los Santos    8 julio, 2020

¿Un material un millón de veces más delgado que un cabello humano, 200 veces más fuerte que el acero, transparente, flexible, ligero, gran conductor del calor y de la electricidad y capaz de convertir la energía solar en eléctrica a gran velocidad? No es de extrañar que los dispositivos integrados basados en grafeno se hayan convertido en una de las claves en la evolución del 5G, internet de las cosas (IoT) y la industria 4.0. En este post vamos a explicar qué es grafeno y cuáles son sus aplicaciones principales en el ámbito del IoT.

¿Qué es el grafeno?

El grafeno es una estructura laminar plana, de un átomo de grosor (se trata del primer material 2D) compuesta por el mismo tipo de átomos que constituye los diamantes o la mina de grafito de un lápiz: átomos de carbono. La diferencia esencial radica en cómo están dispuestos dichos átomos. En el caso del grafeno, densamente empaquetados en una red cristalina en forma de panal de abeja (hexagonal).

Este sencillo vídeo del Proyecto Graphene Flagship , patrocinado por la Unión Europea, explica lo que es el grafeno en menos de 3 minutos.

Aunque las primeras investigaciones sobre el grafeno se remontan a 1859, no hubo avances importantes hasta 2004, cuando los profesores Sir Andre Geim y Sir Kostya Novoselov de la Universidad de Manchester descubrieron y aislaron por primera vez una única capa atómica de carbono. En reconocimiento a tan importante descubrimiento, ambos profesores fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 2010.

Historia del grafeno (Descargar más grande)

Propiedades del grafeno

Gracias a su estructura molecular, el grafeno:

  • Es un material muy duro y resistente
  • Es muy ligero y flexible
  • Muy estable cuando es sometido a grandes presiones.
  • Es muy buen conductor del calor como de la electricidad. El grafeno permite que los electrones fluyan mucho más rápido que el silicio
  • Es capaz de generar electricidad a partir de energía solar.
  • Es un conductor transparente, combinando de manera excepcional las funcionalidades eléctricas y ópticas.

Por otra parte, su producción es relativamente barata en comparación con otros materiales.

Aplicaciones del grafeno

Estas propiedades tan interesantes permiten su aplicación a campos tan distintos como la electrónica, aeronaútica, la generación de energía, ehealth, materiales compuestos etc. Veamos algunos ejemplos.

Dispositivos vestibles o “wearables”

La gran ligereza y flexibilidad del grafeno lo hace ideal para la fabricación de dispositivos wearables, como por ejemplo, dispositivos de seguimiento de la salud, sensores ambientales, textiles electrónicos duraderos y fuentes de energía flexibles.

Aeronáutica y tecnología espacial

Las aeronaves construidas con grafeno y otros materiales 2D más finos y ligeros, consumen menos combustible, lo que supone un ahorro en costes y una menor huella de carbono. Pero también son más seguras, gracias a los sistemas termoeléctricos de protección contra el hielo basados en el grafeno.

En tecnología espacial, el grafeno se utiliza en sistemas de refrigeración y velas solares -base de los sistemas de propulsión sin combustible de las naves espaciales.

Generación y almacenamiento de energia

La gran conductividad eléctrica, ligereza, estabilidad química y flexibilidad del grafeno y los materiales relacionados (GRM), le permiten jugar un papel clave en los procesos de generación y almacenamiento de energía.

Por ejemplo, el grafeno activado permite el uso de supercondensadores para el almacenamiento de energía y también aumenta su vida útil. Por tanto, una batería de grafeno, ofrece una autonomía hasta diez veces mayor que la obtenida con baterías de litio, para todo tipo de dispositivos móviles. Desde smartphones y tablets, hasta coches eléctricos y todo tipo de sensores.

Su transparencia y capacidad de generar energía eléctrica a partir de la luz solar también se ha estudiado para la generación de ventanas inteligentes. Se trata de ventanas recubiertas por una capa transparente de grafeno, capaces de generar la electricidad suficiente para autoabastecer el edificio.

Materiales compuestos (composites) y revestimientos

Gracias a su gran resistencia, conductividad, flexibilidad, ligereza y capacidad de actuar como barrera, el grafeno no sólo mejora el rendimiento de los materiales actuales, sino que abre camino a nuevos campos de aplicación. Desde los revestimientos antiestáticos y anticorrosivos hasta los compuestos ultrarresistentes y ultraligeros.

Fotónica y optoelectrónica

A medida que las tecnologías de semiconductores convencionales se aproximan a sus limitaciones físicas, se hace preciso explorar tecnologías innovadoras que permitan materializar la visión de de una sociedad global futura conectada en red.

Las propiedades del grafeno lo hacen ideal para la próxima generación de sistemas de comunicaciones ópticas y optoelectrónicas. El grafeno integrado en un circuito fotónico es una tecnología escalable y de bajo costo que puede operar enlaces de fibra a una velocidad de transmisión de datos muy alta. Por ello, jugará un papel protagonista en este ámbito, en aplicaciones que van desde los láseres e interruptores ópticos, hasta la comunicación inalámbrica, captación de energía, y sistemas 5G.

Tecnologías biomédicas

En biomedicina, el grafeno se utiliza, por ejemplo, para crear dispositivos de administración de medicamentos. Su gran conductividad, flexibilidad y ligereza, también hace del grafeno un material muy apropiado en la fabricación de biosensores. De hecho, hay interesantes investigaciones en marcha sobre su aplicación a la ingeniería de tejidos, para la creación de sensores electromecánicos muy sensibles que se implantan en el interior del cerebro.

Por otro lado, su capacidad para captar la luz que el ojo humano no ve podría servir para mejorar la visión de muchas personas, pero también para mejorar los dispositivos de visión nocturna en el sector militar e incluso la seguridad en la conducción.

Electrónica

En el ámbito de la electrónica, las propiedades “estrella” del grafeno son su escaso grosor, su alta conductividad a temperatura ambiente, y su flexibilidad. En una industria donde uno de los objetivos principales es la miniaturización, el grafeno es clave en la fabricación de chips, interconexiones para comunicación de datos, pantallas flexibles para la tecnología vestible etc.

Otra aplicación interesante son las antenas NFC flexibles. Este tipo de tecnologías inalámbricas de bajo coste permite trasladar los sensores y dispositivos NFC a la vida cotidiana de forma muy sencilla, abriendo todo un universo de nuevas aplicaciones. Desde aplicaciones relacionadas con el cuidado de la salud, al control de calidad alimentaria o comercio electrónico.

Sensores

Los sensores ultra sensibles basados en grafeno resultan más pequeños, ligeros y menos costosos que los sensores tradicionales. Hay muchos tipos diferentes de sensores. Desde los sensores de gas de base química, y los de ph y contaminación ambiental, hasta los sensores de presión y tensión.

También se pueden crear sensores biológicos capaces de detectar moléculas como el ADN y otras sustancias como la glucosa, el glutamato, el colesterol y la hemoglobina. Por ejemplo, éstos últimos se pueden integrar en sensores vestibles que permiten controlar nuestra salud en tiempo real

El grafeno en IoT

El grafeno, con sus características tan especiales, está llamado a desempeñar un papel importante en el futuro del IoT, ya que permite superar muchas de las barreras relacionadas con esta tecnología. Los sensores de grafeno permiten:

  • Rastrear y registrar cambios en humedad y temperatura
  • Detectar tensiones en los componentes estructurales de un edificio
  • Detectar productos químicos y gases tóxicos
  • Conectarse a una red inalámbrica
  • Obtener su propia potencia (más livianos y rentables por no precisar baterías)

Y, a la vez, son fáciles de producir a gran escala. Por ello, está claro este material va a ser clave en el futuro del IoT.

Y no sólo el grafeno. Las integración con otros materiales 2D también abre un nuevo campo de aplicaciones de detección inalábrica.

Conclusión

Al igual que ahora está de moda hablar de “super-alimentos”, se puede decir que el grafeno es un “super-material” que va a estar claramente ligado al futuro del Iot, y va a permitir que incorporemos muchas de sus aplicaciones a nuestro día a día.

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