grafeno

12Propiedades y aplicaciones

del grafeno

Monografas del SOPT

12Propiedades y aplicaciones

del grafeno

Monografas del SOPT

http://www.mde.es/areasTematicas/investigacionDesarrollo/sistemas/

CATLOGO GENERAL DE PUBLICACIONES OFICIALEShttp://publicacionesoficiales.boe.es/

Edita:

SECRETARAGENERALTCNICA

Autor y editor, 2013

NIPO: 083-13-192-1 (impresin bajo demanda)Fecha de edicin: julio 2013

www.bibliotecavirtualdefensa.es

NIPO: 083-13-193-7 (edicin libro-e)ISBN: 978-84-9781-868-1 (edicin libro-e)

Las opiniones emitidas en esta publicacin son exclusiva responsabilidad del autor de la misma.Los derechos de explotacin de esta obra estn amparados por la Ley de Propiedad Intelectual. Ninguna de las partes de la misma puede ser reproducida, almacenada ni transmitida en ninguna forma ni por medio alguno, electrnico, mecnico o de grabacin, incluido fotocopias, o por cualquier otra forma, sin permiso previo, expreso y por escrito de los titulares del Copyright.

En esta edicin se ha utilizado papel libre de cloro obtenido a partir de bosques gestionados de forma sostenible certificada.

PROPIEDADES Y APLICACIONES DEL GRAFENO

7SUMARIO Pgina

1. INTRODUCCIN .................................................................... 11

2. PROPIEDADES DEL GRAFENO ............................................ 17

2.1 Conductividad elctrica .............................................. 192.2 Conductividad trmica. .............................................. 212.3 Resistencia mecnica ................................................. 212.4 Otras propiedades de inters ..................................... 23

3. PRINCIPALES APLICACIONES ............................................. 27

3.1 Dispositivos electrnicos avanzados (procesado-res de prxima generacin) ...................................... 29

3.2 Pantallas tctiles flexibles .......................................... 323.3 Generacin y almacenamiento de energa ............... 333.4 Otras aplicaciones de inters .................................... 39

4. EL GRAFENO EN DEFENSA .................................................. 45

4.1 Aplicaciones ................................................................ 474.2 El grafeno en la ETID .................................................. 53

5. PERSPECTIVAS DEL GRAFENO ........................................... 57

5.1 Publicaciones y patentes............................................ 595.2 Los retos del grafeno .................................................. 615.3 Podra el grafeno sustituir al silicio? ...................... 62

6. EL MERCADO DEL GRAFENO .............................................. 65

6.1 La situacin del mercado en Espaa ........................ 696.2 La situacin del mercado en Europa ......................... 71

Pgina

7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .......................... 75

8 ANEXOS .................................................................................... 81

A. Mtodos de obtencin de grafeno .............................. 85B. Productores/desarrolladores de grafeno ................... 95

9 BIBLIOGRAFIA ........................................................................ 107

9PRLOGO

La presente Monografa ha sido realizada por el Sistema de Observacin y Prospectiva Tecnolgica (SOPT) de la Subdireccin de Tecnologa e In-novacin (SDG TECIN) de la Direccin General de Armamento y Material (DGAM).

Quiero felicitar a todos los que han hecho posible esta monografa, y en concreto al tcnico del Observatorio Tecnolgico de Materiales, Luis Mi-guel Requejo Morcillo, por su dedicacin y esfuerzo. Tambin, extender este agradecimiento al resto de miembros del SOPT y muy especial-mente al Dr. Carlos Rivera de Lucas, del rea de Optrnica y Acstica del ITM, que han contribuido a que podamos tener hoy este trabajo en nuestras manos.

C.F. Ing. Jos Mara riola rodrguezJefe del SOPT

Subdireccin General de Tecnologa e InnovacinDireccin General de Armamento y Material

11

MOTIVACIN

Son muchas las noticias y desarrollos que se han publicado en los lti-mos aos en relacin al grafeno, a sus excelentes propiedades y a sus aplicaciones, que muestran a este material como uno de los ms revo-lucionarios en el presente y que probablemente tendr un mayor impac-to en muchas industrias y sectores, entre ellos el de la Defensa. Esta monografa pretende ser una sencilla gua de consulta sobre el estado actual de la tecnologa del grafeno y de sus potenciales aplicaciones, en principio civiles, pero especialmente en el sector de la defensa.

En primer lugar, se describe el grafeno, desde un punto de vista estruc-tural e intentando explicar su comportamiento y sus propiedades de un modo sencillo, sin profundizar en aspectos o terminologa que pueda resultar tcnicamente muy compleja. Posteriormente se han descrito sus potenciales aplicaciones civiles y militares, revisando algunos de los lti-mos avances que se han logrado por parte de empresas y de la comuni-dad cientfica en todo el mundo.

Se ha incluido un captulo en el que se analiza a grandes rasgos la situa-cin actual del mercado del grafeno tanto a nivel nacional, como euro-peo, comparativamente al resto del mundo y en el que se ha estimado la progresin de este mercado en los prximos aos.

Por ltimo, dos anexos en esta monografa describen los procesos de fabricacin de grafeno ms empleados y conocidos a da de hoy y, ade-ms, con el objetivo de conocer cules son en la actualidad los actores ms importantes vinculados a la fabricacin y desarrollo de aplicaciones del grafeno, se ha llevado a cabo una recopilacin de los mismos, men-cionando brevemente sus principales actividades.

1. INTRODUCCIN

15

1. INTRODUCCIN

El grafeno no es un material completamente nuevo por su composicin ya que est formado por tomos de carbono, al igual que otros muchos materiales como el grafito, el diamante, los fulerenos, los nanotubos de carbono, etc. S es nuevo por su estructura, ya que se trata de un mate-rial que puede considerarse bidimensional tanto por la disposicin de los tomos de carbono que lo forman como por poseer el mnimo espesor correspondiente a una nica capa atmica (monocapa). En la figura 1-f se observa que la red cristalina bidimensional es de tipo hexagonal.

Figura 1 1 Algunas de las formas alotrpicas del carbono ms conocidas: a) diamante, b) grafito, c) carbono amorfo, d) fulereno, e) nanotubo de carbono, f) grafeno. (Fuente: http://clasificacion106ae6.blogspot.com.es/2012/03/fromas-alotropicas-del-carbono.

html)

SISTEMA DE OBSERVACIN Y PROSPECTIVA TECNOLGICA

16

Hasta el ao 2004, no se crea posible la existencia de una estructura como la del grafeno como entidad aislada. Se supona que los cristales estrictamente bidimensionales eran termodinmicamente inestables, debido a fluctuaciones trmicas en redes cristalinas que tericamente produciran desplazamientos atmicos dando lugar a una estructura en tres dimensiones. Esta hiptesis se apoyaba en numerosas pruebas ex-perimentales, entre ellas el hallazgo de que la temperatura de fusin de lminas delgadas decrece rpidamente al disminuir su espesor, lo que provoca que una lmina se vuelva inestable para grosores correspon-dientes a aproximadamente una docena de monocapas, lo que obliga a los cristales bidimensionales a tomar estructuras tridimensionales que les proporcionen estabilidad.

Sin embargo, en el ao 2004 dos cientficos de la Universidad de Man-chester (Reino Unido), Andre Geim (Rusia, 1958) y Konstantin Novoselov (Rusia, 1974) fueron capaces de obtener e identificar por vez primera l-minas individuales de grafeno junto con otros cristales bidimensionales.

Figura 1 2 Primer artculo cientfico mostrando las excelentes propie-dades de conductividad elctrica del grafeno. (Fuente: http://www.

sciencemag.org/)

Existen varias hiptesis que tratan de explicar la estabilidad de estas lminas aisladas. Por un lado, las lminas provienen de una estructura tridimensional previa, lo cual, unido a la fuerza de los enlaces covalentes entre los tomos de carbono, presumiblemente las hace resistentes a las fluctuaciones trmicas. Por otro lado, las ondulaciones microscpicas que presentan las lminas podran contribuir a su estabilidad, aparte de dar cuenta de algunas otras propiedades del grafeno.


17

Slo seis aos despus, en el ao 2010, Geim y Novoselov recibieron el Premio Nobel de Fsica por el descubrimiento de las propiedades ex-traordinarias que mostraba el grafeno, algunas de las cuales trataremos en esta monografa.

2. PROPIEDADES DEL GRAFENO


21

2. PROPIEDADES DEL GRAFENO

El carbono en su configuracin plana, como se ha comentado anterior-mente, tiene propiedades extraordinarias. Desde un punto de vista estruc-tural, el grafeno es el material ms delgado jams obtenido: una lmina de grafeno tiene un espesor de 3,35 (es decir, 3,3510-10 m). Un cabello humano tiene un dimetro en el rango 0,02-0,200 mm (esto es, 2-20010-5 m). Por tanto, el grafeno es 100.000 veces ms delgado que el cabello ms fino. Adems, se trata de un material muy ligero: tiene una densidad de, nicamente, 0,77 mg/m2. As, se calcula que una capa de grafeno capaz de cubrir un estadio de ftbol pesara del orden de unos pocos gramos.

Estas y otras caractersticas que se describen a continuacin hacen del gra-feno un material muy interesante para el desarrollo de diversas aplicaciones.

2.1 Conductividad elctrica

La caracterstica ms interesante del grafeno tiene que ver con la con-ductividad elctrica. El grafeno conduce la electricidad tan bien como el cobre: su conductividad elctrica es 0,96108 (m)-1, mientras que la del cobre es 0,60108 (m)-1 y la del silicio de 4,510-4 (m)-1.

Una forma de clasificar los materiales segn lo bien que conduzcan la electricidad es en aislantes, conductores y semiconductores. Resulta que el grafeno no es ninguna de las tres, sino que comparte caractersticas de los conductores y los semiconductores.

Figura 2 1 Posicionamiento de las bandas de energa de los materiales segn su con-ductividad elctrica (Fuente: http://www.satinfo.es/blog/?p=6840).


22

La figura muestra el posicionamiento de las bandas de energa (las cur-vas parablicas) de los materiales segn su conductividad. La inferior es la banda de valencia y la superior es la banda de conduccin. El plano representa la energa de Fermi (f), que es el nivel de energa mximo hasta el que llegan los electrones de un slido a temperatura cero (a temperatura finita los estados superiores al nivel de Fermi, slo tienen cierta probabilidad de ser ocupados). Cuando el nivel de Fermi est en la banda de conduccin nos encontramos ante un metal (material con-ductor) ya que los electrones circulan libremente por esta banda. En el caso de los semiconductores y los aislantes el nivel de Fermi est entre las bandas de valencia y de conduccin, y nicamente se diferencian en la anchura de la brecha, llamada gap o banda prohibida. En los se-miconductores, el gap no es demasiado grande, lo que permite que si se les da la suficiente energa puedan conducir la corriente elctrica. En los aislantes el gap es mucho mayor y es necesario un aporte energtico muy superior, lo que dificulta la conduccin.

En el caso del grafeno lo que nos encontramos es que no hay gap (como en los metales), con la peculiaridad de que el nivel de Fermi est justo en la unin entre ambas bandas de energa, es decir, que siendo la densidad de estados en el nivel de Fermi nula (como ocurre en los semiconducto-res) los electrones pueden saltar sin problema de la capa de valencia a la capa de conduccin y facilitar en gran medida la conduccin elctrica.

Debido a la disposicin espacial de los tomos de carbono en el grafeno y al tipo de enlace entre los carbonos, los electrones se desplazan sobre su superficie a una velocidad sin precedentes en ningn otro material. Se puede decir que los portadores de carga en el grafeno son cuasi partculas sin masa que se mueven a una velocidad constante. Se ha podido medir dicha velocidad arrojando unos resultados sorprendentes: se mueven a alrededor de 1000 km/s, tan slo 300 veces inferior a la velocidad de la luz en el vaco.

Desde un punto de vista estructural, la distribucin a nivel atmico en el grafeno proporciona un camino sin obstculos para la circulacin de los electrones (por lo tanto el choque de los electrones con los tomos es menor menor efecto Joule y el material se calienta menos que cualquier otro). En cualquier material, la energa asociada a su tempe-ratura se traduce en la vibracin de la red atmica (dispersin por fono-nes). Cuando los electrones viajan a travs del material, pueden chocar con estos tomos vibrantes, dando lugar a la resistencia elctrica. sta


23

es intrnseca del material y no puede eliminarse a menos que el material se enfre hasta cerca del cero absoluto. Ciertos estudios (Michael S. Fuhrer) han demostrado que las vibraciones trmi-cas tienen un efecto extremadamente pequeo sobre los electrones en el gra-feno, de tal modo que los tomos que vibran a temperatura ambiente produ-cen una resistividad que es cerca del 35 por ciento menor que la resistividad de la plata, el material de ms baja resisti-vidad a temperatura ambiente conocido hasta el momento.

Figura 2 2 Los electrones corren por el grafeno a la mxima veloci-dad posible, como si no tuvieran masa (Fuente: http://www.nano-

tech-now.com/).

2.2 Conductividad trmica.

Como conductor de calor, el grafeno supera a todos los materiales co-nocidos. La conductividad trmica del grafeno se ha medido, y se en-cuentra en un valor de aproximadamente 5.000 Wm-1K-1. El cobre presenta un valor de aproximadamente 400 Wm-1K-1 a temperatura ambiente. Por tanto, el grafeno conduce 10 veces mejor el calor que el cobre.

La gran conductividad trmica del grafeno es probablemente resultado de la relativa facilidad que tienen los tomos de carbono para moverse en el grafeno, comparada con otros materiales. Investigadores (Alexan-der Balandin de la Universidad de California Riverside) se encuentran trabajando en una teora que explique por qu esto es as.

Se cree que la alta conductividad trmica del grafeno, su forma plana y su capacidad para integrarse con el silicio podran jugar un papel impor-tante en la disipacin de calor de los futuros dispositivos electrnicos. Esto lo convierte en un candidato ideal para la fabricacin de disipadores trmicos y de materiales compuestos de gran conductividad trmica.

2.3 Resistencia mecnica

El grafeno es el material ms resistente desde un punto de vista mecnico. Tiene una resistencia mecnica de 42 N/m (tensin a rotura). Si elegimos una hipottica lmina del acero ms resistente, del mismo espesor que el grafeno sta tendra una resistencia de 0,40 N/m. Por tanto, se podra decir que el grafeno es unas 100 veces ms resistente que el ms resistente de


24

los aceros. Puede resultar curioso que una nica capa de grafeno sea tan dura y resistente, cuando el grafito, que no es ms que una superposicin de capas de grafeno se rompe con tanta facilidad. El motivo es sencillo: en el grafito, las capas de grafeno se encuentran unidas por fuerzas de Van der Waals, que son fuerzas mucho ms dbiles que las uniones covalentes entre los carbonos que conforman una lmina de grafeno.

Tal es la fuerza del grafeno, por ejemplo, que de acuerdo con el comit del Premio Nobel, una hipottica hamaca de un metro cuadrado de grafeno per-fecto podra soportar a un gato de 4 kilos. La hamaca pesara 0,77 miligramos menos del peso de un bigote de gato y sera virtualmente invisible.

Para medir esta resistencia, se utiliz un microscopio de fuerza atmica que presionaba perpendicularmente la hoja de grafeno para doblarla y obtener as su lmite elstico. De estos experimentos se concluy que la constante

elstica (que indica lo que puede deformarse un cuerpo sin sufrir deformacin permanente) del grafeno era enorme, pudindose estirar hasta un 10% de su tamao normal de forma reversible. Cierto es que esta caracterstica se ha al-canzado en un grafeno que apenas presenta impurezas o defectos en su red.

Debido a esta combinacin de flexibilidad y resistencia, ofrece un incre-ble potencial para su aplicacin industrias tan importantes como la del automvil y la aeronutica, ya que permite el desarrollo de materiales ms ligeros (en comparacin con el acero, un conjunto de lminas de grafeno

Figura 2 3 Idealizacin de microscopio de fuerza atmica presionando sobre una hoja de grafeno para obtener su lmite elstico (Fuente: http://forosforum.com/).


25

del grosor del papel es seis veces ms ligero, presenta de cinco a seis veces menor densidad) y resistentes, dando lugar a vehculos y aerona-ves menos pesados, ms seguros, y que consumen menos combustible. Este comportamiento del grafeno tambin puede ser interesante para su uso en nanotecnologa, ya que podra aguantar grandes presiones ape-nas sin deformarse. Por ejemplo, una hoja de grafeno podra ser capaz de soportar que se les coloque encima tomos mucho ms pesados que el carbono (como es el oro), prcticamente sin sufrir una deformacin.

2.4 Otras propiedades de inters

Otras propiedades del grafeno que merece la pena destacar por su inte-rs para el desarrollo de nuevas aplicaciones son las siguientes:

Capacidad para la formacin de nuevos materiales.

El grafeno puede reaccionar qumicamente con otras sustancias para formar nuevos compuestos qumicos con diferentes propiedades. Este hecho dota a este material de un gran potencial de desarrollo siendo una de las lneas de investigacin que mayor inters despierta dentro de la comunidad cientfica.

Figura 2 4 Nuevos materiales compuestos a partir de grafeno (Fuente: http://www.chem.unc.edu/).


26

Un ejemplo es el proyecto europeo de cooperacin Nanomaster, que comenz en diciembre de 2011, cuenta con una financiacin de 4,2 mi-llones de euros bajo el 7 Programa Marco y tiene una duracin prevista de cuatro aos. En el proyecto participan dos entidades nacionales, el Instituto Tecnolgico del Plstico AIMPLAS y la empresa Avanzare Inno-vacin Tecnolgica SL en un total de 13 empresas de siete nacionalida-des distintas. El objetivo del proyecto es la reduccin de la cantidad de plstico en un 50%, con la consiguiente reduccin de peso en piezas finales, adems de conferirle funcionalidades trmicas y elctricas. Este objetivo est previsto que se consiga mediante el desarrollo de la nueva generacin de nanocomposites reforzados con grafeno que podrn utili-zarse en los procesos de produccin masiva de piezas plsticas.

Capacidad aislante

El equipo de investigacin de Andre Geim, Rahul Nair e Irina Grigorieva de la Universidad de Manchester ha comprobado que las membranas hechas de xido de grafeno son impermeables a todos los gases y lquidos, a tratarse de un material con una densidad atmica muy alta (50 millones de tomos por centmetro).

Figura 2 5 Dos capas de grafeno podran atrapar bolsillos de disolucin en donde ocurren diversas

reacciones (Fuente: http://neofronteras.com/)


27

Curiosamente, cuando los investigadores intentaron lo mismo con el agua ordinaria, descubrieron que sta se evapora con tanta facilidad como si el recipiente estuviera destapado en vez de cubierto por la membrana de gra-feno. Los autores del trabajo opinan que el secreto del nuevo material se halla en que las hojas de xido de grafeno se colocan de tal forma que dejan espacio entre s solo para una capa de molculas de agua. Si otro tomo intenta penetrar, resulta que los capilares de grafeno les son demasiado pe-queos porque cuando no hay agua el espacio entre las hojas de grafeno se estrecha, o quedan atascados con las molculas de agua.

Propiedades pticas

Las propiedades pticas del grafeno tambin le auguran un futuro espe-ranzador en un gran nmero de aplicaciones. El grafeno es un material casi completamente transparente, ya que absorbe casi 2,3% de la in-tensidad de la luz blanca que llega a su superficie (transmitancia aprox. 97.7%). Esta propiedad, unida a la flexibilidad, ha abierto la posibilidad de fabricar circuitos flexibles y transparentes.

El grafeno presenta adems una gran transparencia a los haces de electrones, debido a su insignificante seccin eficaz de dispersin elec-trnica. Esto los convierte en soportes ideales en TEM (Microscopa Electrnica de Transmisin), dado que resultan prcticamente trans-parentes para esta tcnica. De esta manera resulta posible observar tomos individuales adsorbidos.

Figura 2 6 Fotografa en la que se ob-serva como una lmina de grafeno es prcticamente invisible (Fuente: http://

en.wikipedia.org)


28

Propiedades magnticas

El grafeno no es un material magntico, pero la modificacin de su estructura permite desarrollar nuevas capacidades magnticas. En la Universidad de Manchester, se propusieron modificar el grafeno para volver el material magntico. Los investigadores comenzaron a trabajar con el grafeno y lo salpicaron con otros tomos no magnticos, como los de flor y retiraron algunos tomos de carbono de la estructura. Los huecos que dejaron al retirar los tomos de carbono junto a los tomos que haban aadido comenzaron a comportarse de la misma manera que la estructura del hierro y, por tanto, este grafeno modificado pre-sent propiedades magnticas.

Sin embargo, los defectos introducidos en el material deben estar sepa-rados entre s lo suficiente como para que el campo magntico producido no se anule entre s y, por tanto, se eliminen las propiedades magnticas del material. De hecho, si se retiran demasiados tomos de carbono de la estructura sta se vuelve inestable.

Recientemente, investigadores del instituto Imdea-Nanociencia y las uni-versidades Autnoma y Complutense de Madrid han logrado dotar al grafeno de propiedades magnticas. Esto lo han conseguido mediante una tcnica que consiste en hacer crecer una capa de grafeno sobre un cristal metlico de rutenio dentro de una cmara de ultra alto vaco y posteriormente evaporando encima molculas orgnicas de tetraciano-p-quinodimetano (TCNQ), una sustancia gaseosa que acta como un semiconductor a bajas temperaturas.

El avance, publicado por la revista Nature Physics, abre la puerta al desarrollo de dispositivos de grafeno, capaces de multiplicar tanto la velocidad de procesamiento de la informacin como la cantidad de datos que se pueden almacenar en los dispositivos electrnicos, con aplicaciones en campos como las telecomunicaciones, la informtica, la energa y la biomedicina.

3. PRINCIPALES APLICACIONES


31

3. PRINCIPALES APLICACIONES

El grafeno tiene una amplia variedad de aplicaciones posibles. A conti-nuacin, se describen algunas de las ms interesantes.

3.1 Dispositivos electrnicos avanzados (procesadores de prxima generacin)

Debido a las propiedades electrnicas del grafeno, la industria de semiconductores tiene la intencin de construir ordenadores mu-cho ms rpidos que los actuales mediante el desarrollo de mi-croprocesadores con transistores de grafeno. El secreto de la alta velocidad consiste en desarrollar transistores ms pequeos, de forma que la distancia que deben recorrer los electrones cuando los atraviesan sea lo ms pequea posible. La velocidad con la que pueden pasar a travs de estos dispositivos tambin es muy im-portante, y el grafeno (que permite a los electrones una movilidad hasta 200 veces mayor que el silicio) parece ser el material elegido para construirlos.

Se est trabajando en la implementacin del grafeno en Transistores de Efecto de Campo (Field Effect Transistor, FET) con una velocidad de conmutacin muy elevada (algunos prototipos ya han alcanzado los 100 GHz, es decir, ms del doble de rpido que un transistor de silicio de dimensiones comparables, aunque se cree que podran alcanzar velocidades de 1.000 GHz), as como de transistores en los que el flujo de electrones es muy pequeo y est totalmente contro-lado (Single Electron Transistor, SET). Adems, como el procesado del grafeno es compatible con las tecnologas de fabricacin planar estndar usadas en micro y nanoelectrnica, debera serlo con los equipos de fabricacin de chips de las fbricas de semiconductores existentes.


32

Figura 3 1 Esquema de transistores de grafeno. Izq (Fuente: http://nanotechweb.org). Der (http://www.digitaltrends.com)

Un equipo de investigacin del Instituto Tecnolgico de Massachusetts (MIT), liderado por el espaol Toms Palacios, es uno de los primeros en el desarrollo de circuitos y dispositivos electrnicos de grafeno. Su pri-mer prototipo de transistor de grafeno de bajo coste fue presentado en la reunin anual de la Sociedad Americana de Fsica en marzo de 2009 y, desde entonces, se han producido avances importantes y promete-dores. Toms Palacios cree que todava queda mucho trabajo por hacer para mejorar el rendimiento de los circuitos y dispositivos.

Investigadores de IBM han logrado desarrollar un circuito integrado que est construido sobre una oblea de carburo de silicio y se compone de transistores FET hechos de grafeno. El circuito tambin incluye estructuras metlicas que conectan a los transistores de grafeno dentro del circuito integrado. Una de las mayores dificultades fue la integracin del transistor FET de grafeno con los dems componentes dentro del circuito, debido a que, por un lado, los metales utilizados para la construccin de otras partes del circuito (aluminio, oro, paladio, etc.) no se adhieren muy bien al grafeno, y por otro, el grafeno, siendo slo de un tomo de espesor, se daa fcilmente con los procesos estndares de grabado de semiconductores. Una de las caractersticas no-tables del modelo alcanzado es que el rendimiento del dispositivo no cambia demasiado cuando la temperatura vara entre 27C y 127C. Eso significa que un circuito integrado de grafeno no tendr que estar sobre-dimensionado para compensar los cambios de temperatura y que de este modo se lograrn circuitos sencillos de construir y, en consecuencia, econmicos.

Recientemente, Kartik Mohanram (Universidad Rice) ha usado el grafeno para crear un transistor que puede cambiar y trabajar entre tres modos


33

diferentes de operacin, lo que en los circuitos convencionales requiere tres transistores (uno por modo de operacin). Este nuevo transistor de grafeno es un dispositivo analgico, del tipo que se utiliza para las co-municaciones inalmbricas en los auriculares Bluetooth y las etiquetas de identificacin por radio frecuencia (RFID).

Este tipo de transistores configurables podra permitir el desarrollo de chips ms compactos para enviar y recibir seales inalmbricas. Unos chips que utilizarn menos transistores, manteniendo las mismas funciones podran ser ms baratos, consumir menos energa, y liberar espacio en el interior de dispositivos electrnicos porttiles como los telfonos de tipo smartphone, donde el espacio es reducido. El Departamento de Defensa de EE.UU., ya ha presentado un chip de grafeno un 55% ms potente que una versin anterior y que, de momento, es para aplicaciones militares de identificacin por RFID.

Samsung es otra empresa que se une al desarrollo de la electrnica de alta velocidad y bajo consumo. Ha construido hace relativamente poco tiempo un dispositivo denominado Barristor, capaz de conmutar a fre-cuencias cercanas al terahercio. El Barristor es bsicamente un transistor basado en una combinacin de silicio y grafeno.La empresa ha estable-cido 9 patentes sobre esta tecnologa, por lo que supone liderar el de-sarrollo de circuitos integrados que utilicen como base estos Barristores.

Figura 3 2 Detalle del Barristor (Fuente: publicado el 17 de mayo 2012 en la revista Science)


34

Apilamiento del grafeno

Se ha especulado mucho con la posibilidad de apilar lminas individua-les de grafeno entre capas de materiales aislantes para crear nuevos dispositivos electrnicos. Haba dudas de la posibilidad de hacerlo sin perder sus excelentes propiedades como conductor de electricidad y calor, debido a que, adems de que los enlaces entre capas son di-ferentes, durante el proceso de fabricacin de estas estructuras tipo sndwich es inevitable que se acumulen, entre capa y capa, otros materiales no deseados, que pueden debilitar las cualidades de la es-tructura general y empeorar su rendimiento.

El anlisis del corte transversal de una de estas estructuras ha demos-trado que el grafeno es apto para la fabricacin de nuevos componentes electrnicos en combinacin con otros materiales. Se descubri que las estructuras eran prcticamente perfectas incluso aunque se acumulasen ms de diez capas en la construccin de stas (artculo publicado en Nature Materials).

3.2 Pantallas tctiles flexibles

Dada su transparencia y buena conductividad, el grafeno se puede emplear en la fabricacin de pantallas tctiles flexibles de dispositivos electrnicos con una vida til casi ilimitada y a bajo costo.

Las investigaciones realizadas en paralelo en la Universidad de Texas (Estados Unidos) y en la Universidad de Corea del Sur, han dado como resultado la fabricacin de lminas rectangulares de grafeno con buenas propiedades de conduccin elctrica al mismo tiempo que son transpa-rentes. Actualmente, los investigadores deben demostrar que las hojas fabricadas con este material tienen una excelente calidad, aunque han surgido problemas de fracturas o discontinuidades que afectan su ren-dimiento.

Determinados centros de investigacin y empresas ya han fabricado pantallas tctiles:

En la Universidad de Groningen (Pases Bajos) se ha creado una pantalla tctil de 10 metros.

Samsung present a comienzos de 2011 unos prototipos de panta-llas Amoled flexibles, pero con un coste muy elevado.


35

Investigadores de la Universidad de Rice crean nuevas pantallas OLEDs que prometen ser irrompibles.

Recientemente, investigadores del Institut de Cincies Fotniques (ICFO) han desarrollado un dispositivo electrnico flexible y ultrasensible a la luz, que supone un nuevo paso hacia la obtencin de mviles flexibles y ordenadores que se puedan enrollar como una revista. La clave de su invento ha sido situar una capa cristalina de puntos cunticos (una nanoestructura semiconductora que confina el movimiento, en las tres direcciones espaciales, de los electrones) sobre la hoja de grafeno. De este modo, se ha podido superar el obstculo que planteaba la baja ca-pacidad de absorcin de luz que tiene el grafeno. El ICFO ha patentado el invento y est estudiando la posibilidad de crear una empresa para explotarlo comercialmente.

Este mismo dispositivo, debido a su alta sensibilidad a la luz, abre la va a crear tambin innovadores e interesantes productos de fotodeteccin, como pueden ser las cmaras de visin nocturna y detectores de mol-culas -basados en el anlisis espectroscpico de la luz que reflejan- para el diagnstico mdico o la industria farmacutica.

3.3 Generacin y almacenamiento de energa

Supercondensadores

Los fabricantes de automviles generalmente utilizan bateras de un tama-o ms grande de lo necesario para compensar la prdida de capacidad de almacenamiento de energa a lo largo del tiempo, as como el hecho

Figura 3 4 Ejemplos de dispositivos desarrollados a partir del grafeno (Fuente: http://grafeno.com/)


36

de que las bateras no pueden ser descargadas por completo sin daarlas. La solucin a estos problemas de las bateras pasa por su sustitucin por supercondensadores. Un condensador puede almacenar carga elctrica de forma viva y no gracias a reacciones qumicas. Tiene la ventaja de una carga inmediata y de aguantar un nmero de ciclos de carga ilimitado, aunque a igualdad de peso, stos slo almacenan entre un 5 y un 10% de energa que las bateras (en comparacin a las de hidruro metlico de nquel).

Actualmente, los condensadores que se han utilizado para hacer las pruebas slo han dado resultados en accesorios de computadora como son los rato-nes (la empresa Genius ha creado un ratn actualmente a la venta inalmbrico con condensador como mtodo de alimentacin nico, que es capaz de ofre-cer hasta una semana de uso con tan slo tres minutos de carga).

Esto podra cambiar a raz de fabricar condensadores basados en el gra-feno. La capacidad de un condensador depende en gran medida del rea de las placas que lo conforman, de modo que la relacin superficie/peso tiene que ser lo ms alta posible para mejorar dicha capacidad. Una capa de grafeno ocupa una superficie especfica de 2675 m2/g. El aumento de la superficie de un electrodo supercondensador aumenta la capacidad de almacenamiento debido a que una mayor cantidad de los iones en el electrolito lquido tienen acceso a l. El grafeno, como se ha visto, tiene una elevada rea superficial, pero las hojas tienden a juntar-se, bloqueando el acceso a sus superficies.

Figura 3 5 La elevada relacin superficie/peso del grafeno permitira la fabricacin de condensadores con gran capacidad de almacenamien-

to de energa (Fuente: http://spectrum.ieee.org/)


37

Existen muchos equipos de investigacin tratando de conseguir su-percondensadores basados en grafeno, pero en general, los dispo-sitivos obtenidos hasta la fecha no alcanzan los valores de capa-cidad tericos de 550 F/g (faradios por gramo). Investigadores de UCLA han desarrollado una forma de hacer que las hojas de grafeno se contraigan para que no se apilen cuando estn cerca unas de otras, haciendo ms fcil que el electrolito acceda a sus superficies. Se sigue refinando la forma y las dimensiones del grafeno para me-jorar el rendimiento final y se ha planteado desarrollar electrolitos ms baratos.

Se han desarrollado en UCLA unos electrodos supercondensadores que pueden almacenar casi tanta energa como los electrodos uti-lizados actualmente en las bateras para vehculos hbridos. stos almacenaron 85,6 Wh/kg a temperatura ambiente y 180 Wh/kg a 80C. Eso se traducira en entre 21 y 43 Wh/kg para un ultra conden-sador completo, el cual pesara ms que el electrodo solo. Esta ca-pacidad de almacenamiento del prototipo es comparable a la de las bateras de hidruros de nquel, que almacenan entre 40 y 100 Wh/kg. Los nuevos electrodos de alta energa podran permitir que los supercondensadores compitieran con estas bateras. A pesar de que an almacenan menos energa, permite su carga en segundos o mi-nutos. Adems, como no tienen que ser de gran tamao para com-

pensar la prdida de capacidad con el tiempo, podran ser ms baratos que las bateras actuales. Se siguen intentando aumentar la capacidad de este tipo de condensador con la meta de conseguir un sistema que supere a la mejor batera de iones de litio (a igualdad de peso).

Telfonos, tablets, ordenadores, co-ches elctricos, etc. podran apro-vecharse de esta tecnologa, en el sentido en que sera muy ventajoso cargar todos estos dispositivos en minutos sin estar atado a la espera de horas como ocurre en la actua-lidad.

Figura 3 6 Fotografa de una lmina de grafeno multicapa. (Fuente: http://

www.nanowerk.com)


38

Bateras

La gran rea superficial del grafeno y su gran conductividad lo postulan como posible sucesor del grafito en la fabricacin de nodos de bateras de in litio. Existen diversos grupos de investigacin que han logrado importantes mejoras en la obtencin de nuevas bateras.

Un equipo de ingenieros de la Universidad de Northwestern en Estados Uni-dos (doctor Harold Kung y su equipo de investigadores) ha creado un elec-trodo para las bateras de in de litio que permite que las bateras conserven la carga hasta diez veces ms que las actuales y que se puedan cargar diez veces ms rpido que las actuales (durara ms de una semana y se cargara en apenas 15 minutos). Se ha conseguido introducir ms iones de litio en la unidad y acelerar su movimiento alterando los materiales utilizados para fabricar la batera. La carga mxima se aument mediante la sustitucin de lminas de silicio con pequeos racimos de grafeno para aumentar la can-tidad de iones de litio que una batera puede almacenar. Una mayor rapidez en la carga del dispositivo se logr gracias a un proceso de oxidacin qumi-ca que consigui perforar orificios minsculos, de entre 20 y 40 nanmetros de ancho, en las lminas de grafeno. De este modo, se ayuda a los iones de litio a moverse y a encontrar, mucho ms rpido, un lugar para almacenarse. Se ha probado que, despus de que la batera ha sido cargada alrededor de 150 veces, pierde potencia aunque la batera sera todava cinco veces ms efectiva que las hecha de in de litio que existen en el mercado actual-mente. Actualmente, las investigaciones se han concentrado en mejorar los nodos, aunque se planea estudiar el ctodo para introducir mejoras. Se estima que las pilas que usan esta tecnologa podran estar en las tiendas en los prximos tres o cinco aos.

Un grupo de investigadores del KAIST (Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnologa de Corea del Sur) han usado papel de grafeno con un recubri-miento de litio como nodo y un ctodo de V2O5 desarrollado sobre una lmina de grafeno dando como resultado bateras flexibles con mayor densidad energtica y muchos ms ciclos de carga.

Investigadores de la empresa americana Leyden Energy ha desarrollado una variante de las bateras de in litio. El cambio estructural no es otro que la sustitucin del hexafluorofosfato de litio por un material llamado imida, que es una sal de carbono y nitrgeno que no se degrada con el agua del interior de la batera y no le afectan las altas temperaturas. Adems permite una densidad de 225 Wh/kg y una capacidad de 1.000 ciclos de carga y des-carga frente a los 140 Wh/kg y los 300 ciclos de otras bateras ms conven-


39

cionales. En la actualidad, el nico problema de la imida es que producen corrosin en el aluminio de los conductores, pero aqu es donde entra de nuevo en juego el grafeno, que cumple la misma funcin del aluminio sin inmutarse por la accin del calor ambiental o la imida. Las bateras de imida pueden ser utilizadas para productos electrnicos o desarrollar versiones ms grandes para automocin. La empresa Leyden Energy ya las est fabri-cando y se espera que el primer porttil est disponible ya en 2012.

La empresa Vorbeck, en colaboracin con la Universidad de Princeton y el Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) ha desarrollado un compuesto de Ion Litioy una mezcla de grafeno (Vor-Charge). Esta com-binacin permite a los materiales el transporte ms rpidode iones y de conduccin elctrica, mejorando el rendimiento general de las bateras.

Clulas solares

El grafeno tambin puede aportar un enfoque prometedor para la fabrica-cin de clulas solares ligeras, flexibles y baratas. Un problema que persiste y que ha ralentizado el desarrollo de dichas clulas ha sido la dificultad para encontrar los materiales apropiados para que los electrodos lleven la co-rriente desde y hacia las clulas. Actualmente, el material estndar utilizado hasta el momento para la fabricacin de los electrodos est conformado por

Figura 3 7 Batera desarrollada por Leyden Enegy. (Fuente: http://sysblog.info/)


40

indio, estao y xido, pero el indio es caro y es un material escaso, por lo que la bsqueda ha sido el de un sustituto adecuado. Tampoco ha sido fcil hacer electrodos con materiales orgnicos, y estos no pueden igualar a las clulas a pesar de su flexibilidad, transparencia y bajo coste.

El mayor obstculo para la obtencin de energa elctrica a partir de la luz con grafeno es su transparencia: absorbe slo aproximadamente el 3% de la energa de la luz y de esta manera la mayor parte de fotones pasan a travs del grafeno sin participar en la generacin de corrien-te elctrica. Cientficos de la Universidad de Manchester han logrado convertir el material en una trampa de luz al extender en su superficie diminutas cintas de oro y titanio de unos nanmetros de anchura, lo que aumenta la opacidad del material unas 20 veces. Esta estructura hace al grafeno prcticamente opaco, absorbiendo el material ms del 60% de la luz.

Recientemente, un equipo de investigacin de la Universidad de Florida, ha logrado alcanzar una eficiencia del 8,6% con una nueva clula solar, gracias un tratamiento qumico en el que se dopa al grafeno con TFSA. Se estima que si las clulas solares con grafeno alcanzaran eficiencias de conversin de un 10%, podran ser un claro competidor del silicio en el mercado de los paneles solares, siempre y cuando sus costes de pro-duccin sean mantenidos en un nivel lo bastante bajo.

Un descubrimiento ms reciente llevado a cabo por un equipo de investiga-cin del MIT (Pablo Jarillo-Herrero), ha mostrado que el grafeno tiene una res-

Figura 3 8 La celda combina una hoja de una sola capa de grafeno de alta conductivi-dad con una fina malla de nanocables metlicos. (Fuente: http://www.gizmag.com/)


41

puesta termoelctrica muy sensible a la luz. Al someter una lmina de grafeno a la luz de un lser, aparecieron dos regiones en el material con diferentes propiedades elctricas (unin pn) que, adems, provoc una diferencia de temperatura entre ambas zonas de material. Esta diferencia de temperatura en materiales ya se haba podido observar ante temperaturas extremadamen-te bajas o cuando se bombardean intensamente con un lser de alta poten-cia, sin embargo, en el caso del grafeno el fenmeno apareci a temperatura ambiente y con una luz que no era ms intensa que la luz del sol.

Este hallazgo implica que el grafeno podra utilizarse en la recoleccin de energa solar puesto que el grafeno es capaz de responder a un intervalo amplio de longi-tudes de onda (en contra-posicin a los materiales habituales que nicamente responden a longitudes de onda concretas). Tambin como fotodetector (o en sistemas de visin noctur-na) puesto que podra reac-cionar ante un intervalo de

energa bastante amplio, desde la luz visible hasta los infrarrojos, algo que no todos los fotodetectores pueden hacer.

3.4 Otras aplicaciones de inters

Fabricacin de nuevos materiales compuestos

El grafeno, as como otros muchos materiales muestran propiedades ex-traordinarias al tratarlas como entidades individuales a escala nanom-trica. Pero para que estos materiales puedan ser utilizados, es necesario poder integrarlos en estructuras tridimensionales de mayor tamao.

Muchos investigadores han visto que la adicin de grafeno para la fabricacin de materiales compuestos de matriz polimrica da como resultado componentes ms rgidos y resistentes que los compuestos de nanotubos de carbono con un peso similar. Segn los estudios realizados, el grafeno une mejor a los polmeros, lo que

Figura 3 9 Los prximos paneles solares podrn fa-bricarse con grafeno. (Fuente: http://grafeno.com/))


42

permite un acoplamiento ms eficaz del en la estructura del mate-rial compuesto. Esta propiedad podra dar lugar a la fabricacin de componentes con alta relacin resistencia - peso para usos tales como palas de los aerogeneradores o componentes de aeronaves.

Sensores

La adsorcin de molculas sobre la superficie del grafeno da lugar a un dopaje del mismo, bien generando electrones o huecos en funcin de la naturaleza del material adsorbido, y por tanto a pequeos cambios en su resistividad. Esto, unido a su elevada superficie especfica (aprox. 2.600 m2g-1), convierte al grafeno en un potencial candidato para la elaboracin de sensores de gran sensibilidad (de gases, biosensores, etc.), pudiendo llegarse a niveles de deteccin de molculas o tomos individuales.

Tambin permite desarrollar sensores para diagnosticar enfermedades, mediante la unin de molculas que son sensibles a enfermedades par-ticulares a los tomos de carbono en el grafeno.

Aplicaciones clnicas y medioambientales.

Investigadores del MIT han logrado purificar el agua de manera ms efi-ciente que los mtodos actuales (smosis inversa) mediante el uso de lminas de grafeno perforadas con agujeros de tamao preciso, a la que se le aadieron otros elementos provocando que los bordes de estas minsculas aperturas interactuasen qumicamente con las molculas de agua repelindolas o atrayndolas.

Figura 3 10 Desalinizacin mediante grafeno (Fuente: http://www.monografias.com/)


43

La smosis inversa usa membranas para filtrar la sal del agua y requie-re de presiones extremadamente altas (y por tanto del uso de energa) para hacer que el agua pase a travs de las membranas, que son unas mil veces ms gruesas que el grafeno. El nuevo sistema de grafeno funciona a una presin mucho menor, y por tanto, segn los investiga-dores, podra purificar el agua a un coste mucho ms bajo. Adems, teniendo en cuenta que el grafeno es un material tan fuerte, las lminas de ste deberan ser ms duraderas que las membranas usadas ac-tualmente en la smosis inversa. En este caso, el grafeno a emplear no tendra por qu ser tan puro como en el caso de los usos electrnicos u pticos.

La clave del nuevo proceso es el control preciso del tamao de los agujeros en la lmina de grafeno, evitando los poros demasiado gran-des por donde puede pasar la sal y los demasiado pequeos donde quedaran bloqueadas las molculas de agua. El tamao ideal es de aproximadamente un nanmetro. Precisamente en este punto se en-cuentra el mayor inconveniente de esta aplicacin ya que los mtodos actuales no permiten fabricar estructuras tan precisas de los poros a gran escala.

Se trata de una aplicacin muy interesante, tanto para el mbito civil como para el militar. La disponibilidad de agua potable es cada vez ms escasa en muchas partes del mundo, y ms en muchas de las regiones donde existen conflictos armados. Una fuente prometedora de agua po-table es el virtualmente ilimitado suministro de agua de mar del mundo, pero hasta el momento las tecnologas de desalinizacin son demasiado caras para un uso masivo.

Disipadores trmicos

A medida que los dispositivos electrnicos avanzan, la necesidad de una disipacin mejor es mucho mayor. Los actuales disipadores de alumi-nio o cobre suelen ser suficientes, pero en la universidad de Carolina del Norte, Estados Unidos, ha encontrado una manera ms eficiente de refrigerar cualquier tipo de dispositivo utilizando una aleacin de cobre y grafeno, ms eficiente (permite disipar el calor generado por cualquier circuito elctrico hasta un 25% ms rpido que un bloque de cobre puro segn las pruebas llevadas a cabo) y econmica que los productos fabri-cados con otras aleaciones ms tradicionales.


44

Avinica

Parece ser que los aditivos de combustible confeccionados con partculas minsculas de grafeno podran lograr que los aviones supersnicos vuelen an ms rpido y que sus motores diesel lleguen a contar con mejores condiciones de eficiencia y proteccin de la sustentabilidad ambiental.

Segn una nota de prensa de la Universidad de Princeton, el Pentgo-no les ha asignado tres millones de dlares para estudiar la forma en la cual nanopartculas compuestas por fragmentos de hojas moleculares de grafeno pueden incorporarse como aditivos al combustible de los aviones supersnicos. Estas partculas diminutas podran ayudar a volar ms rpido a estas aeronaves y a lograr que los motores diesel sean ms limpios y eficientes.

Entre los principales objetivos del equipo dirigido por los ingenieros de Princeton destacan la comprensin del proceso de ignicin de los com-bustibles con ayuda de nanopartculas, y la certeza sobre el tipo de par-tculas que funcionaran mejor para la construccin de los motores del futuro. Al entender mejor el proceso, se incrementarn las posibilidades de obtener una mayor eficacia en el combustible y los motores. De lo-grarse este avance, se estara eliminando una de las principales trabas para un mayor desarrollo de las aeronaves supersnicas, lo que podra dar nacimiento a una nueva generacin de motores de combustin.

Tratamientos antibacterianos

Actualmente, se estn investigando las propiedades antibacterianas del grafeno. Como ejemplo, podemos mencionar el trabajo de los de investi-gadores del Instituto de Fsica Aplicada de Shangai (China). Este equipo ha intentado crecer diversas cepas bacterianas sobre papel de xido de grafeno, y clulas humanas. Las bacterias no pudieron crecer sobre el papel, mientras que no se observ ningn efecto adverso sobre las clulas. As, dado el efecto antibacteriano del grafeno y el hecho de que puede ser producido en grandes volmenes, este material podra utili-zarse para vendajes, envases para alimentos o para fabricar prendas de vestir y calzado sin olor.

Recubrimientos

Diversos grupos de investigacin estn trabajando para desarrollar ma-teriales compuestos de grafeno para emplearlos como recubrimientos


45

para proteger los metales contra la corrosin. Cientficos de la Univer-sidad de Vanderbilt en Nashville han llevado a cabo experimentos y demostraron que un recubrimiento basado en grafeno proporcionaba la misma proteccin a la corrosin como un recubrimiento orgnico convencional cinco veces ms grueso.

No slo se est estudiando el efecto de estos recubrimientos en distintos metales, sino tambin en buscar mtodos convencionales de aplicacin, lo que simplificara la produccin y aumentara las posibilidades de mercado.

4. EL GRAFENO EN DEFENSA

49

4. EL GRAFENO EN DEFENSA

Se estima que el grafeno puede tener un impacto significativo para los sistemas de Defensa en los prximos 15 aos, a travs de los desarrollos que se puedan haber producido en muchos campos de la investigacin y el desarrollo como la electrnica, electro-ptica, materiales estructurales y de proteccin, generacin y almacenamiento de energa, materiales compuestos multifuncionales, etc. Tambin se espera que el impulso de esta tecnologa para aplicaciones que no son de defensa acelere la in-corporacin de este material en dichos sistemas.

Es importante tener muy en cuenta este ltimo punto ya que el grafeno es un claro ejemplo de una tendencia que ha venido teniendo lugar en los ltimos tiempos. A diferencia de lo que pasaba hace aos, en donde la investigacin en el sector de Defensa era uno de los principales mo-tores del desarrollo de aplicaciones civiles, actualmente sucede que, en general, las instituciones militares ya no se encuentran a la vanguardia de todos los avances cientficos y tecnolgicos que se llevan a cabo, sino que dichos avances provienen, cada vez en mayor proporcin, de la I+T que se realiza en el mbito civil. Por ello, en los prximos aos se espera que los avances ms importantes en torno al grafeno y que puedan ser de inters para la mejora de las capacidades militares provengan de las actividades de I+T y de la innovacin desarrolladas en el sector civil.

En este captulo se ofrece una visin general de los usos potenciales de los dispositivos basados en el grafeno para el sector de defensa, y de cmo estos podran mejorar las capacidades y operatividad de nuestras Fuerzas Armadas.

4.1 Aplicaciones

Dispositivos electrnicos

El desarrollo futuro de la electrnica de radio-frecuencia (RF) es de suma importancia para mejorar los sistemas cada vez ms exigentes, sobre


50

todo teniendo en cuenta la dificultad de mantener la tendencia histrica que predice la ley de Moore (segn la cual el nmero de transistores por unidad de superficie en circuitos integrados se duplica cada dos aos) con los tradicionales basados en silicio (segn el propio Moore, su ley dejar de cumplirse llegados al periodo que va desde 2017 a 2022).

El destino de los sistemas de radiofrecuencia es principalmente para co-municaciones, ya sean mviles, terrestres o por satlite. Sin embargo, las comunicaciones terrestres o por satlite (1,6, 2,5, 5,2, 23 y 28 GHz) a ms altas frecuencias o potencias, as como las correspondientes a ban-das puramente militares (banda X entre 8 y 12 GHz), son idneas para la utilizacin de una tecnologa como el grafeno, que permitira fabricar transistores ms pequeos, y as aumentar la capacidad de los circuitos integrados y, por tanto, las prestaciones de los dispositivos electrnicos.

Se espera que la fabricacin de circuitos integrados de alta frecuencia ba-sados en grafeno suponga un salto cualitativo en la capacidad actual de los dispositivos inalmbricos, debido fundamentalmente a un aumento en su rendimiento acompaado de reducciones considerables en trminos de tamao, peso y consumo. Las ventajas ofrecidas afectaran tanto a los terminales de comunicaciones del combatiente como a los integrados en distintos tipos de plataformas (radares, antenas, etc.).

Como se explicar en apartados posteriores, uno de los desafos de los transistores de grafeno es integrarlos con otros componentes en un solo

chip, lo que no se haba logrado hasta ahora, debido principalmente a una mala adherencia del grafeno con meta-les y xidos y a la falta de sistemas de fabrica-cin fiables para pro-ducir dispositivos y cir-cuitos reproducibles. Precisamente ste es uno de los objetivos del Programa CERA (Carbon Electronics for RF Applications), finan-ciado por DARPA.

Figura 4 1 Ejemplo de oblea objetivo dentro del Programa CERA (Fuente: http://nanotechweb.org/)


51

Generacin y almacenamiento de energa

El desarrollo de supercondensadores y bateras basados en grafeno per-mitira disponer de unidades de almacenamiento de energa de reducido tamao y peso, con una capacidad de almacenamiento muy superior a las actuales bateras de litio.

Esto sera fundamental para el combatiente, ya que vera muy reducida su carga, al poder disponer de unidades que podran incluso ir integradas en el propio uniforme y que generaran la energa necesaria para poder disponer de todos sus subsistemas durante las misiones que le sean en-comendadas. Esta reduccin de peso tambin sera muy importante en el desarrollo de vehculos no tripulados (UXVs), mejorando los sistemas de propulsin principal, lo que concedera una mayor autonoma o permitira disponer de una mayor carga de pago.

En lo que se refiere al resto de plataformas militares, se podran mejorar las unidades de potencia auxiliar en plataformas tripuladas de gran tamao, alimentando a su vez todos sus sistemas sin tener que conectar el motor (reduciendo as la firma trmica y acstica). Adems, se considera de gran inters desde el punto de vista logstico (menor consume de combustible) incrementar el grado de electrificacin de las plataformas, tanto en sus sistemas de propulsin como en los sistemas de armamento y auxiliares, alcanzando el concepto de plataforma completamente elctrica.

Sistemas de proteccin pasiva

Como ya se ha comentado en esta monografa, el grafeno es el mate-rial ms resistente que se conoce, por lo que ofrece un increble po-

tencial para su aplicacin en la fabricacin de materiales para el desarrollo de sistemas de proteccin pasiva ms livianos, flexibles y mucho ms efectivos que los actuales.

Ya existen investigadores que han elabora-do nuevos materiales derivados del grafeno. As, en la Universidad de Wollongong (UOW) en Australia han desarrollado un nuevo ma-terial compuesto elaborado en base a una mezcla de igual proporcin entre grafeno y nanotubos de carbono, que produce las fi-bras ms duras que se han fabricado hasta

Figura 4 2 El grafeno es el ma-terial ms resistente que existe (Fuente: http://www.monogra-

fias.com/)


52

ahora. Afirman que su resistencia supera 6 veces a la del hilo de una araa y 12 veces al kevlar y que el nuevo material podra resultar ms barato y ms fcil de hacer (por un mtodo de hilatura en hmedo). Estas nuevas fibras artificiales podran utilizarse en aplicaciones tales como los chalecos antibalas, msculos artificiales o incluso en el mbito de los microrrobots.

El equipo liderado por Ali Reza Ranjbartoreh perte-neciente a la Universidad Tecnolgica de Australia, ha presentado un innova-dor material desarrollado a base de lminas de grafi-to. El resultado son lmi-nas de grafeno del grosor del papel, que muestran un grado de resistencia en relacin al acero dos ve-ces superior.

Pantallas flexibles

Como ya se coment en apartados anteriores, la transparencia y buena conductividad del grafeno, hacen que este material se pueda emplear en la fabricacin de pantallas tctiles flexibles. Una panta-lla capaz de doblarse tendra muchas ventajas. Por un lado, seran ms ligeras y delgadas y se esperara que fueran ms duraderas que las actuales pantallas rgidas de telfonos y tabletas, ya que no usan vidrio.

Desde el punto de vista militar, el mayor beneficiario sera el propio soldado, que sera el usuario de este tipo de dispositivos que podran ir integrados en el propio uniforme, con un consumo de energa mucho menor que el de las pantallas actuales. Adems, le podra permitir una va rpida de acceder a la informacin que apareciese en la pantalla (por ejemplo, situacin en el campo de batalla, cambios de objetivo o estratgicos, etc.), sin que eso suponga prdida alguna de movilidad y operatividad del combatiente al no tener que emplear una mano para sujetar la pantalla.

Figura 4 3 En un futuro, se podran fabricar cha-lecos antibalas ligeros y flexible que incorporaran grafeno (Fuente: http://www.monografias.com/)


53

Dispositivos optrnicos

Cientficos de los centros IQFR-CSIC, ICFO y nanoGUNE han logrado atrapar y confinar luz en grafeno, convirtindolo en un candidato muy prometedor para procesar informacin ptica a escalas nanomtricas, as como deteccin ptica y optoelectrnica ultra-rpidas (esto es, una nueva plataforma para procesar informacin ptica y para deteccin ul-tra-sensible).

Esta capacidad para atrapar luz en volmenes extraordinariamente pe-queos podra dar lugar a una nueva generacin de nano-sensores con aplicaciones en diversas reas de inters para defensa como sensores de luz, bio-deteccin, etc.

Un conjunto formado por un conductor de la electricidad como es el gra-feno, junto con nanocristales ultrasensibles a la luz, podra convertirse en el nuevo material ideal para los fotodetectores, dando lugar a mltiples aplicaciones de los sistemas de visin nocturna. Podran obtenerse im-genes con mejor resolucin a partir de umbrales de luz muy por debajo que los necesarios actualmente.

Figura 4 4 Los futuros dispositivos electrnicos le permi-tirn al soldado acceder de un modo ms rpido a la in-formacin sin que ello suponga mermar sus capacidades operativas (Fuente: http://konstruarto.blogspot.com.es)


54

Sensores

Resulta muy interesante observar las nuevas aplicaciones que van sur-giendo a partir del grafeno. Una muy interesante desde el punto de vista de la seguridad y la defensa es la que se ha desarrollado en el Institu-to Politcnico Rensselaer y que muestra cmo una espuma de grafeno puede ser utilizada para la deteccin de explosivos y otros productos qumicos potencialmente peligrosos, superando a los sensores que ac-tualmente se comercializan (Este sensor de grafeno ha podido detectar amoniaco -NH3- y dixido de nitrgeno -NO2- a una concentracin que es un orden de magnitud menor que los detectores actuales.

Este descubrimiento abre la puerta a una nueva generacin de sensores de gas y qumicos, que pueden ser diseados para detectar muchos gases y especies qumicas diferentes. Los principales beneficiarios seran los artifi-cieros y el personal especializado en la deteccin de agentes qumicos.

Nuevos materiales (materiales compuestos de grafeno)

Debido a la combinacin de flexibilidad y resistencia que tiene el grafe-no, presenta unas caractersticas idneas para su aplicacin en un gran nmero de industrias como la del automvil y la aeronutica, ya que permite el desarrollo de materiales ms ligeros (en comparacin con el acero, un conjunto de lminas de grafeno del grosor del papel es seis veces ms ligero, presenta de cinco a seis veces menor densidad) y re-sistentes, dando lugar a plataformas menos pesadas, ms seguras, y que utilizan menos combustible.

Figura 4 5 El grafeno puede suponer una revolucin en la aviacin y el sector ae-roespacial (Fuente: http://www.fierasdelaingenieria.com)


55

4.2 El grafeno en la ETID

El inters que tiene el grafeno para el Ministerio de Defensa aparece reflejado en la Estrategia de Tecnologa e Innovacin para la Defensa (ETID 2010). Son muchas y variadas las metas tecnolgicas en las que el desarrollo de dispositivos y productos basados en grafeno tendran un papel importante. En este apartado, se van a destacar algunas de ellas:

Dentro del rea de Actuacin Funcional ISTAR:

MT 2.1.6 Disponer de capacidad tecnolgica en sensores y emiso-res EO (IR) para su utilizacin en aplicaciones militares y de seguri-dad muy especficas y exigentes.

MT 2.2.2 Aumentar las capacidades automticas de deteccin, lo-calizacin, reconocimiento y/o identificacin.

MT 2.2.5 Aumentar la capacidad de procesado de informacin de los sistemas actuales, avanzando en nuevas arquitecturas e intro-duciendo componentes HW ms potentes y capaces.

MT 2.3.3 Desarrollar tecnologas clave (HW y SW) que aumenten la capacidad de transmisin de datos de los sistemas SATCOM y TDL.

Dentro del rea de Actuacin Funcional PLATAFORMAS:

MT 3.2.2 Aumentar la resistencia estructural de las plataformas frente a impactos balsticos y explosiones mediante el desarrollo de nuevos materiales (blindajes pasivos ms eficaces).

MT 3.2.3 Reducir el peso de las plataformas mediante el uso de materiales ms ligeros sin prdida de prestaciones.

MT 3.3.1 Incrementar las capacidades tecnolgicas que permita mejorar los sistemas de propulsin principal de UXVs y de potencia auxiliar en plataformas tripuladas de gran tamao a travs del de-sarrollo de sistemas de generacin y/o almacenamiento de energa elctrica ms eficientes.

MT 3.3.2 Incrementar el grado de electrificacin de plataformas a travs del desarrollo tecnologas de propulsin hbrida y elctrica.

MT 3.3.4 Disminuir la dependencia de combustibles fsiles en la generacin de energa elctrica en bases y campamentos.


56

MT 3.4.5 Incrementar las capacidades tecnolgicas que permitan aumentar la seguridad y las prestaciones de las plataformas a tra-vs la integracin de sensores (sensores EO, acsticos, radar, etc.).

MT 3.4.6 Mejorar las comunicaciones de las plataformas terrestres.

MT 3.5.1 Incrementar las capacidades tecnolgicas que permitan disear cascos de ltima generacin.

MT 3.5.2 Incrementar las capacidades tecnolgicas que permitan integrar mltiples funcionalidades en superestructuras integradas en la plataforma naval.

Dentro del rea de Actuacin Funcional PROTECCION PERSONAL:

MT 4.1.1 Incrementar la capacidad tecnolgica que permita obte-ner capacidad de deteccin de IEDs a distancia o remotamente, con prestaciones operativas, y capacidad de evaluacin de siste-mas de deteccin.

MT 4.2.1 Obtener capacidad de deteccin, identificacin y monito-rizacin NBQ altamente sensible y a tiempo real a travs sistemas puntuales, remotos y standoff no invasivos.

MT 4.2.3 Obtener capacidad nacional en proteccin individual a travs de equipos de proteccin ligeros, confortables y de elevado grado de proteccin, que no supongan la reduccin de la operati-vidad del combatiente.

MT 4.3.2 Mejorar la proteccin balstica mediante la investigacin en nuevos materiales (nanoestructurados, autorreparables, bio-mimticos, exoesqueletos, tejidos multifuncin, etc.), procurando evitar los lmites impuestos a la proteccin debidos a la falta de ergonoma de dichos sistemas.

MT 4.3.3 Aumentar la capacidad en combate cercano mediante el uso de sistemas con capacidad de uso en red, sensores en todo el espectro electromagntico y la difusin de datos.

MT 4.3.4 Incrementar la capacidad tecnolgica que permita reducir la carga fsica actualmente transportada por el combatiente redu-ciendo la dependencia de bateras y aumentando la eficiencia ener-gtica de los sistemas.


57

Dentro del rea de Actuacin Funcional PROTECCION DE PLATAFOR-MAS E INSTALACIONES:

MT 5.1.1 Incrementar la capacidad tecnolgica que permita el desarrollo de sistemas ESM y ECM de no comunicaciones mo-dulares, multifuncionales, reconfigurables y multiplataforma.

MT 5.3.1 Incrementar la capacidad tecnolgica que permita el de-sarrollo de sensores y actuadores y su integracin en el sistema de autoproteccin.

Dentro del rea de Actuacin Funcional TICS:

MT 6.2.3 Incrementar la capacidad tecnolgica de desarrollo de sistemas de comunicaciones pticas no guiadas.

MT 6.2.5 Incrementar la capacidad tecnolgica de desarrollar sis-temas de comunicaciones acsticas submarinas.

MT 6.2.7 Incrementar la capacidad tecnolgica de desarrollar ante-nas inteligentes capaces de mimetizarse con las plataformas.

5. PERSPECTIVAS DEL GRAFENO

61

5. PERSPECTIVAS DEL GRAFENO

Aunque los investigadores han pasado ms de 25 aos estudiando las buenas propiedades de las formas alotrpicas del carbono como son los fulerenos, nanotubos de carbono y el grafeno, etc. siempre ha existido la dificultad de su comercializacin, ya que sta ni es rpida, ni es fcil.

Los fulerenos, que fueron descubiertos en 1985, y los nanotubos de car-bono, en 1991, hasta ahora han tenido un impacto industrial limitado. Los fulerenos an apenas han encontrado aplicaciones prcticas y aun-que la situacin de los nanotubos es mejor, son costosos de producir y difciles de controlar (la produccin a escala industrial genera una mara-a de tubos de pared nica, de pared mltiple, semiconductores y met-licos de varias longitudes y dimetros, todos con diferentes propiedades electrnicas). Estos ejemplos suponen una leccin sobre cmo de difcil puede ser la comercializacin de un nuevo material.

Parece ser que tanto la comunidad cientfica como la industrial es bas-tante ms optimista con respecto al grafeno (los procesos de fabricacin de grafeno de alta calidad dan menos problemas que, por ejemplo, la sntesis de nanotubos de carbono, cuya variabilidad y reproducibilidad no est controlada, y las lminas planas resultantes son mayores y ms fciles de manejar que los nanotubos), y prueba de ello es el rpido de-sarrollo de ciertas aplicaciones y la colaboracin existente en numerosos proyectos entre los centros de investigacin y grandes empresas.

5.1 Publicaciones y patentes

El inters entorno al grafeno, de acuerdo con las publicaciones y patentes anuales sobre l, est creciendo de un modo muy rpido. As, en 2009, el gra-feno fue tema de alrededor de 2000 artculos de investigacin y ms de 550 patentes, mientras que tan slo un ao despus, el nmero de publicaciones se situ en ms de 3000 y el de patentes se duplic superando el millar.

Datos ms recientes pertenecientes a un informe publicado por la firma consultora de patentes CambridgeIP muestra que, a finales de 2012 se


62

contabilizaron 7.351 patentes de grafeno y de aplicaciones vinculadas con l. Adems, colocan a China es el pas del mundo con ms patentes de este material (2.200), seguida por Estados Unidos (1.754).

El peso de estas patentes recae en centros de investigacin y universi-dades y en empresas (grandes y PYMEs) de un modo equitativo. Segn CambridgeIP, Samsung es la empresa con mayor nmero de patentes, con un total de 407, seguida de la estadounidense IBM con 134.

La siguiente figura muestra que los pases que mayores avances estn consiguiendo en el desarrollo de aplicaciones del grafeno son EEUU, Japn y Corea del Sur, que destacan bastante sobre el resto.

Figura 5 1 Inters creciente en el desarrollo de aplicaciones del grafeno. Las figuras muestran el aumento producido en el nmero de publicaciones (izq.) y de patentes (der.)

relacionado con grafeno. (Fuente: http://info.thomsoninnovation.com/)

Figura 5 2 Distribucin de patentes entre los pases que ms esfuer-zos invierten en el desarrollo de aplicaciones de grafeno (Fuente:

Displaybank February 2011)


63

Precisamente Corea del Sur ha invertido ms 300 millones de dlares para comercializar el material, y compaas como IBM o Samsung est probando electrnica basada en el grafeno para la fabricacin de dispo-sitivos ultra-pequeos y ultra-rpidos.

Dentro de la Unin Europea, la Comisin Europea financiar actividades para el desarrollo de aplicaciones del grafeno durante 10 aos por una cantidad total de aproximadamente 1.000 millones de euros (100 M/ao). Del mismo modo, el Reino Unido destin unos 38 millones de euros en 2011 a la construccin de un centro dedicado a su investigacin y en septiembre de 2012, aport otros 26 millones de euros ms. Pases como Dinamarca, Suecia, Alemania y Holanda ya desarrollan programas espe-cficos sobre grafeno con inversiones que rondan los 5 millones de euros.

5.2 Los retos del grafeno

Viendo el inters que ha despertado el grafeno, no slo dentro de la co-munidad cientfica, sino adems en determinados sectores industriales, podra pensarse que el grafeno debera revolucionar en muy poco tiempo el mundo tecnolgico e incluso ser una alternativa al silicio. La realidad es a da de hoy muy diferente, ya que tambin tiene algunos problemas, entre los que se destacan los siguientes:

Por un lado, una nica lmina de grafeno conduce tan bien la carga, que es difcil detener la corriente. Este problema debe resolverse si se quiere usar el material para crear dispositivos digitales, los cuales controlan el flujo de corriente como en los interruptores de encendido-apagado. Para cambiar las propiedades electrnicas de forma adecuada (creando una banda prohibida, o ruptura en los niveles de energa de los electrones, convirtindolo en un semicon-ductor) la lmina debe cortarse en finas bandas lo que an no es posible con las tecnologas comerciales.

En este sentido, ya hay estudios que proponen soluciones a este problema. En el NPL (National Physical Laboratory) del Reino Unido, los cientficos han comprobado que la luz puede utilizarse para controlar las propiedades elc-tricas del grafeno. El equipo muestra que cuando el grafeno est recubierto con polmeros sensibles a la luz, sus propiedades elctricas nicas pueden ser controladas con precisin y por lo tanto explotadas. Del mismo modo, cientficos de la universidad de Berkeley (Dr. Xiang Zhang )han ideado un dispositivo basado en grafeno que es capaz de dejar pasar la luz o no, fun-cionando as como conmutador o modulador ptico, muy compacto y muy


64

rpido. De momento han obtenido velocidades de modulacin de 1 GHz, pero esperan que se puedan alcanzar sin problemas los 500 GHz en un slo modulador. Adems, se ha conseguido que el dispositivo tenga un tamao muy compacto (unas 25 micras), por lo cual este podra llevar a otras aplica-ciones, como por ejemplo utilizarlo para crear chips pticos que utilicen la luz en lugar de la electricidad para transmitir informacin.

Recientemente, Un equipo de cientficos de los Estados Unidos, integrado por Matthew Yankowitz, Daniel Cormode y Brian LeRoy, han utilizado ni-truro de boro, un material estructuralmente similar al grafeno pero que no es conductor de la electricidad, para crear circuitos de un solo tomo de grosor. El nitruro de boro proporciona un buen soporte mecnico al grafe-no, a la vez que influye en la manera en que los electrones se desplazan por el interior del grafeno, resultado que podra servir para desarrollar una nueva forma de control del flujo elctrico en los chips de grafeno.

Por otro lado, uno de los principales impedimentos en la construccin de microprocesadores es la presin. Los materiales usados para fabri-car los transistores no slo deben tener excelentes propiedades elctri-cas, sino que tambin deben ser capaces de superar la tensin a la que se ven sometidos durante el proceso de fabricacin y al calentamiento generado por repetidas operaciones. El proceso utilizado para estampar conexiones elctricas metlicas en los microprocesadores, por ejemplo, ejerce una tensin que puede provocar el fallo de los chips.

Adems, cientficos del NIST (National Institute of Standards and Technology) en los EEUU han observado que el grafeno comienza a experimentar una reduccin en la cantidad de electrones que pue-de transportar, en el momento en que se coloca en dispositivos y entre las capas de otros materiales. Esto es debido a que las imper-fecciones producidas cuando los materiales se ponen juntos cau-san enormes valles y colinas en la superficie del grafeno, los cuales impiden la fluidez de los electrones desde una zona del grafeno a la otra. No obstante, es precisamente este obstculo lo que podra hacer que el nuevo material sea un candidato ideal para estudiar las interacciones entre los conductores elctricos y aislantes.

5.3 Podra el grafeno sustituir al silicio?

La increbles propiedades elctricas del grafeno hacen que ste sea una alternativa a materiales ms convencionales, como por ejemplo el silicio, y que est destinado a la fabricacin de semiconductores en aplicacio-


65

nes que van desde los chips de ordenadores de gran velocidad hasta los sensores bioqumicos, ya que, para misma tarea, el grafeno consume menos electricidad que el silicio.

Existe quien asegura que el grafeno sustituir completamente al silicio en la fabricacin de microprocesadores, pero la verdad es que a da de hoy, debido principalmente a los problemas planteados anteriormente, la comunidad cientfica opina que esto podra tener lugar en no menos de una dcada. Adems, es importante tener en cuenta que son muchos los recursos empleados en cuanto a personas/ao y dinero gastado en el desarrollo de la electrnica del silicio. Segn James Tour, qumico or-gnico especializado en nanotecnologa en la Universidad de Rice en Houston, Texas, pedir al grafeno que compita con el silicio es como pedirle a un nio de 10 aos que d un concierto de piano dado que ha estado dando clases de piano durante los ltimos seis aos.

En definitiva, lo ms probable es que, antes de ver un procesador construido con grafeno, se pase una fase en la que se utilicen ambos materiales, grafeno y silicio. El desarrollo de mecanismos que permitan la fabricacin de chips hbridos que integren grafeno con otros semiconductores ms tradicionales como el silicio o el nitruro de galio es importante, ya que, aunque los tran-sistores de grafeno son ms rpidos que los del silicio, no se pueden utilizar todava en microprocesadores, pues consumiran demasiada energa.

Figura 5 3 Oblea de grafeno que contiene alrededor de 75.000 dispositivos. Esquina superior derecha - imagen de un solo

chip. (Fuente: http://eetimes.com/General/PrintView/4087452).

6. EL MERCADO DEL GRAFENO

69

6. EL MERCADO DEL GRAFENO

Las excepcionales propiedades electrnicas, trmicas, mecnicas, aislan-tes que ya se han tratado en los apartados anteriores y la alta superficie especfica del grafeno y de los materiales derivados del mismo hacen de este material una tecnologa potencialmente disruptiva para muchas in-dustrias. Como se ha podido comprobar anteriormente, el nmero de pa-tentes y de publicaciones relacionadas con el grafeno han crecido mucho en los ltimos aos y se esperan grandes sumas de dinero para el desarro-llo de aplicaciones y de dispositivos basados en la tecnologa del grafeno.La siguiente figura representa una estimacin (en porcentaje) de a qu sec-tores o usuarios finales destinan las empresas de grafeno sus productos.

Figura 6 1 Consumo de grafeno (%) por usuarios finales (sectores) (Fuente: http://www.electronics.ca/publications/news/48/Applications-of-Graphene-

by-End-User-Markets.html).


70

Se puede observar que los sectores de la electrnica (tecnologa de se-miconductores), el energtico y el de la obtencin de nuevos materiales para el transporte son los mayores consumidores de grafeno en la ac-tualidad. Sectores como el de la Defensa muy posiblemente aumentarn su porcentaje en los prximos aos, aprovechndose de los desarrollos generados en los sectores mencionados anteriormente y una vez que la tecnologa del grafeno adquiera mayor madurez.

Segn algunos estudios de mercado realizados (BCC Research Gra-phene: Technologies, Applications, and Markets y Research and Mar-kets Global Graphene Market-Analyst View), se espera que las primeras ventas significantes desde un punto de vista comercial de productos de grafeno tengan lugar antes de 2015, cuando la cuota global del mercado alcance los 48 millones . El factor impulsor clave del mercado ser la demanda por parte de la industria de los semiconductores. Segn di-chos estudios, ser a partir de entonces cuando este mercado sufra un gran crecimiento, pudiendo llegar a crecer hasta los 480 millones para el ao 2020 (ms de un 50% de crecimiento anual entre 2015 y 2020).

Por poner cifras, se muestra una grfica con el crecimiento de mercado esperado en algunos de los sectores en los que la aplicacin de grafeno puede tener mayor impacto.

Figura 6 2 Estimacin del mercado global de productos basados en grafeno para los prximos aos.


71

En 2015, se estima que los materiales estructurales representarn aproximadamente el 25% del mercado (unos 10 millones ). Este sector se espera que aumente para llegar a 65 millones para el ao 2020.

Dentro del sector de la energa, los supercondensadores tendrn un im-pacto muy destacable en el mercado, ya que se ha estimado que ocupa-rn aproximadamente la mitad del mercado de las tecnologas de grafe-no para el ao 2020. Por otro lado, las clulas fotovoltaicas basadas en grafeno presentarn un crecimiento ms comedido: de 5 millones en 2015 a 25 millones en 2020.

Se piensa que la cuota de mercado de las pantallas fabricadas con grafeno comenzar a mostrar cifras significativas en 2020 (aproxima-damente 35 millones ). Por otro lado, parece ser que el mercado de los disipadores de calor basados en carbono mostrar su mayor crecimiento hasta 2015 (10 millones ) alcanzando los 15 millones en 2020.

Con respecto a las otras aplicaciones, entre las que se incluyen todo lo relativo a la industria de los semiconductores, sensores, etc. se estima que tendrn un mayor auge a partir de 2015, logrando alcanzar en 2020 un mercado global de aproximadamente los 100 millones .

6.1 La situacin del mercado en Espaa

Espaa ha logrado alcanzar una posicin de privilegio a nivel empre-sarial en el mercado del grafeno, tanto en I+D como a nivel de pro-duccin de este material. Dispone de un nutrido grupo de empresas, centros tecnolgicos y universidades que trabajan en el desarrollo de aplicaciones del grafeno y en la mejora de los procesos de pro-duccin.

Espaa es a da de hoy el primer exportador de grafeno de Europa, es-pecialmente al mercado asitico. Gran culpa de ello la tienen empresas como son Avanzare, Graphenea, Grupo Antoln y Graphenano con dos firmas estadounidenses y una britnica como principales competidores. De momento, son muy pocas las empresas dedicadas a la produccin de grafeno en todo el mundo.


72

La empresa Avanzare Innovacin Tecnolgica, S.L est situada en La Rioja y es la primera firma espaola con mayor capacidad de fabricacin de grafeno de Europa. Se espera superar las 30 toneladas de material este ao y tiene acuerdos de distribucin en varios pases. En la feria Nanotech 2009 de Tokio (Japn) present un nuevo mtodo que ha per-mitido la produccin industrial del grafeno (anteriormente a esta fecha, slo se produca a escala de laboratorio).

Graphenea es una empresa con sede en el centro de investigacin CIC Nanogune de San Sebastin. Es pionera en la fabricacin de lminas de grafeno de alta pureza y calidad. Su capacidad actual de produccin es de aproximadamente 2.000 obleas al ao, aunque se espera poder au-mentar sta (hasta 200.000 en un plazo de tres o cuatro aos) para poder atender las demandas del mercado.

Grupo Antoln tambin ha logrado posicionarse como referente mundial y europeo en la fabricacin de grafeno de alta calidad. En Burgos, ms concretamente en el Centro I+D+i de Villafra y en una planta piloto cons-truida en este complejo, la empresa ha desarrollado un novedoso pro-ceso que permite obtener industrialmente este material a partir de las

Figura 6 3 Entidades nacionales que trabajan en el desarrollo de aplicaciones del grafeno y en la mejora de los procesos de produccin (ao 2010) (Fuente:

presentaciones Industrial Day sobre grafeno mayo 2011).


73

nanofibras de carbono. Esta innovacin ha llevado a la creacin de la marca Granph Nanotech, que comercializa desde Burgos grafeno enva-sado en frascos a centros de investigacin, laboratorios de universida-des y compaas especializadas de todo el mundo.

Graphenano es una empresa con capital espaol y alemn situada en Alicante, capaz de producir grafeno a nivel industrial. Su sistema de pro-duccin de grafeno a partir de dixido de carbono ha situado a la em-presa en el punto de mira de grandes multinacionales. Puede producir kilmetros de lminas de grafeno, toneladas de polvo y piezas tridimen-sionales (cables), a un precio muy competitivo (aproximadamente 200 por un kilo de grafeno en polvo).

Aunque el sector del grafeno es muy pequeo an, ste est creciendo rpidamente. El hecho de que Espaa sea un referente dentro de este sector podra tener un efecto muy positivo en la economa del pas, ya que empresas como las citadas anteriormente ejercen un efecto multi-plicador ya que generan y atraen ms inversiones y son el germen de nuevas empresas en sectores como la nanotecnologa.

Segn el MINECO (anteriormente MICINN), el anlisis de los proyectos financiados entre los aos 2008-2010, desvela una financiacin de 7,8 millones de en 67 proyectos relacionados con grafeno.

6.2 La situacin del mercado en Europa

Desde que se present el grafeno, la UE ha apoyado la investigacin sobre el mismo mediante la financiacin de proyectos y la formacin de investigadores. El liderazgo cientfico de los europeos es un hecho indiscutible gracias a su labor de investigacin en las fronteras del cono-cimiento sobre dominios tan variados como la ingeniera y la ciencia de los materiales.

En Europa, existen aproximadamente 500 grupos y entidades registra-dos que trabaja en el desarrollo del grafeno y de sus aplicaciones, tal y como se pueden apreciar en las siguientes figuras. Dado el nivel de desarrollo en el que se encuentra el grafeno, es lgico que la mayor can-tidad de entidades sean grupos dentro de las universidades y centros de investigacin. Espaa, como ya se ha comentado anteriormente, cuenta con una gran capacidad investigadora en este sector, y se encuentra a la cabeza en Europa, junto con naciones como Francia, Alemania y Reino Unido.


74

Existen algunas iniciativas europeas relacionadas con el desarrollo de aplicaciones del grafeno:

Figura 6 4 Entidades relacionadas con la investigacin y desarrollo del grafeno conta-bilizados en Europa (ao 2010) (Fuente: presentaciones Industrial Day sobre grafeno

mayo 2011).

Figura 6 5 Relacin entre el nmero de entidades / aplicacin basada en el grafeno en Europa (ao 2010)- (Fuente: presentaciones Industrial Day sobre grafeno mayo

2011).


75

Tecnologas Futuras y Emergentes (FET)

La Comisin Europea seleccion en enero de 2013 a los dos proyectos ganadores del concurso europeo de Tecnologas Futuras y Emergentes (FET). El proyecto Graphene Science and technology for ICT and be-yond ha sido una de las propuestas seleccionadas por la CE y obtendr una financiacin de 1.000 millones de euros en diez aos para la investi-gacin y desarrollo del grafeno y de sus aplicaciones. El plan de accin de GRAPHENE dar comienzo en 2013.

El proyecto est liderado por el profesor Jari Kinaret, de la Universidad de Chalmers, en Suecia, y participa un amplio colectivo de cientficos eu-ropeos interdisciplinarios formado por ms de 130 grupos de investiga-cin. Este proyecto ejercer como una incubadora sostenible de nuevas ramas de aplicaciones basadas en el grafeno. Tambin se asegurar de que empresas europeas desempeen una funcin primordial en el gran cambio tecnolgico que se producir durante los prximos diez aos. Se puede encontrar informacin ms detallada en la pgina web:

http://www.graphene-flagship.eu/GF/index.php

EuroGRAPHENE

EuroGRAPHENE es un programa de cuatro aos de duracin, que apoya la cooperacin a escala europea para profundizar en la comprensin de las propiedades fsicas del grafeno, ampliar la investigacin en nuevas reas de modificacin qumica del material, la bsqueda de nuevos m-todos de obtencin, el estudio de sus propiedades electrnicas, mecni-cas y electromecnicas, efectos optoelectrnicos y modelar dispositivos basados en el grafeno para las aplicaciones funcionales.

La iniciativa EuroGRAPHENE supone un marco colaborativo que reuni-r a tcnicos, tericos y experimentalistas en consorcios formados por grandes, pequeas y medianas empresas y grupos de investigacin eu-ropeos que son lderes a nivel global, con el objetivo de acelerar el ritmo de la investigacin europea en el grafeno y sus aplicaciones.

Se puede encontrar ms informacin sobre el Programa EuroGRAPHE-NE en la pgina web:

http://www.esf.org/activities/eurocores/running-programmes/eurogra-phene.html

7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

79

7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Se ha definido al grafeno por parte de la comunidad cientfica como el material que revolucionar el futuro, provocando desde importantes cambios en la industria de la telefona mvil, las telecomunicaciones o la fabricacin de chips, hasta la forma de elaborar frmacos contra el cncer. Sus magnficas propiedades han movilizado a industria e investi-gadores para obtener aplicaciones y nuevos productos basados en este material.

El inters para los sectores de la Defensa y la Seguridad en el grafeno tambin es alto, por todas sus posibles aplicaciones y potencial mejora de capacidades del combatiente, plataformas, sistemas de comunica-cin, etc.

Segn diversos analistas, el mercado del grafeno crecer mucho duran-te los prximos 10 aos en diversos sectores como el de la electrnica, el energtico, el transporte, etc. Europa ha apostado fuertemente en el desarrollo de esta tecnologa y por ello invertir ms de 1.000 M en su estudio y desarrollo de aplicaciones en los prximos 10 aos (Programa Graphene Flagship). Por lo tanto, se puede afirmar que habr continui-dad en los trabajos para el desarrollo del grafeno durante, al menos, los prximos 10 aos.

El grafeno es un material muy joven, y muchos expertos opinan que no habr productos comerciales basados en grafeno (siendo optimistas) hasta 2020. Son muchos los campos de aplicacin de este material y, por lo tanto, son muc

Documents

grafeno