OXIDO DE GRAFENO:

una alternativa prometedora en la nanotecnología

Desde que el grafeno fue aislado por primera vez en 2004 por el grupo de Manchester, este nanomaterial ha mostrado ser el más revolucionario para el desarrollo de nuevas aplicaciones a nivel industrial.

El grafeno posee extraordinarias propiedades eléctricas, ópticas, térmicas y una elevada resistencia mecánica. Las propiedades del grafeno son atribuidas a su estructura en forma de láminas bidimensionales (2D), formada por átomos de carbono enlazados de manera hexagonal y un espesor de un átomo de carbono.

En la actualidad existen diferentes métodos de producción de grafeno, estos se pueden clasificar en dos métodos, de acuerdo con su procedencia, el método “bottom-up” y el método “top down”. El método “bottom-Up”, consiste en la creación de estructuras de grafeno a través de bloques de construcción (átomos, moléculas), por ejemplo, mediante Deposición Química de Vapor (CVD); y el método de “top down”, involucra la producción del grafeno, a partir de la oxidación del grafito. El grafito está formado de láminas de grafeno que se encuentran apiladas unas con otras. En el siguiente diagrama, se representa el proceso de obtención del grafeno a partir de la oxidación del grafito.

***Diagrama esquemático del proceso de obtención del GO, mediante la oxidación de grafito.***

El proceso de oxidación del grafito, inicia con la adición de grafito en ácido sulfúrico (H₂SO₄), con agitación mecánica constante. Posteriormente, se añade lentamente permanganato de potasio (KMnO₄), produciendo una reacción química que permite que el grafito (láminas de grafeno apiladas unas sobre otras) sea modificado químicamente en su estructura. Cuando el KMnO₄reacciona con el H₂SO₄, forma óxido de manganeso VII (Mn₂O₇), el cual es un agente oxidante muy selectivo sobre compuestos aromáticos doble enlace, como es el grafito. El agente oxidante ataca molecularmente la estructura de cada lámina de grafeno en el grafito, injertando grupos funcionales oxigenados (con oxigeno), como grupos epóxidos (C-O-C) e hidroxilos (-OH), sobre cada lámina, y grupos carboxilos (-COOH, CO₂H) en las orillas de cada lámina, obteniendo óxido de grafito y óxido de grafeno (GO), ver Figura 1.

***Figura 1. Estructura del óxido de grafeno***

La incorporación de grupos funcionales oxigenados permite que un material como el grafito, altamente hidrofóbico (que repele el agua) y buen conductor eléctrico, pase hacer óxido de grafito y óxido de grafeno (GO), materiales altamente hidrofílicos, esto es se mezcan y dispersan facilmente con el agua (Ver Figura 2). El GO es químicamente similar al óxido de grafito, pero estructuralmente se diferencia por el arreglo y número láminas apiladas.

***Figura 2. (a y b) Comportamiento en agua del grafito y óxido de grafeno (GO), c) Lámina de GO, Microscopia electrónica de transmisión (TEM).***

El GO se puede definir como una sola lámina de grafeno exfoliada o pila de pocas láminas (3-4) que esta funcionalizada con distintos grupos oxigenados. Entre sus principales características se encuentra que es hidrofílico, aislante e higroscópico (absorbe humedad). Por otra parte, las láminas de óxido de grafeno poseen una gran área superficial y exhiben alta resistencia mecánica y flexibilidad.

Aplicaciones

El óxido de grafeno ha atraído un gran interés en varios campos de la ciencia y la tecnología, debido a sus notables propiedades mecánicas, químicas, térmicas, entre otras. Por lo que numerosas investigaciones comenzaron, para aprovechar las propiedades del óxido de grafeno.

En el 2011, surgieron las primeras investigaciones del uso del GO como precursor en la producción a gran escala de grafeno, para uso como material de carga/refuerzo/ en matrices poliméricas, como el polietileno de alta densidad (HDPE) y el polietileno de baja densidad ( LDPE).

Para el 2014, el GO fue considerado factible para su uso como agente retardante a la flama. Actualmente aun siguen las investigaciones para funcionalizarlo con diferentes materiales poliméricos.

En el 2017, iniciaron los primeros reportes, de la fabricación de membranas a base de GO, ya que es impermeable a gases y líquidos, mostrando su capacidad para filtrar partículas pequeñas, moléculas orgánicas e incluso su uso para la desalinización del agua de mar.

En 2018, Energeia-Graphenemex inicio investigaciones sobre el óxido de grafeno como nuevo aditivo para la producción de recubrimientos anticorrosivos y antimicrobianos. Para el 2019, incrementaron estudios del óxido de grafeno en recubrimientos con comportamiento antibacteriano, asociado a que el GO, es capaz de penetrar la membrana celular de las bacterias produciendo estrés oxidativo e inhibiendo su reproducción.

En particular la funcionalización del GO, permite que sea aplicable en sistemas biológicos, desarrollo de biosensores para la identificación de moléculas específicas, sistemas de liberación de fármacos, entre otros.

Energeia – Graphenemex®, empresa mexicana lider en América Latina en investigación y producción de materiales grafénicos para el desarrollo de aplicaciones a nivel industrial. Tiene amplia experiencia en la producción de óxido de grafeno (GO) a gran escala, con diferentes grados de oxidación y alta calidad para su uso en diferentes aplicaciones e industrias. Actualemente, utiliza el óxido de grafeno en la producción de aditivos para concreto y recubrimientos anticorrosivos y antimicrobianos que se comercializan bajo la marca Graphenergy.

Referencias

M. Fang, K. Wang, H. Lu, Y. Yang y S. Nutt, «Covalent polymer functionalization of graphene nanosheets and mechanical properties of composites,» Journal of Materials Chemistry, vol. 19, pp. 7098-7105, 2009.
B. Dittrich, K.-a. Wartig, R. Mülhaupt y B. Schartel, «Flame-Retardancy Properties of Intumescent Ammonium Poly(Phosphate) and Mineral Filler Magnesium Hydroxide in Combination with Graphene,» Polymers, vol. 6, pp. 2875-2895, 2014.
Y.-j. Wan, L.-x. Gong, L.-c. Tang, L.-b. Wu y J.-x. Jiang, «Mechanical properties of epoxy composites filled with silane-functionalized graphene oxide,» COMPOSITES PART A, vol. 64, pp. 79-89, 2014.
J. Wang, C. Xu, H. Hu, L. Wan, R. Chen, H. Zheng, F. Liu, M. Zhang, X. Shang y X. Wang, «Synthesis , mechanical , and barrier properties of LDPE / Graphene nanocomposites using vinyl triethoxysilane as a coupling agent,» J. Nanopart Res, vol. 13, pp. 869-878, 2011.

avances y desarrollos en la última década

El Grafeno es el nanomaterial más revolucionario del siglo XXI y es considerado como el pilar básico para la nanoquímica del carbono, es decir, del elemento principal de todos los compuestos orgánicos.

Su versatilidad deriva de su estructura en forma de láminas bidimensionales (2D), compuestas por átomos de carbono enlazados de manera hexagonal y su importancia radica en las extraordinarias propiedades que se le atribuyen y que se han concebido como la solución de innumerables necesidades sociales, ambientales, científicas, tecnológicas y por supuesto, económicas.

Lámina de Grafeno. Microscopía electrónica de Transimisión de Alta Resolución.
Acervo Energeia – Graphenemex

El Grafeno permite modificar la materia para diseñar compuestos con características nuevas o mejoradas, ya que trasfiere sus propiedades a los materiales a los que se incorpora. Esto ha permito que se utilice en el desarrollo de aplicaciones que buscan potencializar dichas propiedades como se muestra en la imagen siguiente.

Evolución- El Grafeno fue aislado por primera vez en 2004 por los investigadores rusos Andre Geim y Konstantin Novoselov de la Universidad de Manchester; posteriormente y gracias a sus experimentos, en 2010 fueron distinguidos con el premio Nobel de Física, al ser considerado como uno de los descubrimientos más importantes del siglo.

Tan importante fue el hallazgo que, en 2013 la Unión Europea (UE) otorgó un presupuesto de mil millones de euros para crear el Graphene Flagship, un ambicioso proyecto con vigencia de diez años con el objetivo de vincular a la academia con la industria, no solo para comprender sus propiedades de manera teórica, sino para explotar al máximo sus beneficios en aplicaciones o productos reales.

A partir de ese momento fue tan rápido el avance de las investigaciones y cada vez más altas las expectativas que, en 2017 surgió la primera edición de la norma ISO/TS 80004-13:2017 (Ratificada por la Asociación Española de Normalización en octubre de 2020) para la normalización y estandarización de la Nanotecnología en nuevos materiales, incluido el Grafeno.

En el mismo 2020, un grupo de 70 investigadores miembros del Graphene Flagship, publicó el primer manual con más de 500 páginas sobre inumerables tipos de Grafeno. Para 2021 dentro del organismo se registraron alrededor de 50 “spin- offs” y “startups” con distintas visiones, logrando que en 2022 la posibilidad de tener un mayor número de aplicaciones con Grafeno o materiales grafénicos a costos más asequibles sea una realidad.

En 2021 nuevamente la UE a través del Instituto Federal de Investigación y Ensayo de Materiales (BAM) con el nuevo proyecto ISO-G-SCoPe, se puso como objetivo normalizar los métodos para trasladar el Grafeno a la industria, esto como resultado de la inexistencia de estándares de producción y de calidad, a la vez que, mediante el Proyecto Versalles sobre Materiales Avanzados y Normas, bajo la dirección de BAM busca validar los procesos en una prueba mundial para convertirlos en normas.

Energeia Graphenemex® es la empresa mexicana pionera en América Latina enfocada en la investigación y producción de materiales grafénicos para el desarrollo de aplicaciones a nivel industrial. Entre sus fortalezas está la creación de métodos y procesos patentados para la producción replicable y a gran escala que asegura la disponibilidad de los materiales grafénicos adecuados en conformidad con los requerimientos de las aplicaciones que desarrolla, ya sea para productos propios o, como aliado estratégico de otras compañías interesadas en innovar y mejorar sus productos con estos materiales.