En el 2004 se logró el aislamiento de grafeno, hallazgo que condujo a la obtención del premio nobel de física en el año 2010 a los científicos Konstantin Novoselov y Andrew Geim responsables de su descubrimiento; La IUPAC define al grafeno como un hidrocarburo aromático policíclico infinitamente alternante de anillos de sólo seis átomos de carbono.

Con sede en el Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA), el Laboratorio Nacional de Materiales Grafénicos (LNMG) cuenta con el Centro de Investigaciones en Óptica, A.C. (CIO), el Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico en Electroquímica, S.C. (CIDETEQ) y el Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S.C. (CIMAV) como centros asociados. El LNMG fue creado en el año 2014 por el CIQA y CIMAV, habiéndose incorporado los otros centros a partir del año 2016. El laboratorio tiene dos grandes propósitos, desarrollar tecnologías para la fabricación de materiales basados en estructuras de grafeno y derivados de éste y, generar diseños y métodos de manufactura de dispositivos y materiales avanzados para fabricarlos.

Dada la naturaleza de la investigación llevada a cabo por los grupos de trabajo de las instituciones que conforman el LNMG, éste se ajusta mejor a la clasificación de Laboratorio Nacional CONAHCYT con incidencia en investigación humanística y científica. Si bien es cierto que se pretende crear desarrollos tecnológicos que puedan ser utilizados por industrias, los trabajos realizados están, por el momento, dentro de la definición de investigación básica, experimentación científica e identificación de problemas en entornos concretos. El estudio del grafeno y sus derivados, más que de ciencia básica, debe considerarse un tema de frontera de la ciencia. En el 2004 se logró el aislamiento de grafeno, hallazgo que condujo a un premio nobel de física en el año 2010 a los dos científicos responsables de su descubrimiento; es decir, esta área es un tema de investigación, con potenciales aplicaciones tecnológicas, que apenas está iniciando en la escala internacional

Relacionado a la meta de desarrollo de métodos industrialmente escalables de grafeno y sus derivados, el LNMG cuenta con procesos de manufactura capaces de producir nanoplaquetas de grafeno prístino, sin oxidar, con bajo número de capas de grafeno apiladas. Igualmente, dentro de su conocimiento, cuenta con métodos de fabricación de óxido de grafito (GtO) altamente oxidado y de óxidos de grafito con muy bajo grado de oxidación y deterioro de las láminas grafénicas que posibilitan su fácil exfoliación a materiales de grafeno de bajo número de capas y diferentes tamaños. Estas tecnologías se han ampliado para incorporar métodos preparativos de diversos derivados funcionalizados covalentemente con una variedad de materiales orgánicos y la decoración de los materiales de grafeno con una diversidad de nanopartículas de metales nobles y de transición y algunos óxidos de los mismos.

Contar con tecnologías escalables de manufactura de grafeno, óxido de grafeno y materiales compuestos basados en ellos ha permitido su utilización en aplicaciones como la fabricación de baterías y capacitores; tintas conductoras para circuitos flexibles; electrodos transparentes; transistores; sensores y biosensores; membranas de purificación de agua, líquidos y gases; materiales de uso biomédico entre otras aplicaciones. El despliegue comercial de los materiales desarrollados para esos usos, y los dispositivos basados en ellos, tendrá un impacto social positivo pues permitirá mejorar los sistemas de tratamiento médico, de generación y almacenamiento de energía, de mejora medioambiental, entre otros.

La elaboración de materiales compuestos de grafeno con nanopartículas metálicas destaca entre los procedimientos de manufactura desarrollados en el LNMG. Con estos compuestos se han fabricado sensores electroquímicos con alta sensibilidad y selectividad de detección de moléculas de interés biológico para la determinación y control de enfermedades importantes para el sistema de salud del país. Con estos sensores se pueden determinar peróxido de hidrógeno, glucosa, ácido úrico, creatinina, urea, glifosato, bacterias y virus. Dos de las enfermedades de mayor impacto negativo sobre la salud de los mexicanos –y en general de la población del mundo - son la diabetes y la gota/hiperuricemia. El tratamiento de ambas enfermedades se beneficia con la determinación de los contenidos de glucosa, ácido úrico y creatinina en fluidos corporales.

Asimismo, considerando que la enorme demanda de energía y el agotamiento simultáneo de los combustibles fósiles ha evidenciado la necesidad de sustituir la generación de electricidad vía el uso de fuentes alternativas de energías limpias e idealmente inagotables, se ha logrado la manufactura de celdas solares orgánicas (OSCs), celdas solares de perovskita (PSCs) y diodos orgánicos electroluminiscentes (OLEDs) con altas eficiencias; las diferentes capas estructurales de los materiales de las celdas están constituidos de derivados grafénicos, lo cual ayuda a la disminución de los efectos negativos del cambio climático generando fuentes alternativas de energía renovables y limpias.

Al igual que la generación de energía, se investiga el diseño y manufactura de materiales de almacenamiento de energía con objetivos como el desarrollo de materiales con gran área electroactiva, desarrollo de baterías Zn-aire primarias y recargables, dopado de los materiales con N, S y P, mejora de densidades de energía y densidades de potencia, así como funcionamiento estable después de la recarga mecánica. Con el desarrollo de materiales grafénicos, se amplían las investigaciones sobre baterías Zn-aire que, a diferencia de las de ion-litio, emplea materiales ampliamente disponibles y que toman en cuenta ciclos de vida, impacto ambiental y reciclaje. El uso de estos materiales fortalecerá el desarrollo y mejora de sistemas de transporte no contaminantes y aumentará la utilidad de diversos dispositivos móviles como teléfonos celulares, computadoras y otros.

Atendiendo una política general de apoyo a la sociedad, las cuatro instituciones participantes en el LNMG utilizan diversos instrumentos de vinculación con los sectores académico, gubernamental, industrial y social, siguiendo las políticas generales de los centros a los que pertenece. En este sentido, los centros se vinculan con los diferentes sectores a través de convenios generales de colaboración, acuerdos específicos de colaboración, acuerdos de prestación de servicios, cartas de intención y otros instrumentos jurídicos. Mientras que la vinculación con el sector industrial generalmente se hace a través de acuerdos de prestación de servicios, la relación con los otros sectores se establece a través de las diferentes herramientas enumeradas. Los investigadores realizan actividades de investigación de manera independiente o en colaboración con colegas nacionales o internacionales, generando nexos de trabajo para realizar tareas de desarrollo científico y/o tecnológico dentro de proyectos específicos, sin mediar para ello acuerdos formales de colaboración. En el anterior sentido, los investigadores del LNMG son parte de una red extensa de colaboración y apoyo mutuo cuyo objetivo es el de consolidar el desarrollo científico y avanzar la frontera de la ciencia de sus respectivas disciplinas donde puede mencionarse la colaboración con 35 instituciones, 29 nacionales y 8 extranjeras.

* Autores:

Dr. Uriel Alejandro Sierra Gómez, Dr. Salvador Fernández Tavizón, Dra. Maiby Valle Orta, Dr. Edgar Cuara Díaz e Ing. Jesús Alfonso Mercado Silva.

Centro de Investigación en Química Aplicada

*lab_grafeno@ciqa.edu.mx

www.lnmg.mx