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Salvador Fernández Tavisón*
Con la estructuración del conocimiento científico y la fabricación y perfeccionamiento de equipos de observación, empezando con el microscopio de los Janssen (1590) y el telescopio de Galileo (1609), poco a poco podemos ver y comprender objetos cada vez más pequeños o cada vez más lejanos. En el ámbito de lo muy pequeño, con los avances acumulados en los últimos cincuenta años, hoy por hoy es posible estudiar estructuras y formas con dimensiones un millón de veces menores a un milímetro, en la escala de nanómetros (nm). Esta capacidad de observación abrió paso a nanotecnologías que posibilitan desarrollos sustentados en el uso de materiales de esas dimensiones o nanomateriales.
Entre los nanomateriales que ha recibido mayor atención y suscitado mayor interés son aquellos de dos dimensiones. Hasta el año 2004, estos se consideraban inestables e imposibles de aislar. En esa fecha los científicos André Geim, Konstantin Novoselov reportaron el aislamiento del grafeno, un material con el grosor de un átomo de carbón unido a miles más a través de dobles enlaces que forman anillos de benceno dispuestos en una red continua de láminas, similares a las celdas de un panal de abejas. Sin estrictamente serlo, reciben el nombre de bidimensionales por la gran diferencia de tamaño entre el grosor atómico de la lámina (0.33 nm) y la longitud y ancho de ésta. Comúnmente cientos o miles de veces más grande. El grafeno mostró tener propiedades fuera de lo común, entre ellas su gran conductividad eléctrica, superior a la del cobre, hasta entonces el mejor conductor conocido. Con el tiempo se ha demostrado que es un material más resistente que el acero y el mejor conductor de calor conocido, entre otros atributos. Así, Geim y Novoselov no solo demostraron la estabilidad del primer material bidimensional aislado, sino que mostraron la primera de sus múltiples características excepcionales; este mismo grupo continuó aislando nuevos materiales de dos dimensionas, todos con mejores propiedades que muchos de los materiales conocidos en ese entonces, iniciando una nueva área del conocimiento, la de los materiales 2D.
Si bien a partir de este año se acepta la existencia y estabilidad de los materiales 2D, éstos no son nuevos. Hace 180 años, en los inicios de la química orgánica, Berzelius describió la pirólisis de una mezcla de cloruro de amonio y tiocianato de potasio y la obtención de un polvo amarillo, amorfo e insoluble, a quien Liebig le dio el nombre de Melon sin poder determinar su estructura, aunque sí aproximar su constitución a la de tres átomos de carbono por cada cuatro átomos de nitrógeno. La comprobación de que éste se trataba de un producto formado por láminas apiladas de materiales poliméricos, tuvo que esperar hasta los años treinta del pasado siglo. Durante los años 80 se retomó el estudio de los nitruros, ahora representados por la fórmula gC3N4, desarrollándose alternativas de preparación en las que se utiliza el tratamiento térmico de urea, entre otros precursores, materia prima que tiene la ventaja de su facilidad de manejo y su amplia asequibilidad ya que se usa como un fertilizante agrícola.
Los métodos preparativos simples y los mejores equipos analíticos actuales han posibilitado comprobar la naturaleza bidimensional de los nitruros de carbono grafíticos y determinar que los átomos de carbono y nitrógeno están unidos por medio de dobles enlaces conjugados que constituyen una nube electrónica, parecida a la del grafeno.
En contraste con el grafeno, que es un excelente conductor de electricidad, los nitruros de carbono tienen un carácter semiconductor, comportamiento que propició estudios buscando sustituir los semiconductores metálicos más comunes. En el año 2009 se publicó que los nitruros de carbono podían emplearse como catalizadores para la generación de hidrógeno a partir de agua por irradiación con luz visible.
A partir de entonces se han multiplicado los esfuerzos de investigación, encontrando nuevas aplicaciones para los nitruros. Se proyecta que en un futuro próximo se tendrán sistemas operativos de generación de combustibles a partir de agua, la conversión de dióxido de carbono a combustibles fósiles, la remoción de contaminantes orgánicos del agua, desinfección bacterial y síntesis de algunos productos orgánicos, entre otros. Estos resultados permiten visualizar un futuro más promisorio en el que seremos capaces de emular los procesos fotosintéticos de las plantas y proveernos, con ayuda de la luz visible, de fuentes inagotables de energía no contaminante, empleando para ello dos de los elementos de mayor abundancia en la corteza terrestre, el nitrógeno y el carbón.
El Laboratorio Nacional de Materiales Grafénicos (LNMG), fundado en el Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA) con apoyo del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, se fundó en el año 2014. Actualmente en él trabajan investigadores de dos centros CONACYT más, el CIO y el CIDETEQ. Conjuntamente las tres instituciones investigan el desarrollo de dispositivos para generar energía y los procesos de manufactura de materiales bidimensionales que se utilicen como materias primas para fabricarlos. Desde el inicio del LNMG, el CIQA dedicó esfuerzos para desarrollar procesos de fabricación de grafenos a partir de grafito y recientemente al estudio de métodos de fabricación de nitruros de carbono y su uso en la manufactura de dispositivos de detección de moléculas de interés biológico (biosensores) y de supercapacitores para almacenamiento de energía eléctrica mientras que en el CIO se estudia la fabricación de celdas generadoras de energía por captación de irradiación solar y en el CIDETEQ electrodos basados en grafeno.
El nuevo proceso de síntesis de nitruros de carbono desarrollado en el LNMG es sustancialmente más eficiente que los reportados hasta ahora, generando los materiales en menor tiempo, usando menos energía de procesamiento y aumentando significativamente los rendimientos. La composición de los nitruros obtenidos permite la elaboración de materiales con los que se pueden detectar concentraciones bajas de moléculas involucradas en procesos biológicos, como la glucosa y el peróxido de hidrógeno. También, en combinación con grafeno y otros materiales inorgánicos, ha demostrado su utilidad en la fabricación de prototipos para el almacenamiento de carga eléctrica. Las dos aplicaciones tienen un amplio potencial de uso como biosensores para detección de algunas dolencias físicas y como alternativa para manejar suministros de energía eléctrica en dispositivos móviles. Con el éxito de las pruebas de concepto de las dos aplicaciones tenemos el desafío de convertirlas en dispositivos prácticos y económicos que ayuden en el tratamiento de enfermedades como la diabetes, y a sistemas que suministro y almacenamiento de electricidad que faciliten la movilidad y transporte con un mínimo de impacto medioambiental. Esperamos tener éxito.
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Investigador Titular del CIQA y Coordinador del Laboratorio Nacional de Materiales Grafénicos.
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