El material del futuro

Novak Djokovic, el tenista número uno del mundo, entra a la cancha con una caja marcada con la letra "G" esposada a su muñeca. De ahí saca el ‘arma secreta', una raqueta hecha parcialmente de grafeno, el primer material maravilla del siglo XXI.

El primer servicio del serbio pulveriza la raqueta de su desafortunado oponente.

Head, el fabricante austriaco de equipos deportivos, admite que sus comerciales aprovechan el alboroto mundial por el grafeno y no va a revelar cuánto de la raqueta está hecha del material. Pero la empresa, como antes lo hicieron Samsung e IBM, no va a dejar pasar el entusiasmo que rodea el producto milagroso.

El grafeno es una lámina de carbono de apenas un átomo de grosor que se extiende indefinidamente en dos dimensiones. Sus propiedades generan un sinfín de superlativos, pues posee mejor conductividad tanto eléctrica como térmica, mayor fortaleza mecánica y mejor pureza óptica que cualquier material.

La investigación sobre el grafeno recibió a comienzos de año un estímulo de 1,000 millones de euros de la Unión Europea. Su selección como programa europeo ‘insignia' para la próxima década es parte de una oleada de apoyo público y corporativo para investigar una sustancia que hace 10 años era desconocida.

"Las muchas propiedades superiores del grafeno justifican su seudónimo de ‘material milagro'", dice el "mapa de ruta del  grafeno" publicado en la revista Nature por un grupo de científicos, entre ellos, Konstantin Novoselov, que lo aisló por primera vez junto a Andre Geim en la Universidad de Manchester en 2004.

La lista de potenciales aplicaciones es igualmente vasta. En electrónica, sus usos van desde transistores ultrarrápidos a sistemas plegables de visualización por computadora y diodos emisores de luz (LED); promete láser y fotodetectores más eficaces; y podría transformar el almacenaje eléctrico y la producción de baterías a celdas solares. Los materiales compuestos que contienen grafeno podrían fortalecer las alas de las aeronaves y los usos biomédicos incluyen ingeniería de tejidos y sistemas para administrar fármacos.

El profesor Geim dice que es imposible individualizar las aplicaciones más emocionantes o promisorias. "Es tan amplio el campo y el desarrollo es tan vertiginoso que  enfocarse en cualquier dirección particular disminuiría  la magnitud de todo el emprendimiento", dice. "La cantidad de ejemplos es  asombrosa.  El año pasado se publicaron 10,000 artículos de investigación sobre el grafeno". Si bien no hay un cálculo confiable del gasto en investigaciones, Geim dice que actualmente debe ser de unos 1,000 millones de dólares anuales, con base en la producción publicada. 

Los gobiernos del mundo industrializado no reparan en gastos para garantizarse un lugar en la revolución del grafeno. Gran Bretaña destinó más de 60 millones de libras (90 mdd) para que el país donde todo empezó siga a la vanguardia. La Universidad de Manchester planea crear el Instituto Nacional del Grafeno, que costará 92 mdd, y la de Cambridge, un Centro de Grafeno, con 45 mdd de financiamiento. La UE ya invierte millones, y el programa ‘insignia' impulsará las pesquisas. "El dinero se distribuirá en toda Europa", precisa Geim.

Competencia mundial

Como ocurre a menudo cuando surgen nuevas tecnologías, en Europa temen quedar rezagados frente a  la investigación y desarrollo de los competidores asiáticos y estadounidenses. Algunas inquietudes surgen de un análisis de patentes. El último informe de  CambridgeIP, una empresa de estrategia de tecnología, muestra que en 2012 había 2,204 patentes de grafeno en China, 1,754 en Estados Unidos, 1,160 en Corea del Sur y sólo 54 en Reino Unido.

Pero la cantidad de patentes no cuenta todo. La calidad es importante. "Europa no ha sido agresiva en la actividad de patentes", dice Luigi Colombo, experto en grafeno de Texas Instruments, "pero en este momento es el centro del trabajo en grafeno".

Reino Unido ha tenido una ventaja desde que los profesores Geim y Novoselov recibieron el Premio Nobel en 2010. Ha habido una gran demanda para trabajar con el nuevo centro de Manchester, asegura Novoselov. "Queremos elegir cinco o seis empresas que vendrán a trabajar con nosotros. Aprendemos de la tecnología que usan en su producción y ellos verán la ciencia desde la frontera".

Si se toman las cifras de las patentes a valor nominal, la surcoreana Samsung lidera entre las empresas con 407 patentes y aplicaciones de patentes publicadas, según CambridgeIP. Le sigue IBM, con 134.

Si bien Samsung hizo comerciales en 2010 sobre electrónicos plegables hechos de grafeno y publicó un artículo científico sobre transistores de grafeno el año pasado, es evasiva al hablar de su desarrollo de dispositivos. Los analistas creen que las pantallas flexibles serán sus primeros productos  con grafeno.

 IBM es más comunicativo.  Supratik Guha, director de Investigación de Ciencias Físicas de IBM, dice que trabaja en transistores de grafeno de alta frecuencia, en nuevas tecnologías para crear láminas para productos electrónicos y en dispositivos terahertz.

La región terahertz del espectro electromagnético,  que se ubica entre las frecuencias infrarrojas y de microondas, es promisoria para la medicina de diagnóstico por imagen, las comunicaciones de corta distancia y los sensores. Las ondas terahertz atraviesan plásticos y tejidos vivos, pero los científicos batallan  para controlarlas. "Podemos usar grafeno para modular y controlar la radiación terahertz", dice  Guha.

Muchas empresas pequeñas ya fabrican y venden grafeno en todo el mundo. Una de ellas es Graphene Industries, un desprendimiento de la Universidad de Manchester. "Vendemos láminas de grafeno a clientes académicos, incluyendo IBM y la mayoría de las empresas de semiconductores del mundo", dice Peter Blake, director ejecutivo de la compañía.

Graphene Industries hace sus láminas gracias a la exfoliación mecánica, una evolución refinada del método de la ‘cinta Scotch' de Geim y Novoselov. La materia prima es grafito, una forma de carbono compuesto por billones de láminas de grafeno apiladas verticalmente. Con el microequipo correcto, es sorprendentemente fácil separar las láminas una a una.

Un nuevo informe de  la consultora Lux Research muestra un crecimiento del mercado del grafeno de 9 mdd el año pasado a 126 mdd en 2020. "Si bien es un impresionante debut para un nuevo material, el crecimiento es menor de lo que se podría haber pensado", dice el analista de Lux Ross Kozarsky.  El reporte enumera una gran cantidad de emprendimientos de grafeno "rebosantes de declaraciones audaces de mejor grafeno y/o más económico a partir de procesos novedosos", y advierte sobre el riesgo de sobredemanda.

Al mercado

Empiezan a surgir productos con grafeno, como la raqueta de Head, que usó una ayuda económica del gobierno austriaco para trabajar con el Instituto de Investigación en Tecnología Industrial de Taiwán. Ralf Schwenger, director de Investigación y Desarrollo de raquetas, dice que agregar grafeno para fortalecer el marco redistribuye el peso del mango y de la punta, lo cual incrementa la maniobrabilidad. Asegura que el grafeno mejora el desempeño en un "porcentaje de dos dígitos", pero no niega  que la empresa aprovecha el furor. "Nos ayuda que el grafeno sea conocido en los medios, de otro modo, sería más difícil venderla".

Otra aplicación que acaba de llegar al mercado es una "tinta conductiva". Vorbeck Materials, una empresa de Maryland, es líder en el tema. John Lettow, director ejecutivo, dice que la flexibilidad y la durabilidad de las tintas de grafeno las hacen perfectas para electrónica impresa, como tarjetas inteligentes y empaque de alta seguridad. Vorbeck también desarrolla baterías de iones de litio con electrodos de grafeno.

Las pantallas flexibles para dispositivos de consumo posiblemente aparezcan en los próximos tres años, aunque nadie espera que las aplicaciones más importantes como procesadores y chips de memoria ultrarrápidos de bajo consumo de energía tengan éxito comercial hasta por lo menos una década. Para muchos usos, el grafeno requerirá modificaciones químicas y físicas importantes. Sin embargo, no es demasiado pronto para que los inversionistas exploren el campo, dice Andrew Haigh, del Royal Bank of Scotland, que ha estudiado las patentes. "Es muy pronto para vender un ‘fondo de grafeno', pero estamos atentos porque este know-how será uno de los impulsores clave del mundo del siglo XXI", dice.

Quentin Tannock, director de CambridgeIP, coincide. "Los inversionistas deberían apreciar que el grafeno está aún a un nivel relativamente temprano donde el ‘tiempo de comercializar' para aplicaciones industriales específicas variará y podría ser lento". Aun así, "la producción a gran escala del grafeno de alta calidad y las aplicaciones en compuestos, revestimientos y tintas podría producir retornos de inversión a mediano plazo. A un plazo más largo, los desarrollos de grafeno complejo podrían resultar en retornos más grandes aún, por ejemplo, en la salud".

Los descubridores del grafeno advierten de expectativas exageradas. Geim considera que la tinta y las raquetas de grafeno son "pequeños nichos de producto", pero está seguro de que el material transformará la electrónica, la energía, la biotecnología y el espacio aéreo. "Normalmente se necesitan 40 años para que un material pase de la academia a la fabricación de productos de consumo, por lo tanto el grafeno es apenas un niño".