El grafeno, ahora transformado en producto, ya está entre nosotros. Veinte años después de haber sido aislado por primera vez, este nanomaterial compuesto por átomos de carbono ya puede encontrarse en artículos a la venta en Brasil. También forma parte de toda una gama de innovaciones tecnológicas en fase avanzada de pruebas. En un mercado aún en formación, importadoras o empresas locales lo venden para utilizarlo como materia prima o incorporado a soluciones diseñadas para diversos productos, que van desde aditivos para pinturas y envases plásticos hasta lubricantes. Nuevos ecosistemas de innovación están surgiendo, sobre todo en el ámbito de las instituciones de ciencia y tecnología, que fomentan la producción y nuevas aplicaciones para el grafeno. Las principales empresas nacionales del área del petróleo y gas y de la minería están probando sobre el terreno dispositivos fabricados con este cristal bidimensional para incorporarlos en sus procesos productivos.
En São Paulo, uno de los principales centros de investigación y desarrollo de este material orientado a la demanda del mercado es el Instituto Mackenzie de Investigaciones en Grafeno y Nanotecnologías (MackGraphe). La unidad inició sus actividades en 2013 en el campus de São Paulo de la Universidade Presbiteriana Mackenzie, con el apoyo de la FAPESP. Uno de los ideadores del MackGraphe, el físico Eunezio Antonio Thoroh de Souza, fundó en 2018 una startup, DreamTech Nanotechnology, con el propósito de convertir el conocimiento científico del grafeno en tecnologías aplicables en la vida cotidiana. La iniciativa contó con la colaboración de la multinacional china DT Nanotech, responsable de la producción del grafeno comercializado (lea en Pesquisa FAPESP, ediciones nº 284 y 291). Junto con la distribuidora local MCassab, la startup viene introduciendo en el mercado brasileño el uso del grafeno y otros materiales bidimensionales. Ahora planea producir grafeno en Brasil.
“Estamos instalando una fábrica en Araras, en el interior de São Paulo, con capacidad para producir 200 toneladas de grafeno al año”, informa Thoroh de Souza. “Las proyecciones de crecimiento de la demanda de grafeno justifican la instalación de nuestra fábrica local, que tendrá a ejecutivos de DT Nanotech como socios. Esperamos arrancar con el proceso de producción hacia finales de 2025”. La empresa adoptará una tecnología de producción basada en el método de exfoliación mecánica líquida y se centrará en productos tales como pinturas anticorrosivas, resinas compuestas, pinturas asfálticas, lubricantes y materiales de construcción.
También en São Paulo, Gerdau Graphene, una startup de Gerdau Next, brazo de nuevos negocios de la siderúrgica Gerdau, ya ha lanzado al mercado siete productos que incorporan el nanomaterial y tiene previsto el lanzamiento de al menos otros tres antes de fin de año. La cartera de la empresa, creada en 2021, incluye aditivos con grafeno para utilizarlos en la producción de películas poliméricas, matrices cementicias, pinturas y revestimientos.
Léo Ramos Chaves / Revista Pesquisa FAPESP | Bárbara CalExfoliación de grafito con cinta adhesiva (a la izq.), solución con grafeno manipulada por un investigador de la UFMGLéo Ramos Chaves / Revista Pesquisa FAPESP | Bárbara Cal
“El grafeno ya es una realidad comercial”, subraya la química Valdirene Peressinotto, directora ejecutiva y de Innovación de Gerdau Graphene. “El nanomaterial añade propiedades a los materiales en los que se la incorpora, haciéndolos más resistentes y duraderos”, dice la investigadora. “Nuestros aditivos ya se fabrican a escala industrial, por toneladas o miles de litros. Ya no se trata de algo experimental, circunscrito a estudios de laboratorio”.
Un nobel para el grafeno
El primer estudio teórico sobre las propiedades eléctricas del grafeno data de 1947, pero la historia del material en el campo de la física experimental es mucho más reciente. Se remonta a principios de este siglo, más precisamente a 2004, cuando los físicos André Geim ‒uno de los socios de DreamTech Nanotechnology y de DT Nanotech‒ y Konstantin Novoselov aislaron una única lámina de átomos de carbono en la Universidad de Mánchester, en Inglaterra, exfoliando una placa de grafito con una cinta adhesiva. El grafito es un mineral que se extrae de canteras.
Los dos investigadores depositaron aquella finísima capa plana de átomos en un sustrato que facilitaba su observación con un microscopio óptico, construyeron un pequeño dispositivo y realizaron mediciones eléctricas y magnéticas del material bidimensional. A pesar de que su existencia había sido prevista décadas antes, los científicos pensaban en líneas generales que un material así no tendría la estabilidad suficiente como para mantenerse cristalizado en tan solo una capa. Por su trabajo, Geim y Novoselov recibieron el Nobel de Física en 2010.
Con los átomos organizados en un entramado hexagonal, a modo de panal de abejas en un mismo plano, el grafeno es un material sumamente liviano, transparente, flexible e impermeable (véase la infografía abajo). Posee buena conductividad eléctrica y térmica y alta resistencia mecánica. Sus peculiares propiedades electrónicas y magnéticas han dado origen a nuevos campos de la física, como la valetrónica, el estudio de las alteraciones del comportamiento de los electrones del grafeno, y la twistrónica, la investigación de los efectos producidos al girar una de las láminas de un sistema constituido por dos o más capas de grafeno u otros materiales bidimensionales.
El grafeno también abrió el camino a la física de los sistemas bidimensionales y al estudio de otros materiales formados por capas atómicas (layered materials o materiales en capas), como el grafito. Así pues, el descubrimiento de Geim y Novoselov tuvo un fuerte impacto en la investigación fundamental en el campo de la ciencia de materiales.
Un mercado en expansión
Las características únicas del grafeno y de los materiales fabricados con éste han traído consigo la promesa de una amplia aplicación tecnológica en diversos campos de la industria. La consultora de mercado Fortune Business Insights calcula que el mercado mundial de dicho material ascendía el año pasado a 432,7 millones de dólares. Para 2032, se estima que llegaría a 5.200 millones de dólares, un crecimiento proyectado asombroso en menos de una década.
Las aplicaciones del grafeno y sus derivados se multiplican en todo el mundo. Se lo emplea en la fabricación de artefactos electrónicos, materiales compuestos y baterías. El segmento de las nanoplacas de grafeno (NPG), constituidas por varias capas de grafeno, representó la mayor cuota de mercado en 2023, según Fortune Business Insights. Las industrias electroelectrónica, aeroespacial, automotriz, de defensa y energética lideran el consumo del nanomaterial, según el informe. La región Asia-Pacífico acapara el 34,4 % del mercado, la más grande del planeta.
“El grafeno posee propiedades que permiten utilizarlo en una vasta gama de aplicaciones. De mi centro de investigaciones ya han surgido seis empresas y aún hay otras cinco en ciernes”, dice el físico teórico brasileño Antonio Hélio de Castro Neto, director del Centro de Materiales Avanzados 2D y del Centro de Investigaciones sobre el Grafeno de la Universidad Nacional de Singapur (NUS), uno de los principales polos mundiales de investigación del grafeno. El físico Novoselov, laureado con el Nobel, forma parte del plantel de investigadores de la NUS.
Eugênio SávioRecipientes con diferentes tipos de grafito y del nanomaterialEugênio Sávio
Entre las spin-off generadas en la universidad sobresalen NanoMolar, especializada en el desarrollo de sensores médicos, y UrbaX, centrada en el sector de artículos para la construcción civil. Fruto de las investigaciones que se llevaron a cabo en la NUS, ya se han registrado más de 200 patentes asociadas al grafeno y sus aplicaciones, según informa De Castro Neto, graduado en Física en la Universidad de Campinas (Unicamp) y radicado en el exterior desde hace más de tres décadas.
A pesar de la creciente demanda en diversas áreas, aún quedan retos por superarse para que el grafeno se consolide en términos comerciales. Un artículo publicado a principios de este año por científicos alemanes en la revista 2D Materials indica que muchos de los fabricantes aún se encuentran en fase comercial incipiente, teniendo que afrontar el doble desafío de consolidar su base de clientes y asegurarse financiación para poder ampliar su producción. También hay nichos que crecen sin visibilidad pública debido a las cláusulas de confidencialidad impuestas por los clientes, que prefieren no dar a conocer sus experimentos con grafeno para no llamar la atención de la competencia y mantener en secreto su fórmula de producción.
“El tamaño relativamente pequeño [del mercado] está en consonancia con la perspectiva de una fuerte evolución en los próximos años, con tasas de crecimiento previstas de entre un 20 % y un 50 % anual. […] El grafeno no está en condiciones de convertir inmediatamente todas sus promesas iniciales en un rotundo éxito de mercado. La difusión de este nuevo tipo de materiales bidimensionales lleva su tiempo”, escribieron los autores del artículo en 2D Materials. El estudio se llevó a cabo en el marco de Graphene Flagship, una iniciativa europea que reúne a 118 colaboradores industriales y académicos.
Según Peressinotto, el mercado, no solamente en Brasil sino también en todo el mundo, atraviesa una fase de apertura y consolidación. La directora de Gerdau Graphene estudia nanomateriales de carbono como el grafeno desde 2004, cuando todavía trabajaba como investigadora en el Centro de Desarrollo de Tecnología Nuclear (CDTN), en Belo Horizonte, con un grupo vinculado a la Universidad Federal de Minas Gerais (UFMG).
Léo Ramos Chaves / Revista Pesquisa FAPESPGrafeno en polvo (detrás) y un compuesto aditivado a base de termoplástico y del nanomaterial; preparación de una pasta cementicia con material que contiene grafeno (a la der.)Léo Ramos Chaves / Revista Pesquisa FAPESP
La primera0 experiencia exitosa de la startup que ahora dirige benefició a la propia Gerdau. Fue a raíz de una prueba industrial realizada con el proveedor de películas poliméricas utilizadas para embalar los clavos comercializados por la siderúrgica de Rio Grande do Sul. “Redujimos el espesor del embalaje un 25 %, aumentamos la resistencia a la perforación y al desgarro un 30 % y disminuimos las pérdidas del proceso en más de un 40 %”, destaca Peressinotto. Con la incorporación del aditivo en el embalaje de los clavos, Gerdau pudo ahorrar unas 72 toneladas de plástico a lo largo de un año.
Por su parte, Gerdau Graphene, que desarrolla sus productos en sociedad con el Centro de Innovaciones en Ingeniería del Grafeno (Geic), vinculado a la Universidad de Mánchester, compra el grafeno que utiliza en sus aditivos a productores de Brasil, Canadá, Estados Unidos, Inglaterra, España y Australia, entre otros países. La importación es necesaria, según explica Peressinotto, porque el país aún no cuenta con quien produzca el insumo en los formatos requeridos por la compañía, en cantidad suficiente y a un costo competitivo.
En Brasil, el nuevo material se ha utilizado fundamentalmente en aplicaciones que sacan partido de sus propiedades mecánicas. “Las principales aplicaciones del grafeno en el país siguen siendo en pinturas, elastómeros [polímeros con propiedades elásticas], materiales compuestos, envases y cemento. Son usos ligados a materiales pesados, incluyendo los de la construcción civil y los del sector automotor”, dice el físico Luiz Gustavo Cançado, de la UFMG. El investigador, quien fue el coordinador del Proyecto MGgrafeno, creado en 2016, desarrolló con su equipo un proceso piloto para la producción del material a gran escala y probaron más de 20 aplicaciones.
“El grafeno posee una alta resistencia mecánica. Se necesita aplicar mucha fuerza para romperlo. Al mezclarlo con polímeros, caucho, cemento o materiales cerámicos, mejora sustancialmente las propiedades mecánicas del material resultante”, asegura el físico Marcos Pimenta, también docente de la UFMG. “Pero su desarrollo y producción no son sencillos”.
Léo Ramos Chaves / Revista Pesquisa FAPESPEl laboratorio de Gerdau Graphene se dedica a crear soluciones con grafeno para la construcción civilLéo Ramos Chaves / Revista Pesquisa FAPESP
Pionero en el estudio de los nanomateriales de carbono en Brasil, Pimenta creó y dirigió durante 10 años el Centro de Tecnología de Nanomateriales y Grafeno (CTNano) de la UFMG, en donde actualmente, en un espacio de 3.000 metros cuadrados, trabajan alrededor de 100 personas en 10 laboratorios para desarrollar soluciones y tecnologías por demanda. “Al principio, se trataba esencialmente de proyectos para dos empresas. Ahora tenemos diversas iniciativas en marcha con compañías de distintos sectores”, dice el investigador.
Según informa el físico Rodrigo Gribel Lacerda, actual coordinador general del CTNano, que se ha convertido en una unidad de la Empresa Brasileña de Investigación e Innovación Industrial (Embrapii), hasta ahora el centro ha suscrito colaboraciones con 15 empresas. Entre los proyectos más avanzados figura el de un nanosensor fabricado con nanotubos de carbono (capas de grafeno enrolladas en forma de cilindro) para monitorear la concentración de dióxido de carbono en el gas natural extraído de los pozos de petróleo del presal.
“Estamos en la fase de homologación del dispositivo, creado en forma conjunta con Petrobras. Aún tenemos que realizar pruebas en un ambiente real para convertirlo en un producto comercial”, subraya Lacerda. En la misma etapa de desarrollo se encuentra otro sensor de deformación destinado a la maquinaria utilizada en minería. Un tercer proyecto tiene por objetivo utilizar el grafeno como filtro para purificar agua.
El estado de Rio Grande do Sul alberga una de las primeras fábricas de grafeno activas en el país. Fruto de un proyecto de la Universidad de Caxias do Sul (UCS), denominado UCSGraphene, en Caxias do Sul, se encuentra en funcionamiento desde marzo de 2020. La unidad, vinculada a Embrapii, emplea la técnica de exfoliación en fase líquida para el desarrollo y la producción del grafeno y otros materiales con alto contenido de carbono. Su capacidad productiva es superior a una tonelada por año.
Bárbara CalChip con un nanosensor de grafeno para la detección de gases fabricado en la UFMGBárbara Cal
“Además de obtener grafeno partiendo del grafito y de otras fuentes de carbono, también estamos abocados al desarrollo de soluciones tecnológicas que incorporan el nanomaterial y sus derivados, y rutas productivas centradas en otras nanoestructuras a base de carbono, como el óxido de grafeno y el grafeno modificado”, comenta el ingeniero de materiales Diego Piazza, coordinador del UCSGraphene, que trabaja en colaboración con otras empresas e institutos de ciencia y tecnología.
“Entre los diversos desarrollos tecnológicos y estudios del uso del grafeno y sus derivados que llevó a cabo nuestro equipo figura su utilización en materiales compuestos [polímeros, cerámicas y metales], equipos de protección, lubricantes, pinturas y revestimientos, sistemas de filtrado, medicina regenerativa y componentes técnicos”, dice Piazza, quien también es docente en la UCS. “Muchas de nuestras soluciones ya se comercializan en los sectores de la moda, la movilidad y la logística, entre otros”.
En la capital de Minas Gerais, otra instalación en condiciones de producir industrialmente se apresta a lanzar una oferta pública de tecnologías. El CDTN alberga una planta construida en el marco del Proyecto MGgrafeno, de la UFMG, en colaboración con la estatal Compañía de Desarrollo de Minas Gerais (Codemge), con capacidad para fabricar alrededor de una tonelada por año. “Nuestro llamado apunta a transferir la tecnología que creamos a aquellos que estén interesados en producir grafeno para su explotación comercial e industrial”, dice Cançado, de la UFMG. La idea es que el colaborador privado utilice las instalaciones del CDTN.
La universidad y el CDTN comparten la titularidad de la propiedad intelectual generada en el proyecto, relacionada con la vía desarrollada para producir el grafeno, basada en la exfoliación en fase líquida del grafito. El investigador explica que uno de los grandes retos con miras a ampliar las aplicaciones y el uso comercial del material depende de poder fabricarlo a gran escala mediante un proceso reproducible.
NanoMolarBiosensor con el nanomaterial para un examen de glucemia creado por NanoMolarNanoMolar
Otra dificultad radica en poder establecer normas para la producción, el control de calidad y la seguridad del insumo. Por último, se requiere disponer de información confiable sobre el material, que garantice que realmente se trata de grafeno y no de otra forma alotrópica del carbono, como el grafito. Los alótropos son sustancias simples formadas por el mismo elemento químico, con variaciones en el número de átomos o en su estructura cristalina.
La exigencia de controlar la calidad del grafeno circulante en el país, ya sea nacional o importado, llegó al Instituto Nacional de Metrología, Calidad y Tecnología (Inmetro). Desde el año pasado, la entidad trabaja en el desarrollo de un sello de conformidad a través de un programa de certificación del grafeno, conocido informalmente como PAC (Plan de Aceleración del Crecimiento) del grafeno. El lanzamiento de ambos está previsto para mediados de 2025.
“Cuando el grafeno superó la etapa de investigación académica y devino en un producto comercial, el Inmetro se dio cuenta de que tenía que crear métodos de medición [para constatar la cantidad de capas del grafeno y la pureza del material contenido en el producto] y elaborar un contenido de referencia para orientar las pruebas destinadas a asegurar que el material cumple determinadas normas de ensayo. Con la ABNT [Asociación Brasileña de Normas Técnicas], elaboramos las normas para identificar y clasificar a este nanomaterial”, informa la química Joyce Rodrigues de Araújo, responsable del Laboratorio de Fenómenos Superficiales y Películas Finas (Lafes) de la División de Metrología de Materiales y Superficies del Inmetro. En 2024, ella ganó el premio 25 Mujeres en la Ciencia, promovido por la empresa 3M, por su labor en el desarrollo de un biografeno producido a partir del procesamiento de distintas biomasas, como cascarilla de arroz y bagazo de caña de azúcar.
Según explica Rodrigues de Araújo, la monocapa de grafeno como la elaborada en la Universidad de Mánchester en 2004, rara vez es lo que se encuentra en los productos que se comercializan. “El grafeno abarca una familia de compuestos que difieren entre sí por la cantidad de capas que los conforman y el formato con que se presentan”, dice la investigadora. Incluye, por ejemplo, el grafeno original, de una sola capa, el de capas múltiples y las nanoplacas de grafeno (véase la infografía abajo).
