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Ingeniería de materiales

Grafeno made in Brasil

Las fábricas instaladas en Minas Gerais y en Rio Grande do Sul ubican al país entre los productores globales de este material de gran interés tecnológico

Las imágenes tomadas mediante microscopía electrónica revelan la estructura del grafeno

CODEMGE

Las dos primeras plantas industriales brasileñas productoras de grafeno ingresaron a la escala productiva y trabajan para conseguir los primeros clientes. El grafeno es un nanomaterial compuesto por átomos de carbono que posee propiedades tales como alta conductividad térmica y eléctrica, flexibilidad y resistencia mecánica elevada. Estas características despiertan el interés de diversos sectores industriales, que pueden aplicar ese material en una gama amplia de productos, tales como baterías más livianas y con durabilidad de carga mayor, smartphones con pantallas flexibles, pinturas anticorrosivas, plásticos y gomas más resistentes y conductores, aleaciones metálicas superlivianas y tejidos y envases con efecto barrera y disipación térmica. El grafeno fue descubierto en 2004 por los científicos de origen ruso Andre Geim y Konstantin Novoselov, docentes en la Universidad de Manchester, en Inglaterra. Seis años después, ambos obtuvieron el Premio Nobel de Física por sus investigaciones con ese material.

En Brasil, una de las fábricas pioneras de este material es propiedad de la estatal Compañía de Desarrollo de Minas Gerais (Codemge), que es el resultado del Proyecto MGgrafeno, desarrollado en colaboración con la Universidad Federal de Minas Gerais (UFMG) y el Centro de Desarrollo de la Tecnología Nuclear (CDTN). La otra unidad industrial es UCSGraphene, fruto de un proyecto del Parque de Ciencia, Tecnología e Innovación de la Universidad de Caxias do Sul (TecnoUCS), en Rio Grande do Sul.

La producción de Codemge se concentra en la ciudad de Belo Horizonte y está a cargo de un equipo multidisciplinario integrado por 59 personas, de las cuales 20 son doctores, entre químicos, físicos, biólogos e ingenieros. La fabricación experimental del grafeno comenzó en 2018, con una capacidad de 150 kilogramos (kg) al año, un volumen que desde el final de 2019 gradualmente ha ido ampliándose y ya alcanzó una capacidad de 300 kg anuales.

El director de fomento a la alta tecnología de Codemge, Ricardo Toledo, comenta que el Proyecto MGgrafeno se divide en tres fases. La primera etapa fue el desarrollo de la ruta tecnológica, que finalizó con la producción de 150 kg anuales. La segunda, que está implementándose, es el afianzamiento de la capacidad de producción a escala. La meta es rebasar la marca de 1 tonelada por año para 2021. La tercera fase implica establecer acuerdos comerciales con empresas que van a desarrollar aplicaciones para el grafeno junto con Codemge.

“Nuestro modelo de negocio no prevé la comercialización del grafeno como una commodity, sino convenios con empresas interesadas que desarrollarán productos que emplean grafeno en su composición”, explica Toledo. La estrategia implica “customizar”, es decir, personalizar el grafeno provisto. “Lo ideal sería que nuestros colaboradores fueran compañías con una área ya estructurada de I&D [investigación y desarrollo], con capacidad para interactuar con nuestros investigadores, que determinarán las especificaciones del grafeno para cada aplicación”, enfatiza la coordinadora de Proyectos de Investigación de Codemge, Valdirene Peressinotto.

El objetivo inicial de Codemge consiste en establecer convenios con 15 empresas de distintos segmentos del mercado. Cinco de ellas, cuyos nombres se mantienen en secreto, ya fueron definidas y están en fase de negociación contractual. Se trata de una empresa textil, una siderúrgica, un fabricante de pinturas anticorrosivas, un productor de filmes plásticos para embalajes y una industria de manufactura aditiva, o sea, que produce artículos por impresión tridimensional (3D). También se encuentran avanzadas las negociaciones entre Codemge y su colaboradora en la producción de células de baterías para vehículos eléctricos, la firma inglesa Oxis Energy (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 285).

Por ahora, el Proyecto MGgrafeno ha sumado inversiones por 55,3 millones de reales, aportados por Codemge. La producción industrial demandará inversiones por otros 70 millones de reales, recursos que la estatal tiene previsto conseguir merced a un socio estratégico, con el que aún está negociando.

Eugênio Sávio Unidad de producción de la planta piloto del Proyecto MGgrafeno, en Belo HorizonteEugênio Sávio

El Proyecto MGgrafeno arrancó en 2016, con la decisión de Codemge de agregar valor al grafito –material que es el insumo básico del grafeno– producido en Minas Gerais. Brasil es el tercer productor mundial de grafito, con una producción de 96 mil toneladas en 2019, según un informe del Servicio Geológico de Estados Unidos (USGS, por sus siglas en inglés). El estado de Minas Gerais ostenta el 73% de la producción brasileña. El grafito se negocia en un rango de mil dólares la tonelada. El precio del grafeno varía según su especificación, llegando a 500 o incluso mil veces ese valor.

El proceso de producción de grafeno adoptado por Codemge es el de exfoliación química del grafito natural. El grafito es un mineral de estructura laminar, que se forma por la superposición de láminas de grafeno. Un milímetro de grafito está compuesto por 3 millones de capas de grafeno. La exfoliación química se refiere, básicamente, a separar esas láminas y conservarlas aisladas y estables. Este proceso se lleva a cabo mediante el uso de solventes, que en el caso de Codemge, es agua con algunos aditivos. La etapa siguiente consiste en la separación del producto, la concentración y el secado. “Nuestro proceso permite la producción a escala, con un costo relativamente bajo y un aprovechamiento superior al 90%. Casi no genera residuos”, dice Clascídia Furtado, investigadora del CDTN.

Otra ventaja de la exfoliación química es la obtención de grafenos con distintas cantidades de capas y tamaños laterales, algo que se adapta a su incorporación en diversas fórmulas y para recubrir superficies bajo la forma de filmes, fibras y membranas. La fábrica de Codemge produce dos tipos de grafeno: el grafeno de pocas capas, entre 1 y 5, el de mayor valor de mercado, y las nanoplacas de grafeno, compuestas por 5 a 10 capas. Los residuos del proceso se utilizan para elaborar 2,6 toneladas anuales de nanografito (vea la infografía).

El físico Flávio Plentz, del Departamento de Física de la UFMG e investigador en el Proyecto MGgrafeno, afirma que el grupo logró superar los obstáculos que afectan a la aún incipiente industria internacional del grafeno. “Tenemos material disponible, con reproductibilidad y confiabilidad”. Según el físico, los productos disponibles en el mercado internacional presentan diferencias entre lotes, es decir, que no aseguran uniformidad en su producción. Los fabricantes no proveen una ficha de datos con la caracterización técnica del producto, tal como el tamaño, espesor y número de capas.

“Nosotros instauramos un protocolo de calificación científica del grafeno, pionero a nivel mundial. Nuestros socios comerciales tienen acceso a la ficha de datos. Ellos conocen exactamente el producto del cual van a disponer y cuáles características acordadas les serán entregadas”, comenta Plentz. Esa regularidad productiva ha despertado el interés de tres grupos internacionales que iniciaron negociaciones para tener acceso al producto.

En Rio Grande do Sul, la unidad UCSGraphene inició sus actividades operativas en el mes de marzo. El monto de la inversión, aportado por la Universidad de Caxias do Sul (UCS), Institución Comunitaria de Educación Superior, no fue divulgado. “Nuestro grafeno es del tipo estándar, al cual también se lo conoce como pilas de hojas, que son nanoflakes [nanocopos] que tienen entre 30 y 100 capas de grafeno. Y también producimos nanoplaquetas, por debajo de las 30 capas”, dice Diego Piazza, coordinador del proyecto e investigador del TecnoUCS. Según él, la capacidad productiva inicial es de 500 kg por año, un volumen que podría extenderse hasta 5 mil kg anuales, a la par del aumento de la demanda.

La producción de grafeno es el resultado de un proyecto de la UCS que lleva más de 15 años. En este período, la institución desarrolló diversas rutas productivas. En 2018, luego de efectuar un análisis de mercado, la UCS determinó que se hallaba a las puertas de una buena oportunidad y resolvió acelerar el proceso mediante la contratación de una consultora internacional. La infraestructura y el proceso productivo, por medio de la exfoliación química, el mismo que emplea la planta minera, fueron adquiridos con la asesoría de esa empresa.

“Nuestro enfoque se divide en tres frentes: producción, caracterización y desarrollo de aplicaciones para el grafeno”, dice Piazza. Entre los estudios que se realizaron en la universidad se cuentan el uso del grafeno en materiales compuestos (polímeros, cerámicas y metales), dispositivos de protección más livianos y sólidos, y revestimientos avanzados, tales como productos para la absorción de aceites, con potencial para utilizarlos en los casos de vertidos de petróleo en el mar.

Roger Clots Test de análisis de consistencia y pureza del grafeno producido por UCSGrapheneRoger Clots

La primera asociación se firmó con el fabricante gaúcho de carrocerías de ómnibus Marcopolo, interesado en compuestos de aluminio y grafeno para fabricar piezas más livianas y resistentes. “Nos encontramos en diferentes etapas de negociación con usuarios potenciales del grafeno”, relata Piazza. En UCSGraphene se optó por un modelo de flexible de intervención en el mercado. Solamente puede vender grafeno a los interesados o establecer acuerdos de desarrollo de aplicaciones del material.

El informe intitulado “El mercado global del grafeno”, dado a conocer en 2019 por la consultora Research and Markets, documenta que existen 200 compañías en el mundo que producen materiales que utilizan grafeno o que están desarrollando productos que incorporan grafeno, la mayoría en América del Norte, Europa, China y Australia. Las perspectivas indican que este mercado crecerá anualmente un 30% y llegaría a 250 millones de dólares en 2025.

El físico Thoroh de Souza, fundador del Centro de Investigaciones Avanzadas en Grafeno, Nanomateriales y Nanotecnologías (MackGraphe) de la Universidad Presbiteriana Mackenzie, en São Paulo (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 284), dice que la producción de grafeno a gran escala manteniendo la calidad del material es un logro enorme, pero es tan solo el primer eslabón de la cadena productiva. Con el apoyo de la FAPESP, el MackGraphe fue el primer centro de investigación de ese material en América Latina, creado en 2013.

El paso siguiente, la introducción del grafeno en la composición de productos, no es algo para nada trivial. “Se requiere de mucho trabajo para obtener las propiedades adecuadas del grafeno para cada producto y de forma tal que esos productos supongan una ventaja para la vida de la gente”, dice el investigador. La ejecución de esa tarea impulsó a De Souza a fundar la startup Dream Tech Nanotechnology. La empresa, en funcionamiento desde julio de 2018, desarrolla aplicaciones de grafeno personalizadas para posibles clientes industriales, y hasta ahora ha elaborado proyectos para las áreas de cosméticos e industria automovilística. Según De Souza, las posibilidades de nuevas aplicaciones para el grafeno son innumerables. “En breve dispondremos de productos high tech concebidos a partir del uso del grafeno, tales como células solares y sensores de inteligencia artificial”, afirma.

Proyecto
Grafeno: fotónica y optoelectrónica: convenio UPM-NUS (nº 12/50259-8); Modalidad Ayuda a la Investigación – Programa SPEC; Investigador responsable Antonio Helio de Castro Neto (Universidad Nacional de Singapur); Inversión R$ 15.230.994,51

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