Categoría: Grafeno

Cuando el grafeno de Graphenemex® transforma la odontología: PMMA más fuerte, seguro y antimicrobiano 

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Cuando el grafeno de Graphenemex® transforma la odontología:

PMMA más fuerte, seguro y antimicrobiano 

El mundo de los materiales dentales es extenso y complejo, pues comprende una amplia diversidad de materiales, desde metálicos, cerámicos, poliméricos, quirúrgicos, cementantes, de impresión, entre otros que, naturalmente, con el paso del tiempo han tenido que progresar para proveer mayor funcionalidad mecánica, estética, biológica y/o microbiológica.  

En este contexto evolutivo, la ciencia de los biomateriales explora el uso del grafeno y sus derivados en odontología, precisamente porque su extraordinaria combinación de propiedades teóricas entre resistencia mecánica (módulo de Young de ~1 TPa), conductividad eléctrica (movilidad electrónica > 15 000 cm²/V·s), conductividad térmica (~5000 W/m·K) y estabilidad química, lo posicionaron como un excelente candidato para el desarrollo de materiales de restauración, cementos bioactivos o con mejor capacidad adhesiva o antimicrobiana que, en conjunto contribuye a una mayor durabilidad, mejor control de infecciones y éxito del tratamiento a largo plazo. 

Una resina acrílica ampliamente utilizada para la fabricación tanto de aparatos ortodónticos como protésicos y objeto de investigación, es el polimetilmetacrilato (PMMA) que, dadas sus limitaciones mecánicas y alta susceptibilidad de contaminación, se le han evaluado modificaciones p.ej., con fibra de vidrio, zirconio, dióxido de titanio, grafeno y aditivos biocidas; siendo el grafeno el material que más ha sorprendido por el aporte que tiene en incrementos en resistencia a la fractura, estabilidad dimensional y menor formación de biopelículas.  

Evidentemente, la bioseguridad es una de las principales preocupaciones sobre los nuevos materiales. En el caso del grafeno, esto depende de su química superficial, de la concentración utilizada, y de si las partículas están libres o inmersas en una matriz polimérica, pues esto influye directamente en su interacción con los tejidos circundantes. En las resinas dentales, por ejemplo, la causa de toxicidad suele ser la lixiviación de monómeros y rellenos no reaccionados; sin embargo, esto se prevé con el curado adecuado ya sea por fotopolimerización UV o por un tratamiento térmico, según las especificaciones del fabricante.  

Los análisis estadísticos revelaron una diferencia significativa (p= 0.0001) entre los grupos de PMMA con y sin grafeno, que sustenta el efecto del grafeno en la inhibición del crecimiento bacteriano.     

En este contexto, el grafeno utilizado a concentraciones adecuadas conduce a una red polimérica más densa, menor lixiviación de monómeros y una mejor biocompatibilidad, que, con base en los siguientes mecanismos, aumenta la rigidez, la resistencia a la compresión, y reduce la tasa de desgaste para mejorar la durabilidad del material: 

  1. El grafeno absorbe la luz incidente para promover la generación de radicales fotoiniciadores,  
  1. Favorece la transferencia de energía o carga para acelerar la polimerización, 
  1. Ofrece sitios de nucleación para la formación de enlaces cruzados, 
  1. Reduce el coeficiente de expansión térmica, fundamental para la estabilidad a largo plazo. 

En América Latina, la producción y aplicación de grafeno de origen nacional ha comenzado a consolidarse. En este escenario, el grafeno producido por la empresa mexicana Energeia Fusion, bajo la marca Graphenemex®, desde 2018 se ha sometido a diversos estudios sistematizados para evaluar sus propiedades tanto mecánicas como antimicrobianas dentro de distintos materiales. Pero no fue hasta el 2023 en que el Laboratorio de Nanomateriales de la Maestría en Ciencias Odontológicas de la Facultad de Estomatología de la UASLP, lo incorporó dentro de sus líneas de investigación para analizar sus efectos en matrices de PMMA, con el objetivo de estudiar su desempeño mecánico y de bioseguridad en odontología.  

Las investigaciones se llevaron a cabo en dos proyectos de maestría bajo la dirección del Dr. Juan Carlos Flores Arriaga, siguiendo los lineamientos de la ISO 7405, que establece las condiciones y métodos de ensayo para evaluar la biocompatibilidad de los productos y materiales dentales, así como en atención a los requisitos de la ADA Núm.12 sobre los métodos de prueba para las propiedades físicas y químicas de los materiales de resina para bases de prótesis dentales.   

Las propiedades evaluadas al PMMA modificado con el grafeno de Graphenemex® incluyeron:  

  1. Resistencia a la fractura mediante el análisis de tensión, elasticidad y dureza;  
  1. Caracterización por microscopía, para visualizar su aspecto físico; espectroscopia para verificar su composición molecular y de ángulo de contacto, para comprobar cambios en la interacción del material con los líquidos.   
  1. Capacidad antimicrobiana contra el principal causante de caries, el Streptococcus mutans y contra otras bacterias como el Streptococcus sobrinus y Streptococcus oralis que, aunque son comunes de cavidad oral, también se asocian a caries y a la formación de biopelículas (placa dentobacteriana); 
  1. Ensayos de citotoxicidad in vitro sobre fibroblastos L-929, de acuerdo con la ISO 10993-5:2009 (E) que evalúa los materiales de los dispositivos médicos para determinar si son seguros para el contacto humano, lo cual es un requisito clave para la aprobación regulatoria. 

En conjunto, los resultados de las pruebas experimentales con el grafeno de Graphenemex® confirmaron que en el PMMA el grafeno no generó modificaciones químicas que perjudiquen su integridad polimérica, pero sí generó cambios importantes que mejoraron su desempeño mecánico entre un 90 y 150% respecto al PMMA convencional; esto significa que el nuevo material no se deforma durante la masticación y tiene mayor resistencia al desgaste y a la fractura.  

Por otro lado, el aumento en la hidrofobicidad del PMMA con grafeno de Graphenemex®, de acuerdo con la medición del ángulo de contacto, en conjunto con la inhibición del crecimiento microbiano, principalmente de Streptococcus mutans, y de las observaciones ante el microscopio electrónico de barrido, también confirmaron no solo una mayor capacidad antimicrobiana, sino también con una buena capacidad anti- biofilm y lo más importante, sin comprometer la biocompatibilidad del material, verificada por las pruebas de citotoxicidad, en las que ninguna de las concentraciones evaluadas fueron tóxicas para las células.  

En conclusión, la etapa experimental demostró que la incorporación correcta del grafeno de Graphenemex® confiere al PMMA propiedades antimicrobianas efectivas, sin toxicidad, posicionándolo como un biomaterial dental multifuncional, con ventajas mecánicas, biológicas y preventivas frente a patologías asociadas a las biopelículas orales que sustentan su potencial aplicación clínica en rehabilitación protésica y aparatología en ortodoncia y ortopedia.  

Redacción: EF/Dania Hernández  

Fuentes:  
https://repositorioinstitucional.uaslp.mx/xmlui/handle/i/9563 

  1. https://repositorioinstitucional.uaslp.mx/xmlui/handle/i/8315 
  1. De Toledo, P.T.A.; Nunes, G.P.; Ferreira, M.F.; Martins, T.P.; Peres, G.R.; Soares, D.G.; Esteves-Oliveira, M. Bonding Behavior of Graphene-Based Enhanced Restorative Materials: A Systematic Review and Meta-Analysis. Int. J. Adhes. Adhes. 2025, 141, 104046. 
  1. Ben Ammar, T.; Roman, T.; Ba, H.; Ball, V.; Kharouf, N. Graphene and Related Materials: Properties and Applications in Dentistry. Materials 2025, 18, 5365. https://doi.org/ 10.3390/ma18235365  
  1. Saghiri, M.A.; Saini, R.S.; Kuruniyan, M.S.; Mosaddad, S.A.; Heboyan, A. Graphene and Its Modifications for Enhanced Adhesion in Dental Restoratives: A Molecular Docking and Dynamics Study. Sci. Rep. 2025, 15, 9455.  
  1. Janji´c, K.; Valentova, A.; Arellano, S.; Unterhuber, A.; Krause, A.; Oberoi, G.; Unger, E.; Tabrizi, H.A.S.; Schedle, A. The Impact of Print Orientation and Graphene Nanoplatelets on Biaxial Flexural Strength and Cytotoxicity of a 3D Printable Resin for Occlusal Splints. Dent. Mater. 2024, 40, 1742–1752.  
  1. Ahmad, K.H.; Mohamad, Z.; Khan, Z.I. Influence of Graphene Nanoplatelets and Post-Curing Conditions on the Mechanical and Viscoelastic Properties of Stereolithography 3D-Printed Nanocomposites. Polymers 2024, 16, 2721.  

Grafeno hacia 2036: Innovación, Mercado y el Futuro de los Materiales Avanzados

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Grafeno hacia 2036:

Innovación, Mercado y el Futuro de los Materiales Avanzados

Desde finales de la década de 2010 e inicio del 2020, el grafeno, conocido como el material del futuro, abandonó las celosas paredes de los laboratorios de investigación para convertirse en una realidad comercial y, aunque el factor costo sigue siendo una limitante para su implementación masiva, existen diversas compañías distribuidas en todo el mundo que han apostado fuertemente por esta tecnología.

Datos recientes

Las investigaciones sobre el grafeno están en constante evolución, por lo tanto, continuamente surge información sobre métodos de producción, propiedades del material, así como avances de su uso en el sector energético o en industrias como la electrónica, donde se espera que revolucione el diseño de dispositivos más rápidos y eficientes; en medicina, para el desarrollo de  herramientas de diagnóstico temprano, transporte de fármacos e ingeniería de tejidos, o bien, novedosas aplicaciones para la industria en general, favoreciendo la sostenibilidad y el desarrollo de materiales más ligeros y resistentes, por mencionar algunos ejemplos.

Proyecciones hacia el 2036

De acuerdo con estudios presentados por Market Research Future y Fortune Business Insights, empresas globales de investigación de mercado y consultoría, se espera que el mercado del grafeno crezca a un ritmo considerable en los próximos años, proyectando un valor de varios miles de millones de dólares para 2036, a su vez impulsado por la demanda en sectores como la electrónica, la energía, y los materiales compuestos. La firma británica IDTechEx, líder en investigación de mercado especializada en tecnologías emergentes y disruptivas, también prevé que las aplicaciones comerciales con grafeno tendrán un crecimiento acelerado particularmente para el desarrollo de tecnologías sostenibles, como baterías y supercapacitores de grafeno, que ofrecerán un rendimiento superior en comparación con las soluciones actuales.

Empresas líderes en el uso del Grafeno

Empresas líderes en tecnología, como Samsung y Huawei han invertido sumas importantes de dinero en la investigación de grafeno. Samsung, a través del Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT), se ha enfocado primordialmente en la investigación sobre baterías de de litio con grafeno, con miras en aumentar su capacidad hasta en un 45% y acelerar la velocidad de carga hasta cinco veces. Mientras que Huawei se ha interesado más en la capacidad del grafeno para disipar el calor, crucial para mantener el rendimiento de los teléfonos inteligentes y tabletas.

La empresa minera multinacional BHP, a través de BHP Mitsubishi Alliance (BMA), firmó un acuerdo para probar en sus plantas de manejo y procesamiento de carbón en la mina Goonyella Riverside en Queensland, un recubrimiento con grafeno bajo la marca ecosparc®, de Sparc Techologies, con la finalidad de proporcionar datos importantes contra condiciones extremas de corrosión.

Asimismo, la multinacional energética y petroquímica española Repsol ha invertido en Graphenea, una de las empresas más conocidas sobre grafeno, para impulsar investigaciones sobre baterías, pinturas térmicas y otros materiales, buscando eficiencia energética y nuevas aplicaciones en el sector.

Por otro lado, están compañías como OCSiAl con sede en Luxemburgo,la cual se especializa en la síntesis de nanotubos de grafeno y, bajo las marcas TUBALL™, TUBALL™ MATRIX y TUBALL™ BATT ofrece aditivos para el mejoramiento de distintos productos, al igual que la compañía australiana First Graphene, conocida por su línea PureGRAPH® a través de la cual ofrece también materias primas y masterbatches con grafeno, para el diseño de producto.

En latinoamérica, la empresa más importante es Energeia Fusion (México) que, bajo las marcas Graphenemex® y Graphenergy® tiene en el mercado grafeno y oxido de grafeno como materias primas para el diseño de nuevos productos, sino que también es un desarrollador de aplicaciones para la industria de la construcción, de los recubrimientos y del plástico. Además, de manera paralela colabora con universidades promoviendo diversas líneas de investigación; hasta el momento con resultados importantes para aplicaciones en odontología, baterías y recubrimientos conductores. Finalmente ofrece servicios de consultoría para todas aquellas compañías interesadas en utilizar la tecnología grafénica en sus productos o servicios.

Otras empresas que también figuran en el continente americano son: ACS material y NeoGraf (EUA), UCSGraphene y Gerdau Graphene (Brasil) y, Graphenestone (España).

Conclusión

El grafeno representa una de las innovaciones más emocionantes en el campo de los materiales avanzados, con el potencial de transformar múltiples industrias. Las proyecciones de mercado son altamente prometedoras, y un número creciente de empresas está reconociendo el valor de este material. A medida que la investigación y el desarrollo continúan avanzando, es cada vez más probable que el grafeno se convierta pronto en una parte integral de la vida cotidiana.

Redacción: EF/DHS

Fuentes:

  1. https://www.marketresearchfuture.com/es/reports/graphene-electronic-market-32949
  2. https://grafeno.co/fabricantes-y-proveedores-de-grafeno-a-nivel-mundial/
  3. https://www.xataka.com/investigacion/samsung-toma-la-delantera-en-la-fabricacion-comercial-del-grafeno
  4. https://www.graphene-info.com/sparc-trial-graphene-based-coating-bhp-mitsubishi-alliance-goonyella-riverside#:~:text=Secondary%20menu,Sparc%20Managing%20Director%2C%20Mr.
  5. https://ocsial.com/es/industry/
  6. https://www.theglobalgraphenegroup.com/
  7. https://www.graphenea.com/?srsltid=AfmBOoroq4CofJ1IOEyYRIfwnqKcVS4nre9DnO3psqFxlSMHxtKqg05W
  8. https://www.agenciasinc.es/Noticias/Repsol-y-el-CDTI-invierten-un-millon-de-euros-en-la-firma-espanola-Graphenea

Wearables con grafeno: la nueva frontera entre la tecnología, la salud y la ciencia de materiales 

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Wearables con grafeno:

la nueva frontera entre la tecnología, la salud y la ciencia de materiales 

El grafeno ha revolucionado la tecnología vestible al ofrecer sensores flexibles y sensibles capaces de monitorear parámetros médicos en tiempo real. Este nanomaterial destaca por su piezoresistencia, lo que permite detectar movimientos y presiones sin sacrificar comodidad. Además, su versatilidad le permite interactuar con diversos materiales, mejorando la conductividad y flexibilidad de los wearables. Entre estos materiales, sobresalen los polímeros, nanopartículas metálicas y otros compuestos de carbono. Finalmente, la producción del grafeno involucra diferentes métodos, y sus propiedades pueden optimizarse mediante combinaciones con otros materiales. 

A principios del siglo XXI la tecnología vestible o “wearable” parecía ser un tema de ficción. Sin embargo, la creciente preocupación por la salud y el bienestar aceleró su evolución al grado que hoy día no solo son dispositivos reales, sino que, para muchos usuarios, ya son artículos de primera necesidad, sobre todo en términos médicos, ya que algunos “wearables” permiten monitorear parámetros importantes como la glucosa, el oxígeno o la frecuencia cardiaca para un seguimiento médico en tiempo real. Incluso, se espera que en el corto plazo estos dispositivos dejarán de dar solo datos, pues gracias a la integración de la inteligencia artificial también podrán interpretar y emitir recomendaciones de forma personalizada para atender cada situación. Naturalmente, esto conlleva cuestiones éticas y de seguridad que deben contemplarse y protegerse adecuadamente.  

Wearables con grafeno 

En el estricto sentido, el grafeno es un nanomaterial compuesto por una o varias capas de átomos de carbono organizados de manera hexagonal, pero en el sentido práctico, estas características le permiten actuar como un material piezoresistivo excelente, debido a que su resistencia eléctrica puede variar significativamente ante deformaciones mecánicas. 

“Cuando se estira o deforma un sensor de grafeno, la distancia y el solapamiento entre sus átomos carbonados cambian, modificando la movilidad de los electrones y, por consiguiente, la resistencia eléctrica. Este efecto se llama piezoresistencia y es la base para la detección de fuerzas, presiones y movimientos en sensores flexibles usados en wearables”. 

Gracias a la excelente capacidad de interacción con algunos materiales, el  es una base ideal para el desarrollo de sensores capaces de detectar movimiento, temperatura o presión, sin comprometer la comodidad ni la flexibilidad de las prendas que lo incorporan. 

¿Con qué materiales interactúa bien el grafeno? 

El grafeno es un material sumamente versátil que puede interactuar por enlaces covalentes, interacciones π-π, fuerzas de Van der Waals o enlaces de hidrógeno, dependiendo del tipo de material con el que se combine, desde metales, cerámicos, biomateriales y polímeros, por mencionar algunos ejemplos.  

Respecto a los materiales utilizados en la tecnología vestible, resalta su afinidad con polímeros como el poliuretano termoplástico (TPU), que permite que el material se estire, se doble o se lave sin perder conductividad; también con nanopartículas metálicas como el oro y la plata que ayudan a incrementar la conductividad sin perder flexibilidad; con los nanotubos de carbono que ayudan a formar una red más estable y sensible al movimiento, así como con otros materiales de carbono como el negro de humo que favorece la formación de una red conductiva híbrida actuando como puente entre las hojas del grafeno para mejorar la sensibilidad al cambio de resistencia cuando la estructura se deforma. 

¿Cómo se fabrica un wearable con grafeno? 

Para fabricar este tipo de productos, el primer paso es sintetizar o producir el grafeno, ya sea por el método de deposición química de vapor (CVD), por exfoliación mecánica o por oxidación química. Sobre esto es importante mencionar, que cada grafeno obtenido por cualquiera de estos métodos tiene características distintas entre sí, y es fundamental tener el conocimiento técnico sobre sus alcances, y, por lo tanto, también se pueden considerar realizar funcionalizaciones adicionales con otros materiales para mejorar su desempeño.  

Una vez que se tiene el material grafénico con o sin modificaciones, el siguiente paso es integrarlo o inmovilizarlo dentro de una matriz flexible como el polidimetilsiloxano (PDMS) o poliuretano (TPU), que facilite la colocación del sensor en forma de película delgada sobre otro material (p.ej. textil) y que a su vez pueda conectare mediante electrodos a circuitos electrónicos para la adquisición y el procesamiento de señales, para que cuando se encuentre en movimiento, el sensor se deforme, cambie su resistencia eléctrica y se convierta en datos digitales para monitorear parámetros de movimiento, presión, etc.  

Avances en la investigación de Wearebles 

2025 – Científicos de la Universidad de Cambridge, en conjunto con la Universidad Médica de la Capital de China y la Universidad de Beihang presentaron un sistema con grafeno para el monitoreo del sueño, integrado en prendas inteligentes, lavables y compatibles con la piel; el sistema detecta las vibraciones de la laringe mediante una matriz de sensores de deformación de seis canales colocados en la tela colocada en el cuello para reconocer y analizar patrones de sueño. 

2022 – Investigadores de la universidad de Pensilvania, desarrollaron un parche de polidimetilsiloxano (PDMS) con grafeno para monitorear la temperatura corporal; los hallazgos demostraron una mejora de la conductividad térmica del 24%. Además, su combinación con un software de lectura para análisis y procesamiento en una terminal inteligente facilitó el monitoreo en tiempo real con un gran potencial de aplicación en situaciones complejas de salud pública, como lo ocurrido en la pandemia por el SAR-Cov-2. 

2021– Científicos de la Escuela de Ingeniería Mecánica y de Potencia de la Universidad de Wuhan, Hubei, China, fabricaron sensores flexibles de grafeno y negro de humo con gran sensibilidad, estabilidad y excelente relación entre deformación y resistencia eléctrica.  

2019 – El Graphene Flagship en colaboración con el Instituto de ciencias fotónicas (España), presentó uno de los primeros prototipos de wearables de grafeno con puntos cuánticos, capaz de medir signos vitales múltiples (p.ej., frecuencia cardíaca, tasa respiratoria, saturación de oxígeno, exposición UV) mediante óptica flexible, demostrando que el grafeno podría usarse para sensores ópticos con formas muy ligeras y cómodas. 

2017 – Investigadores de Tsinghua University y Shanghai Jiao Tong University, China, desarrollaron un dispositivo ultradelgado para el cuello capaz de detectar movimientos de las cuerdas vocales, y de emitir sonido. Entre lo destacable de este prototipo fue su gran sensibilidad con cambios relativos de resistencia de hasta ~150 % a ~133 Ω y una emisión sonora de ~75 dB a 0.38 W a 2 mm de distancia.  

2017 – Científicos del Centro de Investigación y Aplicación de Nanotecnología de la Universidad Sabancı, Estambul, desarrollaron una prenda inteligente con electrodos textiles con grafeno para monitoreo de biopotenciales (electrocardiográficos) de muñecas y cuello. En comparación con los electrodos convencionales el prototipo de grafeno tuvo un rendimiento casi equivalente al estándar clínico, pero más cómodo. 

Dearrollos Comerciales 

Si bien la mayoría de las investigaciones continúan en etapas experimentales o de prototipo,  ya existen algunas compañías que han logrado traspasar las barreras de los laboratorios científicos para llegar al mercado:   

GraphWear (Estados Unidos):  Desarrolló un wearable con grafeno para monitoreo de glucosa sin punción.  Este dispositivo consiste en una fina lámina de grafeno que se adhiere a la parte posterior del reloj o a una pegatina que se puede llevar en el abdomen. 

Graphene Newton (India): Lanzó al mercado una línea de uniformes y wearables con grafeno para monitoreo de salud, ubicación y el rendimiento militar. 

Versarien (Reino Unido): Mediante su tecnología Graphene-Wear™ ofrece a sus usuarios una mayor transmisión térmica, una gestión superior de la humedad y un secado más rápido, manteniendo la permeabilidad al aire y al vapor de agua. Además, recientemente recibió la certificación del sistema OEKO-TEX® que certifica que Graphene-Wear™ es una tecnología sostenible que cumple con los requisitos legales y estándares de la industria aplicables, sin representar ningún riesgo para la salud humana. 

Redacción: EF/DHS 

Referencias 

  1. Y. Chen et al., “Graphene-based wearable piezoresistive physical sensors,” Materials Today, vol. 36, pp. 158-179, 2020. DOI: 10.1016/j.mattod.2019.12.004 
  1. K.-Y. Chen, Y.-T. Xu, Y. Zhao et al., “Recent progress in graphene-based wearable piezoresistive sensors: From 1D to 3D device geometries,” Mater. Sci. Eng., 2023. 
  1. M.K.H. Chowdhury et al., “Sensing the future with graphene-based wearable sensors,” Sci. Rep., 2024. 
  1. F. Saeedi et al., “Recent Advances of Graphene‐Based Wearable Sensors,” Adv. Mater. Interfaces, 2025. 
  1. R. Huang et al., “Highly Stretchable and Sensitive SBS/Graphene Composite Fiber for Strain Sensors,” Compos. Sci. Technol., 2019. 
  1. J. Li et al., “Flexible, Highly Sensitive, and Wearable Pressure and Strain Sensors with Graphene Porous Network Structure,” ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016. 
  1. Flexible graphene photodetectors for wearable fitness monitoring.’ Polat et al., Sci. Adv. 2019; 5: eaaw7846. 
  1. Huang J, Huang D. Graphene-Enhanced Polydimethylsiloxane Patch for Wearable Body Temperature Remote Monitoring Application. Sensors (Basel). 2022 Dec 2;22(23):9426.  
  1. Yapici MK, Alkhidir TE. Intelligent Medical Garments with Graphene-Functionalized Smart-Cloth ECG Sensors. Sensors (Basel). 2017 Apr 16;17(4):875. doi: 10.3390/s17040875. PMID: 28420158; PMCID: PMC5424752. 
  1. L. Ma, Y. Gao, S. Li, X. Lei, X. Li and F. Liu, “Flexible piezoresistive sensors with 3D CB/graphene conductive networks,” 2021 5th IEEE Electron Devices Technology & Manufacturing Conference (EDTM), Chengdu, China, 2021, pp. 1-3,  
  1. Aznar, P.R.D.; Junior, H.L.O. Advances and Applications of Graphene-Enhanced Textiles: A 10-Year Review of Functionalization Strategies and Smart Fabric Technologies. Textiles 2025, 5, 28 
  1. https://graphene-flagship.eu/about/first-10-years/spearheads/c2-sh06-weargraph 
  1. https://www.graphene-info.com/researchers-develop-graphene-based-intelligent-wearable-artificial-throat 
  1. https://www.graphene-info.com/graphwear-closes-205m-series-b-needle-free-graphene-powered-glucose-monitor 
  1. https://graphene-newton.com/service/smart-wearables-uniforms 

Hidrogeles y Grafeno: La Fusión Tecnológica que Revoluciona la Ciencia de los Materiales 

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Hidrogeles y Grafeno:

La Fusión Tecnológica que Revoluciona la Ciencia de los Materiales 

Los hidrogeles son redes poliméricas con una estructura hidrófila que les permite retener grandes cantidades de agua en sus redes tridimensionales. Desde sus primeras referencias en 1900 hasta los avances de Wichterle y Lim en la década de 1960, la tecnología de los hidrogeles ha evolucionado a tal grado que, hoy en día son soluciones importantes tanto para el sector médico, con la liberación controlada de fármacos o de agentes biológicamente activos; ambiental, para la adsorción de contaminantes o remediación de suelos; agrícola, para la retención de agua o acondicionamiento del suelo; alimentario, desde agentes texturizantes hasta envasado inteligente y almacenamiento de energía, por mencionar algunos ejemplos.  

“En 1900 el término «hidrogel» apareció por primera vez en la literatura científica para describir un gel coloidal de sales inorgánicas” 

Los hidrogeles pueden estar reticulados químicamente por enlaces covalentes, físicamente mediante interacciones no covalentes o por una combinación de ambas y se clasifican en naturales, incluyendo proteínas (colágeno y gelatina) y polisacáridos (almidón, alginato y agarosa); en sintéticos, a partir de  métodos de polimerización química e híbridos. Pero, como es de esperarse, los materiales sintéticos han reemplazado casi en su totalidad a los naturales por una mejor capacidad de absorción de agua, mayor vida útil y amplia variedad de materias primas.  

“La capacidad de absorción de agua de los hidrogeles se debe a los grupos funcionales hidrófilos unidos a su estructura polimérica, mientras que su resistencia a la disolución resulta de los enlaces cruzados entre las cadenas de la red” 

En general, los hidrogeles son fundamentalmente conocidos y utilizados por su excelente capacidad de absorber grandes cantidades de agua sin modificar su estructura. Pero su baja resistencia mecánica y sensibilidad a otros estímulos externos como la temperatura, la luz, o los campos eléctricos pueden favorecer o perjudicar su rendimiento en entornos variables. A continuación, mencionaremos algunos ejemplos: 

Sensibilidad a la temperatura: Este tipo de hidrogeles experimentan cambios en volumen o en solubilidad al momento en que se expanden o contraen ante el calor o frío. Esto permite que puedan liberar desde contaminantes adsorbidos hasta fármacos o agentes bioactivos, haciéndolos adecuados para procesos dinámicos de tratamiento de aguas residuales o para terapia médica. Sin embargo, el desafío de este tipo de materiales es su estabilidad a largo plazo y la capacidad de respuesta precisa a cambios de temperatura.  

Fotosensibilidad: La inclusión de agentes fotoactivos dentro de su red polimérica puede mejorar la degradación de contaminantes, activar y liberar determinados medicamentos o incluso mejorar las condiciones para el crecimiento y diferenciación celular para la ingeniería de tejidos. Aunque probablemente el reto más representativo para esta aplicación sea la foto degradación del material, como generalmente ocurre con la exposición continua a la radiación Uv.   

Sensibilidad a los campos eléctricos: El diseño de los hidrogeles electroactivos es a partir de la incorporación de grupos iónicos que, ante la aplicación de un campo eléctrico se mueven y modifican la estructura del hidrogel, de tal forma que alteran su permeabilidad permitiendo o impidiendo el paso de sustancias. Esta sensibilidad es de gran utilidad para el tratamiento de aguas residuales en cuanto a la captación y liberación de contaminantes o para la agricultura en cuanto a la liberación controlada de agua o nutrientes en el suelo. Desafortunadamente, la durabilidad y el alto costo, puede que sean las condiciones más retadoras para esta tecnología.  

Sensibilidad al pH: Esto se logra incorporando grupos funcionales ionizables (carboxilo o amino) en la estructura del polímero, en vías de que, en respuesta a cambios en el pH del entorno, estos grupos puedan ganar o perder protones y cambien sus interacciones intermoleculares para hincharse y absorber agua o contraerse para liberarla, dependiendo de la acidez o alcalinidad del medio.  

¿De qué manera la nanotecnología beneficia el desempeño de los hidrogeles? 

El campo interdisciplinario que se centra en la manipulación y fabricación de materiales y dispositivos a escala atómica, molecular y supramolecular se denomina nanotecnología. Lo cual se refiere al control de la materia en tamaños extremadamente pequeños, que van desde 1 hasta 100 nanómetros (nm) pero que pueden lograr grandes cambios.  

De hecho, se sabe que desde principios de la década de los 90`s la nanotecnología ha contribuido a mejorar la robustez mecánica de los hidrogeles, pero también ha hecho aportaciones para desarrollar funciones inteligentes y ampliar su campo de aplicación, sobre todo en materia médica y ambiental, teniendo siempre como premisa que cada tipo de nanopartícula brinda propiedades específicas.  

“Para dimensionar la escala nanométrica, tenemos que el espesor promedio de un cabello es de aproximadamente 60,000 nm y un nanómetro es la millonésima parte de un milímetro”. 

¿Cuál es el valor agregado del Grafeno en el desempeño de los Hidrogeles? 

El grafeno es una lámina de carbono nanométrica y bidimensional (2D) de un átomo de espesor con una estructura similar a la del anillo de benceno, de gran interés para los investigadores de diferentes campos, debido a sus excepcionales propiedades como conductividad térmica, resistencia mecánica, flexibilidad, biocompatibilidad, entre otras que pueden ser transferidas a las matrices de los hidrogeles.  

1. Resistencia Mecánica 

Como se mencionó anteriormente, una de las principales limitaciones de los hidrogeles es su baja resistencia mecánica. Esto dificulta su uso en aplicaciones donde se requiere durabilidad y resistencia a la deformación. El grafeno, conocido por su excepcional resistencia y flexibilidad, puede reforzar significativamente la estructura de los hidrogeles, aumentando su resistencia y estabilidad mecánica.  

2. Estabilidad Térmica 

Los hidrogeles pueden ser sensibles a los cambios de temperatura y, por lo tanto, son propensos a afectar su rendimiento en entornos variables. La adición de grafeno puede mejorar la estabilidad térmica de los hidrogeles, permitiendo que mantengan sus propiedades funcionales en un rango más amplio de temperaturas.  

3. Protección antimicrobiana y biocompatibilidad 

Aunque los hidrogeles suelen ser seguros para el medio biológico, la evidencia científica sustenta que la adición de grafeno puede mejorar su estabilidad y biocompatibilidad. Además, sus propiedades antimicrobianas intrínsecas pueden ser transferidas a los hidrogeles, haciéndolos más seguros para aplicaciones donde el control de infecciones es crucial. 

5. Respuestas eléctricas 

Una propiedad del grafeno de gran utilidad para la ingeniería de tejidos es la transmisión de señales eléctricas, para favorecer la comunicación entre células y con su entorno, sobre todo en tejidos eléctricamente activos (como nervioso, muscular o cardíaco). Además, permite liberar también de manera controlada, moléculas (fármacos) bajo aplicación intermitente de voltaje, a la vez que previene sobrecalentamiento durante estimulación eléctrica. 

Si bien hasta el momento no se registran hidrogeles con grafeno en el mercado, sí existen numerosos desarrollos nanotecnológicos experimentales alrededor del mundo que gradualmente están sentando las bases para aplicaciones futuras, como se describe a continuación: 

  1. A principios de 2025, un estudio realizado por el Consejo Superior de Investigaciones Científicas, en colaboración con el Hospital Nacional de Parapléjicos de Toledo, España, logró reconectar médula espinal totalmente seccionada en ratas usando una espuma de óxido de grafeno reducido (rGO) como andamio, mejorando conexiones neuronales y funcionalidad tras varios meses. Entre otras observaciones, los investigadores encontraron que al colocar el andamio con rGO en la médula espinal, aparecieron gran cantidad de vasos sanguíneos, fundamentales para nutrir el nuevo tejido. 
  1. En 2025, la Facultad de Agronomía de la Universidad de Buenos Aires (FAUBA), el CONICET y el INTI desarrollaron hidrogeles que resisten múltiples ciclos de hidratación y deshidratación, basados en la nanofiltración para la eliminación de virus, bacterias, hongos y metales pesados del agua. Cabe mencionar que el Laboratorio de Agro-Nanotecnología de la UBA tiene diferentes líneas de investigación enfocadas en el sector agropecuario y en las que se han estudiado 30 nanopartículas distintas con aplicación a la fertilización y al tratamiento de enfermedades de cultivos. 
  1. En 2023 en la revista Environmental Science & Technology, se publicó un estudio en el que se exploró la eliminación de metales pesados utilizando hidrogeles con grafeno. Los resultados reportaron una eficiencia de hasta el 95% para la eliminación del ion plomo en soluciones acuosas. 
  1. En 2022 en la revista Biomaterials Translational se presentaron los resultados obtenidos con un hidrogel de ácido hialurónico- óxido de grafeno (GO) y el fármaco Senexin A, un medicamento en evaluación para tratar la enfermedad vascular oclusiva. Durante la investigación, el GO se funcionalizó no covalentemente con Senexin A, y se logró una liberación sostenida del fármaco durante 21 días con una cinética de liberación ajustable y buena biocompatibilidad. Este novedoso hidrogel abrió el camino como sistema de administración perivascular de fármacos para el tratamiento de enfermedades vasculares oclusivas. 
  1. En 2022, en la revista Applied Materials & Interfaces se reportó un hidrogel de grafeno utilizado como andamio para la remodelación de cartílago. La investigación encontró una acelerada y equilibrada reparación del tejido, con expresión de fibrillas de colágeno tipo II demostrando un crecimiento celular estable a lo largo del andamio.   
  1. En 2018, un equipo de la Universidad del País Vasco (UPV/EHU) desarrolló un hidrogel de almidón y grafeno pensado para aplicaciones médicas, como electrodos flexibles para implantes cerebrales. El grafeno se combinó con extracto de salvia para mejorar su estabilidad en agua, además de conferir propiedades antibacterianas y eléctricas importantes. 
  1. En 2017, en la revista Environmental Science & Technology se publicaron los resultados de una investigación en la que se desarrolló un hidrogel poroso con óxido de grafeno (3D) como material super adsorbente para diferentes contaminantes del agua. Los científicos concluyeron que, al lograr un medio de soporte más estable, adecuados nanocanales de transporte y puentes de hidrógeno entre el grafeno y los contaminantes se pudo mejorar la capacidad adsorbente del material.  
  1. En 2017 en la revista Biomaterials se reportó un hidrogel suave e inyectable sintetizado a partir de PEGDAmelamina con óxido de grafeno (GO). En la experimentación in vivo sobre modelos de rata con infarto de miocardio, la inyección de este hidrogel produjo mejoras en la fracción de eyección (FE) y de acortamiento (FS); también mostró una neovascularización superior en comparación con otras muestras. Además, los resultados indicaron que el hidrogel redujo el tamaño del infarto y el área de fibrosis, sugiriendo una mejora en la recuperación de la función cardíaca. 

En resumen, los hidrogeles con grafeno, o con cualquiera de sus derivados ofrecen mejoras estructurales y funcionales. Su avance representa un salto hacia sistemas más inteligentes y adaptativos en biomedicina, agricultura y remediación ambiental. Pero como toda tecnología emergente para su introducción masiva, primero será necesario superar barreras regulatorias y de fabricación a gran escala a bajo costo. 

Redacción: EF/ DHS 

Referencias 

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Biocompatibilidad y Biodegradabilidad del Grafeno: Avances y Evidencias Científicas

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Biocompatibilidad y Biodegradabilidad del Grafeno:

Avances y Evidencias Científicas

El grafeno es ampliamente reconocido por sus propiedades excepcionales y su potencial para revolucionar diversas industrias. Sin embargo, al tratarse de una tecnología relativamente reciente y con aplicaciones emergentes, han surgido cuestionamientos sobre su impacto en la salud humana y el medio ambiente. Por ello, es fundamental analizar los estudios científicos que han evaluado su biocompatibilidad y biodegradabilidad, proporcionando evidencia sobre su seguridad y comportamiento en distintos sistemas biológicos.

Biocompatibilidad: Definida como la ausencia de reacciones adversas alérgicas o inmunitarias en el organismo frente a un material)

A lo largo de la última década, múltiples estudios han demostrado que el grafeno y sus derivados pueden ser biocompatibles bajo ciertas condiciones. Investigaciones sobre su interacción con la sangre, diferenciación celular, función renal, activación neuronal y regeneración ósea han arrojado resultados positivos. Destacan los siguientes hallazgos clave:

2012- Compatibilidad con sangre y respuesta de macrófagos. Se evalúa la nanotoxicidad sobre macrófagos a partir de los efectos del grafeno sobre su actividad metabólica, integridad de membrana, inducción de estrés oxidativo, hemólisis, activación y agregación plaquetaria, cascada de coagulación, inducción de citocinas, así como la activación y supresión de células inmunes.

Los resultados arrojaron que, si bien el grafeno sí interactúa con los macrófagos, la toxicidad se reduce significativamente por la funcionalización de la superficie. En cuanto a la compatibilidad con la sangre, el grafeno con y sin funcionalización tuvo una excelente compatibilidad con glóbulos rojos, plaquetas, vías de coagulación plasmática, y una alteración mínima en la expresión de citocinas por células mononucleares de sangre periférica humana. Además, no se identificó ninguna activación o supresión prematura de células inmunes hasta una concentración relativamente alta de grafeno (75 μg mL-1) después de 72 h de incubación in vitro.

Conclusión: Una posible toxicidad del grafeno se evita fácilmente mediante la funcionalización de su superficie.

A. Sasidharan, et. al., Hemocompatibility and Macrophage Response of Pristine and Functionalized Graphene, Small, 2012, 8, 1251

2014- Diferenciación de células cardiacas. Se analiza el efecto del grafeno sobre la diferenciación cardiomiogénica de las células madre embrionarias humanas (hESC). El grafeno fue sintetizado por CVD y depositado sobre vidrio cubierto con vitronectina, una proteína multifuncional que se encuentra en el plasma, las plaquetas y la matriz extracelular, para garantizar la viabilidad de las hESC. Las células se cultivaron durante 21 días y se encontró que el cultivo de hESC en grafeno promovió la expresión de genes involucrados en la diferenciación gradual en células de linaje mesodérmico y endodérmico y, posteriormente, la diferenciación cardiomiogénica en comparación con el cultivo en vidrio sin grafeno.

Conclusión: el grafeno puede proporcionar una plataforma para el desarrollo de terapias con células madre para enfermedades cardíacas al mejorar la diferenciación cardiomiogénica de las células madre embrionarias humanas.

Tae-Jin Lee, et. al., Graphene enhances the cardiomyogenic differentiation of human embryonic stem cells, Biochem Biophys Res Commun, 2014, 452(1):174

2016- Impacto sobre la función renal. Se estudió el efecto a nivel renal del óxido de grafeno administrado a ratones por vía intravenosa. Los resultados arrojaron que el GO fue excretado por orina, lo que indica un tránsito rápido a través de la barrera de filtración glomerular (GFB), sin nefrotoxicidad. El análisis concluyó ausencia de deterioro de la función renal hasta 1 mes después de la inyección de GO en dosis crecientes. El examen histológico no encontró daño en las regiones glomerulares y tubulares de los riñones. El análisis ultraestructural tampoco mostró daño ni cambios en el tamaño de las hendiduras de los podocitos, la fenestra de las células endoteliales o el ancho de la membrana basal glomerular. Los cultivos de células endoteliales y podocitarias recuperaron su función de barrera después de >48 h de la exposición al GO, y la captación celular fue significativa en ambos tipos de células después de 24 h.

Conclusión: el GO no es tóxico para los riñones.

Dhifaf A. Jasim, et. al., The Effects of Extensive Glomerular Filtration of Thin Graphene Oxide Sheets on Kidney Physiology. ACS Nano 2016, 10, 12, 10753

2018- Efecto en la activación neuronal. Se evalúa el efecto del grafeno monocapa en la activación neuronal. Se identificó que el grafeno modifica las funciones asociadas a la membrana en las células cultivadas, es decir, ajusta la distribución de iones extracelulares en la interfaz con las neuronas, un regulador clave de la excitabilidad neuronal. Los cambios en la membrana fueron: corrientes de iones de potasio más fuertes con un cambio en la fracción de fenotipos de activación neuronal de adaptación a activación tónica. La hipótesis del estudio fue que las interacciones grafeno-ion se maximizan cuando el grafeno de una sola capa se deposita sobre sustratos eléctricamente aislantes.

Conclusión: el óxido de grafeno puede actuar como sustrato para la interacción neuronal.

N. P. Pampaloni, et. al., Single-layer graphene modulates neuronal communication and augments membrane ion currents, Nat. Nanotechnol., 2018, 13, 755

2018- Coadyuvante en la proliferación de células pulmonares y neuronales. Se fabrican “papeles” de óxido de grafeno de distinto tamaño y espesor como sustrato para el cultivo de células pulmonares y células neuronales humanas, evaluando su capacidad para la adhesión y proliferación celular, así como una posible respuesta citotóxica a partir de la detección de lactato deshidrogenasa (LDH) en los sobrenadantes celulares.

Conclusión: el óxido de grafeno puede actuar como sustrato celular biocompatible para el crecimiento celular y sin efectos citotóxicos, abriendo mayores posibilidades para la ingeniería de tejidos, la medicina regenerativa, y las aplicaciones biónicas.

D. A. Jasim, et. al., Graphene-based papers as substrates for cell growth: Characterisation and impact on mammalian cells, FlatChem, 2018, 12, 17

2020- Biocompatibilidad del grafeno en materiales dentales- Se estudió la biocompatibilidad de un material de restauración y un cemento dental con grafeno sobre el defecto mandibular de un modelo animal. La citotoxicidad se evaluó in vitro a 24 h sobre células madre de folículos dentales humanos y sobre queratinocitos orales. Los estudios in vivo se realizaron a las 7 semanas posteriores a la implantación. Para ello se recolectó tejido óseo para su análisis histológico. Asimismo, se realizaron análisis de bioquímica plasmática, estrés oxidativo y toxicidad orgánica subcrónica.

Los resultados in vitro demostraron quelos materiales no generaron toxicidad sobre las células; in vivo los modelos animales no presentaron síntomas de toxicidad aguda o inflamación local. No se detectaron alteraciones en los pesos de los órganos; histológicamente no hubo alteraciones a nivel hepático y renal. Se confirmó la falta de toxicidad sistémica de los materiales en los órganos.

Conclusión: El estudio aporta más pruebas sobre la capacidad de los materiales dentales con grafeno para la regeneración ósea y la biocompatibilidad.

A. Dreanca, et. al., Systemic and Local Biocompatibility Assessment of Graphene Composite Dental Materials in Experimental Mandibular Bone Defect. Materials 2020, 13, 2511; doi:10.3390/ma13112511

2022- Riesgos del grafeno en microplásticos. El estudio se llevó a cabo sobre un compuesto de poliamida 6 o Nylon-6, un plástico de uso común en la industria automotriz y deportiva, reforzado óxido de grafeno reducido (rGO 2.5%). Posteriormente el material se sometió a desgaste tratando de emular los procesos naturales a lo largo de su vida útil, desprendiendo partículas de tamaño aproximado entre 1.9 µm y 3.2 µm. Para analizar los efectos de las partículas desgastadas a lo largo de las vías de exposición más probables se utilizaron in vitro modelos celulares humanos de pulmones, tracto gastrointestinal, piel y sistema inmune, así como un modelo animal para estudiar la exposición pulmonar in vivo.

Al terminar el estudio únicamente se encontraron respuestas agudas limitadas después de la exposición a los microplasticos en los diferentes modelos. Sólo el rGO libre indujo efectos adversos importantes, en particular en los macrófagos.

Conclusión: Los microplasticos con grafeno sugieren un riesgo bajo para la salud humana. Los materiales grafénicos no deben ser inhalados.

S. Chortarea, et. al., Hazard assessment of abraded thermoplastic composites reinforced with reduced graphene oxide, Journal of Hazardous Materials 435 (2022) 129053.

2023- Función pulmonar. Se analiza la respuesta biológica, distribución y biopersistencia de cuatro tipos de grafeno en pulmones de ratones hasta 28 días después de una única aspiración orofaríngea. Los resultados arrojaron que ninguno de los materiales indujo una respuesta inmunitaria pulmonar fuerte, observando que los neutrófilos internalizan, degradan y eliminan mejor las láminas de grafeno pequeñas (~50nm) que los macrófagos, debido a que las de mayor tamaño (~8µm) pueden tener mayor persistencia.

Conclusión: el grafeno no causa respuesta inflamatoria en pulmones, sin embargo, es importante considerar el tamaño de las láminas, siendo las de menor tamaño las más fáciles de eliminar de las vías aéreas y, por lo tanto, las más seguras.

Thomas Loret, et. al., Lung Persistence, Biodegradation, and Elimination of Graphene-Based Materials are Predominantly Size-Dependent and Mediated by Alveolar Phagocytes, Small, 2023,19(39): e2301201

2024- Función pulmonar y cardiovascular. Se realiza un estudio in vivo para evaluar el efecto de la inhalación de óxido de grafeno sobre la función pulmonar y cardiovascular en humanos sanos. Para el ensayo 14 voluntarios inhalaron durante 2 horas en visitas repetidas, laminas pequeñas y ultrapequeñas de óxido de grafeno a una concentración controlada. La frecuencia cardíaca, presión arterial, función pulmonar y los marcadores inflamatorios no se vieron afectados independientemente del tamaño de las partículas; el análisis de sangre tuvo pocas proteínas plasmáticas diferenciales y la formación de trombos aumentó levemente en un modelo ex vivo de lesión arterial.

Conclusión: la inhalación de óxido de grafeno puede ser tolerada y no se asocia con efectos perjudiciales evidentes en humanos sanos. El estudio sienta las bases para más estudios en humanos que analicen un mayor número de individuos, así como diferentes tipos y dosis de grafeno.

Jack P. M. Andrews, First-in-human controlled inhalation of thin graphene oxide nanosheets to study acute cardiorespiratory responses. Nature nanotechonoly, 2024, 19, 705.

Biodegradación: Proceso mediante el cual una sustancia es descompuesta por organismos vivos a través de mecanismos enzimáticos o metabólicos

Uno de los aspectos más relevantes en la evaluación de la seguridad del grafeno es su capacidad de biodegradación. Investigaciones realizadas en el marco del proyecto Graphene Flagship han demostrado que el grafeno y el óxido de grafeno pueden ser degradados exitosamente, como se verá a continuación:

2018- Investigadores asociados al Graphene Flagship de la Unión Europea adscritos al Centro Nacional de Investigación Científica (CNRS) de Francia, Universidad de Estrasburgo, Instituto Karolinska y a la Universidad de Castilla-La Mancha (UCLM), a través de los estudios “Dispersibility-Dependent Biodegradation of Graphene Oxide by Myeloperoxidase (2015)”, “Graphene oxide is degraded by neutrophils and the degradation products are non-genotoxic (2018)” y “Peroxidase mimicking DNAzymes degrade graphene oxide (2018)” descubrieron que la enzima mieloperoxidasa (MPO) biodegrada con éxito tanto al grafeno como al óxido de grafeno. 

Mieloperoxidasa (MPO): enzima liberada por los neutrófilos, células que se encargan de la eliminación de cualquier cuerpo extraño o bacteria que entre en el cuerpo y que se encuentra en los pulmones. Si se detecta un cuerpo extraño o bacteria dentro del cuerpo, los neutrófilos lo rodean y secretan MPO para destruir la amenaza.

El profesor Andrea C. Ferrari, responsable de Ciencia y Tecnología de Graphene Flagship y presidente de su comité de gestión, mencionó: “El informe sobre una vía exitosa para la biodegradación del grafeno es un paso muy importante para garantizar el uso seguro de este material en las aplicaciones. El Graphene Flagship ha situado la investigación de los efectos del grafeno sobre la salud y el medio ambiente en el centro de su programa desde el principio. Estos resultados fortalecen nuestra hoja de ruta de innovación y tecnología”.

https://graphene-flagship.eu/materials/news/biodegradable-graphene/#:~:text=Ferrari%2C%20Science%20and%20Technology%20Officer,our%20innovation%20and%20technology%20roadmap%22

Cristina Martın, et al., Biocompatibility and biodegradability of 2D materials: graphene and beyond, Chem. Commun., 2019, 55, 5540

Este descubrimiento es crucial, ya que confirma que el grafeno no es un material acumulativo en el cuerpo humano ni en el medio ambiente, sino que puede ser procesado y eliminado de manera natural, reduciendo los riesgos de toxicidad a largo plazo.

Conclusión

El grafeno y sus derivados han demostrado un alto grado de biocompatibilidad y una degradabilidad controlada en diversos estudios científicos. Si bien todavía existen desafíos por abordar, la evidencia actual respalda su seguridad en aplicaciones biomédicas, industriales y ambientales.

La clave para su correcto uso radica en la selección del tipo de grafeno y su funcionalización, lo que permite minimizar riesgos y potenciar sus beneficios. Gracias a los avances en la investigación, cada vez es más clara la viabilidad del grafeno como un material innovador, seguro y sostenible, con aplicaciones que van desde la medicina regenerativa hasta la nanotecnología avanzada.

El continuo desarrollo de estudios científicos permitirá consolidar aún más su posicionamiento como una de las tecnologías clave del futuro, asegurando su implementación responsable y efectiva en distintas industrias.

Redacción: EF/DHS

Grafeno, el material diferenciador para el aprovechamiento de la energía solar

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Grafeno

el material diferenciador para el aprovechamiento de la energía solar

La energía solar al ser una fuente limpia y abundante es una de las mejores opciones de energía renovable. Sin embargo, y pese a los avances tecnológicos, al día de hoy sigue siendo insignificante su aprovechamiento. De acuerdo con las estadísticas solo el 0.015% de la energía solar se utiliza para la producción de electricidad, el 0.3% para calefacción y el 11% para la fotosíntesis natural de la biomasa. Por el contrario, alrededor del 85% de las necesidades de energía global se satisfacen mediante combustibles fósiles, los cuales sabemos que son recursos finitos y altamente contaminantes.

“En 90 minutos el sol manda a la tierra la energía suficiente para satisfacer toda la demanda energética del planeta durante un año”

Las celdas solares son dispositivos que permiten convertir la energía solar en electricidad a través del efecto fotovoltaico; están fabricadas de materiales semiconductores que producen un campo eléctrico cuando se expone a la luz solar y se dividen en cuatro generaciones:

Primera generación

Las celdas solares de primera generación se fabricaron por primera vez en 1954 por los laboratorios Bell. Para ellas se utilizaron películas cristalinas de silicio monocristalino y policristalino con un espesor promedio de 200 a 300 µm, logrando inicialmente una eficiencia de conversión de energía del 6% que posteriormente ascendió hasta al 29% con el uso del arseniuro de galio (GaAs). De hecho, este tipo de celdas siguen siendo las más populares gracias a su alto coeficiente de absorción.

Segunda generación

Emplea las celdas de primera generación en conjunto con una nueva serie de películas considerablemente más delgadas de tan solo 10 µm de espesor a base de silicio microcristalino (µC-Si), silicio amorfo (A-Si), cobre indio galio seleniuro (CIGS) y telurio de cadmio/sulfuro de cadmio (CDTE/CDS). Dos ventajas de esta generación, es su costo y resistencia mecánica, mientras que su desventaja es que para lograr esos beneficios se tuvo que sacrificar en cierta medida la eficiencia de conversión, la cual se redujo a un 23%. Pese a este inconveniente, este tipo de celdas solares siguen estando disponibles en el mercado.

Tercera generación

El alto costo de fabricación de las celdas de silicio, resultado de su compleja manufactura a partir de silicio de alta calidad, abrió paso a la tercera generación, que integra materiales más flexibles, ligeros y económicos. Es así como surgen las celdas solares sensibilizadas con pigmento (DSSC), celdas solares de perovskita (PSC), celdas solares orgánicas/ poliméricas (OPV), celdas solares sensibilizadas con puntos cuánticos (QDSSC) y, finalmente, las celdas solares multiunión.

Probablemente la celda más interesante de este rubro, pero también la más compleja y costosa, es la multiunión. Como su nombre lo indica, consiste en múltiples uniones a partir de varios materiales semiconductores que producen una corriente eléctrica en respuesta a las diferentes longitudes de onda incidentes, mejorando de esta manera la conversión de la luz solar en electricidad; hasta el momento la eficiencia de conversión que se tiene registrada con estos diseños es del 36%

Cuarta generación (híbrida)

Esta última fusiona la flexibilidad y bajo costo de los polímeros, con la estabilidad y durabilidad de las nanopartículas y óxidos metálicos, así como de las nanoestructuras de carbono como el grafeno.

  • Celdas solares con grafeno

El grafeno es una nanoestructura de carbono con gran conductividad, transmitancia, resistencia mecánica, estabilidad térmica e inercia química. Pero además consta de una estructura de banda sin brechas (zero band gap) que permite la conducción de electrones como si fuera un metal, así como con del efecto Hall cuántico que permite que sus cargas libres se muevan fácilmente en dos dimensiones a gran velocidad.

Gracias a estas características se descubrió que el grafeno puede utilizarse para la fabricación de electrodos conductores transparentes, dispositivos de captación de energía, fotodetectores y otros dispositivos ópticos. No obstante, pese a que el grafeno es un excelente conductor, no tiene la misma capacidad para recolectar la corriente eléctrica producida dentro de una celda solar, a diferencia de su variante oxidada, el óxido de grafeno (GO), que es un material menos conductor, pero más transparente y mejor colector de carga.

“El grafeno se ha clasificado como un semiconductor semimetálico que presenta una dispersión electrónica lineal con gran movilidad y altas velocidades”.

Otro factor importante del grafeno es su espesor, que a su vez depende de su número de capas. Por esta razón el grafeno se clasifica en monocapa, bicapa, tricapa, de pocas capas (<5 capas) y multicapa (<10 capas), recordando que más de 10 capas de grafeno ya se considera grafito.  Al ser los grafenos bicapa y tricapa los que mantienen un mejor equilibrio entre sus propiedades de transmitancia y resistencia, son los más adecuados para su uso en celdas solares, sobre las cuales idealmente debe mantenerse un espesor máximo de 20 nm.

Aplicaciones del grafeno sobre los componentes de las celdas solares

Electrodos conductores transparentes (ECT).

Los primeros componentes en los que el grafeno ha demostrado tener impactos beneficiosos son los electrodos conductores transparentes (ECT). Anteriormente y debido a su alta conductividad y transmitancia en el espectro visible, para los ECT se utilizaba el óxido de indio- estaño (ITO) sin embargo, las películas suelen ser frágiles e inestables a altas temperaturas. Adicional a esto, cabe mencionar que el indio es un metal sumamente escaso, tóxico y costoso. De hecho, en cuanto aumentó la demanda de las celdas solares, el precio del indio se elevó a tal grado que el costo de los ECT representó el 50% de los costos de fabricación. Por estas razones, el ITO fue remplazado por el óxido de estaño dopado con flúor (FTO), que es más económico y soporta tratamientos químicos agresivos con altas temperaturas.

Además del FTO, el grafeno aparece como alternativa para superar las limitaciones del ITO en los ECT de las celdas solares, siempre y cuando se aumente la relación entre la resistencia y transmitancia. Para ello se han estudiado con buenos resultados los dopajes y co- dopajes químicos del grafeno con polímeros como el PEN, PEDOT: PSS, nanopartículas de oro, nanocables de plata, nanopartículas cúbicas de platino, ácido nitrico (HNO 3), cloruro de tionilo (SOCl 2), trietilentetramina (TETA), óxido de grafeno (GO) y bis (trifluorometano sulfonil) amida (TFSA).

Dopaje:  modificación química para disminuir la resistencia del grafeno y ampliar la función de trabajo.

HNO₃-AuNp: ácido nítrico- nanopartículas de oro.

PEN: poli (naftalato de etileno): polímero poliéster con propiedades de barrera.

PEDOT: PSS: Poli(3,4-etilendioxitiofeno)-poli (estireno sulfonato) / polímero transparente y conductor.

Capas fotoactivas

Las capas fotoactivas de las celdas solares incluyen capas interfaciales activas, capas de separación de carga electrón/hueco, capas de transporte electrón/hueco (ETL/HTL), capas de bloqueo de carga electrón/hueco y capas amortiguadoras.

De acuerdo con los reportes, el óxido de grafeno neutralizado con litio (GO-Li) en las capas interfaciales mejora no solo la eficiencia sino también la estabilidad del dispositivo a la intemperie (calor, aire y humedad) o como película protectora antirreflectante, gracias a su inercia química y transparencia. Otras funcionalizaciones del grafeno para las capas fotoactivas incluyen al óxido de grafeno reducido con tiolato (TrGO) y al grafeno con sulfuro de cadmio (CdS).

Áreas de oportunidad del grafeno sobre los distintos tipos de celdas solares

Celdas solares de silicio

Las investigaciones indican que la eficiencia de conversión de las celdas solares con grafeno se puede mejorar con la incorporación de una capa de pasivación dieléctrica entre el grafeno y el sustrato de silicio para suprimir la difusión de electrones desde este último hacia la capa de grafeno. Entre los materiales aislantes que podrían utilizarse con efectividad están el dióxido de silicio (SiO 2), disulfuro de molibdeno (MoS 2), óxido de aluminio (Al 2 O3), óxido de grafeno (GO), nitruro de boro hexagonal (h-BN), poli (3-hexil tiofeno-2,5-diilo) (P3HT), puntos cuánticos, trióxido de molibdeno (MoO 3), y el espiroOMeTAD, por mencionar algunos.

Celdas solares orgánicas/ poliméricas

En este tipo de celdas, el grafeno puede tener tres funciones generales:

  1. Como aditivo en materiales donantes o donantes-aceptores,
  2. como electrodo conductor transparente (ánodo y cátodo),
  3. como capa fotoactiva separada. 

El grafeno bicapa y tricapa gracias a su alta conductividad puede corregir los problemas de transporte de carga del sistema donador-aceptor de electrones (P3HT: PCBM) asociados al desequilibrio de la movilidad de electrones y huecos para evitar el atrapamiento de carga y mejorar su recolección eficiente. 

P3HT: PCBM sistema donador-aceptor de electrones de las celdas solares poliméricas.

P3HT: polímero conductor

PCBM: derivado de fullereno. 

Celdas solares sensibilizadas con pigmento

Con esta tecnología se trata de emular el proceso de las células vegetales para producir energía a partir de pigmentos orgánicos. En ellas, inicialmente el grafeno se utilizó para remplazar al FTO de los fotoánodos, pero con el tiempo se identificaron ventajas adicionales en los siguientes componentes:

  1. Fotoánodos: como conductor transparente tanto para el dióxido de titanio (TiO2) como para la sensibilización de los pigmentos; en los fotoánodos el grafeno puede mejorar la tasa de transporte de carga, evitar la recombinación y aumentar la captación de luz.
  2. Contraelectrodos: como sustituto del platino,
  3. Como aditivo fotoanódico: para mejorar la transferencia de electrones,
  4. Electrodos poliméricos, en los que un polímero (PEDOT-PSS) permite la conductividad, mientras que el grafeno facilita la catálisis.

Fotoánodo: Es el vehículo de electrones desde el pigmento fotoexcitado hasta el circuito externo. Se compone de una capa de dióxido de titanio (TiO2) sobre un sustrato de vidrio o plástico conductor.

Contraelectrodos:  participan en la inyección de electrones del pigmento fotooxidado en los electrolitos para catalizar las reacciones de reducción.

Celdas solares de Perovskita

La perovskita es un mineral compuesto por óxido de calcio y titanio que desde 2009 se utiliza para la fabricación de celdas solares. En un inicio su eficiencia fue del 3,9% pero en poco tiempo ascendió al 32%. A pesar de su buen desempeño, facilidad de fabricación y versatilidad, las celdas solares de Perovskita tienen dos importantes desventajas. La primera es una fácil degradación ante la intemperie y la segunda, una toxicidad relacionada con la presencia de plomo que, naturalmente conlleva preocupaciones para la salud humana y ambiental. Es entonces que los esfuerzos para contrarrestar dichos inconvenientes se han enfocado, por un lado, en modificar químicamente al mineral y por otro, en encapsularlo para protegerlo de las condiciones externas.

Así como ocurre con otros tipos de celdas, también se ha identificado que la presencia de grafeno o de su variante reducida dentro de las capas fotoactivas (HTL/ETL) de las celdas de perovskita puede mejorar aún más su eficiencia entre un 14 y 28%. Esto se debe a que el grafeno al ser un material ambipolar, es decir, que puede mover las cargas en distintas direcciones, puede ayudar a equilibrar la función trabajo – conductividad, agilizar la extracción de electrones y mejorar la estabilidad a la intemperie.

Claramente y como se ha mencionado con anterioridad, la funcionalización o dopaje del grafeno juega un papel importante para mejorar el desempeño de los componentes de las celdas solares. En el caso de las celdas de perovskita, es útil la funcionalización con nanopartículas metálicas, óxidos metálicos y o nanopartículas de perovskita, no solo para mejorar la estabilidad del grafeno sino para incrementar la superficie de área y la conductividad eléctrica en todo el sistema.

Si bien es un hecho que las celdas solares con grafeno aún no se encuentran comercialmente disponibles, ya se tienen algunos avances reportados en esta vía.  El primero de ellos es la serie G12 Evolution de la compañía Znshine Solar, compuesta por tres módulos de grafeno y que, en 2018, ganó un concurso para proporcionar 37.5 MW de módulos a Bharat Heavy Electricals Limited (BHEL), el mayor fabricante de equipos de generación de energía de la India. Según el contrato, el 10% del envío fue de paneles solares recubiertos de grafeno. Posteriormente, en 2019, la compañía firmó un contrato con los Servicios de Energía Etihad de los Emiratos Árabes Unidos para el suministro de 100MW.

Por último, a finales de 2024 las empresas austalianas Halocell energy y First Graphene anunciaron una alianza para un proyecto de dos años para la fabricación de celdas solares de perovskita con grafeno. El objetivo fue acelerar el proceso de fabricación, mejorar el rendimiento de captación de luz y de esa manera ampliar la producción y satisfacer la demanda comercial. De acuerdo con la información publicada los módulos de perovskita con grafeno son hasta cinco veces más eficientes y rentables que las celdas de silicio comunes.

Bibliografía

  1. Photovoltaic Cell Generations and Current Research Directions for Their Development Materials 2022, 15, 5542;
  2. Recent Advancements in Applications of Graphene to Attain Next-Level Solar Cells. C 2023, 9, 70;
  3. Rational and key strategies toward enhancing the performance of graphene/silicon solar cells. Mater. Adv., 2023, 4, 1876;
  4. Recent Applications of Graphene in Dye-sensitized Solar Cells. Current Opinion in Colloid & Interface Science 20 (2015) 406
  5. Recent advances of graphene-based materials in planar perovskite solar cells. Next Nanotechnology 5 (2024) 100061;
  6. https://www.halocell.energy/news-posts/first-graphene-to-supply-halocells-indoor-perovskite-solar-cell-production-line;%20%0b
  7. https://www.graphene-info.com/graphene-solar-panels

El Grafeno

Publicado el | por Energeia Graphenemex

El Grafeno

El alótropo de carbono más versátil con propiedades extraordinarias 

El carbono es uno de los elementos más abundantes de la tierra y más importantes para los seres vivos. Incluso, es considerado el rey de la tabla periódica gracias a sus excelentes propiedades químicas, las cuales se deben a una estructura electrónica capaz de crear moléculas con enlaces sencillos, dobles y triples pudiendo formar hasta diez millones de elementos. 

Los alótropos de carbono por su parte son aquellos materiales base carbono con distintas configuraciones moleculares y, en consecuencia, distintas propiedades. Por ejemplo, en el grafito, conocido por ser un material blando, conductor eléctrico y de gran resistencia térmica, los átomos de carbono están unidos entre sí por tres enlaces covalentes en forma de hexágonos distribuidos en capas apiladas, pero débilmente unidas.  

Entre sus aplicaciones más conocidas están los lápices, baterías, lubricantes, entre otras. Mientras que, en el diamante, un material aislante y por demás conocido por su alto valor económico en joyería, los átomos de carbono se encuentran unidos también por enlaces covalentes, pero en forma de tetraedros que le confiere una extrema dureza utilizada principalmente para instrumentos de corte.  

Otros alótropos de carbono, quizá menos conocidos y de clase nanométrica, es decir, de tamaño menor a 0.1 micras, son los fullerenos de apariencia semejante a un balón de futbol, el cual puede actuar como semiconductor o superconductor; los nanotubos monocapa o multicapa, que no son más que capas de carbono en forma tubular caracterizados por tener gran resistencia, elasticidad y conductividad.  

Y, finalmente, el grafeno, una molécula constituida por capas de carbono similares a las del grafito, pero en bloques aislados desde una capa hasta 10 como máximo, pero con propiedades superiores en términos de resistencia mecánica, conductividad térmica, eléctrica, entre muchas otras. 

“Existen otros materiales que no deben identificarse como alótropos de carbono, p.ej., el negro de humo y el carbón activado, que se definen como materiales carbonáceos obtenidos a partir de materias primas que contienen carbono” 

El carbón activado o carbón vegetal, es un material similar al grafito, pero de aspecto rugoso y poroso con una importante capacidad adsorbente utilizada fundamentalmente para la eliminación de contaminantes en el aire o en el agua. A diferencia del grafito o del grafeno, que se componen de átomos de carbono organizados en un patrón hexagonal, el carbón activado se constituye por anillos heptagonales y pentagonales más desorganizados por las impurezas adquiridas al momento de su producción, comúnmente a partir de la carbonización de biomasa como madera, cáscaras de coco, huesos o bien de coque de petróleo en ausencia de aire, seguido de una gasificación parcial con vapor de agua o dióxido de carbono para modificar su porosidad. 

“En el carbón activado, el término activación se refiere a la aplicación de medios físicos o químicos para incrementar su porosidad y, por ende, su área superficial” 

El negro de humo o negro de carbón, es un carbón amorfo coloidal compuesto por la agregación de esferas nanométricas con aproximadamente un 1% de especies orgánicas. Se obtiene de la combustión incompleta de hidrocarburos como el petróleo bajo condiciones controladas y, aunque al igual que el carbón activado es un material carbonoso, sus propiedades no dependen de su porosidad, sino de la distancia entre sus partículas.  Es entonces que, mientras que en el carbón activado se aprovechan las propiedades absorbentes, el negro de humo se utiliza como refuerzo del caucho, en pigmentos conductores o como estabilizador de rayos UV.  

¿Qué hace del grafeno un material superior? 

De todos los alótropos de carbono y materiales carbonosos, el grafeno es el nanomaterial más revolucionario y reconocido como la unidad fundamental de todas las formas de grafito, ya que se puede curvar en fullerenos, enrollar en nanotubos y apilarse en grafito. 

Lo que hace del grafeno un material superior, son los fuertes y organizados enlaces entre sus átomos que determinan la estructura en forma de panal de abeja y que a la vez explican su fortaleza mecánica, mientras que el electrón que queda libre cuando cada átomo de carbono se enlaza con otros tres, es la respuesta a su excelente conductividad.  

Lo sorprendente del grafeno es su extraordinaria multifuncionalidad, ya que aunado a lo antes mencionado en términos mecánicos y de conductividad tanto térmica como eléctrica, también el grafeno es sumamente ligero, transparente, impermeable, biocompatible, antimicrobiano, anticorrosivo, resistente a la radiación y, finalmente, tiene la gran facultad de reaccionar químicamente con otras sustancias para compartir todas estas propiedades, de tal manera que puede formar compuestos con características nuevas o mejoradas. Esta capacidad de interactuar con otros compuestos no solo justifica su estudio, sino que promueve su uso para el desarrollo de numerosas aplicaciones en casi todas las industrias, desde la industria de la construcción, para mejorar las propiedades del concreto; en la industria del reciclaje y del plástico, extendiendo la vida útil de los materiales; de los recubrimientos anticorrosivos y antimicrobianos, incrementando su eficiencia protectora, hasta la industria electrónica, energética o biomédica, con diversos beneficios dependiendo de las necesidades de cada sector.   

¿Cómo se obtiene el grafeno? 

El grafeno se puede obtener por dos técnicas principales. La primera recibe el nombre de “abajo hacia arriba” mediante el método de deposición química de vapor (CVD, por sus siglas en inglés), el cual se basa en la extracción de los átomos de carbono a partir de gases como el metano; aunque es un método bastante conocido y comprendido, es poco utilizado para producciones industriales debido a su baja escala de producción y los altos costos de operación. La segunda técnica y además la más común, ya que supera los inconvenientes del CVD, pero no las particularidades del material, es la técnica de “arriba hacia abajo”, la cual consiste en el aislamiento o separación de las capas de carbono o grafeno propiamente dicho mediante la exfoliación mecánica, electroquímica o química del grafito a granel. Entendiendo que, la separación de menos de 10 capas de carbono se considera grafeno y que un número mayor será considerado grafito. De hecho, suele haber una gran confusión entre el grafito y el grafeno, no obstante, es fácil determinar sus diferencias. Por ejemplo, el grafito es un material tridimensional (3D), mientras que el grafeno tiene una estructura bidimensional (2D), lo cual quiere decir que una de sus dimensiones (extensión) se encuentra en el orden de las micras y la segunda dimensión (espesor) se ubica en la escala nanométrica. Es por eso que un punto de referencia del grafeno es que tiene un átomo de espesor.   

En Energeia- Graphenemex®, la empresa mexicana pionera en América Latina enfocada en la investigación y producción de materiales grafénicos, tiene como fortaleza la creación de métodos y procesos patentados para la producción replicable y a gran escala de distintos tipos de grafenos que asegura su disponibilidad para el desarrollo de aplicaciones ya sea propias o, como aliado estratégico de otras compañías interesadas en innovar y mejorar sus productos con esta extraordinaria tecnología.  

Redacción: EF/ DHS 

Innovaciones en Tecnologías del Agua

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Innovaciones en Tecnologías del Agua:

El Impacto del Grafeno

Hasta junio de 2024 el Instituto Nacional de Estadística y Geografía (INEGI) registró que, alrededor del 50% del territorio mexicano se encontraba en sequía severa, 30% en sequía extrema y 11% en sequía excepcional, habiendo tenido en consecuencia repercusiones importantes no solo en el abastecimiento de agua potable, siendo que en México solo el 52.3% de la población cuenta con dicho servicio, sino también afectaciones para el desarrollo de numerosas actividades económicas, como el sector agrícola y ganadero.

Pero la crisis hídrica no es un problema nacional, de acuerdo con la OMS/UNICEF más de 2000 millones de personas en todo el mundo carecen de agua potable por ello, dichos organismos definieron objetivos para el desarrollo sostenible hacia el 2030, en vías de garantizar la disponibilidad del agua y para cuyo cumplimiento es crítico mejorar la educación en materia de higiene; la protección y restablecimiento de los ecosistemas; el uso eficiente los recursos hídricos; la inversión en infraestructuras e instalaciones de saneamiento, así como fomentar el uso de nuevas tecnologías del agua, por ejemplo, para sistemas de riego, recolección de agua de lluvia y métodos para su tratamiento y reutilización.

Dentro de las nuevas tecnologías se encuentra la tecnología nano, misma que ha sido revolucionada desde hace 20 años por el aislamiento del Grafeno, un nanomaterial multifuncional base carbono perteneciente a la familia del diamante y del grafito, sobre el cual se han desarrollado numerosas investigaciones para evaluar sus efectos en las propiedades de los materiales utilizados en las tecnologías del agua, p.ej. membranas de filtración, medios floculantes, entre otros. El interés despertado para el estudio del grafeno en dichas aplicaciones resulta de sus extraordinarias características fisicoquímicas mismas que pueden ser controladas y compartidas con otros materiales tridimensionales.  Desde el inicio de su estudio como nanorelleno de matrices principalmente poliméricas se identificaron interesantes mejoras mecánicas, antiadherentes, antifricción, antimicrobianas y filtrantes que le permitieron incrementar su tiempo de vida, reducir las incrustaciones principalmente de materia orgánica sobre su superficie y con ello mantener constante el flujo del agua y, por lo tanto, la eficiencia de filtración.

Por ejemplo, investigadores del Instituto de Tecnología de Madrás y la Universidad de Tel Aviv en Israel desarrollaron con éxito un aerogel de sílice con óxido de grafeno para la descontaminación de aguas residuales, mientras que científicos de la Universidad Palacký de Olomouc, República Checa, pertenecientes al proyecto 2D-CHEM financiado por el Consejo Europeo de Investigación del Graphene flagship, diseñaron un grafeno ácido sintetizado a partir del fluorografeno con la facultad de remover metales pesados como el plomo y cadmio, así como metales nobles como el paladio, galio o indio.

Cabe destacar que los atractivos resultados de las investigaciones sobre el grafeno en las tecnologías del agua finalmente salieron de los laboratorios para llegar al mercado. Las empresas que hasta el momento han logrado explotar sus beneficios son la empresa australiana CLEAN TEQ WATER experta en el tratamiento de agua, con presencia en Melbourne, Beijing, Tianjin, y África que, a través de su filial NematiQ desarrolló exitosamente membranas de nanofiltración con grafeno más duraderas y capaces de reducir el consumo de energía; recientemente la compañía obtuvo la certificación WaterMark como producto seguro para la filtración de agua. Por su parte, la empresa británica EVOVE antes conocida como G2O Water Technologies ya utiliza entre otras tecnologías, recubrimientos hidrófilos de óxido de grafeno para mejorar el rendimiento de las membranas cerámicas o poliméricas convencionales.

Finalmente, el trabajo conjunto entre científicos del Graphene flaship y los lideres europeos en la industria de la purificación de agua como Icon Lifesaver, Medica SpA y Polymem S.A, a través del proyecto GRAPHIL buscan posicionar un nuevo sistema de filtración a partir de membranas poliméricas de fibra hueca mezcladas con grafeno para la gestión segura de agua potable, principalmente para uso doméstico.

Es así como los avances del grafeno gradualmente han ido ganando terreno fuera de las fronteras académicas para contribuir a solucionar una de las problemáticas más importantes en el mundo. Energeia- Graphenemex® la empresa mexicana pionera en América Latina en la producción y desarrollo de aplicaciones con materiales grafénicos en colaboración con otras compañías y centros de investigación se suma a la búsqueda de estrategias para mejorar la disponibilidad y calidad del agua, esperando en el corto plazo tener nuevas aplicaciones con grafeno en el mercado.

Redacción: EF/DHS

El Futuro de las Baterías

Publicado el | por Energeia Graphenemex

El Futuro de las Baterías:

Grafeno como Solución Sostenible a la Crisis de Litio

En la última década, el aumento global en la demanda de baterías de iones de litio ha sido impulsado por la creciente popularidad de dispositivos electrónicos, desde dispositivos portátiles como tabletas, consolas y teléfonos celulares, hasta vehículos eléctricos. Según el Fondo Monetario Internacional, se prevé que para 2050 la demanda de baterías supere la oferta en un 40%, lo que plantea una potencial crisis para las industrias que dependen de ellas si no se implementan alternativas viables.

Las problemáticas de las baterías de iones de litio no se limitan solo al equilibrio oferta-demanda. El litio es un recurso finito cuya extracción y desecho tienen impactos negativos en el medio ambiente y la salud humana. Además, las baterías presentan riesgos de seguridad significativos, como inestabilidad, sobrecarga, sobrecalentamiento e incendios.

El grafeno, un nanomaterial bidimensional de carbono con estructura de lámina extremadamente delgada, transparente y resistente, ha captado la atención de los expertos en baterías. Su arquitectura única permite una alta conductividad eléctrica y estabilidad química, características esenciales para mejorar el rendimiento de baterías de iones de litio (LIB), litio-azufre (LSB) y litio-oxígeno (LOB).

Beneficios del grafeno en las baterías:

  1. Mayor capacidad de almacenamiento energético: El grafeno tiene una estructura con una extensa área superficial, lo que facilita una mayor cantidad de sitios de intercalación para los iones de litio. Esto se traduce en una mejora significativa en la capacidad de almacenamiento energético de las baterías.
  2. Mejora en la conductividad eléctrica: Los enlaces π-π del grafeno permiten un transporte eficiente de electrones entre los materiales activos de los electrodos y los colectores de corriente. Esto reduce la resistencia interna de las baterías y mejora su potencia de salida, lo que es crucial para aplicaciones que requieren altas tasas de carga y descarga.
  3. Estabilidad mejorada y mayor durabilidad: El grafeno promueve la estabilidad de los materiales de los electrodos al prevenir la degradación prematura durante los ciclos de carga y descarga. Esto no solo prolonga la vida útil de las baterías, sino que también asegura una mayor estabilidad cíclica, manteniendo un rendimiento constante a lo largo del tiempo.

Perspectivas futuras y alternativas:

A pesar del crecimiento continuo del mercado de baterías de iones de litio, sus riesgos ambientales y limitaciones técnicas están impulsando la investigación hacia alternativas más sostenibles y eficientes. Algunas de estas alternativas incluyen sistemas de baterías basados en sodio/azufre, quitina/zinc, silicio/carbono, y combinaciones de grafeno con otros materiales avanzados.

En Energeia-Graphenemex, nos enorgullece estar a la vanguardia de estas innovaciones, explorando cómo el grafeno y otros materiales nanotecnológicos pueden seguir transformando la industria de las baterías y contribuyendo a un futuro energético más limpio y sostenible.

Redacción: EF/ DHS

Referencias

  1. A. Ali, P.K. Shen, Nonprecious metal’s graphene-supported electrocatalysts for hydrogen evolution reaction: fundamentals to applications, Carbon Energy 2 (2020) 99.
  2. A. Ali, P.K. Shen, Recent progress in graphene-based nanostructured electrocatalysts for overall water splitting, Electrochem. Energy Rev. 3 (2020) 370;
  3. A. Ali, P.K. Shen, Recent advances in graphene-based platinum and Palladium electrocatalysts for the methanol oxidation reaction, J. Mater. Chem. 7 (2019) 22189–22217; 4. Moreno-Brieva, Fernando, & Merino-Moreno, Carlos. (2020). Scientific and Technological Links from Samsung On Lithium Batteries and Graphene. Journal of technology management & innovation, 15(4), 81
  4. Yu Yang, Renjie Wang, Zhaojie Shen, Quanqing Yu, Rui Xiong, Weixiang Shen, Towards a safer lithium-ion batteries: A critical review on cause, characteristics, warning and disposal  strategy for thermal runaway, Advances in Applied Energy, 11, 2023, 100146
  5. https://www.hibridosyelectricos.com/coches/grafeno-baterias-coches-electricos_69751_102.html
  6. https://rpp.pe/columnistas/fernandoortegasanmartin/grafeno-vs-litio-el-futuro-de-las-baterias-automotrices-noticia-1391824
  7. https://www.energymonitor.ai/tech/energy-storage/graphene-is-set-to-disrupt-the-ev-battery-market/
  8. https://www.eleconomista.com.mx/opinion/Datos-sobre-el-mercado-de-smartphones-en-Mexico-20240131-0117.html