Categoría: Óxido de Grafeno

Conductividad y control: grafeno en la evolución de materiales antiestáticos

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Conductividad y control:

Grafeno en la evolución de materiales antiestáticos

A inicios del siglo XVIII, científicos comenzaron a observar que algunos materiales al frotarse se atraían entre sí, pero que otros, sobre todo aquellos de distinta naturaleza, siempre se repelían. Después de numerosas observaciones del mismo fenómeno, los estudiosos coincidieron en que, entre ciertos objetos se transferían fluidos invisibles o cargas, que posteriormente denominarían fuerzas de atracción y repulsión.

Fue Benjamín Franklin quien concluyó que entre los objetos solo se intercambiaba un fluido, y que las dos cargas distintas eran un exceso o una deficiencia de este. Para tal conclusión Franklin experimentó con cera y lana e interpretó que, al frotarse, la lana extraía el fluido invisible de la cera, causando un exceso de carga en ella y una deficiencia en la cera. En consecuencia, esta diferencia de cargas sería la que mantendría unidos ambos cuerpos por las mencionadas fuerzas de atracción, y a la vez que el fluido intentaría recuperar el equilibrio entre ambos materiales.

“Tiempo después se descubrió que el misterioso “fluido invisible” estaba compuesto por diminutos fragmentos de materia llamados electrones. Los portadores de carga eléctrica más pequeños conocidos”

Hoy en día sabemos que la carga eléctrica es la transferencia de electrones que se produce cuando dos cuerpos generadores de tensiones electrostáticas entran en contacto. Sin embargo, en materiales aislantes como el plástico ocurre algo distinto. En ellos la carga tiende a permanecer en reposo o estática en la zona de contacto localizada y, cuando dicho plástico entra en contacto con un cuerpo a un potencial diferente, como una persona o un microcircuito, esta electricidad estática puede descargarse mediante un arco o una chispa que a su vez puede causar daños a equipos electrónicos o incluso incendios y explosiones, sobre todo en presencia de líquidos, sólidos o gases inflamables. De aquí la importancia del uso de materiales antiestáticos en productos plásticos para la construcción, dispositivos electrónicos, centros de almacenamiento, textiles, entre muchos otros. 

“La carga en reposo también se conoce como electricidad estática o electrostática”

Como bien sabemos los plásticos se encuentran en prácticamente cualquier entorno y, aunque atienden incontables necesidades, la electricidad estática que se forma puede limitar sus aplicaciones. Por esta razón, es común el uso de aditivos antiestáticos que les ayuden a reducir su resistencia eléctrica y los vuelvan adecuados para la producción por ejemplo, de embalajes antiestáticos para la industria electrónica, automotrizo química,ya sea fabricados con biopolímeros biodegradables como el ácido poli láctico (PLA) y acetato de celulosa (CA) o con plásticos petroquímicos no biodegradables como el polietileno (PE), polipropileno (PP) y tereftalato de polietileno (PET) o bien, para la producción de insumos de la construcción con PVC o caucho para plantas químicas, gasolineras y minas de carbón, por mencionar algunos.

¿Cuántos tipos de aditivos antiestáticos existen?

La familia de los aditivos antiestáticos es amplia. Pueden ser iónicos, no iónicos, polímeros conductores, aditivos con fósforo y materiales de carbono. Pero como es habitual, en este artículo nos enfocaremos en los materiales de carbono, como el negro de humo, el grafito y principalmente, en el grafeno.

“Según la norma ASTMD257-78, la resistividad superficial de los materiales antiestáticos se encuentra entre de 1,0× 105 a 1,0× 1012 Ω/sq”

El grafeno es una nanoestructura de carbono cuya reconocida conductividad eléctrica (0,96×108 Ω·m-1) le permite actuar como agente antiestático. A diferencia del grafito, que es una forma tridimensional del carbono compuesta por millones de láminas de grafeno apiladas y del negro de humo cuya configuración amorfa lo hace propenso a formar grandes agregados, el grafeno tiene una estructura bien organizada en forma de lámina y con una extensa superficie de área de gran accesibilidad a sus dos superficies que le permite interactuar íntimamente con otras moléculas y de esta manera modificar las propiedades de una gran cantidad de materiales, en este caso de los polímeros, no solo en materia antiestática, sino en resistencia mecánica, térmica y propiedades de barrera.

En el estricto sentido, el grafeno se compone únicamente de átomos de carbono, pero en la realidad práctica, se dice que existen tantos tipos de grafeno o de materiales grafénicos, como métodos de producción, ya sea para la obtención de grafeno propiamente dicho, de óxido de grafeno (GO) o de óxido de grafeno reducido (rGO), y cualquiera de ellos con alguna funcionalización desde su producción o bien, posterior a ella. Toda vez que cada grafeno puede requerir modificaciones químicas adicionales que mejoren su interacción con las diversas matrices poliméricas y les confiera una o varias propiedades, incluidas la que nos ocupa, es decir, la propiedad antiestática, por ejemplo:

Para integrar el grafeno en el PLA de los productos para embalaje antiestático, se pueden utilizar como vehículo los plastificantes como el timol, polietilenglicol (PEG) y el sebacato de dibutilo (DBS), no solamente para fines antiestáticos, sino también para mejorar la resistencia mecánica y propiedades de barrera del polímero original. De acuerdo con lo reportado en la literatura, la presencia de grafeno en el PLA puede incrementar la conductividad eléctrica de 1.39E-12 S/cm hasta 2.83E-4 S/cm. No así en el caucho para piso antiestático, para el cual el grafeno se puede funcionalizar con metacrilato de zinc para reducir hasta en tres órdenes de magnitud su resistividad eléctrica.

Por otro lado, y como es bien sabido, un punto crítico para el correcto desempeño del grafeno en cualquier aplicación es su buena dispersión e integración con la matriz que lo soporta. Lo complejo es que no siempre se logra con la misma metodología. Por ejemplo, para tener una buena dispersión con el caucho, el grafeno se puede funcionalizar con 3-glicidiloxipropiltrimetoxisilano, un agente de acoplamiento entre compuestos orgánicos e inorgánicos; pero en el caso del PET, se puede utilizar óxido de grafeno (GO) funcionalizado con p-fenilendiamina (PPD), el cual es un agente reticulante que además de mejorar la dispersión del grafeno, también favorece su estabilidad térmica y finalmente, su rendimiento antiestático aumentando hasta en 8 órdenes de magnitud la conductividad del PET.

En cuanto al acetato de celulosa (CA), un polímero biodegradable con gran auge como material de empaque, existen metodologías que, gracias a la gran afinidad entre ambos materiales, permiten una funcionalización directa del grafeno con moléculas del CA desde el momento de su producción. Estos métodos no solo mejoran la integración entre ambos materiales, sino la dispersión del grafeno y una eficiente disipación de la electricidad estática al reducir la resistividad superficial del CA registrada en 1,09× 1012 Ω/sq hasta 1,51× 109 Ω/sq. Un procedimiento similar se puede lograr con el PVC y el ftalato de dioctilo (DOP). Este último es un compuesto orgánico empleado como plastificante en la fabricación de plásticos y caucho, pero que utilizado durante la exfoliación del grafito puede ayudar a obtener un grafeno más afín al PVC y a la vez reducir su resistividad de 1016 Ω -cm hasta 2,5 ×106 Ω/sq.

Con todo lo anterior es claro que el grafeno representa un salto tecnológico en el desarrollo de plásticos avanzados. Su capacidad para actuar como aditivo antiestático eficaz, sumada a sus beneficios multifuncionales, lo convierte en una herramienta clave para impulsar la innovación en materiales. Sin embargo, su desempeño depende de una adecuada selección del tipo de grafeno, su funcionalización y una integración eficiente con la matriz polimérica. A medida que la investigación avanza, el grafeno se consolida como una solución de vanguardia para responder a los desafíos de seguridad, funcionalidad y sostenibilidad de la industria plástica moderna.

Redacción: EF/DHS

Referencias

  1. aif M. Jaseem and Nadia A. Ali. Antistatic packaging of plasticized biodegradable polylactic acid /graphene nancomposites. Pak. J. Biotechnol. Vol. 16 (2) 81-90 (2019)
  2. Josiani Aparecida da Silva, et al., The combined effect of plasticizers and graphene on properties of poly(lactic acid), Inc. J. Appl. Polym. Sci. 2018, 135, 46745.
  3. Saif M. Jaseem and Nadia A. Ali Antistatic packaging of carbon black on plastizers biodegradable polylactic acid nanocomposites 2019 J. Phys.: Conf. Ser. 1279 012046
  4. Zhaorui Meng, et al.,  Grafting macromolecular chains on the surface of graphene oxide through crosslinker for antistatic and thermally stable polyethylene terephthalate nanocomposites. 2022, RSC Advances, 12, 52, 33329.
  5. Zijun Gao et al., Graphene nanoplatelet/cellulose acetate flm with enhanced antistatic, thermal dissipative and mechanical properties for packaging, Cellulose (2023) 30:4499
  6. Zi-Bo Wei, et. al., Antistatic PVC-graphene Composite through Plasticizer-mediatedExfoliation of Graphite, chinese J. Polym. Sci. 2018, 36, 1361

Grafeno y Bioplásticos: Innovación para una Sostenibilidad Mejorada

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Grafeno y Bioplásticos:

Innovación para una Sostenibilidad Mejorada

La concientización sobre el cuidado del medio ambiente y el cumplimiento de los objetivos de la agenda de desarrollo sostenible 2030 de la Organización de las Naciones Unidas (ONU) ha impulsado el crecimiento de la industria del bioplástico, tratando de tomar la delantera dentro de la carrera contra los productos sintéticos que, si bien muchos de ellos son materiales no tóxicos y reciclables, no todos tienen la capacidad de ser biodegradables.

“Actualmente, solo el 1% del plástico total producido es bioplástico”

¿Qué es el bioplástico?

Los bioplásticos son materiales de origen natural y químico, producto de recursos renovables o derivados del petróleo y que en consecuencia tienen las grandes ventajas de ser completamente biodegradables, altamente reciclables y de generar una mínima huella de carbono. Aunado a esto, también tienen buenas propiedades ópticas, mecánicas, antioxidantes y antimicrobianas. No obstante, y como la mayoría de los materiales, los bioplásticos también tienen limitaciones. Las dos más conocidas son: poca resistencia a la tracción y a la humedad.

Pese a estas deficiencias y debido a que lo que se busca es reducir al máximo la huella de carbono y la circulación de polímeros sintéticos o de un solo uso, la industria del bioplástico ha tratado de evolucionar y de superar sus limitaciones gracias a la incorporación de agentes de refuerzo, como cargas, compatibilizantes, plastificantes o incluso, por la aplicación de la nanotecnología mediante el uso de nanopartículas. 

Los bioplásticos más conocidos son el ácido poliláctico (PLA), polihidroxibutirato (PHB), derivados de celulosa, el almidón y el quitosano. Pero es el PLA el polímero termoplástico biodegradable, aprobado por la FDA, que en los últimos años ha tomado gran fuerza como alternativa para reemplazar a los polímeros fósiles no biodegradables tradicionalmente utilizados en la industria alimenticia, médica, agrícola, textil y automotriz, ya que es un material con características similares a las de algunos plásticos derivados del petróleo. Tan es así, que en el mercado ya existen numerosos productos fabricados a base de PLA como botellas moldeadas por soplado, tazas, cucharas y tenedores moldeados por inyección, tazas y bandejas termoformadas, recubrimientos de papel, fibras para la industria textil hasta insumos médicos.

“Más de 160 toneladas de PLA para embalaje se producen anualmente; esto corresponde a aproximadamente al 13% de todos los bioplásticos, siendo el segundo más utilizado del sector, después del almidón”

El PLA se produce a partir de ácido láctico a través de la fermentación de recursos renovables, como arroz, trigo, maíz, caña, papa, betabel, etc., y, como es de esperarse por su naturaleza, comparte las mismas limitaciones mecánicas y de barrera que otros biomateriales. Razón por la cual se han desarrollado diversas alternativas para mejorar sus características. Por ejemplo, para mejorar su cristalinidad y biodegradabilidad, el PLA se combina con polímeros como el polietilenglicol, alcohol vinílico de etileno o el poli (adipato de butileno-co-tereftalato); para mantener su compostabilidad se realizan mezclas reactivas con otros biopolímeros a base de almidón, como el maíz, la yuca y betabel y, finalmente, para mejorar la impermeabilidad, la resistencia a la tracción y la estabilidad térmica, el grafeno es el material que ha surgido como una gran promesa.  

“Otras nanopartículas que también se utilizan en la industria del bioplástico son la plata, el óxido de magnesio, óxido de zinc, dióxido de titanito, hidroxiapatita, sílice, alúmina, magnetita, óxido de zirconio, carbonato de calcio y, recientemente, el grafeno”

¿Qué es el grafeno?

El grafeno es una nanoestructura que se extrae generalmente del grafito, el cual es un mineral compuesto únicamente por carbono. Pero, a diferencia de él, el grafeno es un material sustancialmente más pequeño, conformado por una o pocas láminas de átomos de carbono fuertemente entrelazados y que se pueden combinar con una gran cantidad de compuestos para mejorar sus propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas, de barrera, antimicrobianas, etc.

Los beneficios que el grafeno aporta a biopolímeros como el PLA son diversos, por ejemplo, algunos estudios han integrado bajos porcentajes de grafeno para la fabricación de películas compostables de PLA con almidón termoplástico de yuca para uso alimenticio y agrícola. Sorprendentemente, el uso de tan solo el 0.1% de grafeno ha podido mejorar:

  • la resistencia a la elongación en:~ 75%,
  • la tenacidad de la película en un ~500%,
  • el módulo de elasticidad en 100%
  • la impermeabilidad al oxigeno entre el 35 y 50%.

En relación con las mejoras mecánicas, los estudios concluyen que, en los polímeros reforzados con grafeno expuestos a esfuerzos de tensión, las fracturas creadas en la superficie del polímero encuentran una vía de propagación libre o bien, una lámina de grafeno y, dado que el grafeno es un material rígido, la fractura se ve forzada a encontrar una vía alterna que continúa con la propagación de la fractura, hasta romper al material durante la deformación plástica. Con esto se genera un aumento de la energía de deformación, que finalmente se traduce en altos valores de elongación a la rotura.

“Bajas concentraciones de grafeno son suficientes para crear un mecanismo de puenteo de grietas durante los esfuerzos de tensión. Pero altas concentraciones pueden llevar a una aglomeración del nanomaterial y tener un efecto totalmente opuesto”

En lo que respecta al aumento en la impermeabilidad tanto al oxígeno como a la humedad, se debe al trayecto sinuoso que generan las láminas de grafeno dentro del polímero y que dificultan la penetración y el paso de las moléculas. Este fenómeno se relaciona con una buena compatibilidad y dispersión del grafeno dentro del polímero que evite la agregación del material. A este respecto, una manera de mejorar la compatibilidad del grafeno con los polímeros es la modificación química con grupos oxigenados, que da origen a su variante más conocida como Óxido de grafeno (GO) en el cual, la presencia de moléculas de oxígeno e hidrogeno a su vez permite funcionalizaciones adicionales con otras nanopartículas (p.ej., nanocristales de celulosa o de óxido de zinc) o compuestos (p.ej. grupos amina o amida) que modifican su comportamiento de acuerdo con el objetivo deseado.

Por ejemplo, en 2023 la revista Polymer testing publicó un estudio en el que se evaluaron los cambios en las propiedades de barrera del PLA utilizando GO funcionalizado con dos tipos de alquilaminas (decilamina (DA) y octadecilamina (ODA) con la finalidad de mejorar su desempeño en el empaque de alimentos. Los resultados reportaron una importante reducción en la permeabilidad al oxígeno del 30% con el uso de 0.7% del GO funcionalizado y una disminución en la permeabilidad del vapor de agua del 50% al utilizar 0.2% de GO, contribuyendo con esto a aumentar el tiempo en anaquel de los productos. De hecho, se prevé que, si el PLA lograse mejorar de manera importante sus propiedades, podría sustituir a materiales como el poliestireno o el PET, es decir, a los materiales más utilizados en la industria del empaque.

Protección Antimicrobian del Grafeno

Finalmente, y no menos importante, otra de las ventajas que el grafeno ofrece no solo al PLA sino a otros materiales, es su ampliamente documentada capacidad antimicrobiana y que no propiamente resulta de una actividad biocida. Es decir, uno de los mecanismos del grafeno es evitar la adhesión de microorganismos a las superficies mediante diversas vías y sin importar su naturaleza.

Para el caso específico del PLA con grafeno también existe información que la sustenta. En este caso los resultados de los estudios refieren que con el uso de 1% de GO, en películas de PLA no solo se reduce la porosidad de la película y con ello, la permeabilidad al oxígeno, sino que también demuestra una actividad antimicrobiana importante contra Staphylococcus aureus y Escherichia coli, fortaleciendo sus capacidades para el envasado y conservación de alimentos.

Para el desarrollo del presente artículo se tomó como modelo el PLA para ejemplificar las bondades que el grafeno puede ofrecer a la industria del bioplástico. Sin embargo, en la literatura pueden encontrarse otros biomateriales que también son susceptibles de ser mejorados como el quitosano, la celulosa o el almidón.

En general, los estudios demuestran que el grafeno tiene la capacidad de mejorar distintas características de un material, pero para ello es necesario:

  1. Identificar al grafeno adecuado,
  2. Su concentración óptima,
  3. Realizar modificaciones químicas que mejoren su desempeño dependiendo de los componentes y procesos de cada aplicación.

Siendo fundamental lograr un equilibrio favorable entre las propiedades mecánicas, de barrera, ópticas, etc.   Aprovechando las características únicas del grafeno, la industria del bioplástico puede avanzar hacia materiales sostenibles y de alto rendimiento con un menor impacto ambiental.

Redacción: EF/DHS

Referencias

  1. Remilson Cruz, et al., Development of biodegradable nanocomposites based on PLA and functionalized graphene oxide. Polymer Testing 124 (2023) 108066
  2. Mulla, et al., Poly Lactic Acid (PLA) Nanocomposites: Effect of Inorganic Nanoparticles Reinforcement on Its Performance and Food Packaging Applications. Molecules 2021, 26, 1967
  3. Saranya Ramesh Kumar et. al., Bio-based and biodegradable polymers – State-of-the art, challenges and emerging trends. Current Opinion in Green and Sustainable Chemistry 2020, 21:75
  4. De Carvalho, A.P.A.; Conte Junior, C.A. Green strategies for active food packagings: A systematic review on active properties of graphene-b Trends Food Sci Technol, 103, 2020, 130
  5. Anibal Bher et. al., Toughening of Poly(lactic acid) and Thermoplastic Cassava Starch Reactive Blends Using Graphene Nanoplatelets. Polymers 2018, 10, 95
  6. Yasir Ali Arfat et. al., Polylactide/graphene oxide nanosheets/clove essential oil composite films for potential food packaging applications. Int. J. Biol. Macromol, 107, 2018, 194
  7. Valapa, R.B.; et. al., Effect of graphene content on the properties of poly(lactic acid) nanocomposites. RSC Adv. 2015, 5, 28410
  8. Ahmadi-Moghadam, et. al., Effect of functionalization of graphene nanoplatelets on the mechanical response of graphene/epoxy composites. Mater. Des. 2015, 66, 142
  9. Seshadri, M.; Saigal, S. Crack bridging in polymer nanocomposites. J. Eng. Mech. 2007, 133, 911

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

Funcionalización del Grafeno

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Funcionalización del Grafeno

Transformando Propiedades para Aplicaciones Innovadoras

El grafeno es una nanoestructura de carbono en forma de lámina y con propiedades multifuncionales que, aunque suele ser químicamente inerte, bajo ciertas condiciones y gracias a su extensa superficie de área, puede interactuar con otras moléculas o partículas para generar una gran diversidad de derivados con características particulares como las que se comentará más adelante.

Químicamente inerte: que no es capaz de reaccionar o es inactivo

Las interacciones que el grafeno puede tener también reciben el nombre de funcionalizaciones o dopajes, que no son más que modificaciones químicas con el objetivo de dar al grafeno nuevas propiedades o “funciones” como, por ejemplo, para volverlo hidrofílico, ya que como es bien sabido, el grafeno es un material en esencia hidrofóbico y, en consecuencia, difícil de manipular. De esta cualidad surge probablemente la funcionalización más común a partir del anclaje de grupos oxigenados hidroxilo, epoxi, carbonilo y carboxilo a lo largo de toda su estructura de carbono que da origen a su variante más conocida, la cual recibe el nombre de: Óxido de Grafeno (GO, por sus siglas en inglés).

“La funcionalización del grafeno cambia la química de la superficie, como la carga y la hidrofobicidad”

Funcionalización covalente y no covalente

Las funcionalizaciones que se le pueden hacer al grafeno son del tipo covalente y no covalente. La primera se refiere a la formación de fuertes enlaces químicos con otras partículas o moléculas que cambian la estructura y la hibridación de sus átomos de carbono. Este tipo de funcionalización permite un mejor control del proceso en comparación con la funcionalización no covalente (fuerza de van der Waals, interacciones electrostáticas, puentes de hidrogeno o apilamiento π-π) que no altera su estructura química, ya que las partículas o moléculas se adsorben a su superficie de una manera más débil y reversible.

“La funcionalización química del grafeno es una herramienta importante para su introducción en el mundo de las aplicaciones”

Como se mencionó anteriormente, la funcionalización más conocida del grafeno es el óxido de grafeno, también encontrado en la literatura bajo el nombre de óxido de grafito o grafeno oxidado. Esta variante se define como una única monocapa grafítica funcionalizada covalentemente con grupos hidroxilo y epoxi por encima y por debajo de cada lámina de grafeno, así como con grupos carbonilo y carboxilo generalmente en sus bordes.

Estas modificaciones en la estructura del grafeno tienen distintas ventajas, por un lado, ayudan a su mejor dispersión en medios acuosos, evitan su re- aglomeración, le dan más sitios de interacción para funcionalizaciones adicionales o bien, facilitan su incorporación con los materiales tridimensionales (p.ej. polímeros) y, finalmente, permiten una mayor escala de producción tanto del GO como del grafeno propiamente dicho. Esto se debe a que los grupos oxigenados anclados a la superficie del GO pueden ser removidos por métodos químicos, electroquímicos o térmicos que reestablecen parcialmente la estructura del grafeno y, por lo tanto, el GO puede ser utilizado como un material precursor.

Esto último es importante porque una de las razones por las cuales existen pocas aplicaciones con grafeno en el mercado, es que los métodos comunes de producción tienen rendimientos bajos o insuficientes para un uso industrial.

A continuación, se mencionan algunos ejemplos de las funcionalizaciones no relacionadas entre sí, pero que se pueden hacer al grafeno y sus derivados para distintas aplicaciones.  

Funcionalización del grafeno con polímeros

Para la correcta funcionalización del grafeno es fundamental que se formen enlaces fuertes entre los átomos de carbono del grafeno y los polímeros mediante funcionalizaciones covalentes. Sin embargo, esta es una tarea compleja ya que el grafeno consta solo de carbono y carece de grupos funcionales para poderse conjugar. Por esta razón, el GO y rGO son los principales precursores para la funcionalización del grafeno con polímeros mediante enlaces no covalentes.

Un primer ejemplo es la funcionalización directa del GO por apilamiento π–π durante los procesos de extrusión de los polímeros en donde las altas temperaturas y fuertes fuerzas de corte fracturan los agregados y permiten a las cadenas poliméricas difundirse en los espacios de las láminas del GO para poder integrarse correctamente y de esta manera el GO puede transferir al polímero sus propiedades, principalmente mecánicas.

Sin embargo, el GO también puede funcionalizarse con otras estructuras como quitosano para integrarse en polímeros como el polivinilpropileno (PVP) y el alcohol polivinílico (PVA) o bien, la funcionalización directa de GO con polimetilmetacrilato (PMMA) o con polietilenglicog (PEG) para su uso en bioaplicaciones.

Otro ejemplo de funcionalización del GO es con polianilina, el cual es un polímero conductor con la finalidad de crear materiales para electrodos con un mejor rendimiento electroquímico y de mayor estabilidad a largo plazo; lo mismo ocurre con la funcionalización con compuestos a base de polipirrol para mejorar las capacidades de almacenamiento de energía. Asimismo, se puede funcionalizar con nanopartículas metálicas como el cobre o la plata para aumentar su conductividad eléctrica en recubrimientos conductores o tintas.

Funcionalización del grafeno para aplicaciones biomédicas

La estabilidad en dispersión del grafeno es un requisito esencial para el éxito en todas las aplicaciones, por esta razón el GO es la variante más utilizada. Las funcionalizaciones adicionales que pueden hacerse a través de los mencionados grupos oxigenados presentes a lo largo de toda su superficie no solo favorecen la dispersión del grafeno en agua, sino que también aumentan su biocompatibilidad y seguridad. Además, su extensa superficie de área, incluyendo las zonas hidrofóbicas propias del grafeno, permite la adsorción de moléculas orgánicas, DNA, RNA, proteínas, iones o polímeros mediante interacciones no covalentes (apilamiento π-π, puentes de hidrógeno e interacciones electrostáticas) para distintas aplicaciones médicas como por ejemplo, el diseño de plataformas biocatalíticas mediante la funcionalización con nanopartículas de oro para uso en biosensores de diagnóstico y/o seguimiento de enfermedades; con pigmentos fluorescentes para imagenología;  nanopartículas de plata para fines antimicrobianos o con polímeros como el polietilenglicol para el anclaje y transporte de fármacos.

Funcionalización del grafeno para la fabricación de dispositivos fotovoltaicos

Las propiedades del grafeno que lo postularon como fuerte candidato para la optimización de dispositivos fotovoltaicos son su ligereza, transparencia, gran superficie de área, y ausencia de la banda prohibida debido a su alta movilidad y conductividad eléctrica a temperatura ambiente.

Banda prohibida:  barrera de energía que los electrones deben superar para circular como corriente eléctrica.

A lo largo de los años se ha estudiado el desempeño del grafeno tanto en capas interfaciales, capas activas y como electrodos conductores transparentes; la incorporación de grafeno en las celdas solares de silicio puede aumentar su eficiencia de conversión de energía solar en electricidad en un 20%; en las celdas solares de grafeno con perovskita se ha encontrado mayor densidad de corriente y eficiencia superior al 80%. Para el caso de las celdas solares sensibilizadas con pigmentos en las que se ha utilizado óxido de grafeno funcionalizado con dióxido de titanio (TiO2) se ha observado un efecto plasmónico que demuestra mejor eficiencia en cuanto a captación de luz y transporte de carga.

Otros ejemplos de las funcionalizaciones probadas en el grafeno son el poli (3-hexiltiofeno) (P3HT), nanopartículas de oro y poli (3,4-etilendioxitiofeno): poli (ácido estireno sulfónico), bis(trifluorometanosulfonil)amida y metales como el cobre.

Funcionalización del grafeno para la fabricación de lubricantes

En los aceites sintéticos tradicionales suelen utilizarse algunos aditivos con nanopartículas para reducir la pérdida de energía y el desgaste. Esto se justifica por la capacidad que tienen para crear películas protectoras entre las interfaces de contacto de las superficies rugosas para disminuir la fricción y el desgaste. Sin embargo, una de las limitantes para su uso en aceites lubricantes especialmente en aquellos de baja viscosidad, es la poca estabilidad que las nanopartículas pueden llegar a presentar.

La eficiencia tribológica o lubricante del grafeno tiene origen en su gran resistencia mecánica, su estructura plana, delgada y con débiles enlaces entre sus láminas, en su alta estabilidad térmica y, finalmente, en la tan mencionada extensa área superficial. No obstante, y como en muchas otras aplicaciones, se tiene documentado que el dopaje del grafeno con nitrógeno, fosforo, azufre, boro y fluor; con grupos alquilo como la octadecilamina, el octadeciltriclorosilano y octadeciltrietilano o con modificaciones con aminas como alquilaminas mejoran aún más sus propiedades tribológicas. Asimismo, la funcionalización con polímeros también ha demostrado buenos resultados no solo tribológicos, sino también en cuanto a dispersabilidad y la estabilidad, p. ej., con el difluoruro de polivinilideno (PVDF), el politetrafluoroetileno (PTFE), el poli (éter-éter -ketona) y polietilenimina. Aunque otras investigaciones también han reportado funcionalizaciones del grafeno con octadecilamina para otros fines como la biodegradabilidad de los lubricantes, por mencionar algunas.

Con lo anterior solo se describen algunos ejemplos de las incontables funcionalizaciones que se pueden hacer al grafeno para incursionar en aplicaciones específicas ya que en muchas ocasiones no es suficiente la presencia del grafeno dentro de un material o mezcla para generar un efecto notable. Afortunadamente es tan amplio su campo de acción que, sabiendo sintetizarlo y utilizarlo es posible lograr resultados asombrosos.

Redacción: EF/DHS

  1. Surface Functionalization of Graphene-Based Materials: Biological Behavior, Toxicology, and Safe-By-Design Aspects , Adv. Biology 2021, 5, 2100637
  2. Applications of Pristine and Functionalized Carbon Nanotubes, Graphene, and Graphene Nanoribbons in Biomedicine. Nanomaterials 2021, 11, 3020
  3. Modelling of graphene functionalization, Phys. Chem. Chem. Phys., 2016, 18, 6351
  4. Graphene and functionalized graphene: Extraordinary prospects for nanobiocomposite materials . Composites Part B: Engineering, 2017, 121,34  
  5. Highly Stable Graphene Oxide-Gold Nanoparticle Platforms for Biosensing Applications, 2017,  Physical Chemistry Chemical Physics 20(3)
  6. Graphene oxide: a stable carbon framework for functionalization, : J. Mater. Chem. A, 2013, 1, 11559
  7. Functionalised graphene as flexible electrodes for polymer photovoltaics, Journal of Alloys and Compounds Volume 825, 5 June 2020, 153954
  8. Graphene and its derivatives for solar cells application, Nano Energy Volume 47, May 2018, Pages 51-65
  9. Effect of HNO3 functionalization on large scale graphene for enhanced tri-iodide reduction in dye-sensitized solar cells, journal of materials chemistry, 2012, 38
  10. The development of TiO2-graphene oxide nano composite thin films for solar cells, Results in Physics 11 (2018) 46
  11. Graphene/Si Schottky solar cells: a review of recent advances and prospects, RSC Adv., 2019, 9, 863–877 |
  12. Tribological improvement of potential lubricants for electric vehicles using double functionalized graphene oxide as additives, Tribology International 193 (2024) 109402
  13. Graphene-Based Nanomaterials as Lubricant Additives: A Review, Lubricants 2022, 10, 273

Aerogeles de Grafeno

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Aerogeles de Grafeno

Una Revolución en la Descontaminación y la Eficiencia Industrial

Los aerogeles son materiales sintéticos, translúcidos y de aspecto gelatinoso en los que se reemplaza el contenido líquido de un gel por aire o algún tipo de gas para formar una red porosa de nanoestructuras interconectadas. Suelen fabricarse de materiales como el sílice, alúmina, óxido de cromo, titanio, estaño o carbono, cada uno con propiedades especiales para distintas industrias. Por ejemplo, en la industria de la construcción se utilizan para el aislamiento térmico y acústico de las edificaciones; en la industria alimenticia para el control de humedad; en medicina para la liberación de fármacos o reparación de defectos óseos; en la agricultura para el aprovechamiento del agua y, finalmente en las tecnologías de purificación de agua y aire para la adsorción de contaminantes, por mencionar algunos. 

“Pese a las bondades de los aerogeles, dos de sus desventajas son su fragilidad y alto costo, razones por las cuales se siguen buscando alternativas para su perfeccionamiento”

El grafeno es una nanoestructura esencialmente plana formada por una o hasta diez láminas de átomos de carbono fuertemente enlazados y con extraordinarias propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas, transferibles a otros materiales. Sin embargo, para que esta transferencia suceda, es común realizarle al grafeno funcionalizaciones adicionales con grupos oxigenados o dopantes químicos o físicos como moléculas de ADN, iones metálicos, nanopartículas o polímeros para inhibir el apilamiento π-π de las láminas y así mejorar su interacción y estabilidad, fundamentalmente porque una de las limitantes del grafeno es la fuerte tendencia de sus láminas a aglomerarse.

“Un factor crucial para el buen desempeño de grafeno es la correcta dispersión y/o distribución de sus láminas a lo largo de toda la matriz del material de soporte”

El punto de convergencia entre los aerogeles y el grafeno es que los aerogeles son estructuras tridimensionales macroscópicas en las que el grafeno no solo puede mantenerse estable sin aglomerarse, sino que también puede mejorar sus propiedades en cuanto a ligereza, conductividad eléctrica, aislamiento térmico, compresibilidad y elasticidad, pero también permite funcionalizaciones con otros materiales o elementos como el hidróxido de cobalto, oxido de cobalto, dióxido de manganeso, oxido de molibdeno, disulfuro de molibdeno, nitrógeno, azufre o boro para mejorar el rendimiento de detección electroquímica, la eficiencia de supercondensadores, funciones electrocatalíticas o de adsorción de contaminantes.

Aerogeles de grafeno para descontaminación

Pese a que mucho se ha descrito sobre las capacidades adsorbentes del grafeno gracias a su extensa superficie de área y, en consecuencia, numerosos sitios de interacción para la captación de contaminantes, sobre todo en su versión oxidada conocida como óxido de grafeno (GO), la dificultad para eliminar los adsorbatos y reciclar las láminas de GO limita sus aplicaciones prácticas. Para fortuna de la ciencia y la tecnología, las recientes investigaciones sugieren que la fabricación de aerogeles de grafeno tridimensionales (3D) puede restringir eficazmente la agregación del GO durante la adsorción y mejorar su capacidad de regeneración debido a que estas nuevas estructuras no solo poseen la estructura cristalina del grafeno, sino que también tienen una densidad extremadamente baja, alta porosidad y gran área superficial que facilita la difusión y adsorción de contaminantes en la red 3D, además de permitir su reciclabilidad.

Una investigación publicada en 2024 por la internacionalmente reconocida revista Nature, describió dos métodos para la producción de aerogeles con grafeno. En dicho estudio se evaluó la capacidad fotocatalítica de ambos materiales encontrando un rendimiento superior respecto a sus contrapartes sin grafeno. Asimismo, se analizaron distintos pigmentos y disolventes orgánicos tóxicos y aceites como el formaldehído, diclorometano, acetona, etanol, metanol; aceite de bomba, de ricino y de silicona con mejores tasas de descontaminación. De igual forma, otros estudios han demostrado que los aerogeles de grafeno pueden eliminar hasta el 99 % metales pesados ​​del agua en comparación con los adsorbentes comunes como el carbón activado y respecto a otros métodos de tratamiento como el intercambio iónico, la coagulación y la filtración, debido a su mayor área de superficie, capacidad de adsorción, larga vida útil y regeneración.

En lo que respecta a la descontaminación del aire, la mayoría de los sistemas utilizan filtros de partículas de alta eficiencia (HEPA) con carbón activado, no obstante, su limitada capacidad de adsorción hace necesarios mantenimientos donde se requieren reemplazos regulares de filtro. Como solución a esta problemática en un estudio realizado en la Universidad de Tianjin en China se analizó la capacidad fotocatalítica del dióxido de titanio combinada con la capacidad de adsorción de un aerogel con grafeno. La investigación concluyó que la sinergia entre ambos materiales ofrece una interesante ventaja sobre los sistemas de filtración convencionales.

Con lo anterior se hace referencia a la manera en la que dos tecnologías distintas pueden fusionarse para hacer sinergia y solucionar distintos problemas. Para Energeia- Graphenemex la empresa mexicana líder en América latina en la producción de materiales grafénicos y desarrollo de aplicaciones es motivador saber cómo la tecnología del grafeno poco a poco permea positivamente en distintos sectores industriales.

Redacción: EF/DHS

Referencias

  1. Gaelle Nassar, et. al., A review on the current research on graphene-based aerogels and their applications. Carbon Trends 4 (2021) 100065;
  2. Ting Yao et. al., Preparation of β-cyclodextrin-reduced graphene oxide aerogel and its application for adsorption of herbicides. Journal of Cleaner Production, 468, (2024) 143109;
  3. Karabo G. Sekwele et. al., Cellulose, graphene and graphene‑cellulose composite aerogels and their application in water treatment: a review. Discover Materials (2024) 4:23;
  4. Ashish K. Kasar et al., Graphene aerogel and its composites: synthesis, properties and applications. Journal of Porous Materials (2022) 29:1011

Carbonatación y Óxido de Grafeno:

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Carbonatación y Óxido de Grafeno:

Una Solución para Reducir Emisiones de CO₂

En artículos previos hemos tratado sobre la influencia de la industria del cemento en las emisiones de CO2 y de los compromisos adquiridos para su reducción hacia el año 2050. El día de hoy hablaremos de cómo el fenómeno de carbonatación que generalmente es considerada como una patología en el concreto, podría compensar en cierta medida el CO2 liberado durante la fabricación del cemento.

¿Qué es la carbonatación? 

En el concreto la carbonatación es un proceso natural que ocurre por la reacción entre el dióxido de carbono (CO2) del ambiente con la humedad del concreto, transformando al hidróxido de calcio alcalino de la pasta de cemento a carbonato de calcio con un pH más neutral. Este fenómeno hace que el concreto que usualmente se encuentra entre pH 12 y 13, ahora se encuentre alrededor de 9, haciendo que el acero de refuerzo pierda su capa protectora y quede expuesto para ser atacado por la corrosión.

¿De qué depende la carbonatación?

La tasa de carbonatación está controlada por la difusividad del CO2 y su reactividad con la matriz cementante, a la vez dependiente de su microestructura conformada por productos de hidratación (hidróxido de calcio, hidrato de silicato de calcio, óxidos alcalinos, etc.) y por la estructura de los poros (distribución, tamaño y saturación). Por lo tanto, en concretos poco permeables o mejor aún, secos, la carbonatación será mucho más lenta que en concretos permeables o con 50 o 60% de humedad. Por esta razón, durante la fabricación del concreto suelen utilizarse adiciones micrométricas del tipo ceniza volante, escoria de alto horno, metacaolín, humo de sílice y algunos nanomateriales para reducir la porosidad, así como para disminuir la cantidad de hidróxido de calcio y promover la formación de C-S-H. Además de otras prácticas como la aplicación de recubrimientos en la superficie del concreto. 

La carbonatación como herramienta para la reducción de emisiones

La carbonatación puede concebirse de dos maneras, la primera y la más conocida, es como una patología del concreto y la segunda, como una oportunidad para reducir el CO2 atmosférico. Esto se debe a que existen dos tipos de carbonatación, la natural y la acelerada. La carbonatación natural es un proceso lento que ocurre en el largo plazo y que no tiene la capacidad de captar CO2, mientras que la carbonatación acelerada o mineral, por su parte, utiliza una alta concentración de CO2 que acelera el proceso de hidratación del cemento y produce carbonatos en los cuales el CO2 se almacena permanentemente en forma mineral termodinámicamente estable. Este proceso también se conoce como recarbonatación, porque dicho carbonato es el mismo que se utiliza como materia prima para la fabricación del cemento. Empresas como Blue planet, Carbon cure, Solidia technologies y Carbi crete están desarrollando estrategias para secuestrar hasta 17 kg de CO2 por metro cubico de concreto principalmente prefabricado debido a que es un proceso que debe realizarse en condiciones controladas.

El óxido de grafeno (GO, por sus siglas en inglés) es una nanoestructura de carbono cuya multifuncionalidad ofrece numerosos beneficios para distintas industrias. En lo que respecta al concreto, sus ventajas se dirigen a mejorar su resistencia mecánica y durabilidad, pero poco se ha descrito sobre sus efectos en la carbonatación y captación de CO2.

Una investigación realizada por la Universidad de Arlington, Texas en 2022, estudió el mecanismo de interacción del óxido de grafeno en concretos curados bajo carbonatación acelerada. Los resultados arrojaron que GO al mejorar la hidratación del cemento permite que los poros del concreto se refinen con la precipitación y depósito de carbonato de calcio sobre los productos de hidratación y las partículas de cemento, de tal forma que su crecimiento en las superficies limita la reacción química entre los productos de hidratación y el CO2 bajo un flujo continuo de CO2. Con esto concluyeron que, el GO además de mejorar las propiedades mecánicas del concreto, también puede ayudar a capturar y almacenar hasta un 30% de CO2 atmosférico durante las etapas tempranas de curado.

Redacción: EF/ DHS

Referencias

  1. Geetika Mishra, et al., Carbon sequestration in graphene oxide modified cementitious system, Journal of Building Engineering, 2022, 62, 105356;
  2. Nur Azni Farhana Mazri et al., Graphene and its tailoring as emerging 2D nanomaterials in efficient CO2 absorption: A state-of-the-art interpretative review. Alexandria Engineering Journal, 2023, 77, 479;
  3. Mohd Hanifa et al., A review on CO2 capture and sequestration in the construction industry: Emerging approaches and commercialised technologies, Journal of CO2 Utilization, 2023, 67, 102292;
  4. Yating Ye et al., Optimizing the Properties of Hybrids Based on Graphene Oxide forCarbon Dioxide Capture, Ind. Eng. Chem. Res. 2022, 61, 1332;
  5. Sanglakpam Chiranjiakumari Devi et al., Influence of graphene oxide on sulfate attack and carbonation of concrete containing recycled concrete aggregate, Construction and Building Materials, 2020, 250, 118883

Avances en Protección Ignífuga:

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Avances en Protección Ignífuga:

La Promesa del Óxido de Grafeno en Recubrimientos Intumescentes

Los recubrimientos intumescentes son pinturas especializadas que se aplican en las estructuras de concreto y acero de todo tipo de edificios industriales y/o residenciales para brindar protección ante un incendio, no solo en materia de infraestructura, sino en cuanto a seguridad, dando el tiempo necesario para la asistencia y evacuación de las instalaciones.

Ante un incendio, este tipo de recubrimientos se expande y forma una espuma carbonizada que aísla del fuego y limita su propagación, al mismo tiempo que libera gases no combustibles que reducen la concentración de oxígeno alrededor de las estructuras protegiéndolas de daños mayores durante 1 y 3 h aproximadamente.

Los componentes principales de los recubrimientos intumescentes son: un aglutinante polimérico, una fuente de ácido (p. ej. polifosfato de amonio – APP), un aditivo de expansión (p.ej. melamina – MEL), una fuente de carbono (p.ej. pentaeritritol – PER) y otros elementos de relleno (p.ej. grafito expandible) que también suelen influir en el factor de expansión y en el retardo de fuego.

Pese a su gran eficiencia, la espuma carbonizada formada por el sistema APP-MEL-PER- puede tener poca resistencia a la oxidación a altas temperaturas conduciendo a una baja eficiencia de retardo y fácil destrucción durante la combustión. Por tal motivo, también se han explorado otros aditivos como el carbonato de calcio, hidróxido de aluminio, sílice y algunos materiales de carbono para mejorar su protección. Por ejemplo, el grafito expandible en recubrimientos epóxicos mejora la degradación térmica y la resistencia al fuego; los nanotubos de carbono reducen la tasa de liberación de calor en polímeros y el GO, gracias a su nanoestructura reticular ha sido identificado como una barrera térmica eficaz para prevenir la difusión de la llama y reducir la propagación del calor. Esto sucede porque el GO al dispersarse homogéneamente dentro de la matriz del recubrimiento forma un “camino tortuoso” para reducir la velocidad de difusión térmica y de descomposición de la matriz, por lo tanto, puede mejorar la propiedad ignífuga y la resistencia mecánica del recubrimiento.

Pese a que hasta el momento no existen recubrimientos intumescentes con óxido de grafeno en el mercado, las investigaciones han concluido que el GO puede mejorar el sistema APP-MEL-PER, puesto que se ha identificado que promueve la reacción de descomposición del APP que a su vez acelera la formación del ácido fosfórico que reacciona con el PER para formar carbono. Y, aunque se ha observado que, por un lado, el GO puede llegar a disminuir la estabilidad térmica de los recubrimientos, su presencia favorece la producción de gases y los coeficientes intumescentes reduciendo la conductividad térmica.

Energeia- Graphenemex, en colaboración con una reconocida compañía mexicana de recubrimientos especializados, están trabajando en un nuevo desarrollo para lanzar al mercado el primer recubrimiento intumescente con óxido de grafeno para continuar colocando a México a la vanguardia de nuevas tecnologías.

Redacción: EF/DHS

Referencias

  1. Wang Zhan et al., Influence of graphene on fire protection of intumescent fire retardant coating for steel structure, Energy Reports 6 (2020) 693;
  2. Qiuchen Zhang et al., Effects and Mechanisms of Ultralow Concentrations of Different Types of Graphene Oxide Flakes on Fire Resistance of Water-Based Intumescent Coatings, Coatings 2024, 14, 162;
  3. M. Sabet, et al., The Effect of Graphene Oxide on Flame Retardancy of Polypropylene and Polystyrene, Materials Performance and Characterization 9, no. 1 (2020): 284;
  4. Cheng‑Fei Cao et al., Fire Intumescent, High‑Temperature Resistant, Mechanically Flexible Graphene Oxide Network for Exceptional Fire Shielding and Ultra‑Fast Fire Warning, Nano-Micro Lett. (2022) 14:92;
  5. Quanyi Liu et al., Recent advances in the flame retardancy role of graphene and its derivatives in epoxy resin materials. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2021, 149, 106539

El Impacto del Grafeno en la Industria del Plástico:

Publicado el | por Energeia Graphenemex

El Impacto del Grafeno en la Industria del Plástico:

Innovación y Sostenibilidad

Los orígenes del plástico se remontan al año 1860 en Estados Unidos, cuando la compañía Phelan & Collander en medio de una crisis en las reservas de marfil, un material muy utilizado para la fabricación de distintos objetos como bolas de billar, teclas de piano, joyería, botones y estructuras decorativas, convocó al desarrollo de un material capaz de sustituir al marfil a cambio de una atractiva compensación económica para la época. Fue entonces que, John Wesley Hyatt presentó la propuesta del “celuloide”, un carbohidrato proveniente de las plantas que, si bien no logró sustituir en su totalidad al marfil, sí fue el punto de partida para el desarrollo del plástico, con sucesores inmediatos como la baquelita o el PVC hasta los actuales plásticos de ingeniería.

“La palabra plástico proviene del griego “plastikos” que significa que se puede moldear”

Los plásticos son materiales sintéticos que se obtienen por distintos procesos de polimerización a partir de derivados del petróleo. Su evolución y perfeccionamiento desde sus primeras apariciones los han colocado al día de hoy en materiales prácticamente indispensables para numerosas actividades e industrias. Sin embargo, después de tantos años de uso descontrolado, además de representar soluciones o alternativas para incontables necesidades, los plásticos también se han convertido en una problemática ambiental y sanitaria ya que, así como ha crecido su versatilidad y demanda, también ha incrementado la cantidad de residuos. Por lo tanto, la ya no tan nueva filosofía de circularidad sostenible o economía circular no se limita a tomar conciencia sobre el uso adecuado y aprovechamiento de los recursos, sino que se extiende a adaptaciones económicas, de infraestructura y de procesos como el reciclaje.

El reciclaje es el hecho de someter a los materiales usados, en este caso a los plásticos, a un reprocesamiento para que puedan volver a utilizarse y, aunque indiscutiblemente es una excelente herramienta para preservar los recursos naturales y para reducir la cantidad de desechos, es importante tener en cuenta dos aspectos, el primero es que el reciclaje no aplica en todos los casos porque no todos los plásticos son reciclables y el segundo, es que su reprocesamiento conlleva etapas o pasos durante los cuales los materiales pueden perder propiedades respecto a los plásticos vírgenes, limitando su uso en muchas aplicaciones industriales.

Durante los últimos veinte años la intervención de la nanoingeniería para la modificación de polímeros como el polietileno (PE), polipropileno (PP), el polietilentereftalato (PET), entre otros con nanopartículas de carbono como el grafeno o los nanotubos de carbono (CNT), ha arrojado resultados muy interesantes en torno al mejoramiento de las propiedades mecánicas, reológicas, eléctricas y/o térmicas de los materiales. La ventaja del grafeno sobre los CTN, además de otras propiedades intrínsecas, es que es un nanomaterial en forma de lámina cuya gran superficie de área y mayor facilidad de dispersión le permite crear fases más homogéneas para mejorar la transferencia de carga y, por lo tanto, incrementar la resistencia mecánica de los plásticos modificados.

Empresas como Gerdau Graphene (Brasil), Graphenetech S.L. (España), Colloids (Reino Unido) y Energeia- Graphenemex (México) en los últimos 5 años han logrado posicionar en el mercado distintos tipos de masterbatches o plásticos concentrados con grafeno para distintas aplicaciones; si bien cada compañía tiene sus propios objetivos y mercados, entre ellas existen puntos ambientales y económicos de convergencia que los motivaron a mejorar la industria del plástico, debido a que el grafeno incluso a bajas concentraciones (< 2 % peso) puede mejorar la calidad de los polímeros tanto vírgenes como reciclados. Por ejemplo, el grafeno puede incrementar en 30% el módulo de flexión y en 40% la resistencia al impacto, pero también puede aumentar la resistencia a la tensión hasta en un 17% y en 60% la resistencia a la ruptura e incluso aumentar la resistencia a la fotodegradación. Con esto y dependiendo de las necesidades muy particulares de cada desarrollo o aplicación es posible reestablecer algunas de las propiedades mecánicas de los plásticos reciclados y/o extender el tiempo de vida de los materiales con la finalidad de reducir la cantidad circulante de plásticos de un solo uso o en su defecto, lograr las mismas propiedades mecánicas de los polímeros, pero con menor espesor.

Energeia – Graphenemex®, la empresa mexicana líder en América Latina en investigación y producción de materiales grafénicos para aplicaciones industriales, a través de su línea de Graphenergy Masterbatch en 2023 lanzó al mercado una amplia gama de masterbatches con grafeno para ser utilizados como aditivos de refuerzo multifuncional. Entre sus principales ventajas están:

  • Excelente dispersión dentro de la matriz polimérica,
  • Pueden ser incorporados a polímeros reciclados,
  • Incrementan la resistencia a la tensión, deformación e impacto,
  • Mejoran la resistencia a rayos ultravioleta,
  • Facilitan las condiciones de procesamiento (estabilidad térmica),
  • Actúan como agentes nucleantes (modificación de la temperatura de cristalización del polímero).

Redacción: EF/DHS

Referencias:

  1. Ramazan Asmatulu et al., Synthesis and Analysis of Injection-Molded Nanocomposites of Recycled High-Density Polyethylene Incorporated With Graphene Nanoflakes, POLYMER COMPOSITES—2015;
  2. Feras Korkees et al., Functionalised graphene effect on the mechanical and thermal properties of recycled PA6/PA6,6 blends. 2021 Journal of Composite Materials 55(16);
  3. Devinda Wijerathne et. al., Mechanical and graphe properties of graphene nanoplatelets-reinforced recycled polycarbonate composites. International Journal of Lightweight Materials and Manufacture 6 (2023) 117e128;
  4. Abdou Khadri Diallo et al., A multifunctional additive for sustainability, Sustainable Materials and Technologies, 33, 2022, e000487.

Innovación con Grafeno

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Innovación con Grafeno

Hacia una Industria del Cemento Más Sostenible y Eficiente

Parte 2

Para la industria del cemento la reducción en las emisiones de CO2 no es un tema nuevo, de hecho, a lo largo de los últimos 30 años los productores han logrado reducir aproximadamente el 40% del combustible necesario para el proceso de Clinkerización, disminuyendo con esto la misma proporción de CO2, esto se debe a que por cada kilogramo de cemento se producen alrededor de 900 g de CO2.

Por otro lado, hace poco más de 10 años la colaboración entre la Agencia Internacional de Energía, la Asociación Global del Cemento y el Concreto (GCCA) y la Federación Interamericana del Cemento (FICEM) fijaron la primera Hoja de Ruta para la reducción de emisiones, sentando con ello las bases para que, en 2021 la Cámara Nacional del Cemento (CANACEM), la FICEM y las cementeras CEMEX, Cruz Azul, Cementos Chihuahua, Cementos Fortaleza, Holcim México y Cementos Moctezuma hicieran lo propio para evaluar sus emisiones y determinar las estrategias durante la producción del cemento “Hacia una economía baja en carbono”.

De acuerdo con la Hoja de ruta de la industria del Cemento en México publicada por la CANACEM, los principales indicadores para la reducción de CO2 son: 1. el factor Clinker/Cemento, 2. el co- procesamiento, 3. la eficiencia energética y, 4. la exploración de nuevas tecnologías que permitan la captación de CO2, la reducción de Clinker y/o el reforzamiento del cemento.

En el artículo anterior que trata sobre las problemáticas medioambientales de la industria de la construcción y de la consecuente meta por cumplir del cero neto de emisiones de CO2 para el año 2050, se abordaron las más reconocidas áreas de oportunidad que la nanotecnología grafénica tiene para una construcción sostenible, como:

1. Reducción del cemento,

2. Aprovechamiento de residuos,

3. Reducción de costos y,

5. Eficiencia energética.

Asimismo, el pasado 4 de septiembre, el portal https://www.graphene-info.com/ publicó la nueva edición del Graphene-enhanced Construction Materials Market Report en el cual se habla con mayor profundidad sobre las ventajas del uso del grafeno en materiales de construcción, las empresas relacionadas con esta industria en todo el mundo, así como los proyectos actuales e investigaciones relacionadas.

El óxido de grafeno (GO) es un nanomaterial de la familia del carbono en forma de láminas con un tamaño menor a 100 nm o 0.1 micrones en extensión y con tan solo un átomo de espesor; a lo largo de su superficie contiene grupos funcionales del tipo hidroxilo (OH), epoxi (-O-), carboxilo (COOH) y carbonilo (C=O) que le permiten interactuar con los cristales de C-S-H del cemento mejorando el proceso de hidratación. Entre las características del GO que lo volvieron atractivo para su estudio como modificador químico del cemento, son su gran resistencia a la tracción (130 GPa), extensa superficie de área (2630 m2/g), alta conductividad térmica (5300 W/mK) y propiedades de barrera. De tal forma que dicha interacción ayuda a mejorar las características de las estructuras base cemento como el concreto, permitiendo lo siguiente:

1. Consumir menos cemento en las estructuras de concreto logrando propiedades mecánicas similares, a partir del incremento en la resistencia a la compresión desde un 5 hasta un 30%, mayor resistencia a la tensión entre un 8 y un 20%, aumento en el módulo elástico entre 4 y 12% e incremento en resistencia a la abrasión entre el 10 y 12%.

2. Fabricar estructuras de concreto de mejor calidad y mayor durabilidad, gracias a una menor porosidad e incrementando su impermeabilidad entre un 12 y 60%, mejorando su desempeño ante entornos agresivos.

3. Mejorar la difusividad térmica del concreto y, en consecuencia, tener un mayor control del agrietamiento térmico del concreto, mayor resistencia al fuego y capacidad de deshielo sobre pavimento.  

4. Favorece la trabajabilidad, mejora la apariencia de las estructuras, acelera el tiempo de fraguado y mejora el desmolde debido a que el GO actúa como catalizador en la reacción de hidratación del cemento.

5. Protege contra la corrosión microbiológicamente inducida, ya que la presencia del GO limita las condiciones necesarias para el anclaje y reproducción microbiana.

Energeia- Graphenemex® desde 2018 se ha dedicado a explorar los beneficios de la nanotecnología grafénica en distintos sectores industriales y, como expertos en la materia siempre recomienda que, para lograr a satisfacción los resultados mencionados y dadas las múltiples variables del sector de la construcción, sobre todo aquellas relacionadas con los nuevos ajustes en la composición del cemento, es importante realizar las pruebas de validación necesarias siempre asesorados por el personal capacitado para llegar al punto óptimo de dosificación.

Redacción: EF/DHS

Referencias

  1. M. Murali et al., Utilizing graphene oxide in cementitious composites: A systematic review. Case Studies in Construction Materials 17 (2022) e01359.
  2. Z. Pan, et al., Mechanical properties and microstructure of a graphene oxide–cement composite, Cem. Concr. Compos. vol. 58 (2015) 140–147, https://doi. org/10.1016/j.cemconcomp.2015.02.001
  3. E. Cuenca, L. D’Ambrosio, D. Lizunov, A. Tretjakov, O. Volobujeva, L. Ferrara, Mechanical properties and self-healing capacity of ultra high performance fibre reinforced concrete with alumina nano-fibres: tailoring ultra high durability concrete for aggressive exposure scenarios, Cem. Concr. Compos. vol. 118 (2021).
  4. N. Makul, Modern sustainable cement and concrete composites: review of current status, challenges and guidelines, Sustain. Mater. Technol. vol. 25 (2020); 5. L. Lu, P. Zhao, Z. Lu, A short discussion on how to effectively use graphene oxide to reinforce cementitious composites, Constr. Build. Mater. vol. 189 (2018) 33–41.
  5. Q. Wang, J. Wang, C.-x Lu, B.-w Liu, K. Zhang, C.-z Li, Influence of graphene oxide additions on the microstructure and mechanical strength of cement, N. Carbon Mater. vol. 30 (4) (2015) 349–356.
  6. https://canacem.org.mx/site/wp-content/uploads/2023/03/Hoja-de-Ruta-Mexico-FICEM.pdf.
  7. https://cdn.ymaws.com/www.thegraphenecouncil.org/resource/resmgr/case_studies/first_graphene__-_greening_c.pdf
  8. https://www.graphene-info.com