Óxido de grafeno y luz visible:

una plataforma avanzada para la desinfección del agua

El debate sobre el agua suele enfocarse principalmente en su disponibilidad, pero contar con el recurso no siempre asegura su buena calidad. Amenazas como la contaminación microbiológica, metales pesados y compuestos orgánicos, exigen el desarrollo de tecnologías capaces de separar, transformar o eliminar los contaminantes de manera eficiente y sostenible.

En este contexto, el óxido de grafeno (GO), un nanomaterial multifuncional, derivado del grafeno y a la vez, compuesto principalmente por átomos de carbono, demuestra una característica particularmente atractiva: una gran superficie de área e interfaces capaces de modificar fenómenos físicos y químicos a escalas muy pequeñas. A diferencia del grafeno, el GO contiene grupos funcionales oxigenados que favorecen su interacción con el agua y con diferentes especies químicas. Por ello puede utilizarse no solamente como material independiente, sino también como plataforma para construir materiales.

Aplicaciones reales de materiales multifuncionales 

La capacidad para formar materiales híbridos abre la puerta a aplicaciones diversas en distintos sectores. Pero, para alcanzar su máximo potencial, es necesario desarrollar investigaciones basadas en la ciencia de los materiales y con un enfoque multidisciplinario que permita entender cómo interactúan, en este caso, los nanomateriales con los seres vivos y con los contaminantes en entornos reales.

Un ejemplo claro de este enfoque es la tesis doctoral titulada “Tratamiento fotocatalítico en agua de organismos biológicos usando óxido de grafeno dopado con nanocompositos de dióxido de titanio (TiO₂) y vanadato de bismuto (BiVO₄)”, realizada en 2021 por la Dra. Christeena Theresa Thomas, bajo la dirección de los doctores Velumani Subramaniam y Benoît Schoefs. El cual fue un proyecto en colaboración entre el Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional (CINVESTAV-IPN, México) y la Universidad de Le Mans (Francia).

Uso de heteroestructuras para la desinfección del agua 

Para lograr la descontaminación del agua, la estrategia de la tesis consistió en diseñar arquitecturas híbridas (heteroestructuras) de óxido de grafeno con dos nanomateriales semiconductores sensibles a la luz (TiO₂ y BiVO₄).

El objetivo de esta integración fue aprovechar las propiedades electrónicas y superficiales del óxido de grafeno para canalizar y transportar eficientemente las cargas eléctricas fotogeneradas, evitando que esta energía se disipe. Al optimizar la activación de los semiconductores mediante la luz incidente (fotocatálisis) se desencadena una reacción química en el agua. Este fenómeno aprovecha la energía de la luz junto con el material catalizador para destruir los contaminantes sin consumirse en el proceso, generando especies reactivas de oxígeno o radicales libres altamente descontaminantes.

“Un aspecto relevante para la industria mexicana es que el óxido de grafeno utilizado en el estudio fue adquirido de la empresa Energeia-Graphenemex (México) y empleado como materia prima, sin requerir ninguna etapa adicional de purificación”.

¿Cómo se prepararon las heteroestructuras? 

Las heteroestructuras se formularon combinando nanopartículas de TiO₂ y BiVO₄ en dispersiones de óxido de grafeno con concentraciones del 0.5 al 2.5 % en peso. Mediante la metodología implementada, la asociación de las nanopartículas semiconductoras a las láminas de GO se consolidó a través de interacciones físicas no covalentes, demostrando que no siempre es indispensable recurrir a la funcionalización química del material para conferirle una nueva función; en su lugar, es posible diseñar arquitecturas híbridas eficientes aprovechando estrictamente las propiedades complementarias de cada componente.

“Heteroestructura: estructura sólida formada por la unión de dos o más materiales con distintas propiedades, para crear una interfaz con características que ninguno tendría individualmente”

Inactivación microbiológica 

Cuando los semiconductores son activados por la energía de la luz, generan potentes moléculas oxidantes conocidas como especies reactivas de oxígeno (ROS), las cuales son capaces de destruir las estructuras celulares de los contaminantes.

Sin embargo, no todos los materiales responden igual a la luz solar. Por ejemplo, el dióxido de titanio TiO₂ puro depende casi por completo de la luz ultravioleta (UV), la cual solo representa el 4% de la energía solar. Mientras que el BiVO₄ puede activarse con la luz visible del espectro. Pero, aunque es excelente absorbiendo luz de forma económica y segura, tiene la gran desventaja de que sus cargas eléctricas tienden a recombinarse muy rápido antes de poder actuar. Es en este punto donde al óxido de grafeno se le identificó el potencial de actuar como plataforma que atrape y estabilice dichas cargas para potenciar la desinfección.

Para comprobar la eficiencia de las heteroestructuras en la eliminación de patógenos, se evaluó la inactivación de la bacteria modelo Escherichia coli K12.

El experimento consistió en exponer los nanocompuestos a luz visible simulada dentro de suspensiones acuosas contaminadas, con el fin de medir la velocidad de destrucción microbiana y demostrar el potencial del proyecto como una alternativa ecológica y amigable con el medio ambiente. Al terminar el proceso, el agua se filtró con membranas de nylon para recuperar las heteroestructuras.

Resultados 

Entre las diferentes formulaciones estudiadas, la heteroestructura con 1.5% de GO acoplada a 98.5% TiO₂, en una dosificación de 1.05 g/L, logró una eficiencia de desinfección del 99.9% en 30 minutos de irradiación con luz visible. Mientras que los ensayos realizados únicamente con TiO₂ (sin GO), solo produjo alrededor de 20 % de desinfección en el mismo tiempo.

Por otra parte, las observaciones con las heteroestructuras de BiVO₄ combinadas con 1.5% de óxido de grafeno también arrojaron datos sumamente interesantes. Aunque su eficiencia de desinfección fue menor (89%) y requirió el doble de tiempo de irradiación (60 minutos) en comparación con el TiO₂, es importante destacar el valor agregado de la presencia del GO en la heteroestructura. Es decir, cuando el BiVO₄ se evaluó de manera individual (sin GO), su efectividad apenas alcanzaba el 30%. Lo más destacable de este resultado es que se logró con una cantidad de material extremadamente baja, utilizando apenas 0.1 g/L en la solución, lo que representa una décima parte de la dosis empleada con el TiO₂ (1.05 g/L).

Estos números son la prueba del efecto sinérgico entre los materiales, siendo que, gracias a la presencia del óxido de grafeno, ambos semiconductores lograron transformarse en catalizadores altamente eficientes.

Eliminación de microalgas 

Los excelentes resultados de las heteroestructuras sobre Escherichia coli K12 fue la antesala para llevar el estudio a otro nivel. Es decir, utilizar los mismos mecanismos para solucionar las problemáticas asociadas al crecimiento descontrolado de microalgas.

Cuando las microalgas proliferan en exceso en ríos, lagos o costas, no solo tiñen el agua, sino que consumen el oxígeno y, en muchos casos, liberan toxinas peligrosas para los seres vivos.

“Las microalgas necesitan luz para sobrevivir, y los nanomateriales requieren de esa misma luz para activarse y destruirlas”.

A diferencia de los ensayos sobre E. coli, las pruebas sobre microalgas, para el estudio se diseñaron pellets a extrema presión de GO con TiO₂; debido a la densidad del compacto material, al colocarse en el agua, los pellets precipitaron inmediatamente en el fondo del contenedor, y se activaron con luz artificial durante 4 horas, mientras las algas flotaban en la superficie. Las especies expuestas fueron la Anabaena (de agua dulce) y la Phaeodactylum (un alga marina).

Resultados 

Para demostrar científicamente la muerte de las microalgas, los investigadores analizaron la cinética e inducción de fluorescencia de la clorofila. Mientras que el grupo control (no expuesto a los pellets) mantenía sus niveles de clorofila intactos y estables bajo la luz; las muestras expuestas a los pellets purificadores mostraron una caída drástica de su fluorescencia.

Asimismo, la comparación definitiva se hizo tras dejar pasar una noche entera en total oscuridad. Al día siguiente, el grupo control recuperó de inmediato su capacidad de hacer fotosíntesis al recibir luz, mientras que las microalgas que habían estado con los pellets de óxido de grafeno y titanio no registraron ninguna señal de vida celular, demostrando que su destrucción había sido total e irreversible.

Finalmente, un dato de gran relevancia desde el punto de vista ecológico fue la reusabilidad de los pellets tras varios ciclos de activación y limpieza del agua. Sin embargo, sí se observó material desprendido del pellet, probablemente como consecuencia de su erosión. Esto demuestra que, aunque la compactación constituye una estrategia prometedora para facilitar la recuperación del nanomaterial, la estabilidad mecánica y la liberación de material son puntos para considerar previo a su aplicación a gran escala.

Conclusión 

Esta investigación demuestra que la nanotecnología grafénica tiene un potencial real para utilizarse como plataforma para diseñar materiales fotocatalíticos capaces de aumentar significativamente la actividad de determinados semiconductores.

En esta investigación, el óxido de grafeno suministrado por la empresa mexicana Energeia-Graphenemex tuvo un valor relevante como materia prima para el desarrollo de las heteroestructuras estudiadas. Aunque la compañía no formó parte del desarrollo ni de la ejecución de la investigación, el hecho de que el estudio haya utilizado un óxido de grafeno producido mediante un proceso industrial establecido representa un elemento de interés para la continuidad y maduración de esta línea de investigación.

Contar con un nanomaterial que ya puede producirse a escala industrial permite que futuras etapas puedan partir de un producto disponible y reproducible, en lugar de depender exclusivamente de la síntesis del material a escala de laboratorio. Esto abre la posibilidad de continuar estudiando las mismas formulaciones, optimizar su desempeño y evaluar su comportamiento bajo condiciones cada vez más cercanas a una aplicación real.

De esta manera, la disponibilidad de productos nanoestructurados como los desarrollados por Energeia-Graphenemex puede contribuir a acortar la distancia entre la investigación de laboratorio y el desarrollo tecnológico, proporcionando una plataforma de materiales sobre la cual continuar explorando aplicaciones avanzadas para el tratamiento y la desinfección del agua.

Redacción: EF/Dania Hernández 

Referencias

1. Thomas, C.-T., Ravichandran, M., Santoyo-Salazar, J., Schoefs, B., Velumani, S., Castaneda, H., & Jantrania, A. (2021). Graphene oxide decorated TiO₂ and BiVO₄ nanocatalysts for enhanced visible-light-driven photocatalytic bacterial inactivation. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 418, 113374. 10.1016/j.jphotochem.2021.113374

El futuro del agua es nano:

Cómo el grafeno revoluciona la filtración industrial.

Los materiales grafénicos son una familia nanoestructuras de carbono organizadas en un patrón hexagonal en forma de lámina y que a su vez se clasifican de acuerdo con el número de láminas, morfología y química superficial. Sin embargo, los más conocidos son, el grafeno, que en esencia se compone por átomos de carbono, famoso por su gran resistencia mecánica, entre muchas otras propiedades térmicas, eléctricas, etc., y, el óxido de grafeno que, además de carbono contiene grupos funcionales oxigenados que favorecen su interacción con el agua y otras sustancias.  

En el sector de las tecnologías del agua, los materiales grafénicos están transformando el diseño de las barreras nanotecnológicas de filtración. Al integrarse en la modificación tanto de filtros como de membranas, el grafeno tiene como reto cumplir dos grandes objetivos: El primero es optimizar la selectividad, es decir, mejorar el control sobre los componentes que logran atravesar la barrera y los que son rechazados. Esto se consigue mediante la creación de nanocanales entre las láminas que limitan el paso de contaminantes por exclusión de tamaño, o bien, mediante mecanismos de adsorción química. El segundo objetivo es maximizar la eficiencia de filtración. Al incorporarse a la estructura, el grafeno refuerza las propiedades mecánicas de los polímeros base y aporta una notable resistencia al incrustamiento (antifouling). Como consecuencia, estas mejoras mitigan la caída de presión, mantienen un flujo de agua constante y reducen el consumo energético durante la operación del sistema. 

¿Existen filtros y membranas únicamente de grafeno? 

Un error frecuente es pensar que un material filtrante puede fabricarse únicamente con grafeno. Esto se debe a que, si bien esta familia de nanomateriales tiene forma de lámina, su tamaño es tan pequeño que, para para poder utilizarse como membrana o filtro, es necesario inmovilizarlos en un soporte poroso o incorporarlos dentro de una matriz polimérica. Por lo tanto, lo más conveniente es concebir a estas nanoestructuras como materiales capaces de modificar o complementar las propiedades de los materiales preexistentes, pero desde una perspectiva nano.  

“Un nanómetro equivale a 0.000001 milímetros” 

“La diferencia entre un filtro y una membrana radica en el tamaño de los poros, el mecanismo de separación de los contaminantes y la presión requerida para operar el sistema” 

¿Cómo se integran los materiales grafénicos en un material filtrante? 

En la carrera por alcanzar los objetivos, la comunidad científica ha estudiado diferentes métodos para incorporar el grafeno en filtros y membranas. Algunas metodologías son relativamente sencillas y rápidas, mientras que otras requieren procesos más complejos.  

Los métodos reportados más comunes son: 

1. Depósito por filtración  

Consiste en preparar una dispersión de material grafénico a una concentración conocida, para después filtrarla con una membrana comercial (p.ej., polisulfona, poliamida, fluoruro de polivinilideno (PVDF), Polietersulfona (PES), celulosa o nylon). Durante el proceso, las nanopartículas del material grafénico se acomodan aleatoriamente formando una película idealmente continua sobre el polímero base. 

2. Recubrimiento por inmersión 

Consiste en introducir una membrana comercial, como las mencionadas en el método anterior, en una dispersión de material grafénico por determinado tiempo. La inmersión busca que las nanopartículas se adsorban en la membrana para formar una película.  

Estos dos primeros métodos son probablemente los más utilizados en laboratorio. Son procedimientos sencillos y rápidos, pero con las desventajas de ser difícilmente escalables, poco estables y uniformes. Aunque con la ventaja de dar información relevante sobre el comportamiento de cada material. 

3. Capa por capa 

Con esta técnica se forman estructuras más ordenadas, ya que consiste en depositar capas intercaladas de material grafénico con carga positiva y negativa.   

Entre sus ventajas está un excelente control del espesor, uniformidad y selectividad. De hecho, este método ha mostrado resultados interesantes para aplicaciones que requieren mayor selectividad y resistencia al ensuciamiento. Sin embargo, el proceso de fabricación es relativamente lento para producción masiva; requiere modificaciones químicas adicionales al nanomaterial para cambiar su carga y, la membrana puede ser tan compacta que el flujo de agua probablemente sea limitado.  

4. Mezcla directa con polímeros  

En términos industriales, este método es la alternativa con mayor potencial. En lugar de depositar el material grafénico en un producto terminado, la estrategia es aprovechar los procesos e infraestructura ya existente, para incorporar al nanomaterial durante la fabricación del material filtrante. De esta manera el grafeno queda integrado en toda la arquitectura del producto final desde su origen.  

“El reto del grafeno no es demostrar si funciona o no dentro de un laboratorio, sino integrarlo a los procesos industriales”. 

Del laboratorio al mercado 

Afortunadamente, hoy, hablar del grafeno o de materiales grafénicos en aplicaciones reales ya no es un hito del futuro, de hecho, es una realidad que está transformando industrias. Tanto, que a partir de 2022 comenzaron a salir al mercado filtros industriales, cartuchos portátiles y sistemas de nanofiltración basados en grafeno para la purificación de agua y la eliminación de contaminantes. Sin embargo, aunque esta transición del laboratorio a la industria es un salto grande, aún son pocas las compañías que han logrado llevar esta tecnología para su producción industrial, por ejemplo: 

• Clean TeQ Water (Australia): A través de su filial NematiQ, fabrica rollos de membranas de nanofiltración con óxido de grafeno,para plantas de tratamiento; 

• Medica S.p.A. (Italia): Con un enfoque médico y doméstico opera mediante su línea Graphil; 

• Icon Life Saver (Reino Unido): Desarrolló los cartuchos portátiles Graphene:Ultra, para la eliminación de metales pesados y químicos; 

• GYC Group (Asia): Provee de filtros compuestos y aditivos de grafeno personalizados.

A pesar de estos casos de éxito, sigue siendo poca la oferta para una necesidad y demanda tan alta.  

En este contexto, una investigación realizada en la Universidad Autónoma de San Luis Potosí (UASLP), bajo la dirección de la Dra. Mildred Quintana, estudió el potencial de diferentes combinaciones de materiales grafénicos para la filtración de agua.  
El estudio titulado “Diseño de nanocompositos de grafeno para el desarrollo de membranas” se llevó a cabo como parte de una tesis doctoral de 2025. La investigación comparó el desempeño de heteroestructuras de óxido de grafeno y grafeno sintetizados en laboratorio, con su contraparte diseñada a partir de materiales producidos industrialmente por Graphenemex®.  

La investigación se desarrolló en dos etapas. Primero, se diseñaron y estudiaron las heteroestructuras sintetizadas en laboratorio para obtener los datos de referencia y, posteriormente, se prepararon sus contrapartes con los materiales de Graphenemex®. Las heteroestructuras se inmovilizaron sobre soportes de PTFE y poliéster mediante filtración, para después evaluar su desempeño ante la permeación de agua, remoción de colorantes, rechazo de Na⁺ y Cl⁻, entre otras evaluaciones.   

La comparativa entre ambos sistemas se hizo para determinar si los materiales producidos industrialmente por Graphenemex® podían reproducir los resultados ofrecidos por las heteroestructuras sintetizadas bajo condiciones controladas de laboratorio. 

“Los materiales producidos por Graphenemex® conservaron la capacidad de interactuar y formar heteroestructuras funcionales” 

Los resultados obtenidos son relevantes porque, dentro de los diferentes sistemas estudiados en la tesis, se alcanzaron selectividades superiores al 80 % y permeancias mayores a 2500 L/(m²·h·bar). Estos datos coinciden con otros estudios en los que membranas de GO depositadas sobre membranas de nylon han alcanzado rechazos superiores al 90 % para moléculas orgánicas.  

Cabe aclarar que los resultados de la tesis no representan una membrana comercial terminada, pero sí forman parte de una etapa fundamental en el camino hacia su maduración tecnológica con ciencia y tecnología 100% mexicana. El siguiente paso es perfeccionar este conocimiento y trasladarlo a un entorno cada vez más relevante. En este caso, mediante la inmovilización de las heteroestructuras en un material filtrante.  

En Graphenemex® nos sentimos muy orgullosos de la posibilidad de formar parte de una solución a una problemática tan importante a nivel global. El desarrollo de estas tecnologías no es solo un logro de ingeniería, es un compromiso con el planeta y las futuras generaciones.  

Del laboratorio a la industria:

cómo el grafeno de Graphenemex impulsa la innovación en México (Parte II)

En la parte l de este artículo hablamos de que incorporar grafeno en un producto o proceso no comienza con una formulación ni con la compra de un nanomaterial, sino con la voluntad de innovar. 

Si una empresa o prospecto ha identificado una problemática que podría resolverse mediante el uso de grafeno y existe disposición para invertir tiempo, recursos y talento humano en un proceso de investigación y desarrollo, surge entonces una nueva pregunta:  

¿Cómo comienzo? 

La respuesta es sencilla, pero requiere de trabajo y colaboración.  A continuación, se presenta la ruta de trabajo que Graphenemex® ha construido a partir de más de diez años de experiencia produciendo materiales grafénicos y colaborando con distintas industrias para la adaptación de eta tecnología.  

Entender el grafeno y sus posibilidades 

Antes de pretender iniciar pruebas experimentales, es importante que el interesado comprenda, al menos de manera general, qué es el grafeno, cuáles son sus diferencias y qué tipo de beneficios puede aportar. No es necesario convertirse en especialista del grafeno. Precisamente para eso Graphenemex® ofrece total comunicación y apertura para brindar soporte. Pero sí es recomendable involucrar al personal técnico, de investigación y desarrollo, calidad o producción, para resolver dudas y comprender las capacidades y limitaciones reales de esta tecnología.  

De la misma manera, Graphenemex® necesita conocer las generalidades del proceso del interesado. Para ello es útil compartir información relacionada con las materias primas empleadas, formulaciones y procesos generales de manufactura, métodos de control de calidad, así como normativas o especificaciones que debe cumplir el producto final. No es necesario revelar secretos industriales o formulaciones completas, pero sí proporcionar información suficiente que permita entender el sistema donde se pretende incorporar el grafeno. 

Protección de la información 

Dependiendo de la naturaleza del proyecto, puede ser conveniente formalizar acuerdos de confidencialidad (NDA) antes de intercambiar información técnica detallada. Estos acuerdos permiten proteger tanto los conocimientos y desarrollos propios del cliente, como las metodologías, materiales y experiencia acumulada por Graphenemex®. La confidencialidad favorece una colaboración más abierta y eficiente, permitiendo compartir información sin comprometer la propiedad intelectual de ninguna de las partes. 

Selección del material 

El término grafeno engloba una familia de materiales base carbono. Sus variantes más conocidas son el grafeno propiamente dicho, óxido de grafeno y el grafeno reducido. Sin embargo, la familia es más amplia de lo que se puede encontrar en la literatura como materiales estándar. Esto se debe a que cada productor tiene su propio método de síntesis con o sin funcionalizaciones adicionales y, es aquí cuando las diferencias se hacen más evidentes cuando se comienza la etapa de desarrollo.  

Al ser Graphenemex el fabricante de sus propios materiales, puede sugerir el tipo de material con mayor probabilidad de éxito. En algunos casos, los materiales grafénicos producidos de manera convencional pueden interactuar adecuadamente con la matriz del cliente sin necesidad de modificaciones adicionales, lo cual es particularmente importante, ya que reduce considerablemente los tiempos y costos de desarrollo. Sin embargo, cuando la compatibilidad es limitada, puede evaluarse la posibilidad de realizar modificaciones químicas superficiales o emplear agentes de acoplamiento que favorezcan la interacción con las materias primas utilizadas. 

Pruebas de compatibilidad 

Para aprovechar las características del grafeno, este debe integrarse dentro de una matriz tridimensional capaz de mantenerlo disperso y estabilizado, para transferir sus propiedades de una manera balanceada. Por lo tanto, esta etapa busca identificar cuál de las materias primas presentes en la formulación puede actuar como vehículo para facilitar la integración del grafeno dentro de la matriz. Asimismo, esta etapa suele orientar para la identificación del momento o parte del proceso más adecuado para la incorporación en el sistema.  

Pruebas exploratorias  

Una vez identificado el o los materiales afines, es importante realizar pruebas exploratorias a baja escala para evaluar distintas concentraciones de grafeno, pero también métodos de integración al nuevo sistema o producto.  

Esto se debe a que, así como no existe un grafeno único, tampoco existe una dosis estándar, ni un método específico para el aprovechamiento de sus propiedades. La buena noticia es que, en muchos sistemas poliméricos, recubrimientos y resinas, concentraciones muy bajas de grafeno en peso suelen ser suficientes para observar mejoras significativas, siempre y cuando el grafeno se encuentre adecuadamente distribuido en toda la matriz que lo soporta.   

Pruebas en ambiente relevante 

Teniendo identificado el grafeno más compatible y el rango de dosis efectiva a escala laboratorio, es posible programar una prueba bajo condiciones reales de proceso, atendiendo los parámetros de calidad habitualmente empleados.  

En este sentido, el desarrollo de aplicaciones con grafeno debe entenderse como un proceso de aprendizaje compartido, donde el cliente aporta el conocimiento de su producto y Graphenemex® contribuye con su experiencia en grafeno. La combinación de ambas capacidades es lo que finalmente permite resolver una problemática o interés real.  

Del laboratorio a la industria:

cómo el grafeno de Graphenemex impulsa la innovación en México (Parte I)

En 2014, Graphenemex® nace con la visión de convertirse en la primera empresa en México y América Latina, capaz de producir Grafeno y sus derivados a escala industrial, para poner esta tecnología al alcance de las empresas o instituciones interesadas en aprovechar sus extraordinarias propiedades en sus productos o procesos.

En aquellos años, el grafeno era considerado un material altamente disruptivo, tanto, que su aislamiento y estudios experimentales condujeron al otorgamiento del Premio Nobel de Física 2010 a Andre Geim y Konstantin Novoselov, investigadores de la Universidad de Manchester, Reino Unido. Siendo precisamente Europa y Asia quienes aceleraron los esfuerzos para conocer más del maravilloso material.

Las propiedades superativas identificadas en el grafeno, en términos eléctricos, térmicos, mecánicos, ópticos, etc., inmediatamente despertaron el interés de gobiernos, centros de investigación y empresas a nivel global. Al grado que la Unión Europea en 2013 anunció uno de los programas científicos más importantes de las últimas décadas: el Graphene Flagship. Una iniciativa con una inversión cercana a los mil millones de euros destinada a impulsar, durante una década, líneas de investigación relacionadas con el grafeno, pero con un enfoque resolutivo ante problemáticas tecnológicas y sociales. 

Aunque la prioridad del programa fue fortalecer la ciencia y tecnología europea, su efecto trascendió fronteras. Gracias al Graphene Flagship, el grafeno dejó de ser un material conocido únicamente en círculos académicos, acaparando la atención de distintos sectores industriales, desde la electrónica hasta la medicina.

Cabe mencionar que la misma característica que hizo del grafeno un material fascinante también se convirtió en uno de sus mayores desafíos. Su capacidad para combinar en una sola nanoestructura bidimensional, propiedades mecánicas, eléctricas, térmicas, de barrera y, ópticas, despertó el interés de investigadores de prácticamente todas las áreas del conocimiento. Como consecuencia, surgieron numerosas líneas de investigación de ciencia básica que han permitido profundizar en sus posibles aplicaciones.

Si bien esta diversidad en líneas de investigación ha sido indispensable para ampliar el conocimiento sobre el material, de alguna manera también dispersó los esfuerzos científicos y tecnológicos que dificultaron el seguimiento continuo y sistemático de los estudios, en vías de acelerar su maduración tecnológica hasta convertirse en productos reales o soluciones disponibles en el mercado. En otras palabras, el potencial del grafeno es tan amplio que durante muchos años resultó más sencillo demostrar nuevas propiedades o aplicaciones a escala de laboratorio que migrar de la ciencia básica a la ciencia aplicada. Probablemente y, en primera instancia, por el bajo rendimiento de los métodos de producción a costos elevados, seguido por el limitado conocimiento técnico y científico en el tema y, finalmente, por la dificultad de incorporar esta tecnología en el sector industrial.

Fue precisamente en ese contexto cuando surgió Graphenemex®. Además de invertir en infraestructura, la empresa conformó un equipo científico y técnico dedicado al desarrollo de tecnologías de producción escalables. Como resultado de ese esfuerzo, actualmente cuenta con dos patentes relacionadas con procesos de fabricación a escala industrial de grafeno y óxido de grafeno.

Producir el material es solo la primera parte del reto. La segunda consiste en saber cómo aplicarlo de manera eficiente, reproducible y económicamente viable dentro de un proceso productivo existente.

El grafeno posee un rango de aplicaciones extraordinariamente amplio, pero precisamente por ello, también son numerosas las variables que deben controlarse para lograr un desarrollo exitoso. Cada industria posee materias primas específicas, procesos productivos propios, requerimientos normativos particulares, así como conocimientos acumulados que constituyen parte de sus secretos industriales.

En Graphenemex somos especialistas en materiales grafénicos. Conocemos sus métodos de producción, sus características y los posibles mecanismos de interacción con distintos sistemas. Sin embargo, difícilmente podemos conocer con el mismo nivel de detalle todos los procesos de manufactura, formulaciones y condiciones operativas de cada industria interesada en adoptar esta tecnología. Por ello, el desarrollo de aplicaciones con grafeno debe entenderse como un proceso colaborativo entre quien conoce el nanomaterial y quien conoce el producto final.

¿Cómo se desarrollan las aplicaciones con grafeno?

La experiencia nos ha demostrado que los proyectos más exitosos no comienzan con una formulación ni con una muestra de material. Comienzan mucho antes, con una decisión estratégica: la voluntad de innovar.

Modificar un material con grafeno no consiste simplemente en agregar un nuevo ingrediente a una mezcla o sustituir una materia prima por otra. Es importante comprender que el grafeno no es una solución universal, ya que, en la mayoría de las aplicaciones, su función es potenciar o complementar las propiedades de un sistema existente. En consecuencia, los cambios logrados sobre las características originales del material dependen tanto del tipo de grafeno seleccionado como de su adecuada integración dentro de la matriz que lo soporta. Se trata de explorar una nueva tecnología con el potencial de transformar productos, procesos y modelos de negocio.

Por esta razón, la primera pregunta no debería ser ¿Cuánto grafeno necesito?, ni tampoco ¿Qué me va a resolver o en qué me va a ayudar?

Las preguntas deberían ser: ¿Qué problema quiero resolver o qué oportunidad quiero aprovechar? y, una muy importante, ¿Existe disposición para destinar tiempo y recursos a un proyecto de investigación y desarrollo?

Las respuestas de estas preguntas son el comienzo de un proceso de investigación y desarrollo que implica dedicar tiempo, recursos económicos y talento humano, dispuesto a interactuar y proponer, incluso para adaptar formulaciones o modificar procesos cuando sea necesario.

“La innovación exitosa rara vez ocurre en el primer intento. La mayoría de las tecnologías que hoy consideramos exitosas son resultado de largos y complejos procesos de desarrollo”.

Más que vender un material, la filosofía de Graphenemex® es acompañar a las empresas en el proceso de investigación y desarrollo, ayudándolas a identificar oportunidades, diseñar estrategias y aprovechar el potencial del grafeno en soluciones con valor agregado real.

Algunas preguntas que ayudan a definir si iniciar una fase de investigación es factible son las siguientes:

1. ¿Qué propiedad se desea mejorar?
2. ¿Cuál es el desempeño actual del producto?
3. ¿Qué problema se busca resolver o mejorar?
4. ¿Existe alguna limitación técnica que no haya podido resolverse con tecnologías convencionales?
5. ¿Se busca reducir costos, sustituir materiales, incrementar la vida útil o desarrollar una nueva línea de productos?

En muchos casos, esto permite determinar rápidamente si el grafeno es una tecnología con potencial para atender la necesidad planteada o si existen alternativas más adecuadas.

En la Parte ll de este artículo, explicaremos cómo Graphenemex® puede ayudar a transformar una idea en una aplicación industrial real, desde el primer contacto.

Redacción: EF/Dania Hernández

Grafeno en la agricultura:

la revolución silenciosa que alimentará al mundo 

Optimizar la producción de alimentos con menos recursos y un mínimo impacto ambiental es un constante desafío para la agricultura ante la creciente demanda global. En este contexto, los expertos en nanotecnología desde hace poco más de 10 años comenzaron a abrir diversas líneas de investigación en torno al grafeno, con la finalidad de generar evidencia sobre sus efectos en las especies vegetales y, en consecuencia, evaluar su viabilidad para el posterior uso en la industria agrícola.  

¿Cuál es la importancia del grafeno para la agricultura? 

Desde el punto de vista fisicoquímico, el grafeno es una lámina bidimensional de átomos de carbono organizados en una red hexagonal, de apenas un átomo de espesor. Esta estructura aparentemente simple, es la responsable de sus extraordinarias propiedades de conductividad eléctrica y térmica, resistencia mecánica, hidrofobicidad, entre muchas otras, que, en conjunto, no se encuentran en ningún otro material.  

“La química superficial, la concentración y el modo de interacción del grafeno son factores críticos para mejorar la productividad agrícola” 

Por otra parte, el óxido de grafeno (GO) es la variante más estudiada por su química superficial, caracterizada por la presencia de grupos hidroxilo, epóxido, carbonilo y carboxilo, que transforman la esencia hidrofóbica del grafeno, en una versión hidrofílica que no solo permite obtener dispersiones acuosas estables y biocompatibles, sino que además lo convierten en una plataforma de intercambio químico para anclar nutrientes, captar contaminantes, e interactuar con otras nanopartículas, moléculas o componentes en general que podrían ser de interés para la agricultura. Un ejemplo práctico es el potencial del GO como coadyuvante de los fertilizantes.  Pues como es bien sabido, una de las importantes problemáticas de estos productos es su baja eficiencia, ya que gran parte de ellos se volatiliza o lixivia, contaminando los cuerpos de agua y/o suelos. En este caso, se presume que los mencionados grupos funcionales distribuidos en toda su superficie del grafeno son capaces de encapsular los nutrientes para posteriormente liberarlos de manera gradual, evitando pérdidas y, en consecuencia, reduciendo la contaminación.  

“Si bien el grafeno aporta la base estructural y propiedades físicas, es el óxido de grafeno el que habilita su uso real en agricultura, porque traduce las propiedades del grafeno a un lenguaje que los sistemas vivos pueden entender” 

A continuación, se describen cronológicamente algunos avances relevantes en la investigación del grafeno aplicado a la agricultura: 

Entre 2010 y 2012, investigadores de China y EE. UU., estudiaron el impacto del GO en cultivos de lechuga, arroz y tomate. Al exponer las semillas a soluciones acuosas con 0.001 hasta 0.1 g/L de GO, el primer objetivo fue determinar su capacidad de penetración y los posibles efectos en la germinación. Sorprendentemente, los científicos notaron que, a bajas concentraciones, el GO potenciaba la germinación, el crecimiento radicular y la fotosíntesis, posiblemente al facilitar la entrada de agua y por alguna activación enzimática.  

Entre 2013 – 2016, las investigaciones continuaron para tratar de explicar mejor estos fenómenos. Por lo que, ahora en lugar de solo exponer y observar únicamente a las semillas en dispersiones de GO, los científicos diseñaron estudios para involucrar al entorno. Es decir, mediante el crecimiento en macetas. Con esto se analizaron otras variables como el agua de las semillas, los nutrientes, entre otras que les ayudaron a concluir que, en efecto, el óxido de grafeno sí era capaz de retener el agua, de mejorar la hidratación de las semillas y de adsorber nutrientes manteniéndolos disponibles cerca de la raíz. Dicho en otras palabras, descubrieron que el GO estaba optimizando el microambiente de las plantas.  

Ante esto era evidente que los estudios debían realizarse en ambientes aún más relevantes. Por lo tanto, entre 2016- 2019 científicos de India y China continuaron los experimentos en invernaderos, sistemas hidropónicos y cultivos completos, especialmente de arroz y trigo. Con ellos evaluaron biomasa, fotosíntesis e incluso cuantificaron las hormonas vegetales. Los resultados consistentemente arrojaron que el GO fungía como un bioestimulante que ayudaba el crecimiento y mejoraba la eficiencia fotosintética.   

Con tantos puntos a favor, el nuevo interés ya no era saber si el grafeno mejoraba el crecimiento de las plantas, sino identificar si el grafeno las ayudaba a sobrevivir en entornos agresivos. Por lo que, entre 2019- 2021, científicos de Estados Unidos y Europa, descubrieron que el GO no solo ayudaba a crecer, sino también a sobrevivir ante sequía y salinidad, explicando lo siguiente:  

Salinidad 

Con el fin de simular un medio salino, para los experimentos se  emplearon soluciones de cloruro de sodio en un rango de concentración de 50 y 120 mM, para promover pérdida de agua en la planta, lograr un desequilibrio iónico y con ello causar estrés oxidativo. Lo importante fue que, en presencia de GO ya sea aplicado en el suelo, por aspersión o en hidroponía, las plantas mantuvieron un buen equilibrio iónico, aumentaron las enzimas antioxidantes y su actividad fotosintética no se vio afectada.   

Sequía 

Generalmente para simular sequía existen distintas metodologías, por ejemplo, reducir o suspender el riego, o bien, se pueden utilizar otras estrategias como el polietilenglicol para reducir el potencial hídrico sin quitar físicamente el agua. En cualquiera de ellas, la integración del GO parece ser la misma, esto es, directamente en el suelo, para posteriormente evaluar los efectos en las plantas. Una primera observación fue que, en sequía el GO no siempre se internaliza, sino que puede permanecer en el suelo reteniendo el agua, reduciendo la evaporación y/o aumentando el tiempo de disponibilidad hídrica. Es decir, el GO puede actuar como un acondicionador de suelo.   

Estrés oxidativo 

En resumen, tanto la salinidad como la sequía son causantes de estrés oxidativo en las plantas, mismo que se define como un desequilibrio por el exceso de especies reactivas de oxígeno o de los conocidos radicales libres causantes de daño o incluso muerte celular. Ante este fenómeno, los estudios señalaron que, si bien el GO no evita la agresión, sí contribuye a que la planta resista más ante la adversidad gracias a la activación de enzimas antioxidantes, retención de agua, ajuste osmótico y regulación hormonal. Por lo que, en el periodo 2022- 2025 y, principalmente en India, surgió el concepto “nano-priming”, la cual es una técnica de pre- acondicionamiento de semillas o plantas, que consiste en una hidratación controlada para activar su metabolismo antes de su crecimiento propiamente dicho, con la finalidad de mejorar la germinación y la resistencia al estrés.  Hasta el momento, el nano- priming con GO ha demostrado mejor germinación, fortalecimiento del sistema radicular, activación del sistema antioxidante y mejor respuesta al estrés.  

Con todos estos antecedentes científicos, cada vez más se consolida el óxido de grafeno como una herramienta agrícola clave para mejorar el microambiente del suelo, optimizar el uso del agua y fortalecer la resistencia de los cultivos.  

Consecuentemente, Energeia-Graphenemex reafirma su compromiso con la innovación mexicana mediante una colaboración con el Laboratorio de Bionanotecnología del Instituto de Física (UASLP), a cargo de la Dra. Daniela Salado. En el marco del Doctorado Institucional en Ingeniería y Ciencia de Materiales (DICIM-UASLP), y con la participación de la alumna Sarahi Josefina Estrada Loredo, en 2025 abrieron una línea de investigación para analizar la interacción de nanomateriales, entre ellos el grafeno y óxido de grafeno (Graphenemex®) con cultivos estratégicos. Esperamos muy pronto poder compartir los resultados de este importante proyecto.  

Redacción: EF/Dania Hernández 

Referencias 

1. Niu, Y.-X., Yao, X.-Y., Won, J. H., Shen, Z.-K., Liu, C., Yin, W., Xia, X., & Wang, H.-L. (2026). Application of graphene oxide nanomaterials in crop plants and forest plants. Forests, 17(1), 94. https://doi.org/10.3390/f17010094 

2. Chen, Z., Zhao, J., Cao, J., Zhao, Y., Huang, J., Zheng, Z., Li, W., Jiang, S., Qiao, J., Xing, B., & Zhang, J. (2022). Opportunities for graphene, single-walled and multi-walled carbon nanotube applications in agriculture: A review. Crop Design, 1, 100006. https://doi.org/10.1016/j.cropd.2022.100006 

3. Yang, Y., Zhang, R., Zhang, X., Chen, Z., Wang, H., & Li, P. C. H. (2022). Effects of graphene oxide on plant growth: A review. Plants, 11(21), 2826. https://doi.org/10.3390/plants11212826