Resulta un tanto ridículo usar una batidora de cocina para fabricar grafeno. Al fin y al cabo, se trata del «material milagroso» asociado a las tecnologías futuristas. Cabría esperar, lógicamente, que su producción requiriera equipos igualmente futuristas. Y, a menudo, así es.

La producción de grafeno en estado líquido puede depender del grafito purificado (más conocido como la mina de los lápices), disolventes o aditivos especializados, agua ultrapura y un procesamiento cuidadosamente controlado. Nuestra última investigación se preguntó qué sucede si se intenta producirlo utilizando materiales que se encuentran en cualquier hogar.

¿Sería posible partir del grafito que se encuentra en los residuos electrónicos, usar papel de periódico viejo para mantenerlo en un líquido, mezclarlo todo en agua corriente del grifo y aun así obtener grafeno útil?

El grafeno es mucho más resistente que el acero, pero pesa menos que el papel o el aluminio. Además, es un conductor excepcional de electricidad. Desde su descubrimiento hace poco más de 20 años, se ha utilizado en baterías portátiles, sensores médicos e incluso para fabricar hormigón más resistente. Este increíble material tiene un gran potencial para muchas otras aplicaciones prácticas.

Dentro de los teléfonos, portátiles y otros dispositivos electrónicos se encuentran finas láminas de grafito que disipan el calor de los componentes para evitar su sobrecalentamiento. Cuando un dispositivo llega al final de su vida útil, ese grafito generalmente también se desecha como residuo electrónico. Sin embargo, químicamente sigue siendo grafito y tiene el potencial de convertirse en su fascinante primo, el grafeno.

La magnitud del problema de los residuos electrónicos es enorme. En 2022 se generaron alrededor de 62 millones de toneladas en todo el mundo, pero solo el 22,3 % se registró como debidamente recogido y reciclado. Si bien los metales valiosos acaparan gran parte de la atención, los aparatos electrónicos también contienen materiales menos atractivos que podrían tener una segunda vida.

¿Podrían ser estos disipadores de calor de grafito uno de ellos? El grafito es esencialmente una gran cantidad de láminas del elemento carbono apiladas unas sobre otras, como una baraja de cartas. Estas láminas suelen tener un átomo de espesor. Cada lámina individual de carbono es grafeno.

El reto consiste en separar esas láminas sin destruirlas. Utilizamos un proceso pionero en Irlanda llamado exfoliación en fase líquida . Introdujimos grafito en un líquido y aplicamos la energía suficiente para separar las capas apiladas.

A partir de esta forma líquida, el grafeno se puede transformar en recubrimientos, tintas, membranas y materiales compuestos con numerosas aplicaciones potenciales.

Solución de baja tecnología

En lugar de un procesador sofisticado, usamos una simple licuadora de cocina, mientras que un colador eliminó los grumos que no se habían disuelto correctamente. Sin embargo, fabricar grafeno es solo la mitad del problema. Una vez separadas, las láminas tienen la molesta tendencia a volver a pegarse.

Los investigadores suelen prevenir esto utilizando disolventes o productos químicos estabilizadores cuidadosamente seleccionados. Pero nos preguntamos si el agua del grifo sin tratar y el papel de periódico usado podrían cumplir parte de esa función.

El papel de periódico es rico en celulosa, el material estructural presente en las fibras vegetales. Lavamos y ablandamos papel de periódico viejo con agua del grifo y lo mezclamos hasta obtener un líquido rico en fibras. Al procesar el grafito en esta mezcla, el material derivado del papel de periódico actuó como una barrera temporal entre las láminas de grafeno recién separadas.

No era perfecto, pero ese nunca fue el objetivo. Sin el material derivado del periódico, el material procesado se sedimentaba en el agua en cuestión de minutos. Con él, la solución se mantenía utilizable durante varias horas y podía mezclarse de nuevo con solo agitarla. El resultado seguía siendo grafeno.

Por supuesto, un líquido negro salido de una licuadora no es prueba suficiente. Aún necesitábamos equipos de laboratorio sofisticados en la Universidad de la Ciudad de Dublín para confirmar lo que habíamos creado. Pero casi nada de esa sofisticación fue necesaria para producirlo, y esa es quizás la parte más interesante de la historia.

Fabricar grafeno fácilmente

En trabajos anteriores , demostramos que el grafeno se puede fabricar utilizando minas de lápiz, agua del grifo, jabón, electrodomésticos e incluso filtros de café. En aquel trabajo, nos preguntábamos si la nanociencia realmente tiene que comenzar en un costoso laboratorio especializado. Aquí, fuimos un paso más allá: ¿podrían los ingredientes provenir de los desechos?

En una universidad bien equipada, es fácil dar por sentado el acceso a productos químicos especializados, agua purificada y equipos costosos. Sin embargo, los grupos de investigación en países de bajos ingresos pueden enfrentarse a presupuestos más ajustados, cadenas de suministro complicadas y largas esperas para obtener materiales especializados. Las escuelas y los proyectos de ciencia ciudadana se enfrentan a una barrera aún mayor: simplemente comenzar puede resultar costoso.

Nuestro enfoque le da la vuelta al problema. En lugar de preguntarnos cuán sofisticada puede llegar a ser la producción de grafeno, nos preguntamos cuánta sofisticación podíamos eliminar antes de que dejara de funcionar. Los ingredientes no son exóticos: papel de periódico, agua del grifo y grafito ya se encuentran en la mayoría de los hogares.

Para la mayoría de nuestros experimentos, utilizamos una versión comercial del material disipador de calor de grafito, ya que un solo teléfono contiene muy poca cantidad. Sin embargo, también desmontamos un teléfono inteligente desechado y recuperamos parte de su grafito. No había suficiente para el estudio completo, pero sí para demostrar que el material extraído directamente de residuos electrónicos reales también podía descomponerse en láminas de carbono mucho más delgadas.

Esto abre una nueva perspectiva sobre dónde se puede realizar la investigación. Una escuela, un laboratorio comunitario o un pequeño grupo de investigación podrían llevar a cabo el procesamiento localmente y luego colaborar con una universidad o un centro compartido cuando se requieran mediciones avanzadas. El equipo costoso se convierte en una herramienta para verificar el resultado, en lugar de ser el precio de entrada al experimento.

Así pues, la cuestión no es que hayamos encontrado la mejor manera del mundo de fabricar grafeno. Desde luego, no la hemos encontrado. Un teléfono desechado, el periódico de ayer, agua del grifo y una batidora no sustituirán a una fábrica de grafeno. Pero podrían hacer que la investigación sobre el grafeno sea un poco menos exclusiva, a la vez que dan una segunda vida a dos residuos comunes.

Hay una curiosa ironía en ello. Necesitábamos equipos científicos sofisticados para demostrar que habíamos fabricado grafeno, pero fabricarlo en sí era lo más accesible.