Investigación sobre el grafeno: numerosos productos, ningún peligro agudo

Piense en grande. A pesar de su tema de investigación, este bien podría ser el lema de la Graphene Flagship, que se puso en marcha en 2013: Con un presupuesto global de mil millones de euros, fue la mayor iniciativa de investigación europea hasta la fecha, junto con la Human Brain Flagship, que se puso en marcha al mismo tiempo. Lo mismo cabe decir del artículo de revisión sobre los efectos del grafeno y materiales afines en la salud y el medio ambiente, que los investigadores de Empa Peter Wick y Tina Bürki acaban de publicar junto con 30 colegas internacionales en la revista científica ACS Nano; en 57 páginas, resumen los hallazgos sobre los riesgos sanitarios y ecológicos de los materiales de grafeno, la lista de referencias incluye casi 500 publicaciones originales.

Todo un caudal de conocimientos que, además, da el visto bueno. "Hemos investigado los posibles efectos agudos de diversos materiales de grafeno y similares en los pulmones, en el tracto gastrointestinal y en la placenta, y en ninguno de los estudios se observaron efectos agudos graves que dañaran las células", afirma Wick al resumir los resultados. Aunque es cierto que pueden producirse reacciones de estrés en las células pulmonares, el tejido se recupera con bastante rapidez. Sin embargo, algunos de los materiales 2D más recientes, como los nitruros de boro, los dicalcogenuros de metales de transición, los fosfenos y los MXenos, aún no se han investigado mucho, señala Wick; en este sentido, se necesitaban más investigaciones.

En sus análisis, Wick y compañía no se limitaron a los materiales similares al grafeno de nueva producción, sino que estudiaron todo el ciclo de vida de las diversas aplicaciones de los materiales que contienen grafeno. En otras palabras, investigaron cuestiones como: ¿Qué ocurre cuando estos materiales se desgastan o se queman? ¿Se liberan partículas de grafeno? ¿Puede este fino polvo dañar las células, los tejidos o el medio ambiente?

Un ejemplo: La adición de un pequeño porcentaje de grafeno a polímeros, como resinas epoxi o poliamidas, mejora notablemente las propiedades de los materiales, como la estabilidad mecánica o la conductividad, pero las partículas de abrasión no provocan ningún efecto nanotóxico específico del grafeno en las células y tejidos analizados. El equipo de Wick podrá continuar esta investigación incluso después de que el proyecto emblemático haya llegado a su fin, también gracias a la financiación de la UE como parte de los llamados proyectos Spearhead, de los que Wick es subdirector.

Además del equipo de Wick, los investigadores de Empa dirigidos por Bernd Nowack han utilizado análisis de flujo de materiales como parte del Graphene Flagship para calcular el posible impacto medioambiental futuro de los materiales que contienen grafeno y han modelizado qué ecosistemas pueden verse afectados y en qué medida. El equipo de Roland Hischier, al igual que el de Nowack en el laboratorio de Tecnología y Sociedad de Empa, utilizó evaluaciones del ciclo de vida para investigar la sostenibilidad ambiental de distintos métodos de producción y ejemplos de aplicación de diversos materiales que contienen grafeno. Y el equipo de Roman Fasel, del laboratorio nanotech@surfaces de Empa, ha avanzado en el desarrollo de componentes electrónicos basados en cintas estrechas de grafeno.

Un éxito europeo para la investigación y la innovación

Lanzado en 2013, el Graphene Flagship representó una forma completamente nueva de investigación conjunta y coordinada a una escala sin precedentes. El objetivo del proyecto a gran escala era reunir a investigadores de instituciones de investigación y de la industria para llevar las aplicaciones prácticas basadas en el grafeno del laboratorio al mercado en un plazo de diez años, creando así crecimiento económico, nuevos puestos de trabajo y nuevas oportunidades para Europa en tecnologías clave. A lo largo de sus diez años de vida, el consorcio estuvo formado por más de 150 equipos de investigación académica e industrial de 23 países, además de numerosos miembros asociados.

El pasado mes de septiembre concluyó el periodo de financiación de diez años con la Semana del Grafeno celebrada en Gotemburgo (Suecia). El informe final demuestra de forma impresionante el éxito de este ambicioso proyecto a gran escala: El buque insignia ha "producido" casi 5.000 publicaciones científicas y más de 80 patentes. Ha creado 17 empresas derivadas en el sector del grafeno, que han recaudado en total más de 130 millones de euros en capital riesgo. Según un estudio del instituto alemán de investigación económica WifOR, el Graphene Flagship ha generado un valor añadido total de unos 5 900 millones de euros en los países participantes y ha creado más de 80 000 nuevos puestos de trabajo en Europa. Esto significa que el impacto del Graphene Flagship es más de 10 veces superior al de proyectos más cortos de la UE.

En el transcurso del proyecto, Empa recibió en total unos tres millones de francos suizos de financiación, lo que tuvo un efecto "catalizador", como subraya Peter Wick: "Hemos triplicado aproximadamente esta suma mediante proyectos de seguimiento por un total de unos 5,5 millones de francos suizos, incluidos otros proyectos de la UE, proyectos financiados por la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia (FNS) y proyectos de cooperación directa con nuestros socios industriales, y todo ello en los últimos cinco años."

Pero la ventaja de este tipo de proyectos va mucho más allá de la generosa financiación, subraya Wick: "Es realmente único participar en un proyecto tan grande y en una red tan amplia durante un periodo de tiempo tan largo. Por un lado, ha dado lugar a numerosas colaboraciones e ideas nuevas para proyectos. Por otro lado, trabajar con socios internacionales durante tanto tiempo tiene una cualidad completamente diferente, confiamos los unos en los otros casi ciegamente; y un equipo tan bien coordinado es mucho más eficiente y produce mejores resultados científicos", está convencido Wick. Por último, pero no por ello menos importante, surgieron muchas amistades personales.

Una nueva dimensión: el grafeno y otros materiales 2D

El grafeno es un material enormemente prometedor. Está formado por una sola capa de átomos de carbono dispuestos en forma de panal y tiene propiedades extraordinarias: resistencia mecánica excepcional, flexibilidad, transparencia y una conductividad térmica y eléctrica sobresaliente. Si el material, ya bidimensional, se restringe aún más en el espacio, por ejemplo en forma de cinta estrecha, pueden crearse efectos cuánticos controlables. Esto podría permitir una amplia gama de aplicaciones, desde la construcción de vehículos y el almacenamiento de energía hasta la informática cuántica.

Durante mucho tiempo, este "material milagroso" sólo existió en teoría. No fue hasta 2004 cuando los físicos Konstantin Novoselov y Andre Geim, de la Universidad de Manchester, lograron producir y caracterizar específicamente el grafeno. Para ello, los investigadores retiraron capas de grafito con un trozo de cinta adhesiva hasta obtener copos de apenas un átomo de grosor. Recibieron el Premio Nobel de Física por este trabajo en 2010.

Desde entonces, el grafeno ha sido objeto de intensas investigaciones. Entretanto, los investigadores han descubierto más materiales 2D, como el ácido grafénico derivado del grafeno, el óxido de grafeno y los cianómeros, que podrían tener aplicaciones en medicina. Los investigadores quieren utilizar materiales 2D inorgánicos como el nitruro de boro o los MXenos para construir baterías más potentes, desarrollar componentes electrónicos o mejorar otros materiales.