Maravillas de la química: Aerogel de grafeno

Aerogel de grafeno, sostenido sobre los pétalos de una flor

Si has visto la imagen de este artículo antes de entrar, probablemente lo primero que pienses es que cuanto tiempo se habrá tenido que emplear en bioingeniería para lograr obtener una especie de flores extremadamente resistentes. ¡Pues es todo lo contrario! Desde hace muy pocos años, se ha estado investigando dentro del ámbito de la química de los materiales un nuevo tipo de compuestos llamados aerogel, que son materiales sintéticos ultraligeros y muy porosos, que se obtiene a partir de un gel (parte líquido, parte sólido), en el cual el componente líquido se ha sustituido por un gas. Si quieres aprender más cosas sobre química, no dudes en visitar este link.

¿Cuál es el resultado de esta preparación? Un sólido una densidad extremadamente baja, y con otras propiedades destacables como una baja conductividad térmica.
Mucha gente les llama "humo sólido", o "aire sólido", y nada más lejos de la realidad, ya que tras su descubrimiento, se ha identificado el aerogel del que hablaremos en este artículo como el material más ligero jamás creado.

Los aeorgeles pueden crearse a partir de numerosos compuestos químicos, pero concretamente, este material creado por científicos chinos, está hecho de grafeno (una variedad alotrópica del carbono), y es unas 7 veces más ligero que el aire, y un 12% más ligero que el material que poseía este título, el llamado aerografito. Un centímetro cúbico de aerogel de grafeno pesa solamente 0.16 miligramos -o, si resulta más fácil de visualizar, ¡un metro cúbico pesa solo 160 gramos! Es tan ligero, que, como se puede apreciar en las fotografías, un cubo del material puede mantenerse sobre una flor o una cabeza de semillas sin deformarlas.

Otra fotografía del aerogel de grafeno, sobre una espina de semillas

La mayoría de aerogeles se producen empleando un proceso so-gel, en el cual un gel es deshidratado (empleando fluidos supercriticos, que permiten la eliminación de agua sin causar que la matriz del sólido en el gel colapse por capilaridad, como ocurriría con evaporación convencional) hasta cuando sólo queda el aerogel. Otros se producen mediante el "método plantilla" (template method) -por ejemplo, el aerografito se crea haciendo crecer carbón en una red (plantilla) de cristales de óxido de zinc, y a continuación, el óxido de zinc se elimina en un horno, quedando solo el aerogel de carbón-.
En cambio, para crear el aeorgel de grafeno, investigadores de la universidad de Zhejiang, han empleado un método nuevo, llamado método de "secado-helado" (freeze frying). Básicamente, parece que los investigadores crearos una disolución de grafeno y nanotubos de carbono, la pusieron en un molde, y a continuación la congelaron (empleando hielo seco). Este tipo de congelación deshidrata la disolución, dejando finas láminas de grafeno de un sólo átomo de carbono, sobre los nanotubos de carbono. Los investigadores dicen que no existe un límite para el tamaño del recipiente: Se podría hacer una cantidad pequeña de aerogel como un metro cúbico del material si se quisiese.

El resultado final es el aerogel que pesa solo 0.16 mg por centímetro cúbico, y tiene una impresionante elasticidad y capacidad de absorción. El aerogel puede recuperar completamente su forma original después de ser comprimido más de un 90%, y absorber más de 900 veces su propio peso en aceite, a un ratio de casi 70 gramos de aceite por segundo. Con estas dos propiedades, el jefe del proyecto de investigación, Gao Chao, espera que el material pueda ser útil para limpiar manchas o fugas de aceites o gasolinas en lugares tales como mares y océanos, a continuación recuperar el fluido absorbido y reutilizar el aerogel para recoger más vertidos.
Más allá de esto, el aerogel de grafeno podría usarse como aislante, o si es conductor como el aerografito (lo cual es probable), podría emplearse en la creación de baterías de alta densidad mucho más ligeras.

Este material es de reciente descubrimiento, pero la historia de los aerogeles va más allá de los últimos años, y se remonta hasta el año 1931, en el que Samuel Stephens Kistler creó el primer aerogel, como consecuencia de una apuesta con Charles Learned, sobre quien podría sustituir el líquido de las gelatinas por gas, sin provocar que las mismas se encogiesen o contrajesen.

Peter Tsou, científico de la NASA, sosteniendo un cubo
de aerogel de sílica

Otras propiedades interesantes de los aerogeles, es que estos pueden tener una conductividad térmica inferior a la del propio gas que contienen. Esto es consecuencia del llamado efecto Knudsen. El efecto Knudsen es la reducción de la conductividad térmica en los gases cuando el tamaño de la cavidad que contiene al gas se vuelve comparable al camino libre medio. La cavidad restringe el movimiento de las partículas de gas, reduciendo su conductividad térmica, además de eliminar la convección. Por ejemplo, la conductividad térmica del aire es de unos 25 mW/m·K a temperatura y presión estándar (1 bar, 25ºC), pero disminuye a 5 mW/m·K en el interior de un poro de 30 nanómetros de diámetro.

Además de carbono, como en el aerogel de grafeno o de aerografito, otros materiales se han empleado para fabricar aerogeles: Uno muy común es el aerogel de sílica, que es el más estudiado y usado, pero que en este caso, el más ligero pesa alrededor de 1 gramo por metro cúbico, unas 6 veces más que el aerogel de grafeno.
Existen otros también como los fabricados con óxido de aluminio, o con polímeros orgánicos, como SEAgel, que está hecho de agar.

Para más información, se puede consultar la propia publicación de grupo de investigación chino en éste DOI: Ultralight and Highly Compressible Graphene Aerogels

Como última comparativa, muchos conoceréis el gas hidrógeno (H2), el gas más ligero de todos, que para llegar a licuar o solidificar, se ha de llegar a temperaturas próximas al cero absoluto (-273.15 ºC); pues bien, el hidrógeno sólido (a unos 259 ºC), que fue obtenido por primera vez en 1899 por James Dewar, tiene una densidad de 86000 gramos por metro cúbico, lo que lo convierte en uno de los sólidos más ligeros, pero aún así, si lo comparamos con el aerogel de grafeno (160 gramos por metro cúbico), obtenemos que el novedoso aerogel es más de 500 veces más ligero que el hidrógeno sólido. ¿Sorprendente, verdad? Cuando un metro cúbico de hidrógeno sólido pesaría 86 kg, un metro cúbico de aerogel de grafeno pesa solo 160 gramos. El hidrógeno no es "solo" un poco más pesado: Es como comparar un ladrillo con un muro entero. La química de los materiales nunca dejará de impresionarnos.