PROGRAMAS DE ACTIVIDADES DE I+D ENTRE GRUPOS DE INVESTIGACIÓN DE LA COMUNIDAD DE MADRID CONVOCATORIA EN TECNOLOGÍAS



RESUMEN: Propiedades Fundamentales y Aplicaciones del Grafeno y otros Materiales Bidimensionales MAD2D-CM, S2013/MIT-3007


El aislamiento y caracterización del grafeno a partir de 2004 ha marcado un hito muy importante en muchos ámbitos de la ciencia y la tecnología, abriendo líneas de investigación inexistentes anteriormente, como el estudio de materiales bidimensionales con espesor atómico y la formación de estructuras híbridas a partir de ellos. La investigación en grafeno complementa y amplifica el estudio de otros materiales basados en el carbono, como los fullerenos, que hoy podemos considerar grafeno con geometría esférica, y los nanotubos de carbono, grafeno con geometría cilíndrica.

Desde un punto de vista de investigación básica, el grafeno implica la posibilidad de estudiar y manipular capas de espesor igual al de uno sólo de los átomos que las constituyen. El grafeno tiene, además, muchas propiedades muy especiales, como la posibilidad de variar en un rango amplio el número de portadores de carga, su extrema rigidez, el ser muy estable y poco reactivo, la ausencia de defectos. En el Proyecto MAD2D-CM investigamos las propiedades del grafeno y de otros materiales bidimensionales, con énfasis en aplicaciones en el desarrollo de dispositivos, y el almacenamiento y generación de energía. El proyecto se desarrollará por equipos de cinco instituciones públicas, CSIC, IMDEA Nanociencia, IMDEA Materiales, IMDEA Energía y Universidad Autónoma de Madrid, y laboratorios de las empresas AIRBUS Operations, REPSOL, BRUKER, Nanoinnova Technologies y Albufera Energy Storage. La experiencia de los equipos abarca desde la investigación básica hasta el desarrollo industrial. Se espera que el proyecto lleve a avances de impacto en el conocimiento básico del grafeno y de otros materiales bidimensionales, así como el desarrollo de aplicaciones de interés industrial en las áreas de energía y diseño de sensores.

La geometría bidimensional del grafeno, su rigidez, estabilidad, y el amplio rango de materiales existentes entre el grafeno, el grafito, y el carbono amorfo, van a hacer posible la aplicación del grafeno y sus derivados en muchos ámbitos. Por su versatilidad y diversidad de aplicaciones, el grafeno y sus derivados son comparados con los plásticos. Entre una capa monoatómica de grafeno y el grafito tridimensional existen muchas variedades intermedias, con costes de producción y propiedades diferentes, lo que convierte a cada unas de estas variedades en el material óptimo para una aplicación concreta. Los estudios fundamentales de grafeno se realizan sobre los sistemas más prístinos conformados por muy pocas capas (del orden de 12 capas) y "sintetizados" por exfoliación mecánica y crecimiento epitaxial. Sin embargo son los grafenos sintentizados por via de exfoliación química y CVD los más demandados en aplicaciones de almacenamiento de energía y composites con propiedades mecánicas mejoradas, que son las aplicaciones de nuestro interés en esta propuesta. Las distintas variedades del grafeno están siendo aplicadas a la fabricación de sensores, baterías, células fotovoltaicas, circuitos electrónicos, refuerzo de estructuras en aeronáutica y un extenso campo de investigación. En esta propuesta se desarrollarán un buen número de estas diferentes formas de grafeno, con objeto de avanzar en los aspectos más fundamentales de los sistemas bidimensionales y su aplicación en el contexto de la industria aeronáutica y de energías limpias.

El estudio del grafeno ha llevado, por otra parte, a la investigación de otros materiales con estructura similar, bidimensionales, robustos, y con propiedades electrónicas de interés, como el MoS2 y WS2 y otros dicalcogenuros como el BN. En estos materiales, como en el grafeno, se puede llegar a láminas de anchura molecular, que se pueden manipular con facilidad similar. Se espera que la combinación de varios de estos materiales permita en el futuro el diseño a la carta de “metamateriales”, diseñados con una precisión de uno o unos pocos nanómetros, con propiedades específicas. Los experimentos se han centrado hasta la fecha en la caracterización básica de estos materiales y en el desarrollo de dispositivos multicapa de construcción bastante artesanal con aplicación tanto en electrónica como en fotovoltaica y los estudios fundamentales en los mismos está todavía muy poco desarrollado. Esta propuesta extiende los estudios fundamentales del grafeno a otros sistemas todavía poco explorados como lo son los dicalcogenuros y tricalcogenuros. La investigación en grafeno constituye en estos momentos unos de los temas más interdisciplinares en ciencia y tecnología. La literatura científica sobre el grafeno incluye desde trabajos de física fundamental hasta aplicaciones en ingeniería, biotecnología y múltiples disciplinas científicas. El proyecto combina el estudio de aspectos fundamentales del grafeno con el desarrollo de aplicaciones en campos donde la comunidad científica y los objetivos de diversas industrias de la Comunidad de Madrid se complementan.



PALABRAS CLAVE: Grafeno

OBJETIVOS:

1) Propiedades básicas del grafeno y otros materiales bidimensionales
2) Producción y propiedades mecánicas y estructurales
3) Funcionalización del grafeno
4) Aplicaciones en Energías Limpias