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Ciencia de frontera

Valeria Nicolosi: "Lo que empezó en un laboratorio se ha convertido en el método de fabricación de grafeno más usado"

La catedrática de Química Valeria Nicolosi ofrece una charla organizada por el INMA.

Valeria Nicolosi, catedrática de Química en el Trinity College de Dublín
Valeria Nicolosi, catedrática de Química en el Trinity College de Dublín

Valeria Nicolosi, catedrática de Química en el Trinity College de Dublín (Irlanda), es experta en materiales bidimensionales como el grafeno y otros de estructuras similares. Junto a sus colaboradores, empleando técnicas de exfoliación en fase líquida, ha producido decenas de materiales laminares de espesores de un número muy reducido de capas atómicas, lo que ha permitido su estudio y aplicación.

El jueves 10 de junio a las 12.00, Nicolosi presenta sus más recientes trabajos sobre la producción, estudio de materiales laminares y sus aplicaciones energéticas (baterías) en una charla organizada por el Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (INMA, centro mixto CSIC-Universidad de Zaragoza). Cualquier persona interesada podrá seguir la charla en directo a través de Zoom previa inscripción o bien en el canal de Youtube del INMA.

En ocasiones, nuevos materiales con grandes potencialidades se quedan en el cajón del laboratorio, sin llegar a introducirse realmente en el mercado, debido a que sus procesos de fabricación no hacen viable económicamente su uso. En este sentido, ¿cuál ha sido el impacto de su investigación con respecto a la producción y aplicación de materiales laminares 2D?

Los métodos de exfoliación en fase líquida que hemos desarrollado en nuestro laboratorio han supuesto un punto de inflexión en la introducción de estos materiales en el mercado. Existen cientos de materiales laminares diferentes que pueden obtenerse mediante estos métodos, materiales como el grafeno, que han estado y están en la cresta de la ola en cuanto a posibles aplicaciones derivadas de sus extraordinarias características. Muchas de estas aplicaciones no requieren utilizar grandes monocapas perfectas, y es allí donde nuestros métodos de fabricación son capaces de escalar la producción en el orden de las toneladas, haciendo una realidad su implementación industrial. Los métodos en fase líquida además, permiten la fabricación de materiales compuestos, aunando las ventajas de dos o más materiales distintos, y la aplicación de técnicas de deposición avanzadas como la impresión 3D. Lo que empezó en un laboratorio de investigación en el orden de mililitros, se ha convertido en el método de fabricación de grafeno más usado a nivel mundial para aplicaciones en nanomateriales compuestos, lubricantes, supercondensadores y baterías...

"Las actividades de divulgación no solo sirven para dar a conocer tu trabajo a la sociedad en general, sino que, en nuestro caso, ha hecho que empresas importantes se hayan fijado en él y nos hayan planteado posibilidades de colaboración que significan la apertura de nuevas líneas de investigación que a priori no nos habíamos planteado"

La reciente crisis sanitaria ha puesto en relieve el importante papel de la ciencia en el progreso y estabilidad de los países. Sin embargo parece inexplicable que tengamos que esperar a situaciones tan extremas para que la población entienda y valore el trabajo de los científicos. ¿Qué estamos haciendo mal?

En Irlanda la divulgación de la ciencia se entiende como un compromiso que adquieren obligatoriamente los investigadores al ser financiados con fondos públicos. Estas actividades de divulgación no solo sirven para dar a conocer tu trabajo a la sociedad en general, sino que, en nuestro caso, ha hecho que empresas importantes se hayan fijado en él y nos hayan planteado posibilidades de colaboración que significan la apertura de nuevas líneas de investigación que a priori no nos habíamos planteado. Esto ocurrió por ejemplo con una importante empresa de Fórmula 1 con la que exploramos una nueva aplicación de nuestros materiales 2D haciendo uso de sus propiedades de conducción térmica (la disipación del calor generado es un tema crítico en los automóviles de F1), por lo tanto los beneficios de la divulgación son recíprocos.

"Un país que no cuida su ciencia se encontrará en un momento dado frente a un vacío de innovación"

Hablando de llegar a encontrar aplicaciones reales y viables para los resultados de los proyectos científicos, usted es de las pocas personas en haber obtenido cuatro de los prestigiosos proyectos Prueba de Concepto que el ERC (European Research Council) concede para ese fin. ¿Cómo debería ser la relación entre la investigación científica y los retos tecnológicos a los que se enfrenta la industria?

Siempre ha existido un intenso debate sobre la separación de la ciencia fundamental, la ciencia aplicada, la innovación…. Pero, en mi opinión, estos conceptos no pueden entenderse aislados. Mi grupo lo componen actualmente 27 personas y está dividido en tres áreas: una dedicada a la síntesis de materiales 2D por el método presentado anteriormente, otro dedicado al estudio de esos materiales por microscopia electrónica de transmisión y una última dedicada al uso y aplicaciones de estos materiales. Estas tres áreas tienen un rol importante y se retroalimentan. En este sentido, como miembro del comité asesor del Consejo de Innovación Europeo desde hace un par de años, intento fomentar esta conexión entre ciencia básica y aplicada. Un país que no cuida su ciencia se encontrará en un momento dado frente a un vacío de innovación. Cuando Irlanda se enfrentó a una fuerte recesión en 2007, el Gobierno no optó por el camino fácil de los recortes en ciencia, sino que promovió e incentivó la cooperación entre el sector científico y productivo para superar la emergencia económica y consiguió sacar a flote al tejido industrial del país que se estaba ahogando en la crisis.

La innovación de mañana de asienta en la ciencia básica de ayer

El ser humano y la sociedad en su conjunto tienen ante sí grandes retos en un buen número de frentes que conciernen la salud, la energía, la conservación del medio ambiente... Todos ellos presentan aspectos críticos a los que debemos enfrentarnos y a los que la ciencia y la tecnología pueden, y deben, ofrecer soluciones. En este sentido, el campo de la ciencia de materiales tiene un rol preponderante. La revolución que desde hace unas pocas décadas se está viviendo en este ámbito y las oportunidades que ofrecen materiales de dimensiones nanométricas (10-⁹ m) permiten mirar con cierta esperanza el futuro.

En 2010, se concedió el premio Nobel de Física a Andrey Geim y Konstantín Novoselov, dos catedráticos de la Universidad de Manchester (Reino Unido), por sus trabajos en la obtención del grafeno (estructura laminar de carbono de espesor atómico) y el estudio de sus propiedades electrónicas. El impacto de este material bidimensional (2D) en la ciencia difícilmente ha tenido parangón. Las propiedades únicas que posee, tanto electrónicas como mecánicas, ópticas…, hacen de él un material ideal para su uso en aplicaciones que van desde la aeronáutica, la automoción, la medicina... Un avance muy relevante que ha tenido lugar con este material, como con otros materiales laminares próximos estructuralmente, ha sido la posibilidad de producirlo en grandes cantidades y a un coste razonable. A este respecto, los trabajos desarrollados en el Trinity College de Dublín (Irlanda), entre otros por la catedrática Valeria Nicolosi y su equipo, han sido cruciales en este campo. 

El estudio de estos nanomateriales de pocas capas atómicas de espesor requiere el poder investigarlos a la escala atómica, pues su estructura y composición a esta escala determinan sus propiedades. La microscopía electrónica de transmisión ofrece las mejores condiciones para poder llevar a cabo ese tipo de medidas. A modo de ejemplo, los trabajos desarrollados por Nicolosi y sus colaboradores permitieron distinguir átomos individuales de distintos elementos (carbono, boro, nitrógeno y oxígeno) en una capa monoatómica de nitruro de boro hexagonal, un material laminar similar estructuralmente al grafeno. Estos estudios representaron un hito en el estudio de materiales con resolución atómica.

En el rápido desarrollo que están experimentando dispositivos de almacenamiento de energía como son las baterías de litio o los microsupercondensadores, el empleo de materiales laminares basados en carburos de titanio (fases MXene) en sus electrodos permite conseguir altas capacidades superficiales sin renunciar a una considerable velocidad de carga y descarga. Además, estos electrodos pueden imprimirse en forma de películas transparentes y flexibles, facilitando el desarrollo de electrónica portátil para, entre otras, aplicaciones en IoT (internet de las cosas).

En Aragón

En el Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (INMA), centro mixto del CSIC y la Universidad de Zaragoza, se llevan a cabo diferentes líneas de investigación en materiales laminares 2D, tanto de carácter teórico como aplicado, que estudian los efectos de modificaciones como la funcionalización química, la creación de defectos, etc. para la obtención de propiedades específicas que permitan su aplicación en fotodetectores optoelectrónicos, sensores o biomedicina, entre otros. 

Los microscopios del Laboratorio de Microscopias Avanzadas (LMA, Universidad de Zaragoza) permiten el estudio de sus características a la escala atómica. Dentro de los dispositivos electroquímicos para el almacenamiento de energía, se están desarrollando diferentes líneas dirigidas a nuevas tecnologías de baterías de ion litio de estado sólido, integración de las mismas en sistemas de energía renovable o aprovechamiento de energía residual y desarrollos de técnicas neutrónicas de caracterización in situ.

Alodia Orera y Raúl Arenal Investigadores Ramón y Cajal y Araid, respectivamente, en el INMA

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