Industria / Innovación

¿Qué es el grafeno? El supermaterial que podría revolucionar en un futuro cercano a la industria de envases y embalajes

Apenas del grosor de un átomo, el grafeno es el material conocido hasta ahora que es mejor en todo: flexibilidad, resistencia, conducción y peso, entre muchas otras propiedades. En apenas 15 años desde que se logró aislar de manera estable, está revolucionando la industria tecnológica y la medicina, al punto que la Unión Europea destinó mil millones de euros para impulsar su investigación. Hoy, de la mano de una alianza con la empresa Tetra Pak, la investigación de este material da un salto hacia la producción de envases, industria que podría experimentar una verdadera revolución de la mano de un material más liviano y resistente que ningún otro.

Jorge Molina Alomar | 14 Nov 2019 a las 6:00 am

Es el compuesto más delgado conocido por el hombre con solo un átomo de espesor -un millón de veces más delgado que un cabello humano- y también el más liviano, al punto que un metro cuadrado pesa 0,77 miligramos. Y pese a ser extremadamente flexible, es entre 100 y 300 veces más fuerte que el acero, lo que lo transforma en el compuesto más fuerte descubierto hasta ahora. Son estas las características que han transformado al grafeno en el material del futuro, al punto que muchos esperan que impulse una verdadera revolución y el surgimiento de tecnologías disruptivas en una amplia gama de campos. Incluidos los envases.

Compuesto por carbono puro organizado en un patrón regular hexagonal, similar al grafito, el grafeno es un material casi transparente. En términos simples, es un cristal atómico bidimensional -su ancho es el del átomo-, con propiedades únicas y sobresalientes. Además de ser el material más delgado, liviano y resistente conocido, es flexible, impermeable a las moléculas y extremadamente conductor de electricidad y calor.

Y aunque el repentino interés de la ciencia en este compuesto lleva a pensar que se trata de un material nuevo, lo cierto es que su enlace químico y estructura se describió por primera vez en la década de 1930, no fue hasta que los científicos Andréi Gueim y Konstantín Novosiólov lograron aislar una capa de grafeno a temperatura ambiente en 2004 -en 2010 ganaron el Nobel por este logro- que este material comenzó a impactar en la ciencia e ingeniería.

El doctor en Ciencias de la Ingeniería Humberto Palza, director del Núcleo Mileno en Metamateriales Suaves e Inteligentes e investigador del Advanced Mining Technology Center, explica en términos sencillos el origen del grafeno: “El grafito está compuesto de grafeno. Pensemos en un lápiz mina; esa mina grafito es como una torta de mil hojas, donde cada hoja es un grafeno. Es, por lo tanto, una capa bidimensional de átomos de carbono”.

Si bien esto se sabía desde hace muchos años, reafirma, recién hace unos 15 años se descubrió que es posible estabilizar una lámina, lo que antes se creía que era imposible. “Es el material más conductor de electricidad y térmico de los que se conocen. Es el material más resistente a la tracción, con mejor propiedad mecánica que se conoce. ¿Por qué revolucionó todo? Básicamente, porque en todo es el mejor”, explica Palza.

Hoy el grafeno se presenta como una solución para una multitud de campos y aplicaciones industriales, especialmente la electrónica -superbaterías, cables de alta velocidad, pantallas táctiles flexibles-, la medicina e incluso para la desalación de agua. Pero su salto hacia el consumo masivo, así como su paso del laboratorio a una escala industrial, podría venir de la mano de su incorporación en el packaging de productos, un área que hoy se está comenzando a explorar con fuerza.

Konstantín Novosiólov, uno de los dos científicos que lograron aislar una capa de grafeno a temperatura ambiente en 2004, y que les valió el premio Nobel seis años más tarde.

Proyecto Grafeno

Tras el hallazgo de Gueim y Novosiólov, científicos e ingenieros de todo el mundo empezaron a trabajar en ideas para aprovechar el grafeno, cuyas propiedades hacen pensar en una revolución similar a la que produjo el plástico en la industria, cuyo éxito radicó principalmente en sus excelentes propiedades y en su capacidad de procesarse de diferentes maneras para obtener distintas aplicaciones.

El impacto de este material -y lo que se espera de él- fue tal, que en 2013 la Unión Europea lanzó el proyecto Graphene Flagship (Buque Insignia Grafeno), a 10 años y con un presupuesto de mil millones de euros para impulsar una investigación conjunta y sin precedentes sobre este material, formando la mayor iniciativa de investigación de Europa. Hoy está compuesto por más de 150 grupos de investigación académicos e industriales en 23 países, trabajo que es coordinado por la Universidad Tecnológica de Chalmers en Gotemburgo, Suecia.

Hasta ahora el proyecto ha tenido sus focos principales en aplicaciones tecnológicas, médicas y de seguridad, pero este año este supermaterial dio un paso que puede implicar su arribo a los productos de consumo masivo: explorar su potencialidad en la fabricación de envases de alimentos y bebidas.

Para ello, a inicios de octubre la empresa Tetra Pak se unió al Proyecto Grafeno como representante exclusivo de la industria de envases, para explorar posibles aplicaciones futuras del grafeno en esta materia. La noticia fue aplaudida por el mismo Novosiólov. “El grafeno tiene el potencial de revolucionar una gama de procesos e industrias. Desde el primer aislamiento de grafeno en 2004, hemos visto un tremendo éxito y la aplicación del material en el Mercado dentro de las industrias electrónica y automotriz, espero con ansias la próxima fase del Proyecto Grafeno y así explorar posibles innovaciones en la industria de los envases”.

La incorporación de esta empresa multinacional al proyecto, dice a País Circular Sara De Simoni, vicepresidenta de ingeniería de equipos de Tetra Pak, está determinada por su ambición por la innovación y por la intención de colocarse a la vanguardia de la investigación de punta en esta materia, “trabajando con algunas de las mentes más brillantes para ser pioneros en los usos del grafeno en la industria de alimentos y bebidas”.

Áreas clave para su aplicación en envases

Según explica Sara de Simoni, Tetra Pak trabaja actualmente en la exploración de tres áreas clave para la aplicación del grafeno en la industria: la conectividad, la flexibilidad en las modificaciones de sus equipos, y la innovación en los envases. En el primer aspecto, se apunta a al desarrollo de envases inteligentes con sensores flexibles y ultradelgados que conviertan a los envases en soportes de datos a gran escala. En materia de equipos, la idea es que estos sean más livianos y con mayor eficiencia energética para reducir costos y consumo de energía, lo que permitiría ahorrar tiempo y dinero.

“Las propiedades únicas del grafeno implican que hay una variedad de usos y oportunidades que estamos explorando actualmente. Es demasiado pronto para establecer suposiciones sobre qué funcionará y qué no en nuestra investigación y desarrollo. Sin embargo, hemos visto un enorme éxito en la aplicación de este material en las industrias electrónica y automotriz, y esperamos replicarlo en nuestro sector”

Sara De Simoni, vicepresidenta de ingeniería de equipos de Tetra Pak.

Y en cuanto a los envases, agrega De Simoni, “la innovación se centra actualmente en revisar como el grafeno podría desarrollar recubrimientos anticorrosivos, lo que a su vez podría lograr una mayor sostenibilidad con posibles incrementos en las tasas de reciclaje. Al mismo tiempo, por supuesto, continuaría manteniendo los alimentos seguros, protegiendo el contenido del oxígeno y la luz”.

Esta, precisamente, el área con mayor potencial del grafeno en los empaques, dice Humberto Palza, quien ya desarrolló un proyecto en Chile para combinar grafeno con polímeros para diferentes aplicaciones, entre ellas la medicina regenerativa y el packaging.

“El grafeno podría ayudar a evitar tener muchas capas en el packaging, y en eso Tetra Pak es un muy buen ejemplo. Es difícil tener un solo material con todas las propiedades de barrera que se requieren, sino que en general son varias capas y cada una contribuye con algo”, explica. Y eso fue precisamente lo que trabajaron en el proyecto en Chile.

“Lo que demostramos es que incorporando grafeno en el packaging efectivamente puedes bajar la permeación de oxígeno, mejorar sus propiedades mecánicas, y -lo que era más relevante para nosotros- hacerlo antimicrobiano. Entonces, poniéndole estas partículas de grafeno puedes hacer que sea un packaging activo, que sea mucho más que una protección”, agrega Palza.

Pese a los auspiciosos resultados en Chile y en el mundo, aún se trata de investigaciones realizadas en laboratorio, y faltan aún algunos años para su incorporación en la industria y el mercado masivo. Primero se debe determinar bien cuáles son sus aplicaciones funcionales.

“Las propiedades únicas del grafeno implican que hay una variedad de usos y oportunidades que estamos explorando actualmente. Es demasiado pronto para establecer suposiciones sobre qué funcionará y qué no en nuestra investigación y desarrollo. Sin embargo, hemos visto un enorme éxito en la aplicación de este material en las industrias electrónica y automotriz, y esperamos replicarlo en nuestro sector”, dice Sara de Simoni, de Tetra Pak.

Para Palza, una de las grandes complicaciones hoy es el alto costo de producir grafeno, aunque va continuamente a la baja, desde cifras de millones de dólares a las actuales de miles de dólares. Pero también hay una solución intermedia, más barata: el Flake Graphene. En general, se habla de grafeno puro cuando se trata de una y hasta ocho capas del material. Los flakes, una suerte de “torta milhojas” de grafeno, pueden tener entre 10 y 20 capas, lo que hace más barata su producción.

“Ese flake es muy bueno para mezclarlo con polímeros, con plástico, y ahí es donde entra el mundo del packaging. Se usa mucho el mezclar un plástico con otra partícula, típicamente carbonato de calcio, lo que mejora sus propiedades mecánicas. El mezclar grafeno con polietileno, con los plásticos en general, mejora sus propiedades mecánicas y su resistencia, y algo que es bien específico en el packaging, mejora las propiedades de barrera”, explica. Esto ayudaría a hacer envases con menos material, e idealmente, con un solo material.

Hoy, dice De Simoni, se está en una etapa muy temprana de investigación como para delinear conclusiones sólidas o plazos para la utilización a escala industrial del grafeno. Con lo que ya se sabe se espera que estimule el crecimiento económico y cree nuevos empleos para especialistas en física, química y diversos sectores industriales.

Por eso, agrega la vicepresidenta de ingeniería de equipos de Tetra Pak, “continuaremos facilitando el encuentro de las partes interesadas y de los sectores industriales para que el grafeno esté a la vanguardia de nuestra investigación y desarrollo. Utilizaremos nuestro rol como el único representante del sector de embalajes para compartir, colaborar y forjar asociaciones con el proyecto Graphene Flagship para el mayor bien de nuestra industria”.