El reto principal que plantean el grafeno y los materiales relacionados es cómo transformar sus propiedades excepcionales en aplicaciones reales

Andrea Ferrari es uno de los investigadores del grafeno y de los materiales relacionados más renombrados del mundo. Profesor de nanotecnología, es el fundador y director del Cambridge Graphene Center. También es Director de Ciencia y Tecnología del proyecto europeo Graphene Flagship, la iniciativa que más fondos ha recibido a nivel mundial para el desarrollo de estos materiales. En este número de CIC Network presentamos una charla entre el Profesor Ferrari y el Profesor Teófilo Rojo, Director Científico del Área de Investigación sobre el Almacenamiento Eléctroquímico de CIC energiGUNE, justo antes de que se celebre la Graphene Week 2018 en Donostia-San Sebastián.

Andrea Ferrari es profesor de Nanotecnología en la Universidad de Cambridge. Es el fundador y director del Cambridge Graphene Center y del Centro EPSRC Centre for Doctoral Training in Graphene Technology. Asimismo, es presidente del Consejo Ejecutivo y Director de Ciencia y Tecnología del proyecto Graphene Flagship. Ha sido galardonado con el premio Brian Mercer a la Innovación de la Royal Society, el premio a la Excelencia Marie Curie, el premio Philip Leverhulme, el premio Wolfson al Mérito Investigador de la Royal Society y el premio EU-40 Materials. Ha recibido además el reconocimiento como miembro distinguido de la Sociedad Estadounidense de Física, del Instituto de Física del Reino Unido, de la Sociedad de Investigación de Materiales de los Estados Unidos, de la Sociedad Óptica de los Estados Unidos, y ha ganado asimismo el premio Charles E. Pettinos de la Sociedad Estadounidense del Carbono, y el premio ACS Nano Award Lectureship, entre otros.

Habiendo obtenido el doctorado en Ingeniería Eléctrica por la Universidad de Cambridge tras graduarse en Ingeniería Nuclear en la Universidad Politécnica de Milán, ¿por qué decidió centrar su investigación en un nuevo material llamado «grafeno»? ¿Podría resumirnos su trayectoria profesional?

Empecé a pensar en el grafeno alrededor del año 2000, cuando estaba trabajando en nanotubos de carbono y carbono tipo diamante (DLC). Por aquel entonces disponíamos de técnicas de caracterización óptica muy avanzadas, incluida la espectroscopia Raman, que analiza las vibraciones de los materiales en base a la dispersión de la luz y permite identificar los materiales y establecer sus propiedades fundamentales. Sin embargo, para ello se necesita un entendimiento teórico que conlleva cálculos ab-initio extremadamente prolongados en el tiempo y costosos, o bien una modelización más rápida basada en dos modelos de grafeno; enrollado o plegado. Lo que era bastante extraño hace unos 20 años es que, mientras todo el mundo experimentaba con nanotubos u otras formas de carbono, nadie estaba estudiando directamente el grafeno, la auténtica base de los cálculos teóricos necesarios para comprender tales experimentos. Así pues, en el año 2002/2003 empecé a trabajar en la comprensión de la llamada banda Raman D en el grafeno, en el grafito y en otros materiales de carbono, en colaboración con el grupo de Francesco Mauri. En octubre de 2004 publicamos nuestro primer artículo sobre las propiedades vibratorias del grafeno, la interacción de la luz con dichas vibraciones y la interpretación de la banda Raman D. Esto fue poco después de que se publicara el revolucionario artículo de los investigadores de la Universidad de Manchester sobre la exfoliación del grafeno y sus propiedades electrónicas.

“En el sector energético, el grafeno podría permitir la creación de baterías y supercondensadores innovadores”

El proyecto Graphene Flagship es, junto con el Proyecto Cerebro Humano (HBP), el primer proyecto Flagship de la Comisión Europea en materia de tecnologías futuras y emergentes. En su opinión, ¿por qué la Comisión Europea optó por respaldar la iniciativa sobre el grafeno y no otros proyectos?

No descubrí la iniciativa Flagship hasta mediados del año 2010, más o menos, cuando Jari Kinaret, de la Universidad Chalmers, se puso en contacto con algunas personas para hablar sobre este asunto. Al principio, ni siquiera me di cuenta de que se trataba de mil millones de euros, una cantidad inaudita para proyectos europeos sobre nuevos materiales. A finales del año 2010 presentamos una propuesta para la llamada fase piloto, una acción de coordinación para preparar la propuesta completa para el proyecto Graphene Flagship. Creo que entre 20 y 30 consorcios presentaron diversas propuestas que cubrían diferentes áreas de investigación. La acción de coordinación inicial del proyecto Graphene Flagship contaba solo con 9 socios: la Universidad de Chalmers, la Universidad de Manchester, la Universidad de Lancaster, la Universidad de Cambridge, la empresa AMO Gmbh, el Instituto Catalán de Nanotecnología, el Consejo Nacional Italiano de Investigación, Nokia y la Fundación Europea de la Ciencia. Posteriormente, ese mismo año 2010, se otorgó el Premio Nobel al revolucionario trabajo llevado a cabo por los investigadores de la Universidad de Manchester Andre Geim y Kostya Novoselov. Creo que el hecho de que se otorgara el Premio Nobel el mismo año que presentamos la propuesta, hizo que esta fuera muy potente. Se trataba claramente de un descubrimiento europeo, de una iniciativa europea, y le estábamos diciendo a la Comisión: tenemos esta fantástica ciencia innovadora y necesitamos ayuda para trasladarla desde los laboratorios a las plantas de fabricación. Teníamos una propuesta convincente, un material interesante y el Premio Nobel se otorgó exactamente el mismo año en que se cumplía el plazo de solicitud.

“El grafeno es un descubrimiento claramente europeo y con el proyecto Graphene Flagship pretendemos trasladarlo desde los laboratorios a las plantas de fabricación”

Como presidente del Consejo Ejecutivo del proyecto europeo Graphene Flagship, ¿cuán importante es el respaldo económico procedente de los fondos europeos para mantener la competitividad de la investigación en Europa en comparación con otros países como Japón, China o los EE. UU.?

A pesar de que nos acercamos a la mitad de los primeros 10 años de la iniciativa Graphene Flagship, en términos de gasto todavía nos encontramos a medio camino. Las iniciativas Flagship son fundamentales para mantener la competitividad de la investigación en Europa. Otras iniciativas de la UE, como el Consejo Europeo de Investigación, convierten a la UE, en mi opinión, en el lugar más atractivo donde investigar hoy en día.

Andrea Ferrari y Teófilo Rojo mantuvieron el diálogo durante la Asamblea General de la Graphene Flagship celebrada en Lovaina (Bélgica).

Andrea Ferrari y Teófilo Rojo mantuvieron el diálogo durante la Asamblea General de la Graphene Flagship celebrada en Lovaina (Bélgica).

La iniciativa europea Graphene Flagship tiene una duración prevista de 10 años y su misión consiste en abordar los grandes retos científicos y tecnológicos a través de la investigación y el desarrollo multidisciplinarios a largo plazo. La investigación llevada a cabo, ¿hará posible la transferencia de tecnología en Europa?

Si nos remontamos al año 2010, cuando se presentó la acción de coordinación original, y a finales de 2013, cuando realmente se inició el proyecto Flagship, y consideramos el punto en que nos encontramos ahora a principios de 2018, está claro que hemos hecho avances significativos. Se han presentado un gran número de patentes en Europa, muchas empresas europeas han empezado a trabajar con el grafeno y materiales relacionados, y la mayoría de ellas son socios o miembros asociados del proyecto Graphene Flagship. Creo que casi todas las empresas europeas interesadas en el grafeno están trabajando, de una forma u otra, con el proyecto Flagship, sus socios o sus miembros asociados. Está claro que tenemos competidores, especialmente en China, Corea y Singapur. Pero, mientras hablamos, continuamos siendo líderes, si tenemos en cuenta toda la cadena de valor y el desarrollo de posibles aplicaciones. No obstante, necesitamos estar atentos a lo que sucederá en el futuro, ya que la competencia de Asia continúa al alza, empezando por la fabricación en serie. Necesitamos seguir creando el valor añadido necesario para mantener los beneficios de esta tecnología en Europa.

“La mayoría de las patentes sobre grafeno en Europa han sido presentadas por socios o miembros del proyecto Graphene Flagship”

Teniendo en cuenta su experiencia en la investigación sobre el grafeno, ¿cuáles son los principales avances que se han logrado?

El grafeno, considerado como la capa bidimensional ideal de átomos de carbono con una disposición hexagonal similar a un panal de abejas, es un material único con propiedades superiores a muchos otros materiales en términos de características eléctricas y propiedades mecánicas, ópticas, fotónicas,
térmicas, etc. El reto consiste en transformar todas estas propiedades excepcionales que se han constatado en experimentos de laboratorio en aplicaciones reales. Y se trata de un gran desafío, ya que no siempre resulta fácil convertir un material de laboratorio en aplicaciones industriales. Si nos fijamos en otros materiales del pasado, veremos que se trata de un proceso que puede durar entre 20 y 40 años. Centrémonos en las fibras de carbono, el desarrollo del silicio para los transistores y superconductores o
en cualquier otra cosa en la que pueda pensar que parta como un material nuevo y acabe convirtiéndose en un producto industrial. Así por ejemplo, hay que recordar que los primeros transistores estaban hechos de germanio y pasaron muchos años hasta que se empezó a utilizar el silicio. Entonces, ¿cuándo se inicia este período de 20 a 40 años? Consideramos que comienza en el año 2004, pero creo que deberíamos ser más justos y decir que se inicia en el año 2010, cuando se otorgó el Premio Nobel y todo el mundo, incluida la industria, empezó a trabajar con este material. Por consiguiente, es alrededor de los años 2024-2030 cuando deberíamos empezar a juzgar si realmente hemos podido transformar el grafeno en diferentes aplicaciones.

“Es muy importante destacar también que hay casi 2000 materiales que tienen una estructura en capas y que podrían exfoliarse en monocapa, deforma similar al grafeno, pero con propiedades completamente diferentes,complementarias a las de éste”

Es muy importante destacar también que hay casi 2000 materiales que tienen una estructura en capas y que podrían exfoliarse en monocapa, de forma similar al grafeno, pero con propiedades completamente diferentes, complementarias a las de éste. Estos materiales pueden ser semiconductores, superconductores y aislantes. Actualmente, solo hemos empezado a investigar someramente estas oportunidades, y es que quizás tan solo se han estudiado seriamente 10 de estos materiales y solo un número menor de ellos, como el nitruro de boro hexagonal, el disulfuro de molibdeno, y tal vez el fosforeno, han atraído un importante volumen de investigación y de desarrollo industrial. Como si esto fuera poco, no solo disponemos de 2000 materiales, sino que, además, podemos combinarlos juntando un material con otro diferente, y para cualquier par de materiales, también podemos cambiar su orientación relativa. Así pues, tenemos casi infinitas posibilidades de investigación y desarrollo para el futuro. Incluso si nos centramos únicamente en el grafeno, simplemente cambiando el ángulo entre 2 capas, es posible obtener un metal, un semiconductor o un superconductor. Y si mezclamos silicio con grafeno, podemos conseguir baterías de calidad superior. Existe pues un sinfín de posibilidades y dudo que lleguemos a descubrirlas todas.

Un momento del diálogo entre los dos científicos.

Un momento del diálogo entre los dos científicos.

El grafeno tiene un gran número de aplicaciones potenciales, ¿podría subrayar aquellas que considera más innovadoras e importantes en un futuro cercano?

Creo que todas las decisiones que se han tomado en los diferentes paquetes de trabajo del proyecto Graphene Flagship, que van desde la energía, la biología, la fotónica o los sensores, ofrecen posibilidades pioneras. Considero que en el campo de la fotónica y la optoelectrónica tenemos una capacidad real de obtener una aplicación revolucionaria si conseguimos crear moduladores, detectores y transceptores en base a todo el potencial que ofrece el grafeno. Si lo logramos, superaremos de largo las posibilidades que ofrece la tecnología actual basada en el silicio. En el sector energético, el grafeno podría permitir la creación de baterías y supercondensadores innovadores, hecho que tiene importantes implicaciones. Las aplicaciones en el ámbito de la biomedicina pueden ser igualmente revolucionarias, pero el plazo temporal en el que se desarrollarán será mucho más amplio, dadas las pruebas que es necesario llevar a cabo para obtener la aprobación como nuevos productos sanitarios.

“Necesitamos seguir creando el valor añadido necesario para mantenerlos beneficios de esta tecnología en Europa”

El proyecto Graphene Flagship cuenta con una importante participación vasca, en la que destacan, entre otros, CIC nanoGUNE, CIC biomaGUNE, CIC energiGUNE, Tecnalia y Graphenea. ¿Qué beneficios aportará al País Vasco?

Todos los socios que ha mencionado realizan una gran contribución al proyecto desde la perspectiva del crecimiento de los materiales, las aplicaciones energéticas, las aplicaciones biológicas, la ciencia básica, etc. De hecho, aparte del País Vasco, España en general siempre ha hecho grandes contribuciones
al proyecto Graphene Flagship, no solo en términos de centros de investigación en las universidades, sino también en lo que a la industria se refiere. En este sentido, solo hay que pensar en Graphenea, una de las empresas más conocidas dedicadas al grafeno en Europa.

Andrea Ferrari es uno de los referentes en el estudio del grafeno a nivel mundial

Andrea Ferrari es uno de los referentes en el estudio del grafeno a nivel mundial

Además de ser el presidente del Consejo Ejecutivo del proyecto Graphene Flagship, también es el fundador y director del Cambridge Graphene Centre. ¿Cuáles fueron las razones que le llevaron a crear un centro de investigación centrado en el grafeno? ¿Podría informarnos sobre el trabajo que se está llevando a cabo actualmente?

El Cambridge Graphene Centre se creó en el año 2013, tras el anuncio de financiación del proyecto Graphene Flagship, de otra propuesta al Gobierno del Reino Unido para desarrollar tecnología basada en el grafeno y de la obtención de una Synergy Grant del Consejo Europeo de Investigación junto
con las universidades de Manchester y Lancaster. Estos comunicados me permitieron convencer a la Universidad para que creara un centro de investigación, ya que disponíamos de la financiación necesaria y una posibilidad real de desarrollar aplicaciones. En octubre de 2015 nos entregaron el nuevo edificio del CGC y empezamos a mudarnos allí. Ahora estamos finalizando la instalación de los laboratorios y de las oficinas. En la actualidad, el edifico del CGC acoge a una plantilla de unas 120 personas, a las que se suman muchas otras que trabajan en instalaciones ubicadas en otros puntos de la Universidad, en el Reino Unido, la UE y en todo el mundo. El CGC cubre casi todas las áreas de estudio del grafeno y la investigación de materiales relacionados, desde el crecimiento hasta el procesamiento, la teoría, la espectroscopía, dispositivos que van desde transistores, moduladores, celdas fotovoltaicas, fotodetectores, láseres, baterías, supercondensadores, compuestos de diversos tipos, tintas y recubrimientos, aplicaciones biomédicas, etc.

“Es necesario demostrar que la ciencia puede ser divertida, pero también que una formación científica abre muchas puertas, no solo en el mundo académico, sino también en una amplia variedad de sectores industriales”

Hoy en día las vocaciones científicas están experimentando un declive. ¿Qué se puede hacer para fomentarlas?

En Cambridge, cada año observamos un aumento del número de alumnos, tanto en términos de estudiantes de grado como de posgraduados. Celebramos jornadas de puertas abiertas y diferentes actividades a fin de atraer tanto al público general como a los escolares. El proyecto Graphene Flagship
cuenta con un sólido equipo de comunicación y divulgación, que colabora con un gran número de representantes. Creo que es necesario demostrar que la ciencia puede ser divertida, pero también que una formación científica abre muchas puertas, no solo en el mundo académico, sino también en una
amplia variedad de sectores industriales.

“Todos los actores clave en la investigación sobre el grafeno y losmateriales relacionados asisten a la Graphene Week de Donostia-SanSebastián”

Este año, la Graphene Week 2018 se celebrará el mes de septiembre en San Sebastián, ¿por qué no deberíamos perdernos esta conferencia?

San Sebastián es una ciudad muy bonita situada en la costa, y en septiembre todavía es posible nadar en el mar. La gastronomía es excelente y es una ciudad excepcional. Además, la Graphene Week es el evento más importante sobre el grafeno. Es la primera conferencia que, gracias al respaldo de la Fundación Europea de la Ciencia, se creó hace ya muchos años sobre el grafeno. Creo que se remonta al año 2008, más o menos. A partir del año 2013 pasó a formar parte del proyecto Graphene Flagship y dejó de ser una conferencia cerrada dirigida únicamente a los oradores invitados para convertirse
en una conferencia abierta a la que puede asistir todo el mundo. Todos los actores clave en la investigación sobre el grafeno y los materiales relacionados asisten a este evento anual. También se celebran por supuesto muchas otras conferencias, tanto en Europa (como la conferencia Graphene 2018,
que también cuenta con el apoyo del proyecto Flagship), como en el resto del mundo, como por ejemplo en los EE. UU., Corea o China (Grapchina). Así pues, hay muchas opciones donde escoger, pero la Graphene Week sigue siendo la conferencia que uno no puede perderse si se está interesado en
encontrar un buen equilibrio entre la ciencia fundamental, la ciencia aplicada, la política científica y el networking.

Teófilo Rojo es el Director Científico del Área de Almacenamiento Eléctrico de CIC energiGUNE.

Teófilo Rojo es el Director Científico del Área de Almacenamiento Eléctrico de CIC energiGUNE.

 ¿Es el grafeno el descubrimiento más importante de este siglo?

En los años 2004 y 2005, Andre Geim y Kostya Novoselev realizaron experimentos pioneros de física fundamental para demostrar que los electrones realmente vivían en 2 dimensiones en el grafeno, y esto dio lugar a la obtención del Premio Nobel. No obstante, sería presuntuoso decir que este es el descubrimiento más importante del siglo (y estoy seguro de que tanto Andre como Kostya estarían de acuerdo en ello). Afortunadamente para nosotros, la ciencia y la tecnología han progresado enormemente y se han producido un gran número de descubrimientos en diferentes campos. El silicio en sí mismo es un material maravilloso, y es la columna vertebral de casi todas las tecnologías modernas. El grafeno es uno de los materiales excepcionales y divertidos, y el primero de una larga categoría de materiales en capas casi inexplorados. Tenemos el deber de garantizar que no desperdiciamos el potencial de estos materiales. Esto es lo más importante, y si lo logramos, si podemos transformarlo en aplicaciones útiles, entonces el grafeno podría convertirse en uno de los materiales más importantes.

 

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