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“El Grafeno y sus posibilidades de impacto en la industria minera”
1. Introducción 1.1 La Nanotecnología y el grafeno La aparición del grafeno no es tan sorpresiva en el ámbito científico. Las últimas
dos décadas el avance constante de la nanotecnología ha estimulado la
generación de un sinnúmero de materiales con propiedades sorprendentes. La
idea fuerza de la nanotecnología, verificada una y otra vez, es que al reducir el
tamaño de los materiales a escala nanométrica (un nanómetro es la millonésima
parte de un milímetro) sus propiedades físicas y químicas varían notablemente
respecto al mismo material pero de mayor tamaño. Estos objetos, de masa tan
reducida y dimensiones de entre 1-100 nanómetros de denominan desde entonces
nanomateriales. Algunos ejemplos notables de nanomateriales son los nanotubos
de carbono, puntos cuánticos de semiconductores, nanofibras, nanoesferas
metálicas, nanocintas, etc.
El grafeno es un nanomaterial de reciente hallazgo y el que ha suscitado la mayor
expectativa debido a sus potenciales aplicaciones. El año 2010 André Geims y
Konstantin Novoselov recibieron el premio Nobel de Física porque, seis años
antes, lograron obtener el grafeno de una forma estable y medir algunas de sus
impresionantes propiedades. El grafeno, es parte constituyente del grafito. Este
último es un material modesto (del que están hechos las cargas de los lápices) sin
embargo, cuando el grafeno se extrae del grafito, es el material más resistente, el
más duro, el de mayor conductividad térmica, el que soporta la mayor densidad de
corriente eléctrica, es totalmente impermeable a gases, el de mayor movilidad de
portadores de carga, y propiedades tan sorprendentes como que sus electrones
se comportan como partículas sin masa.
Por estas propiedades, las perspectivas tecnológicas del grafeno son muy
amplias, su fortaleza es la multifuncionalidad, porque no sólo reúne propiedades
que normalmente se encuentran en diferentes materiales sino que las mejora
significativamente.
Desde este punto de vista, el ascenso del grafeno no será por una vía libre de
obstáculos, por el contrario, deberá superar materiales cuyos procesos de
fabricación (rendimiento, escalamiento, precio) y calidad (pureza, dimensiones,
durabilidad) se han consolidado los últimos 50 años.
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1.2 La familia del grafeno
El carbón (C) es un elemento fundamental en la naturaleza y debido a su
configuración electrónica puede formar estructuras variadas (alótropos) cuando se
encuentra con otros átomos cercanos. Siguiendo las reglas de la mecánica
cuántica y el principio de minimización de la energía, los electrones se distribuyen
espacialmente entre los átomos generando diferentes configuraciones
geométricas, lo que se traduce finalmente en materiales con propiedades
diferentes, a pesar de estar constituidos por los mismos tipos de átomos.
El grafeno está conformado por una sola capa de átomos de carbono, por ello se
considera un objeto bidimensional. En el plano, los átomos de carbono forman un
arreglo exagonal, como se muestra en la Figura 1. La distancia entre átomos de
carbono vecinos es 0.142 nm.
Figura 1. El grafeno está conformado por una capa de átomos de carbono (esferas azules) formando una malla de exágonos (imagen de J. Hedberg).
Antes de que se pueda aislar el grafeno ya se conocían otros alótropos del
carbono. Entre ellos, el diamante, el grafito, el fulereno y el nanotubo de carbono.
En el diamante, cada átomo de carbono está rodeado por otros cuatro átomos
vecinos, formado una estructura tridimensional. La distancia entre ellos es de
0.154 nm. El diamante es un material transparente, tiene una alta dureza, es un
aislante eléctrico y tiene una alta conductividad térmica.
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Figura 2. En el diamante, los átomos de carbono (esferas grises) se ordenan tridimensionalmente.
Sus enlaces covalentes le dan una altísima dureza. Macroscópicamente tiene una apariencia vidriosa.
El grafito es un apilamiento de capas de grafeno que se mantienen juntas por una
fuerza de atracción muy débil conocida como fuerza de van der Walls. Cuando se
aplica presión lateral sobre este material, las capas de grafeno se desliizan entre
sí, y eventualmente se separan en capas de grafeno individuales. Debido esta
propiedad el grafito se usa como lubricante sólido. Tiene una alta conducción
eléctrica en la dirección paralela a las placas pero muy baja en la dirección
perpendicular. Es un material opaco que se obtiene de forma natural
Figura 3. El grafito es un apilamiento de capas de grafeno. Las capas de grafeno se mantienen unidas débilmente por fuerzas de atracción de corto alcance. Su aspecto macroscópico es de un
sólido opaco.
Los fulerenos son estructuras esféricas de carbonos formadas por polígonos. El
más conocido es el fulereno C60. Está constituido por átomos de carbono que se
agrupan formando 20 exágonos y 12 pentágonos sobre una superficie cerrada en
4
forma de balón de 0.7 nm de diámetro. Fueron descubiertos por Kroto et al., en
1985.
Figura 4. Fulereno C60. Las esferas azules representan átomos de carbono (Imagen de J. Hedberg)
Los nanotubos de carbono son capas de grafeno enrrolladas. Los diámetros
pueden variar entre 1nm a varios nanómetros y se pueden fabricar con longitudes
de algunos micrómetros. Tienen una altísima resistencia mecánica. Su
conductancia eléctrica puede variar dependiendo de la dirección de enrollamiento.
Fueron descubiertos por Ijima en 1991.
Figura 5. Nanotubos de carbono de una sola capa. Pueden considerarse como una lámina de
grafeno enrrollada.
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Con el diagrama de la Figura 6, Geim y Novoselov ilustraron cómo el grafeno
podría considerarse el “generador” de otros alótropos como el carbono 60, el
nanotubo y el grafito.
Figura 6. A partir del grafeno, que es un sólido 2D (bidimensional) se pueden generar el C60 considerado un sólido 0D (cero dimensional o puntual), el nanotubo de carbono 2D y el grafito 3D [1].
1.3 Propiedades destacables del grafeno.
Aunque los fundamentos físicos que describen las propiedades del grafeno son
conocidos desde hace varios años, hasta el año 2004 este material fue
considerado sólo de interés académico. Siempre se pensó que era demasiado
inestable para poder aislarse [2,3].
Lámina de grafeno
6
Entre las propiedades más destacadas del grafeno se pueden mencionar,
Es el material más delgado porque tiene el espesor de un átomo de
carbono
Tiene una gran área específica, aproximadamente 2,700 m2/gr.
Es el cristal con mayor elasticidad (hasta un 20% sin quebrarse)
El de mayor relación resistencia/peso
El de mayor dureza (mayor que el diamante)
El de mayor conductividad térmica (10 veces mayor que el cobre y el
aluminio, mayor que el diamante)
El que soporta la mayor densidad de corriente (1 millón de veces mayor que
el cobre)
Impermeable a gases
La mayor movilidad de electrones (100 veces mayor que el silicio)
El grafeno puede llegar a tener una transparencia de 90% y una resistencia
eléctrica suficientemente baja para ser usado como electrodo transparente. Este
tipo de materiales se usan en las pantallas táctiles (touch screen) como se
explicara luego.
Su alta relación superficie/volumen lo hacen suficientemente sensible para
detectar la presencia de una sola molécula extraña en su superficie. Por esta
propiedad el grafeno se ve como un elemento clave para una nueva generación de
sensores de gas, compuestos orgánicos volátiles o biomoléculas.
Cuando el grafeno se fabrica con alta pureza y monocristalino (toda la muestra es
un solo cristal), se espera que tenga un respuesta eléctrica muy rápida lo que
permitiría usarlo como transistores con velocidades de interrupción superiores a
los de los semiconductores usuales.
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2. Estado del arte de la tecnología de generación y utilización del grafeno.
2.1 Importancia de la técnica de fabricación adecuada
Actualmente, el tema de investigación más importante desde el punto de vista de
la producción de grafeno es encontrar una técnica reproducible, que genere
muestras sin defectos, de costo razonable, escalable y que produzca baja
contaminación. Se puede decir que en la carrera por alcanzar los grandes
mercados, todos están en el partidor esperando que se encuentre la técnica de
fabricación adecuada. Esto explica el porqué en esta etapa del desarrollo, el
aporte creativo del sector académico es fundamental. En la Figura 7 se muestra el
número de patentes registradas en el rubro “nuevas técnicas de fabricación de
grafeno” según el sector que las ha registrado (junio 2012). La mayor cantidad de
patentes (120) proviene de universidades e institutos de investigación. También es
importante destacar el gran aporte de investigadores individuales (30) lo que
revela el amplio margen de posibilidades inexploradas. La compañía más activa es
Samsung con 16 patentes.
Figura 7. Patentes registradas por “nuevos métodos de fabricación” de grafeno [4].
En la Figura 8 se muestra las 10 universidades o institutos que encabezan las
patentes en métodos de síntesis de grafeno. Nótese que 5 de las 10 son
Coreanas.
120
16
14
5
4
4
3
3
3
2
2
2
2
30
31
0 50 100 150
Academic/Reserch InstituteSamsumg Group
Reserarch collaborationsGuardian Industries Corp
Hitachi LtdNanotek Instruments Inc
Hewllet Packard…Fujitsu Ltd
International Bussiness…Northrop Grumman Systems…
Mitubishi Gas Chermical…GM Global Technology…
Vorbeck Materials CorpIdependent Inventors
OthersNumbers of patents
Ass
ign
ees
8
Figura 8. Las diez universidades con más patentes relacionadas con técnicas de fabricación de grafeno [4].
2.2 Principales técnicas para la fabricación de grafeno
Cuando todavía no se percibían las potencialidades del grafeno, se publicaron
algunos reportes experimentales que mostraban la posibilidad de obtener
grafito de muy pocas capas, eventualmente una sola capa, es decir grafeno.
Sin embargo pasaron por resultados novedosos sin perspectivas de aplicación,
en parte por la falta de instrumentos de caracterización que hoy son rutinarios
en un laboratorio de nanotecnología. Cuando Geim y Novoselov aislaron el
grafeno usando cinta adhesiva repetidamente sobre una superficie de grafito,
encontraron una posibilidad simple de obtener láminas monocristalinas de
grafeno, de algunos micrómetros de extensión. Estas dimensiones fueron
adecuadas para realizar los experimentos que revelaron las particulares
propiedades eléctricas del grafeno y abrieron las puertas a la investigación de
un sinnúmero de aplicaciones que todavía están siendo exploradas.
Si bien es cierto que por el método de la cinta adhesiva se pueden obtener
láminas de grafeno, es un proceso de muy baja reproducibilidad e ineficiente,
por lo tanto no se considera adecuado para fines industriales.
Por el momento las técnicas que presentan mayores ventajas para obtener
grafeno son,
i) Síntesis química por reducción del óxido de grafito
ii) Deposición química en fase vapor térmica (CVD)
0 2 4 6 8
Seoul National University
Sunngkyunkwan University (SKKU)
University of texas
Rice University
University of california
Chinese Academy of Sci. Inst Of chem
Korea Adv Inst Sci&Tech (KAIST)
United States Department of Energy
Chonnam national University
University of Ulsan
7
5
5
4
4
3
3
3
3
3
Numbers of patents
Ass
ign
ee
s
9
iii) Deposición química en fase vapor asistido por plasma (PECVD)
iv) Exfoliación en fase líquida
Haremos una breve descripción de cada una de ellas.
2.2.1. Síntesis química por reducción del óxido de grafito
Esté método permite obtener grafeno a partir de la síntesis de óxido de grafito.
Fue reportado en 1960 por Bohem et al. siendo una de las primeras
aproximaciones al grafeno (así fue reconocido por Andre Geim). El método ha sido
mejorado por Ruoff y colaboradores produciendo un alto porcentaje de grafeno
suspendido.
Los diferentes pasos del método se muestran en la Figura 9. Primero se mezcla
grafito con nitrito de sodio, acido sulfúrico y permanganato de potasio (método de
Hummers). Las láminas de grafito experimentan una expansión inicial durante
unas 24 h. Ayudado por la sonicación las láminas de oxido de grafeno se separan
en la fase líquida. La reducción (eliminación de óxigeno) se logra con la adición de
dimetilhidracina o hidracina y de un surfactante que mantiene una suspensión
coloidal homogénea de grafeno.
Figura 9. Etapas que muestran el proceso de obtención de grafeno a partir de óxido de grafito.
Grafito
Método de Hummers
Oxido de
grafito
Sonicación
Oxido de grafito
disperso
Suspen-
sión de
grafeno Reducción
con
hidracina
10
2.2.2. Deposición química en fase vapor térmica (CVD)
Esta es una técnica muy usada para obtener recubrimientos delgados de metales
u óxidos sobre diversos sustratos. En un proceso típico por CVD, uno o más gases
precursores ingresan a una cámara donde se mantiene un sustrato caliente.
Dependiendo de la presión y temperatura, se forma una película sobre el sustrato
de un material que es un subproducto de los gases precursores. Es posible
controlar el grado de cristalinidad y espesor de la película formada. Con esta
técnica, en 1975 Lang et al. reportaron la producción de monocapas de grafito
depositadas sobre platino, usando como precursor el etileno. Desde entonces, se
han realizado múltiples variantes buscando la formación de grafeno (una sola capa
de grafito) sobre un sustrato que permita su extracción en masa.
Actualmente, el esquema más consolidado consiste en el uso de una mezcla de
H2/CH4 como gases precursores y láminas de cobre como sustrato. Bajo
cuidadosas condiciones de temperatura (1000 oC), presión (500 mTorr) se
obtiene grafeno policristalino impregnado sobre cobre.
Figura 10. Diagrama del proceso de fabricación de grafeno por CVD
La segunda etapa consiste en la transferencia del grafeno sobre un sustrato de
interés. Bae et al propusieron un método continuo que puede producir láminas de
30” industrialmente. Ver Figura 11. Para ello, se adhiere un polímero soporte
(celeste) sobre el grafeno/cobre (gris/amarillo), y luego se disuelve químicamente
el cobre (etching) por inmersión en ácido. Finalmente, por presión con rodillos
T ~ 1000°c
Metano
Otros gases
HORNO
Lámina de Cobre
Grafeno sobre
lámina de cobre
Eliminación del
cobre y transferencia
sobre sustrato
Grafeno
polocristalino sobre
sustrato
11
calientes, se despega el grafeno del polímero soporte y se fija sobre el sustrato de
interés.
Figura 11. Proceso de transferencia del grafeno al PETS [5].
2.2.3. Deposición química en fase vapor asistida por plasma (PECVD)
Una variante del método CVD consiste en formar una columna de plasma dentro
de la cámara cerca al sustrato. El plasma tiene la ventaja de crear un ambiente
altamente reactivo a relativamente baja temperatura y por lo tanto permite usar
una mayor variedad de sustratos incluyendo no metálicos. El plasma es generado
por radiofrecuencia o microondas, a baja presión [6].
Figura 12. Sistema de deposición química en fase vapor asistido por plasma (PECVD)
12
2.2.4. Exfoliación de grafito en fase líquida
Como se mencionó anteriormente, el grafito es un apilamiento de láminas
individuales de grafeno. Como la fuerza que mantiene esta estructura es muy débil
(fuerza de van der Waals) es posible separar las láminas con un solvente orgánico
adecuado siempre que simultáneamente la suspensión sea sometida a energía
mecánica por vibración (sonicación), tal como se muestra en el esquema de la
Figura 13. Según el mecanismo propuesto, le exfoliación se produce cuando la
energía superficiel del solvente y la del grafeno son iguales. Se han tenido
resultados positivos con los solventes: N-Metil-2-pirrolidona (NMP), N,N-
Dimetilacetamida (DMA), g-butirolactona (GBL), 1,3-dimetil-2-imidazolidinona
(DMEU), benzoato de bencilo [7].
Este método tiene dos ventajas notables: parte de grafito natural y es escalable.
Figura 13. Proceso de obtención de grafeno a partir de la exfoliación de grafito por solventes
orgánicos
grafito
13
3. Mapeo de posibilidades de impacto del grafeno en la industria minera
nacional.
Como se sabe, la industria minera peruana es principalmente primaria.
El 2011 las exportaciones mineras fueron de $28,000 millones que equivalen al
61.3 % del total de exportaciones. Salvo la caída por la recesión mundial del 2008,
la tendencia ha sido creciente desde los últimos 10 años como se muestra en la
Figura 14.
Figura 14. Evolución de las exportaciones totales y la contribución de la minería [8].
El Perú produce varios de los metales que requiere el mercado actual de alta
tecnología como son el oro, plata, cobre y zinc (Figura 15). Sin embargo son otras
compañías las que se encargan de darle el valor agregado a estos minerales.
Analizaremos dos casos que relacionan algunos minerales exportables peruanos,
su transformación externa en materiales con alto valor tecnológico y la influencia
que tendrá el grafeno si llega a competir a largo plazo en los mismos mercados.
14
Figura 15. Ranking mundial de los principales minerales de exportación 2011 [8].
3.1 Impacto de la producción de grafeno sobre la producción peruana de metales y
óxidos
En un trabajo anterior [9] se demostró que si los minerales exportados fuesen
transformados en nanopartículas, los precios de venta se multiplicarían, en
algunos casos, en más de un orden de magnitud. Por ejemplo el óxido de zinc se
vende a $1.6/kg, como nanopartículas de 20-25 nm el precio de venta se elevaría
a $252/kg; el precio del óxido de cobre es $5.8/kg, como nanopartículas de 50-80
nm costaría $179/kg. La plata se vende a $700/kg, como nanopartículas de 20-30
nm costaría $5,930/kg.
Por otro lado, las nanopartículas de cobre se muestran como los materiales de
mejor rendimiento para las tarjetas de identificación de radiofrecuencia (RFID).
Estas tarjetas consisten en pequeños circuitos impresos sobre sustratos flexibles
capaces de transmitir o recibir información específica del objeto o persona que lo
porta. La información se trasmite en el espectro de radiofrecuencias. Esta
tecnología está penetrando rápidamente en áreas tan diversas como la salud,
transporte, comercio, ganadería etc. El gran mercado de esta tecnología se
encuentra en la “tinta de nanopartículas” con la que se fabrican los circuitos de las
tarjetas.
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La compañía consultora IDTechEx reporta que el 2012 se consumieron estas
tintas conductoras por un valor de $2,800 millones y predice que el 2018 el
mercado para tintas de plata y cobre nanoestructurados será de $735 millones.
El uso de nanopartículas de oro en medicina es uno de los casos de mayor
expectativa por su implicancia social [9]. El diagnóstico precoz del cáncer y la
eliminación de tejidos cancerígenos de una forma localizada usando
nanopartículas de oro son dos aplicaciones cada vez más cercanas. En uno de los
procedimientos más conocidos, una nano esfera de oro de unos 5 nm de diámetro
es funcionalizada (es decir se fijan determinado tipo de moléculas en su superficie)
con proteínas que se enlazan por afinidad y exclusivamente sobre células o tejidos
cancerosos. Una fuente de radiación externa, no dañina para el cuerpo, calienta
las esferas eliminando los tejidos dañados.
Una técnica de diagnóstico usando nanopartículas de oro, consiste en detectar el
cambio de color de las nanopartículas cuando se juntan formando cúmulos
(clusters) alrededor de células cancerígeneas. La compañía Cientifica pronostica
que el 2021 el mercado de nanopartículas de oro para diagnóstico clínico será de
$50,000 millones [10].
Como veremos con más detalle en el capítulo 4, los próximos 10 años el grafeno
irá desplazando gradualmente a las naonopartículas. El estado del arte en la
fabricación del grafeno revela que estamos en los estados iniciales del desarrollo
del material, pero en la medida que se perfeccionen las técnicas de fabricación se
espera que reemplacen al menos a las nanopartículas de plata y de óxido de
cobre para algunas aplicaciones. Las nanopartículas de plata se aplican como
“tinta conductora” con técnicas de impresión para dispositivos que usen películas
conductoras transparentes, como celdas solares, displays, pantallas táctiles etc.
3.2 La influencia del grafeno sobre la demanda de Indio.
Como se detallará en el Capítulo 4, una de las potenciales aplicaciones del
grafeno es como sustituto de una familia de materiales conocidos como
Conductores Transparentes. Debido a que estos materiales son fabricados en
forma de películas delgadas se conocen abreviadamente como PCTs (Películas
Conductoras Transparentes). Casi todos los dispositivos modernos que muestran
información en forma de imagen, o textos en pantallas (TVs, celulares, libros
electrónicos, relojes digitales, avisos luminosos, reproductores de video, pantallas
táctiles etc.) usan PCTs. Deben ser transparentes para dejar ver la imagen que se
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forma debajo de ella y conductoras porque actúan como electrodos, es decir que
debido a que se comportan como conductores pueden mantener un voltaje
respecto a un circuito interno del dispositivo, o ser sensibles a cargas de
polarización producidas por el contacto con la piel, como en las pantallas táctiles
(touch screen).
Por muchos años el material más eficiente y más vendido como PTC es el Óxido
de Indio dopado con Estaño, conocido como ITO por sus siglas en inglés (Indium
Tin oxide). Abarca casi el 90% del mercado de PCTs, lo que equivale a unos
$2,800 millones.
A pesar de que existen muchos candidatos para reemplazar al ITO, su demanda a
mediano plazo seguirá en aumento porque no se ha encontrado todavía un
material con las mismas o mejores prestaciones.
Por otro lado, el Indio, que usa el ITO esta relacionado con el zinc. El Perú es el
segundo exportador mundial de Zinc y el Indio se encuentra como un subproducto
durante la extracción del Zinc. El 2011 se produjeron 1.5 millones de toneladas de
Zinc. Si se hace un estimado de la cantidad de Indio que podría producir el Perú
teniendo en cuenta el volumen de Zinc extraído, se encuentra que debería ser del
orden de 44 millones de toneladas de Indio, como se muestra en la tabla de la
Figura 16 [11].
Figura 16. Producción mundial de Zinc y estimación de la producción de Indio que tendrían los
seis principales países del mundo como subproducto de la extracción de Zinc.
Sin embargo, como se aprecia en la Figura 17, entre los años 2000 y 2008 la
producción de Indio ha oscilado entre 4 y 6 toneladas y es sólo en los años 2009 y
2010 que el volumen producido se ha incrementado a 20 y 25 toneladas
respectivamente [12], aunque sigue estando por debajo del potencial extraíble.
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Figura 17. Producción peruana de Indio hasta el 2010.
La desproporción se debe a la falta de refinerías que procesen el Indio a partir de
los concentrados del Zinc. Aunque no se disponen de datos actuales es de
suponer que las ampliaciones de la planta de refinamiento de Cajamarquilla han
producido este notable incremento, teniendo en cuenta que antes sólo era
producido en la refinería de la Oroya (Doe Run).
En base a estas cifras y la solidez del mercado del ITO al Perú le conviene
explotar al máximo este recurso por los próximos 10 años hasta que nuevos
materiales como el grafeno puedan desplazar al ITO.
3.3 Probable impacto en la industria minera nacional
Si el Perú hubiera desarrollado una capacidad tecnológica interna en
nanotecnología, estaría participando de estos gigantescos mercados sin mucha
incertidumbre por los próximos 10 años. En este escenario, podría enfrentar de
manera natural y con beneficios, la aparición del grafeno o de cualquier otro
nanomaterial que pudiera modificar las relaciones existentes entre materiales,
aplicaciones y mercados.
Debido al carácter primario de nuestra producción minera, sólo somos
expectadores vulnerables a los cambios en la demanda de materiales que la
tecnología requiere. En este caso, la aparición del grafeno y el despliegue de
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todas sus posibilidades tecnológicas (en teoría superiores a las de muchos
metales y semiconductores) hace muy probable que desplace progresivamente a
los minerales básicos cuya explotación son el eje actual de la economía peruana.
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4. Posibles usos de productos generados con esta tecnología y
potencialidad de avance hacia el 2050
Han transcurrido 9 años desde que Geim y Novoselov aislaron el grafeno y a
pesar de todos los avances respecto a las posibles aplicaciones, todavía no se
tiene un producto masivo en el mercado. Existen algunos estudios de señalan
tendencias de mediano plazo (10 años) basados en el estado del arte de las
técnicas de fabricación y en los potenciales productos existentes que serían
desplazados por el grafeno.
Teniendo en cuenta la capacidad de producción industrial, los requerimientos
técnicos de la aplicación y la relativa facilidad de reemplazo de un material
existente, describimos algunas de las aplicaciones o productos suceptibles de
reemplazo a mediano plazo (10 años) y a largo plazo (hacia 2050).
4.1 Perspectivas de aplicación del grafeno a mediano plazo (10 años)
4.1.1 Películas Conductoras Transparentes (PCT).
La alta transparencia del grafeno, conductividad eléctrica y flexibilidad, lo harían
un fuerte competidor del gran mercado de las PCTs.
Los dispositivos actuales que usan PCTs son las celdas solares, las pantallas (de
TV, PCs, celulares, paneles informativos etc.). Una característica que marcará una
diferencia cualitativa en todos estos dispositivos es la capacidad de ser usados
como objetos flexibles.
El material más usado actualmente como PCT es el óxido de Indio, dopado con
Estaño, conocido como ITO (Indium Tin Oxide). Tiene el 90% del mercado de las
PCTs con una cifra al 2012, de $ 2,800 millones [13]. A pesar de sus buenas
condiciones de transparencia y baja resistencia eléctrica, el ITO tiene como
principal desventaja de que es frágil, no resiste flexión.
Existen otros competidores del ITO, entre ellos los nanotubos de carbono,
nanopartículas de plata o materiales orgánicos, pero ninguno ha logrado mellar
significativamente los ingresos que genera el ITO.
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Las técnicas actuales de fabricación del grafeno no permiten alcanzar la alta
transparencia, conductividad y área recubierta que se logra actualmente con el
ITO. Además, la gran diversidad de productos que usan ITO hace prever que
durante los próximos 10 años seguirá en el mercado con una participación
mayoritaria del total de PCTs comercializados.
4.1.2. Compuestos poliméricos reforzados
La combinación de grafeno y polímero, produce un material liviano pero con las
propiedades que aporta el grafeno como son, conductividad eléctrica,
apantallamiento eléctrico, resistencia mecánica, alta conductividad térmica,
impermeabilidad a la humedad y gases. Hay una amplia gama de polímeros con
las que se han verificado estas mejoras, algunos de un uso altamente difundido
como los epóxicos, policarbonato, polianilina, poliéster etc. Veamos algunos
ejemplos de aplicación.
Un plástico común es un material aislante eléctrico pero combinándolo con muy
bajas proporciones en peso de grafeno (alrededor de 10%) el plástico se convierte
en conductor eléctrico sin perder su flexibilidad y manteniendo una transparencia
aceptable. En estas condiciones también es usado como un empaque que protege
de radiación electromagnética al producto que contiene. Si el producto es un
alimento, la baja permeabilidad del grafeno evitará el contacto con el oxígeno y la
humedad.
El aumento de rigidez mecánica de los polímeros mezclados con grafeno tendrán
un amplio mercado en la carrocería de vehículos, que podrán ser más ligeros (y
por lo tanto consumirán menos combustible).
Para estas aplicaciones no se necesita tener grafeno de alta pureza y
monocristalino. Las técnicas de fabricación de grafeno más adecuadas en este
caso son la síntesis química por reducción del óxido de grafito, deposición
química en fase vapor asistido por plasma (PECVD), y la exfoliación en fase
líquida (Ver 2.2).
En este mercado de polímeros compuestos el grafeno tendría que desplazar a dos
fuertes competidores, las fibras de carbono, cuyo costo aproximado es de $15/kg y
los nanotubos de carbono cuyo precio es de unos $20/gr.
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Los dos grandes mercados para estos materiales son el de los polímeros
conductores (electroactivos) con un monto de $ 2,100 Millones [14] y el de los
polímeros reforzados de $20,000 Millones [15].
Teniendo en cuenta el desarrollo de las técnicas de fabricación mencionadas es
muy probable que en los próximos 10 años el grafeno cubra un gran porcentaje de
este mercado
4.1.3. Supercondensadores
Una de las aplicaciones del grafeno que causa mayor expectativa es la
acumulación de energía en forma de carga eléctrica. A diferencia de un
condensador normal, en los supercondensadores la carga se acumula a distancias
muy cercanas al electrodo (unos décimos de nanométros) en un espacio conocido
como la doble capa. El grafeno tiene la capacidad de acumular una gran cantidad
de carga debido a su gran relación de área a volumen.
Estas características hacen de los supercondensadores fuentes de energía para
autos eléctricos compitiendo con las baterías de litio. Dos ventajas adicionales
respecto de las baterías es que sus tiempos de carga o descarga son muy rápidos
y contaminan menos. Además del costo, todavía quedan algunas dificultades
técnicas que resolver, como la acumulación de campos eléctricos muy intensos en
los bordes del grafeno que podrían llevar a descargas, evitar la agregación del las
partículas de grafeno etc.
Se calcula que el mercado de supercondensadores será de $3,500 millones para
el 2020 [16]. Es difícil predecir en esta etapa si el grafeno será el material
predominante en los futuros supercondensadores, pero al ver que las dificultades
técnicas no son tan radicales y los costos de fabricación pueden ser reducidos, se
puede pronosticar una participación de algunos cientos de millones de dólares en
los próximos 10 años para supercondensadores que utilicen grafeno.
4.1.4. Tarjetas de identificación por radio frecuencia (RFID)
Las tarjetas de identificación por radiofrecuencia (conocidas como RFID) son cada
vez más utilizadas en el mundo. Las tarjetas llevan un circuito electrónico impreso
que incluye una antena para la transmisión y recepción de información en
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radiofrecuencia. Su pequeña dimensión lo hace portable y de bajo consumo.
Pueden variar las distancias de operación y las frecuencias de transmisión. Son
usadas en control vehicular, información de productos, historial médico, ganadería,
uso militar etc.
Los materiales más utilizados para fabricar RFIDs son el cobre, tintas de coloides
de plata, nanopartículas de plata y nanopartículas de cobre.
El grafeno tendría que superarlos en condiciones eléctricas y sobre todo en costo,
porque la ganancia efectiva en este rubro solo se da en gran escala. Las técnicas
más adecuadas para fabricarlo serían la síntesis por reducción de óxido de grafito
o la exfoliación en fase líquida.
El 2012 se vendieron alrededor de 2,900 millones de tarjetas. Dependiendo de su
funcionalidad el precio puede actual puede variar entre $0.1 y $0.6 de dólar por
tarjeta, si se compran algunos cientos de miles de unidades.
ID TechEx [13] pronostica que el mercado para el grafeno, usado como parte de
estos dispositivos, alcanzará un monto de $6 millones para el 2018.
4.2 Perspectivas a largo plazo (50 años)
Si se logra obtener monocristales de grafeno, de algunos centímetros cuadrados
de área, de una forma reproducible y de bajo costo, entonces las posibilidades de
reemplazar al silicio y por lo tanto producir una innovación disruptiva en la
electrónica tal como la conocemos hoy en día, serían muy altas. Novoselov y
Geim obtuvieron monocristales de grafeno de algunos micrómetros cuadrados de
área, y demostraron sus propiedades eléctricas. Pero la forma de obtener el cristal
(usando cinta adhesiva reiteradamente) es demasiado ineficiente. Además, existe
un inconveniente más importante por el cual el grafeno no compite con los
semiconductores estándar y es que no tiene band gap. El band gap (ancho de
banda prohibida) es un rango de energías que los electrones (o huecos) de un
semiconductor no pueden alcanzar. Cuando se aplica un campo eléctrico al
semiconductor es posible pasar rápidamente de un estado de conducción (ON) a
otra de no conducción (OFF). Como el grafeno es un semimetal, no tiene band
gap, por ello siempre tiene un estado de conducción remanente. Se han hecho
algunos intentos por corregir esta desventaja del grafeno. Por ejemplo fabricar
nanocintas de grafeno de dimensiones muy definidas o doparlo con otros átomos.
Con estas modificaciones el grafeno desarrolla un band gap, pero es muy difícil
fabricarlo de una forma controlada.
23
Hoy se ve al grafeno como un material que puede reemplazar y superar a los ya
existentes y por lo tanto promotor de innovaciones incrementales en una gran
variedad de dispositivos. Es posible que aún no se haya concebido el dispositivo
para el cuál el grafeno sea el material irremplazable. Sería un dispositivo que
requiera las múltiples propiedades del grafeno simultáneamente e integradas.
Una posibilidad interesante es la de emplear el grafeno en dispositivos que
combinen tres tecnologías: las telecomunicacones, el diagnóstico por sensores y
la terapia. Funcionalmente sería un dispositivo portátil con una electrónica que
aproveche las cualidades eléctricas del grafeno, alta movilidad, rápida respuesta,
bajo consumo, baja disipación de potencia, de muy bajas dimensiones y con
capacidad de comunicación. Puede actuar como biosensor molecular
aprovechando la emisión fotolumínica del grafeno dopado, o los cambios de
conductividad por la adsorción de moléculas superficiales específicas (ADN,
proteínas etc), operando bajo el concepto de Lab on a Chip. Este dispositivo
tendría la opción de inyectar al organismo nanoestructuras de grafeno portando
fármacos o medicamentos y regulando su liberación en tejidos dañados para su
eliminación o regeneración. Un dispositivo portable de este tipo supondría un
cambio radical en nuestra concepción de acceso a la salud. Los grandes centros
hospitalarios de análisis clínico, recintos concentrados de pacientes y máquinas,
serían reemplazados por equipos portátiles que diagnostican (lab on a chip),
procesan (telecomunicación) y curan (nanomedicina). Varias partes de este
dispositivo usarían grafeno.
Es posible que se logren dispositivos de este tipo dentro de dos o tres décadas.
24
5. Capacidades que deben formarse en nuestro país que permitan una
eficiente absorción y utilización de esta nueva tecnología.
5.1 Situación del Perú en el contexto mundial
Respecto a la investigación y producción de grafeno, los países latinoamericanos
tienen una mínima relevancia. Para julio del 2011 se habían registrado 3,018
patentes en grafeno en el mundo (Figura 18). En los reportes sólo figuran Brasil y
Uruguay entre los latinoamericanos.
Figura 18. (a) Número total de patentes en grafeno hasta el 2011 [17]. (b) Patentes en grafeno
registradas por corporaciones y universidades al 2010.
(a)
(b)
25
En cuanto a las grandes corporaciones, la compañía Coreana Samsung lidera la
producción de patentes en grafeno, por encima de universidades e institutos.
Algunas cifras de estos cuadros han variado al 2012 pero se mantiene las
tendencias.
El 2011 se publicaron en el mundo 10,000 artículos sobre grafeno. La participación
de los países latinoamericanos también fue irrelevante y respecto al Perú en
particular, inexistente.
Sin embargo es ilustrativo hacer el análisis no desde el punto de vista del grafeno,
que es un nanomaterial reciente, sino más bien desde el punto de vista de la
nanotecnología en general y de cuál es la posición del Perú en comparación a
países de la región.
La cantidad de publicaciones peruanas en nanotecnología se muestra en la Figura
10. En Sud América está por debajo de Chile y Colombia y muy alejado de Brasil y
México. Cuando se evalúa la producción per-cápita, Argentina y Chile encabezan
el rango, evidenciando la alta productividad de sus investigadores. Destaca el
crecimiento sostenido de Chile.
Dada su envergadura comercial, cultural y demográfica, el Perú se encuentra
incomprensiblemente a la zaga en producción científica y tecnológica, lo cual solo
puede ser explicado por la falta de visión que han tenido las diversas
administraciones nacionales por muchas décadas.
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
2008 2009 2010 2011 2012
Brasil
México
Argentina
Chile
Colombia
Perú
(a)
26
Figura 10. (a) Producción anual de artículos sobre nanotecnología de los Países indicados. (b)
Escala ampliada para visualizar la producción de Chile, Colombia y Perú. (c) Producción per-cápita
de los países indicados [18].
Es interesante ver el impacto positivo que puede tener una decisión de apoyo
gubernamental sobre la producción científica de un país.
El año 2004 Costa Rica creó el Laboratorio Nacional de Nanotecnología
LANOTEC con el apoyo del Ministerio de Ciencia y Tecnología, las principales
universidades, varias empresas de alta tecnología y la cooperación internacional.
Desde esa fecha hasta el presente se observa una curva ascendente en el
número de publicaciones en nanotecnología. En números absolutos, el Perú tuvo
mayor número de publicaciones hasta el 2011. Sin embargo el 2012 Costa Rica ya
lo supera. Además de ser escasa, la producción científica del Perú es errática
como consecuencia de la falta de una política nacional o al menos supra-
universitaria.
0
50
100
150
200
2008 2009 2010 2011 2012
Chile
Colombia
Perú
0
2
4
6
8
10
12
2008 2009 2010 2011 2012
Brasil
México
Argentina
Chile
Colombia
Perú
(b)
(c)
27
Figura 11. Publicaciones sobre nanotecnología de Costa Rica y Perú. El año 2004 se crea en
Costa Rica el Laboratorio Nacional de Nanotecnología LANOTEC.
5.2 Recursos humanos en formación
El mes de enero de 2013 se sustentó la primera tesis sobre grafeno en el Perú.
Fue una tesis para obtener el título profesional e Ingeniero Físico en la
Universidad Nacional de Ingeniería. El autor fue el Sr. Edson Bellido Sosa y trató
sobre modelamiento del grafeno como portador de medicamentos y sus
posibilidades como medio de transmisión de información eléctrica modulada por
vibraciones. En el último Simposio Peruano de Física (octubre de 2012, Trujillo) se
presentaron dos ponencias sobre grafeno, “Efecto de un campo magnético
uniforme sobre puntos cuánticos de grafeno” por Abrahan Aslla Quispe y “Estudio
del carácter de los estados electrónicos y el ensanchamiento de la banda de
energía en grafeno” por Miller Vásquez Arce, ambos fueron estudios teóricos. En
el XXVI Congreso Nacional de Química (Octubre 2012, Arequipa) se presentaron
24 trabajos sobre nanotecnología, pero ninguno sobre grafeno.
Es interesante comprobar que ha aumentado el número de investigadores
dedicados a la síntesis de nanomateriales. En este congreso se presentaron 37
investigadores sólo de la especialidad de química. El año 2008 se publicó un
estudio donde se identificaron 25 investigadores en nanotecnología en todo el país
[19].
0
5
10
15
20
25
2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
Peru
Costa Rica
28
Siendo estos dos eventos académicos los que reúnen a los investigadores más
cercanos al estudio y desarrollo del grafeno se puede concluir en base a ls
ponencias presentadas que hasta el momento no se fabricado grafeno en el país.
Por otro lado es interesante conocer cuántos jóvenes egresados se encuentran
estudiando posgrados en el extranjero en nanotecnología y eventualmente en
grafeno.
Para los fines de este informe se estableció contacto con egresados de la
Universidad Nacional de Ingeniería que se encuentran en esta condición,
pidiéndoles que indiquen la universidad donde se encuentran, el área de
investigación y su condición académica (Maestría, doctorado o posdoctorado).
Los resultados se muestran en el ANEXO 3. En resúmen, respondieron 16. En los
siguientes países: EEUU (7), Francia (4), Canada (1), Belgica (1), Arabia Saudita
(1), Argentina (1), Japón (1). Todos tienen menos de 5 años en sus universidades
o centros. Tres de ellos trabajan con grafeno.
Podemos considerar que la Universidad Nacional Mayor de San Marcos cuenta
con un número similar de egresados que la UNI y que en menor proporción, la
Pontificia Universidad Católica y la Universidad Nacional de Trujillo. Esto nos
permite estimar que actualmente tenemos unos 40 estudiantes peruanos en
proceso de formación en nanotecnologías que habrán completado el posgrado y
habrán alcanzado madurez como investigadores en los próximos 10 años. Cada
año se incrementa el número de estudiantes que salen para hacer posgrados en
nanotecnologías. Es un número muy reducido si se tiene en cuenta la baja tasa de
retorno al país en gran parte debido a que en la mayoría de casos lograron las
becas por concurso abierto y porque la infraestructura actual no permite
desarrollar investigación de primer nivel.
Si se adopta una política nacional de promover los posgrados en las mejores
universidades del mundo (como en otros países de la región) y paralelamente se
empieza a construir una infraestructura básica para la investigación, podríamos
revertir el estancamiento científico y tecnológico en que nos encontramos desde
hace varios años.
29
6. Infraestructura de investigación que sería necesaria para su desarrollo y
nicho de mercado al que podríamos apuntar.
La implementación de facilidades para la investigación es una necesidad evidente,
pero cualquier proyecto de este tipo debería realizarse dentro de un contexto que
permita su sostenibilidad. Por ello es fundamental que se implementen
paralelamente las políticas nacionales de CTI. Varios especialistas han descrito
con claridad las medidas legislativas y económicas que se deben implementar
para este propósito. Entre las metas se encuentran la creación de la carrera del
investigador y la adecuación del presupuesto de la república de modo que permita
alcanzar una inversión en CTI de 0.5% del PBI entre 2011-2015 [20, 21].
La investigación y fabricación de grafeno es un proyecto demasiado específico
para que sea realizado aisladamente sin considerar el marco legal, político y
técnico.
6.1 Necesidad de la creación de un Centro Nacional de Nanomateriales
Como se dijo antes, el grafeno es una nanomaterial, por lo tanto su obtención,
caracterización y potenciales aplicaciones sólo se pueden alcanzar si el país ha
logrado previamente un nivel de madurez en investigación y desarrollo en
nanotecnologías.
Un proyecto nacional que aspire a tener significación en el mercado del grafeno
para el año 2050, deberá empezar necesariamente por tener al 2021 un Centro
Nacional de Nanomateriales en plena producción.
La comunidad científica peruana, ha hecho más de una vez ensayos para estimar
la inversión requerida para un Centro Nacional de Nanomateriales.
Para estimar la inversión que demandaría un Centro de mediana envergadura, se
puede dividir el monto total entre dos unidades operativas y la infraestructura civil.
A continuación se presentan los montos estimados (a precios actuales) que habría
que invertir en cada una de las dos unidades operativas y la infraestructura civil.
Unidad operativa de caracterización de materiales (nuevos soles)
Microscopio Electrónico de Barrido 9´000,000
Microscopio Electrónico de Transmisión 2´420,000
Espectrómetro de electrones Auger 7´720,000
Difractómetro de Rayos-X 484,000
30
Instrumento de Análisis Térmico (DTA, TGA) 224,000
Espectrómetro Raman 324,000
Espectrómetro FTIR 300,000
Microscopio AFM/STM 200,000
Cromatógrafo de gases 150,000
Viscosímetro 45,000
Equipos complementarios 500,000
Sub Total: 21´367,000
Unidad operativa de procesos
Sala Blanca 200 m2, ISO 4 2´600,000
Equipo de Impresión de Pastas de Nanopartículas 165,000
Sistemas de vacío Sputtering 200,000
Sistemas de vacío CVD 300,000
Molino para nanopolvos 200,000
Agitador de tamices 40,000
Hornos, 1,600 oC, Atm. controlada 90,000
Sub Total: 3´595,000
Gastos de instalación (1% de las 2 U.Operativas) 249,620
TOTAL: 25´211,620
Infraestructura civil.
Se deben considerar dos temas, i) el emplazamiento del Centro y ii) el área
necesaria.
i) El emplazamiento ideal es el que optimice el contacto cercano con el
sector industrial y el académico. El sector industrial debería ser el
principal usuario y soporte financiero del Centro. El vínculo con las
universidades hará posible la renovación de recursos humanos
calificados. Normalmente esto se consigue en parques tecnológicos,
pero si a mediano plazo el País no ha creado este tipo de
31
infraestructuras, y hay que elegir una de las dos opciones, es preferible
el emplazamiento dentro de una Universidad que tenga carreras de
excelencia en ciencias e ingeniería.
ii) Un espacio adecuado para contener el equipamiento básico de las dos
áreas operativas mencionadas requiere por lo menos de 500 m2 de
área para laboratorios, para un personal estable de 20 personas (15
investigadores).
Sub Total: 3´000,000
La inversión total para la creación de un Centro Nacional de Nanotecnologías
sería:
S/. 28´211,620
$ 10´850,624
Es pertinente mencionar el caso de Reino Unido y su estrategia de inversión en el
estudio y producción de grafeno. En parte motivados por que la universidad de
Manchester tenía a los profesores Geim y Novoselov cuando recibieron el Nobel,
el gobierno decidió impulsar la investigación y producción de grafeno. Para ello
destinó la suma de $80 millones para la construcción del Instituto Nacional del
Grafeno, dividido en $61 millones para la obra civil (7,600 m2) y $19 millones para
equipamiento. Adicionalmente se proyecta invertir $10 millones para desarrollos
de ingeniería que aceleren la producción de dispositivos, y otros $10 millones para
un centro de innovación que impulse el desarrollo de mercados para la
comercialización de los productos.
Alrededor de $100 millones para los próximos 3 años sin contar los aportes de la
universidad de Manchester.
6.2 Nicho de mercado al que podríamos apuntar.
6.2.1. Sistema de purificación de agua
Este mercado sería uno de los más viables, debido a que existen varios grupos de
investigación peruanos trabajando en el tema de purificación de agua. Desde
varios años se viene investigando y publicando trabajos sobre materiales y
32
procesos que involucran nanotecnologías, como son, fotocatálisis, membranas
nanoporosas y nanopartículas de oxido de hierro. Los sistemas de purificación
usarían grafeno como elemento fotocatalitico.
La falta de abastecimiento de agua potable es un problema crítico en varios países
de América, Africa y Asia, cada uno con sus propias características. En zonas de
agricultura intensiva, existen probabilidades de contaminación por agroquímicos,
en zonas mineras por metales pesados y en zonas cálidas y sin servicios
sanitarios por microrganismos. Cada caso requiere un mecanismo diferente de
purificación.
6.2.2. Textiles inteligentes
Se han desarrollado algunos proyectos localmente que consisten en la adición de
nanopartículas metálicas a fibras textiles para obtener una prenda con
propiedades bactericidas. Una función adicional sería adicionar grafeno u óxido de
grafeno para modificar las propiedades mecánicas de la fibra. Para algunas
aplicaciones se aprovechar también la conducción eléctrica de las fibras.
Teóricamente una prenda con grafeno, además de las propiedades que hemos
mencionado podría convertirse en un medidor de parámetros médicos del que
porta la prenda. Podría monitorear, presión, temperatura, nivel de colesterol, pH
etc. y transmitirla a un centro clínico.
La industria textil peruana que siempre ha sido reconocida por su fibra y
confecciones podría destacar en este mercado.
6.2.3. Energías renovables
Debido a su geografía, el Perú siempre tendrá dificultades con los sistemas de
distribución de energía centralizados. En cambio las energías renovables,
especialmente la solar y eólica, permiten hacer uso de las fuentes a menores
distancias del usuario. Afortunadamente el Perú cuenta con una alta tasa de
radiación solar en las zonas altoandinas, donde más de seis y medio millones de
personas viven a más de 3,000 msnm a temperaturas anuales promedio menores
que 10 0C. Existen varias instituciones y grupos de investigación en energías
renovables como el Centro de Energías Renovables de la UNI (CER-UNI), Centro
de Energías Renovables de Tacna (CER-T), el Grupo de apoyo al Sector Rural de
la PUCP y varias ONGs.
33
Desde el punto de vista de las nanotecnologías se ha empezado a investigar las
capacidades de celdas solares fotoelectroquímicas sensibilizadas con colorantes
que son alternativas, de menor costo a las celdas de silicio. La UNI tiene
especialistas en esta tecnología recientemente reincorporados luego de haber
concluido sus estudios doctorales en el extranjero.
El Perú podría liderar a nivel las tecnologías de conversión, almacenamiento y
distribución de energía solar. En cada uno de estos aspectos el grafeno tiene la
potencialidad de mejorar el rendimiento de los sistemas usados actualmente.
6.2.4. Biosensores
El diagnóstico clínico por medio de biosensores moleculares será un mercado muy
amplio al que el Perú podría acceder. El elemento sensible de un biosensor sería
el grafeno asociado a biomoléculas específicas. La interacción de estas
biomoléculas con el analito (la molécula cuya presencia se quiere verificar o
descartar) produce señales del tipo eléctricas que el grafeno tiene la capacidad de
detectar aun si ocurriesen a nivel de moléculas individuales. El Perú tiene una
ventaja comparativa en este tema, por la gran variedad de biomoléculas con
propiedades específicas que conforman su diversidad genética.
34
7. Líneas de proyectos de innovación que pueden desarrollarse en nuestro
país.
El Perú es un país complejo desde el punto de vista tecnológico porque su
conformación geográfica, climática y cultural hace que poblaciones muy cercanas
dispongan de diferentes tipos de recursos energéticos, alimenticios, minerales, de
fauna y flora. Atendiendo estos criterios, a las ventajas comparativas, y a la
necesidad de emplear la tecnología para proponer soluciones a las poblaciones
más vulnerables es que se ha elaborado un Plan Nacional Estratégico de Ciencia,
Tecnología e Innovación para la Competitividad y el Desarrollo Humano PNCTI
2006-2021. Los sectores productivos prioritarios y los sectores sociales
ambientales indicados en el plan son:
Sectores productivos prioritarios
1. Agropecuario y agroindustrial
2. Pesca y acuicultura marina y continental
3. Minería y metalurgia
4. Forestal
5. Energía
6. Telecomunicaciones
7. Turismo
Sectores sociales y ambientales
8. Salud
9. Educación
10. Ambiente
Como se ha mencionado a lo largo del texto, una característica del grafeno es su
multifuncionalidad. Lo que le permite reemplazar a otros materiales en el mismo
dispositivo pero con mayor eficiencia. Por ello, muchas de las aplicaciones del
grafeno, a mediano plazo, serán las que hoy se sustentan en otros materiales
(algunos de ellos nanomateriales) como los semiconductores, polímeros, metales,
aleaciones etc.
Teniendo identificados los sectores prioritarios, las particularidades del grafeno y
las capacidades de investigación actuales, se pueden proponer proyectos a
mediano plazo que combinen de manera coherente estos dos criterios. En la
Tabla 1 se mencionan algunos de estos posibles proyectos indicando en qué
sectores prioritarios tendrían incidencia.
35
Tabla 1. Proyectos propuestos y relación con los sectores prioritarios
Proyecto Descripción PNCTI
Diseño y construcción de sensores y biosensores
Detección de agroquímicos, biomoléculas tóxicas, patógenos. Grafeno funcionalizado es el elemento sensor
1, 2 ,4, 8, 10
Celdas solares sensibilizadas con colorantes
Grafeno como dopante del dióxido de titanio mejora la eficencia de transferencia de carga
5,6
Supercondensadores Acumuladores de carga de alta eficiencia. Reemplaza a las baterías de ion Litio. Usa electrodos de grafeno
5
Fabricación de tarjetas de identificación por radio frecuencia (RFID)
Circuito impreso con tinta de grafeno para múltiples aplicaciones
1, 2, 4, 6, 8
Liberación de medicamentos
Uso de microcápsulas de grafeno para liberación controlada de medicamentos
8
Purificación de agua Retención de metales pesados y de bacterias y virus. Nanomembranas de grafeno.
8,10
Bioceldas de combustible Celdas de combustible que usan enzimas como catalizador y grafeno como electrodos
5, 6
36
8. Cambios de mediano y largo plazo que puede generar esta tecnología en
la industria minera.
La gran producción minera peruana no incluye al grafito. Solo antracita y carbón
amorfo. Es temprano para decir si la técnica de fabricación de grafeno que se
imponga en el futuro, hará uso del grafito como materia prima. Si las técnicas que
usan hidrocarburos como gases precursores predominan, entonces la abundancia
de grafito no significará una ventaja comparativa para los países que los tengan.
Desde el punto de vista de la influencia que el grafeno pudiera tener en la
productividad de la minería actual, se puede predecir que será, como en todo tipo
de industria, de un aumento de la productividad por mejoras tecnológicas. En la
prospección, los equipos analíticos serán más sensibles y baratos por el uso de
grafeno como detectores ópticos, eléctricos o térmicos. Las fuentes de energía en
campo serán supercondensadores, celdas de combustible o celdas solares
mejoradas por el uso de grafeno. Las estructuras de acero y concreto serán más
livianas y fuertes y de menor costo etc.
La industria minera peruana, a mediano plazo no sentirá la influencia del grafeno
mientras empiece a penetrar el mercado de alta tecnología. Parece paradójico
pero es explicable, porque el Perú no produce alta (ni mediana) tecnología en
volúmenes significativos. Pero a largo plazo, entre tres o cuatro décadas, es
posible que el grafeno desplace a los principales minerales que exporta el Perú,
entre ellos, oro, plata, cobre y zinc. En esa perspectiva, la repercusión en la
economía peruana será muy perjudicial, siempre que el país mantenga su
condición de exportador primario.
37
9. Identificación de potenciales colaboradores de nuestro país en el esfuerzo
de desarrollar o utilizar grafeno
Existen muchas oportunidades de cooperación que se pueden establecer con
universidades e institutos de investigación del extranjero. Las modalidades
estándar son la realización de proyectos conjuntos y la movilización de
investigadores. Esto se ha venido dando espontáneamente durante varios años.
La gran mayoría de egresados universitarios peruanos has alcanzado plazas en
universidades extranjeras por concursos abiertos internacionalmente.
Aquí identificamos a dos países con excelentes indicadores en producción
científica y tecnológica con los que convendría establecer convenios en la
modalidad de proyectos que incluyan inversión compartida en infraestructura y en
líneas de investigación de interés mutuo.
9.1 Cooperación con Corea del Sur
La asociación con la República de Corea es la mejor opción, siempre que se
realice a corto plazo.
El acercamiento con Corea en el terreno comercial se ha reforzado al haberse
establecido un TLC con ese País (2011). Perú es el segundo destino de inversión
Coreana en América Latina con un flujo comercial de $3,191 millones. En Mayo de
2012, el Ministro de Asuntos Exteriores y Comercio de la República de Corea Kim
Sung-Hwan informó que “Corea cooperará para instaurar un Centro de Ciencia y
Tecnología en nuestro País” [22].
Corea es el tercer país del mundo en registro de patentes relacionadas al grafeno.
Al 2012 registraba 1,160, antecedido por China 2,204 y USA 1,754.
La universidad Coreana Sungkyunkwan es la primera en registros de patentes en
grafeno con 134 registros, seguida de Zhejiang (China) 97, Tsinghua (China) 92,
Rice (USA) 56, MIT (USA) 34 y Manchester (Inglaterra) 16.
Entre las corporaciones, la Coreana Samsung encabeza la lista con 407 y la sigue
IBM con 134 [23].
El año 2008 se inauguró en la Universidad Nacional de Ingeniería el Centro de
Tecnología de la Información y Telecomunicaciones (CTIC) con fondos de la
38
Agencia Internacional KOICA de Corea por un monto de $ 2.8 millones
complementados con $0.2 millones de la propia universidad.
Podría explorarse la posibilidad de establecer un proyecto similar entre KOICA y la
UNI para la implementación de un Centro de Nanomateriales. Hay que señalar
que la UNI tiene la Cátedra CONCYTEC en Nanomateriales como reconocimiento
de su competencia en este campo.
En la Facultad de Ciencias de la UNI se ha empezado la construcción de un
nuevo pabellón sobre un área de 2,000 m2 y con una inversión propia de $2.8
millones. El área destinada a laboratorios de investigación es de 1,000 m2 en dos
niveles. La contraparte Coreana podría concentrarse en el equipamiento del
Centro.
9.2 Cooperación con Brasil
En la región, Brasil es el país con mayor producción en nanotecnología y en
particular en temas relacionados al grafeno.
El 5 y 6 de setiembre de 2012 se reunieron en Lima delegaciones de ciencia y
tecnología de Perú y Brasil para definir un plan de trabajo entre los dos países
para el periodo 2012-2014. Uno de los temas planteados para estudiar las
posibilidades de establecer una cooperación fue el de Nanotecnología y
Materiales.
Brasil tiene un proyecto integral de inversión en Ciencia Tecnología e Innovación
hasta el 2022 cuando piensa alcanzar el 2.5% del PBI. Sería un socio estratégico
de primer nivel para el Perú tanto en la realización de proyectos conjuntos como
en la tarea de formar recursos humanos con expertise en nanotecnología.
Un aspecto adicional que se debe tener en cuenta para estrechar este vínculo es
la consideración que existe un numeroso grupo de investigadores peruanos
físicos, químicos e ingenieros en universidades y grupos de investigación
brasileños con la suficiente madurez y competencia para conformar un proyecto
peruano en nanotecnología y en particular en grafeno.
Existen varias universidades brasileñas que mantienen contacto con
investigadores peruanos y hasta desarrollan proyectos conjuntos. No sería difícil
establecer planes de colaboración específicamente en el estudio y aplicaciones
del grafeno.
39
10. Conclusiones y recomendaciones
El grafeno es un nuevo material con propiedades excepcionales. Es producto de la
nanotecnología y ha despertado el interés mundial por sus potenciales
aplicaciones en amplios sectores industriales, manufactureros y productores de
dispositivos de alta tecnología.
Los próximos 10 años la incidencia del grafeno será progresiva, desplazando
algunos nanomateriales de las funciones que hace unos cinco años se pensaban
irremplazables. En esta etapa, la minería primaria peruana, no sentirá los efectos
sobre la demanda de minerales porque los otros nanomateriales a los cuales
reemplazará el grafeno servirán de amortiguadores. Sin embargo, existen fuertes
posibilidades, cada vez más respaldadas por las evidencias científicas, que dentro
de tres o cuatro décadas el grafeno pueda realizar con eficiencia y rentabilidad lo
que los nanomateriales basados en oro, plata, cobre y zinc vienen haciendo hasta
ahora.
Si el Perú hubiese desarrollado capacidades en nanotecnología, la aparición del
grafeno no sería una amenaza, sino un nuevo producto y por lo tanto una
oportunidad de participar con ventajas en un mercado que para el 2050 debe
alcanzar los billones de dólares.
Afortunadamente no hay ningún fatalismo en el diagnóstico. El estado precario de
la ciencia, tecnología e innovación en el Perú se pueden revertir si se logra la
confluencia de los sectores políticos, académicos y empresariales.
Se ha propuesto que una de las medidas necesarias para acelerar este proceso
es la construcción de un Centro Nacional de Nanomateriales con un monto
aproximado de $ 11 millones, que con una gestión adecuada puede ser duplicada
si se compromete al sector empresarial y la cooperación internacional. A esto hay
que añadir un programa de formación de recursos humanos en las mejores
universidades del mundo en nanotecnologías y su posterior reincorporación. Estas
propuestas ya han sido establecidas y cuantificadas por varios expertos con
anterioridad.
Todavía no se logrado constituir una masa crítica de investigadores en
nanotecnologías en el país pero es evidente que hay un avance notable en la
formación de investigadores y la implementación de laboratorios. Si estos
esfuerzos fueran dirigidos por un programa nacional podríamos empezar la
recuperación por tanto tiempo postergada.
40
11. Referencias
[1] A. K. Geim, K. S. Novoselov. nature materials, Vol. 6, 183-191, (2007)
[2] K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V.
Dubonos, I. V. Grigorieva, A. A. Firsov, Electric Field Effect in Atomically Thin
Carbon Films, Science, Vol. 306, 204
[3] A. K. Geim, K. S. Novoselov. nature materials, Vol. 6, 183-191, (2007)]
[4] K. Samba Sivudu and Yashwant Mahajan, Centre for Knowledge Management
of Nanoscience and Technology (CKMNT).
http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=25744.php]
[5] Bae et al. Nature Nanotechnol. 5, 574-578, 2010]
[6] Jasek, O., P. Synek, L. Zajickova, M. lias, and V. Kudrle. 2010. Synthesis of
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atmospheric pressure. Journal of Electrical Enginnering-Elektrotechnicky Casopis
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[7] Hernandez, Y., V.Nicolosi, M. Lotya, et al. 2008. High-yield production of
graphene by liquid-phase exfoliation of graphite. Nature Nanotechnology 3 (9):
563-568]
[8] L.M.Castilla. Importancia de la Minería en el Desarrollo Peruano. Presentación
en el Simposio del Oro, Mayo 2012.]
[9] A. Gutarra. Identificación de Megaproyectos de Investigación Científica:
Nanotecnología. CONCYTEC, 2010].
[10] Cientifica. Nanotechnology for Medical Diagnostics. www.científica.com]
[11] Polinares, EU Policy on Natural Resources. Working paper n.39, March 2012]
[12] Sociedad Nacional de Minería, Petróleo y Energía. Informe quincenal 87, Abril
2012]
[13] Khasha Ghaffarzadeh, Cathleen Thiele, Graphene Analysis of Technology,
Markets and Players 2013-2018, IDTechEx]
[14] bcc Research, Conductive Polymers: Technologies and Global Markets,
www.bccresearch.com]
[15] Graphene Analysis of Technology, Markets and Players 2012-2018]
41
[16] Market Research Media, www.marketresearchmedia.com]
[17] Patent Informatics Team, Intellectual Property Office, An Analysis of
Worldwide Patent Filings Relating to Graphene, www.ipo.gov.uk/informatics-
graphene-uk.pdf]
[18] Web of Science, (ISI),
http://www.statnano.com/index.php?ctrl=report&action=get_report&id=45&lang=2
[19] A. Gutarra. Estado de Situación de la Nanotecnología en el Perú. ITDG, 2008
[20] B. Marticorena, Ciencia, tecnología y sociedad en el Perú, Memoria de un
compromiso (El CONCYTEC del 2001 al 2006), ediciones alianza estratégica,
2007
[21] Fernando Villaran y Romina Golup, Emergencia de la Ciencia, Tecnología e
Innovación en el Perú OEI, 2010
[22] www.presidencia.gob.pe/corea
[23] Matthew Broersma , UK Falling Behind In Graphene Patent Race. Tech Week
Europe. January 2013. http://www.techweekeurope.co.uk/
42
12. ANEXOS
ANEXO 1. Ponencias sobre nanotecnologías en el XXVI Congreso Nacional de
Química (Octubre 2012, Arequipa).
ANEXO 2. Opiniones de expertos peruanos en el extranjero
ANEXO 3. Lista de egresados de la UNI en el extranjero investigando en
nanotecnologías.
ANEXO 4. Percepción pública sobre la nanotecnología
43
ANEXO 1
Ponencias sobre nanotecnologías en el XXVI Congreso Nacional de Química
(Octubre 2012, Arequipa)
Título Autor (es) Institución (es)
Heterogenous Catalysts and Sensors based on Nanopaticles as Starting Material Applied in Solution of Enviromental Problems”
Gino Picasso
Universidad Nacional de Ingeniería
Síntesis y Caracterización de Nanopartículas Bimetálicas Core/Shell de Au/Ag
Gian Carlo Calagua, Juan Montes de Oca, Hugo Alarcón Cavero
Universidad Nacional de Ingeniería
Síntesis de Nanopartículas de Oro Obtenidas por Reducción de H[AuCl4]
Alberto Corzo Lucioni
Universidad Nacional de Ingeniería
Fabricación Evaluación de Electrodos Nanoestructurados de Óxidos Metálicos para la Producción Eficiente de Agua Electro-Oxidada y su Aplicación Como Bactericida en la Potabilización de Agua
Pilar García Avelino, Adolfo La Rosa Toro Gómez
Universidad Nacional de Ingeniería
Obtención de Nanopartículas de Magnetita Modificadas con Polímero de Impresión Molecular (MIP) para 1-Cloro-2,4-Dinitrobenceno
Rosario Uzuriaga*, Gino Picasso*, María del Pilar Taboada Sotomayor
Universidad Nacional de Ingeniería, Universidade Estadual Paulista “Julio de MesquitaFilho” (Brasil)
Preparación de Sensores Basados en Nanopartículas de Óxido de Hierro Dopados con Paladio para la detección de Metano
Gerardo Prado Oré, Gino Picasso
Universidad Nacional de Ingeniería
Obtención de Nanopartículas de Magnetita mediante el Método Sol-Gel
Jaime Vega Chacón, Gino Picasso
Universidad Nacional de Ingeniería
Preparación de Nanopartículas de Quitosano y Cargado con Difosfato de Cloroquina
Jesús Mestanza, Christian Jacinto H.
Universidad Nacional de Ingeniería.
44
Remoción de Arsénico del Agua con TiO2:Fe Impregnado en Carbón Activado Producido de Cáscara de Cacao
Fernando Oscco1, Mónica Gómez1, Gerarado Cruz3, José Solís1,2
Universidad Nacional de Ingeniería, Instituto Peruano de Energía Nuclear, Universidad de Tumbes
Síntesis y Caracterización de Peróxido de Zinc Nanoestructurado
Roberto Colonia, Vanessa Martínez, José L. Solís, Mónica M. Gómez1
Universidad Nacional de Ingeniería, Instituto Peruano de Energía Nuclear
Síntesis, Caracterización y Actividad Fotocatalítica de Nanopartículas de TiO2 Dopado con Pd
Vanessa Martínez1, Alcides López1,2, Mónica Gómez1, José Solís1,2
Universidad Nacional de Ingeniería, Instituto Peruano de Energía Nuclear
Estudio de las Propiedades Superficiales de Nanopartículas de Ferrita de Cobalto Obtenidas por el Proceso Sol-Gel
Juan Montes de Oca, Giancarlo Calagua, Hugo Alarcón
Universidad Nacional de Ingeniería
Preparación de Nanopartículas de Hierro Estabilizadas con Quitosano para la Remoción de Cromo (VI)
Arthur León, Christian Jacinto H.
Universidad Nacional de Ingenieria.
Síntesis de Nanopartículas Metálicas por el Método Sol-Gel Synthesis of Metal Nanoparticles by Sol-Gel Method
Ana María Osorio Anaya
Universidad Nacional Mayor de San Marcos.
Obtención de Nanomateriales Nanoestructurados Poliméricos Mediante Polimerizaciones en Microemulsión, Emulsión y Heterogénea en Semicontinuo
Mercedes Puca Pacheco
Universidad Nacional Mayor de San Marcos Lima
Estudio de Pequeños Cluster de Molibdeno (n=2-7) Mediante la Teoría del Funcional de la Densidad
Guzmán Duxtan, Aldo J.*; Arroyo Cuyubamba, Juan L.
Facultad de Química e Universidad Nacional Mayor de San Marcos
Síntesis y Caracterización de Nanoparticulas Magnéticas para Aplicaciones Biomédicas
Mercedes Puca Pacheco, Miguel A. Hurtado Salazar, Karen E. Calvo Chocce, Carlos R. Suárez Gavidia, Elizabeth Verde Ramírez, Aníbal Figueroa Tauquino, Marco V.
Universidad Nacional Mayor de San Marcos
45
Guerrero Aquino, Enrique TacuriCalanchi
Síntesis y Caracterización por Difracción de Rayos X de Nano-Óxidos de Hierro Magnéticos Sintetizados por Método Sol-Gel
Enzo Martín Casimiro Soriano, José Carlos Salgado Arimana
Universidad Nacional Mayor de San Marcos
Síntesis, Caracterización Estructural y Estudios Teóricos de dimeros de Plata como precursores para la preparación de nanopartículas de plata
Grández Arias, Fernando; Guzmán Duxtan, Aldo*; Arroyo Cuyubamba, Juan
Universidad Nacional Mayor de San Marcos
Formulación de Pinturas Epóxicas con compositos de nanoarcilla
Aquino Granados, Pablo Andreé; Arana Bautista, Rita Alexandra; Gonzales Rojas, Karen Nonaquina; Molina Gutiérrez, Yuly Tatiana; Osorio Anaya, Ana María
Universidad Nacional Mayor de San Marcos
Aplicación en Aceites con el Nanocomposito Ni/Arcilla
Evelyn Segovia T., Ana M. Osorio A.
Universidad Nacional Mayor de San Marcos,
Síntesis Rápida y Caracterización Estructural de Nanocobre (0) Vía Microondas-Ultrasonido Estabilizado con Oligomeros Tipo Tereftalato de bis-2- Hidroxietilo (Bhet)
Cárcamo Cabrera, H.; Guzmán Duxtan, A.; Arroyo Cuyubamba, J.
Universidad Nacional Mayor de San Marcos
Síntesis y Caracterización de Nanohidrogeles “Inteligentes”
Juan Carlos Rueda Sánchez
Pontificia Universidad Católica del Perú.
Síntesis de Nanopartículas de CuO y ZnO a partir de una aleación de Zn-Cu para Tatamiento de Aguas Contaminadas
Zunilda N. Cabrera de Morales
Universidad Nacional de San Agustín, Arequipa.
46
ANEXO 2.
Opiniones de expertos peruanos en el extranjero ante las preguntas:
1. Qué tan importante será el uso del grafeno a nivel mundial en los
próximos años?
2. Cree usted que el Perú debería promover la investigación y
desarrollo en grafeno?, cuáles serían las aplicaciones relevantes?
Dr. Fernando Ponce
Professor, Department of Physics
Arizona State University
El asunto del grafeno es interesante, y la respuesta a tus preguntas puede ser
respondida desde dos puntos de vista opuestos.
PUNTO DE VISTA NEGATIVO: Existen olas de modas que duran más o menos
diez años. Hay gente que sigue la moda y hay gente que diseña la moda.
Tuvimos la fiebres de los quasi-cristales en 1982, de los nanotubos de carbono en
1992, del nitruro de galio en 1994, y ahora del grafeno desde 2004. Durante el
periodo de moda, se invierte grandes cantidades de dinero y de gente. De los
quasi-cristales no salió casi nada, de los nanotubos de carbono salieron materiales
ultra-fuertes que ahora son usados en la industria. Del nitruro de galio, después
de diez años, fueron realidad los LEDs, el disco Blu-ray, y se vislumbran las celdas
solares de alta eficiencia, con enorme impacto en eficiencia energética y energía
renovable. Del grafeno, ya se sabía bastante sobre capas de carbono con
simetría hexagonal - esto es del trabajo hecho con los nanotubos de carbono, y
desde el 2004, después de más de 8 años de enfoque, con más de 7000
publicaciones indexadas, con excepción de unos cuantos grupos que trabajan en
'secreto' dado el 'potencial lucrativo', la gran mayoría todavía trabaja con capas
pequeñísimas (escamas) de grafeno extraídos por exfoliación con cinta adhesiva
de cristales de grafito. Hay un buen número de publicaciones teóricas del
potencial de grafeno. El problema es su producción. Es muy inestable. Tiende a
doblarse y necesita un buen sustrato. Y sobre un buen sustrato ya no es el
grafeno puro debido a las interacciones de naturaleza física y química. Hay
grupos que dicen poder crecer áreas grandes de grafeno por deposición en fase
de vapor químico (CVD), pero hay muchos que no lo creen. En mi caso, no he
visto forma de iniciar un proyecto con serios chances de avance efectivo, ni he
visto propuestas serias, con excepción de las de Dresselhaus y de otros muy
47
pocos. Y como en los últimos 8 años existió una fiebre de incursionar en esta
área, ya han habido muchos intentos.
PUNTO DE VISTA POSITIVO: El estudio de grafeno requiere de técnicas
sofisticadas que puede impulsar el desarrollo de laboratorios modernos en física y
ciencia de materiales. El día que se logre grandes áreas de grafeno a nivel
industrial vendrán los grandes avances pronosticados en las publicaciones. Y no
sólo hay grafeno, sino muchos otros materiales similares que están aún por
explorar. Es bueno tener un grupo de excelencia que explore este tema. Ese
grupo debe ser muy hábil en técnicas experimentales y teóricas, con buenos
laboratorios, bien conectado con el resto del mundo, con intercambios, viajes a
congresos mundiales, que se mantenga al día en publicaciones. Con todo esto,
chances de tener impacto no serían muy altas, dado a que hay muchos grupos
con gran ventaja ya que empezaron hace ya varios años, y toma tiempo afilar las
herramientas para poder hacer algo en la frontera. Pero, se abrirían muchas
puertas, se aprendería mucho, se desarrollarían técnicas y laboratorios muy útiles
en otras ramas de la nanotecnología.
En el Perú hay que hacer algo, y las nanoestructuras de carbono son de las más
fáciles de producir. Para el grafeno sólo se necesitan cinta Scotch y un pedazo de
grafito. Para estudiarlo, eso es otra cosa. Y allí está el desarrollo de gente y de
laboratorios que son muy útiles para otros fines también.
En resumen, mi opinión es que DEBE haber un grupo de excelencia en el estudio
de grafeno en el Peru, con financiamiento suficiente para tener presencia creíble a
nivel internacional. La inversión debe ser significativa y de largo plazo, y enfatizar
el entrenamiento de personal en técnicas experimentales y teóricas, con el
establecimiento de laboratorios para análisis de propiedades de nanoestructuras, y
para el crecimiento de las mismas. El impacto lateral en el área de ciencia de
materiales en el Perú sería enorme. Y ahí está el progreso que necesitamos.
PS: Interesante es ver que Europa tendrá un proyecto "buque insignia" de mil
millones de Euros para el periodo 2013-2020 (solamente para promover
colaboración internacional), con el objetivo de hacer a la Comunidad Europea
competitiva en avances relacionados con el grafeno y la nanotecnología. Sería
excelente idea que el Peru se acoplara, aunque humildemente, a esa iniciativa.
48
Dr. Jorge Seminario
TEXAS A&M UNIVERSITY
USA
1) Es de alta importancia ya que se clasifica como uno de los materiales
básicos de la nanotecnología.
2) a) Sin lugar a dudas; si queremos avanzar tecnológicamente.
b) Las aplicaciones cubren prácticamente todas las ingenierías, empezando
por la electrónica y pasando por la mecánica, eléctrica, petróleo,industrial, etc.
Dr. Oscar Perales
Universidad de Mayaguez, Puerto Rico
Dpto. De Ingeniería y Ciencia de los Materiales
Mi área of expertise no está relacionado con el grafeno. Por lo tanto, me abstendré
de emitir una opinión experta en detalle.
Me hubiera gustado estar al tanto de la discusión que permitió concluir que el Perú
podría apostar por la investigación con el material en cuestión.
Sin embargo, si tu análisis revela que el Perú está en condiciones de sintetizar,
caracterizar y desarrollar dispositivos en base al grafeno, que contamos con una
fuerte red de colaboradores internacionales en el área, entonces sigue siendo una
buena oportunidad. Asimismo, el identificar nuestro 'uniqueness', en el sentido de
definir nuestra ventaja comparativa en Latinoamerica (track record, state-of-the-art
facilities, human critical mass) permitirá asegurar que esta es un área donde
podemos desarrollarnos y a la vez impactar a la Comunidad Mundial.
Dr Andres La Rosa,
Physics Department
Portland State University
Portland, Oregon, USA
1. El grafeno es un material bi-dimensional que consiste de tan solo una capa
monoatómica. Es tan ligero como el aluminio pero más fuerte que el acero. Es tan
buen conductor como el cobre, además de ser un buen conductor de calor. Debido
a estas características, se augura un futuro promisorio para este material en el
49
siglo 21. Hay un esfuerzo a nivel mundial por crear circuitos integrados, paneles
solares, sensores.
El esfuerzo se acrecienta debido a que experimentalmente, las mediciones de
conductividad, por ejemplo, no están a la altura de las predicciones teóricas. Hay
dificultades en crear componentes electrónicos basados en grafeno que tengan un
funcionamiento reproducible a temperaturas y presión ambiental. Hay entonces
una oportunidad tanto en el rubro de fabricación como el de caracterización (óptica
y/o eléctrica).
2. El grafeno es un tema de punta que, de implementarse en el Perú, ayudaría a
nuestro país en integrarse al círculo de creación de nueva tecnología a nivel
mundial.
Como primer punto, quisiera referirme específicamente a la creación de patentes.
En la creación de patentes, no es necesario fabricar dispositivo alguno, sino dar
una visión clara del beneficio tecnológico de la invención. Con un nivel decente de
infraestructura (fabricación caracterización), el talento científico Peruano estaría a
la altura de generar patentes. En el fondo, lo que se busca es la aplicación
comercial, lo cual podría servir de trampolín para solventar las investigaciones
fundamentales además de las tecnológicas.
Segundo, una inversión en el desarrollo de tecnología de punta traería beneficios
colaterales. Me estoy refiriendo a la infraestructura que se establecería para la
fabricación y caracterización del grafeno. Si por alguna razón el grafeno pasara de
moda, las herramientas de fabricación y caracterización quedarían para ser
usados en otras áreas de investigación. Recalco esto pues, en general, no es
conveniente poner todos los recursos en un solo tema (el grafeno, por ejemplo).
Pero si se hace astutamente, se puede prever que su impacto traiga beneficios
colaterales.
Tercero, la fabricación requiere un mínimo de instrumentación, el cual se puede
realizar con modestos recursos. Por ejemple, un sistema de deposición química al
vapor puede fabricarse con recurso Peruano (asistidos por un profesional peruano
que estudie en el extranjero). Microscopio electrónico existe en la UNI.
Microscopio de barrido puede construirse completamente en la UNI (hay muchos
estudiantes Peruanos en el extranjero que pueden asesorar al respecto). Sistemas
de caracterización óptica pueden también construirse completamente en el Perú.
En resumen, no veo lado negativo para integrarse en el esfuerzo mundial para
investigar el grafeno. Se crearía un ejército de expertos Peruano capaces de llevar
a cabo investigación no solo en grafeno, sino ver las aplicación inmediatas a
nuestra realidad.
50
Dr. Leonidas Ocola
Argonne National Laboratory
Center for Nanoscale Materials
En mi opinión, el Perú debe impulsar la investigación y desarrollo en
nanomateriales. Pero debe haber métodos locales de obtener, procesar y
caracterizar estos materiales a bajo costo. Además, sería importante aplicar los
resultados a satisfacer necesidades locales con estos materiales.
Si bien el grafeno ha obtenido atención científica a nivel mundial por varios años,
el material es difícil de manejar. La mayoría de investigadores tratan de aplicarlo
en a fabricación de dispositivos electrónicos. Hay la esperanza de poder manejar
la banda de conducción del grafeno para poder obtener transistores.
La pregunta es, hay un mercado de transistores o sensores en el Peru?
Una de las aplicaciones más prometedoras en que he podido colaborar es en el de
sensores de gas usando las propiedades conductoras del grafeno. En este caso el
investigador utiliza nanopartículas de SnO para decorar el grafeno. Las
nanopartículas de SnO cambian su estado de oxidación en la superficie de la
partícula en presencia de ciertos gases (hidrogeno por ejemplo). Este cambio
induce un defecto en la banda conductora del grafeno.
Cuáles son las áreas económicas fuertes ?
Creo que tenemos amplios recursos minerales, agrícolas, energías renovables.
Por ejemplo investigaciones en nanomateriales de óxidos complejos, nano
biológicos, o relevantes a la captura, almacenaje, conversión de energía serian
áreas donde el Perú podría ponerse en posición importante. Aplicaciones en áreas
de construcción, corrosión también serian importantes.
Por ejemplo, el Brasil tiene la primera planta de manufactura de dispositivos
semiconductores (RFID) debido a que la industria ganadera es el mercado, y
Brasil por años ha apoyado el desarrollo de ciencia y tecnología semiconductora.
Ha habido oficinas de diseño de dispositivos en Porto Alegre y Sao Paolo por un
buen tiempo.
En general, el uso de nanopartículas parece ser más prometedor en sensores,
recubrimientos, o aditivos para modificar las propiedades mecánicas o químicas
de materiales.
También es importante evaluar el impacto ambiental en la síntesis de estos
51
nanomateriales.
Aparte de mis comentarios anteriores creo que el Perú debe entrar en la
investigación avanzada independientemente del tópico.
La conexión con grafeno que tiene más sentido para el Perú es en aplicaciones de
energía solar y películas conductoras transparentes.
El problema del grafeno es que no tiene banda de conducción en el estado
normal. Para abrir la banda hay que crear cintas y aun así hay muchos problemas.
No existen tantos problemas en el área de energía solar. Se necesita una película
de alta conducción, transparente. No hay mejor material que el grafeno. El Perú
tiene una larga historia en el área de energía solar PRACTICA.
Aun sigue el problema de fondos monetarios. La síntesis del grafeno se hace
sobre superficies de cobre, níquel, en equipos CVD.
Estos equipos necesitan gases puros, y bastante energía para producir pequeñas
cantidades.
52
ANEXO 3.
Lista de egresados de la UNI en el extranjero investigando en nanotecnologías.
Nombres y Apellidos
Área de Nano Universidad o Instituto País ¿Qué estudio de posgrado?
Elmer Nahuel Monteblanco
Vinces
Espintronica, dinamica de magnetizacion de
nanoestructuras, Junturas tunnel , valvulas
de spin.
SPINTEC Laboratory Francia Doctorado – Física
José Antonio Moran Meza
Microscopia de sonda de barrido: Microscopia de
Efecto Tunel y Microscopia de Fuerza
Atomica combinado, (en condiciones de vacio y a temperatura ambiente) basado en un diapason piezoelectrico de cuarzo
(Sensor qPlus)
Cea-Saclay Francia Doctorado – Física
Edson Bellido Sosa
Plasmon resonances in nano-structures
McMaster University Canada Doctorado
Alfredo Douglas Bobadilla Llerena
Sensado de agentes químicos y biologicos
TEXAS A&M UNIVERSITY EEUU PhD (ingeniería electrónica)
Luis Jauregui Transporte electrónico en materiales de baja
dimensiones
Purdue University EEUU PhD (ingeniería electrónica)
Alec Mirco Fischer Ponce
ciencia de materiales (II-V y III-V
semiconductores, peliculas delgadas y
nanoestructuras)
Arizona State University EEUU Post – doctorado
Luis Avilés Félix
Desarrollo de micro y nano templates para el
desarrollo de dispositivos del tipo juntura túnel
Instituto Balseiro - Centro Atómico Bariloche / Consejo Nacional de Investigaciones
Científicas y Técnicas CONICET
Argentina Doctorado – Física
Elia Alejandra Zegarra Valverde
Propiedades Ópticas (nano Raman, NSOM) y
electrónicas (Conductividad Cuántica)
de nanoestructuras (polímericas, nanowires y
grafeno) y dispositivos electrónicos
Propiedades Ópticas (nano Raman, NSOM) y electrónicas (Conductividad Cuántica) de nanoestructuras (polímericas, nanowires y
grafeno) y dispositivos electrónicos
EEUU PhD – Física
Christian Ortiz Pauyac
Espintrónica King Abdullah University of Science and Technology
Arabia Saudi
PhD
Williams Savero Torres
Spintronics CEA Grenoble- Universite Joseph Fourier Francia Doctorado – Física
Boris Aguilar Huacan
Modelamiento y Simulacion de Moleculas
Biologicas
Virginia Tech EEUU Doctorado - Computer Science
53
José Alberto Zevallos
Luna
Integracion de antenas en objetos comunicantes
a frecuencias milimetricas
CEA Francia Doctorado
Ricardo Egoavil
Ciencia de los materiales Electron Microscopy for Materials Science (EMAT), University of Antwerp
Bélgica Doctorado
Rodolfo Fernandez Rodriguez
Near Field Scanning Probe Microscopy
Portland State University EEUU PhD – Física
Jose Flores Canales
biofísica y nano Chemistry Department, Carnegie Mellon University
EEUU PhD
Keitel Cervantes
Robótica molecular usando auto-ensamblaje
de ADN
Tohoku university, Molecular robotics laboratory
http://www.molbot.mech.tohoku.ac.jp/eng/
Japón Maestría
54
ANEXO 4
Percepción pública sobre la nanotecnología
La opinión del público no especialista será en el futuro un factor decisivo en la
decisión de un país para adoptar nuevas tecnologías. Este fenómeno se da con
cierta frecuencia en el campo de la energía nuclear cuando sectores de la
población civil se organizan para impedir el uso de este tipo de energía
argumentando los riesgos de contaminación por las posibles fallas durante la
operación de las centrales, así como por la disposición de los residuos
radioactivos. Estos temores aumentaron a partir de los sucesos del accidente en
Fukushima el 2011, que llevaron a varios países a limitar sus planes de expansión
nuclear previamente establecidos.
Ahora viene ocurriendo con los transgénicos. La presión del público es
marcadamente de oposición. Con frecuencia se suelen proclamar razones
científicas para rechazar esta tecnología cuando en realidad los argumentos
(algunas veces válidos) son de orden económico o de estrategias de mercado.
Una forma de aproximarse al interés que el público tiene por las tecnologías, es
revisando la frecuencia con la cual los medios de difusión masivos tratan estos
temas. Para ello buscamos el número de artículos periodísticos, de cualquier
género, que contengan las palabras nanotecnología y grafeno, en diarios de
México, Brasil, Argentina y Perú, durante los años 2011 y 2012 (al 12 de
diciembre).
Los resultados fueron los siguientes:
Tabla 1. Frecuencia con que algunos diarios tratan el tema de nanotecnologías
Número de artículos que incluyen la palabra:
Diario (País) Nanotecnología Grafeno
El Universal (México) 97 11
O´Globo (Brasil) 91 9
La Nación (Argentina) 53 0
El Comercio (Perú) 13 1
Como era de esperar, el interés por la ciencia en un país guarda relación con su desarrollo científico y tecnológico. Se nota que el tema del grafeno todavía no es percibido como relevante en los países latinoamericanos.