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Grafeno, el material mágico, se hace textil (entre otras cosas)

Redacción Protección Laboral09/01/2018
El revestimiento superficial marca nuevos hitos en la industria de los EPI

¿Qué tiene que ver un lápiz de grafito con un descubrimiento espectacular en el mundo de la investigación de materiales? El grafeno es una capa única de carbono de un solo átomo de espesor, en forma de celosía de nido de abeja formada por hexágonos. Esta capa, de unos pocos nanómetros de espesor, sólo se puede ver bajo un microscopio de túnel de exploración pero contiene en sí misma la tecnología del mañana. El material es multifuncional: ultra-delgado y, por lo tanto, transparente, conductor de electricidad y calor extremadamente eficiente, con mayor resistencia a la tracción que el acero, pero flexible y resistente a la abrasión e impermeable a los gases.

Estas propiedades sobresalientes del grafeno se traducen en múltiples usos potenciales en la industria. Mientras que la investigación está haciendo un rápido progreso, especialmente en el campo de la conductividad, el uso de grafeno en el sector textil ha tenido poco protagonismo hasta el año 2015 aproximadamente.

Hohenstein für Textilinnovation


Es en 2015 cuando entra en escena un proyecto de investigación dirigido por científicos del Instituto Hohenstein für Textilinnovation GmbH en Bönnigheim, en colaboración con las empresas IoLiTec Ionic Liquids Technologies GmbH, de Heilbronn, y Fuchshuber Techno-Tex-GmbH, de Lichtenstein, y los socios de proyectos belgas, Centexbel y Soieries Elite. El equipo dirigido por el jefe de proyecto Dr. Roshan Paul trabajó dentro del programa de financiación de la investigación de la UE “M-era.Net” en el sub-proyecto alemán llamado “GRAFAT - Uso del grafeno para la modificación superficial de textiles en ropa de protección térmica”. “El objetivo fue investigar la posibilidad de cambiar la superficie de los textiles usando modificaciones del grafeno, en particular con vistas a aplicar posteriormente el proceso a la ropa de protección térmica. El grafeno tiene todo tipo de cualidades positivas que revolucionarán este sector. Esta investigación nos hace líderes mundiales en el uso de la modificación del grafeno en las superficies textiles”, decía el Dr. Paul. La transformación de las diversas modificaciones del grafeno en dispersiones acuosas estables fue encargada a Iolitec.

Cómo utilizar el grafeno en el vestuario


El objetivo del equipo de investigación de Hohenstein fue desarrollar técnicas estables para aplicar dispersiones acuosas de grafeno, de manera que puedan usarse como un revestimiento permanente en diferentes superficies textiles. Se consideró una gama de diferentes modificaciones de grafeno (por ejemplo, óxido de grafeno, “grafeno de capas múltiples”), ya que cada una tiene diferentes propiedades. Las modificaciones de superficie desarrolladas para los diversos textiles se están sometiendo a análisis de idoneidad para el equipo de protección contra el calor. En el trabajo de investigación, la empresa Fuchshuber Techno Tex tiene la tarea de convertir la fórmula de aplicación que se ha desarrollado a escala industrial y garantizar que los textiles tratados se pueden limpiar y procesar. El objetivo es producir un modelo de demostración.

Potenciar las propiedades ignífugas


El uso de grafeno para modificar la superficie puede mejorar significativamente las propiedades ignífugas de un textil. El grafeno puede actuar como una barrera física, evitando efectivamente la penetración de calor y gases. Al mismo tiempo, el grafeno también tiene el potencial de prevenir la descomposición térmica del textil. Otro beneficio del grafeno es su resistencia a la abrasión y rotura, aproximadamente 200 veces mayor que la del acero. Estas cualidades también hacen que el grafeno sea extremadamente interesante para aplicaciones en el campo de los equipos de protección personal.

Normalmente, la funcionalización de los textiles para los EPI requiere un proceso de múltiples etapas. Esto podría evitarse si el grafeno puede ser aplicado en un proceso de una sola etapa. El material utilizado para el EPI podría entonces ser más delgado y por lo tanto más ligero, lo que aumentaría la movilidad del usuario.

“Si puede probarse con éxito esta funcionalidad, los textiles con superficies modificadas con grafeno pueden abrir un mundo de usos en el sector de los EPI, especialmente en ropa protectora contra el calor”, dijo el Dr. Paul. Esto crearía un nuevo segmento de mercado para el uso del grafeno, potenciando aún más el éxito económico de las empresas innovadoras y de la industria en general.

Respaldado por fondos europeos, el proyecto ambiciona explotar los múltiples beneficios del material para desarrollar nuevo vestuario de protección, más ligero, flexible, resistente a la tensión dimensional, impermeable y resistente al calor. En su día, al inicio del proyecto, el Dr. Roshan Paul ya dijo que “si la funcionalidad del material puede ser probada, los textiles con superficies de grafeno modificado podrían encontrar diferentes usos en el sector de la fabricación de los EPI, especialmente en vestuario de protección térmica”.

A día de hoy, dos años después de haberse iniciado el proyecto, el Instituto Hohenstein aún no ha ofrecido un balance de los resultados, estando previsto que éstos se presenten a finales de año por parte del Dr. Igor Kogut, responsable actual del proyecto.

Material de protección


El Ministerio de Defensa español ha participado en la financiación del primer estudio experimental sobre las propiedades del grafeno para aplicarlo en los chalecos de protección balística. Un ‘cluster’ investigador de la Universidad Politécnica de Cartagena ha trabajado en el proyecto “Aplicaciones del Grafeno en Equipos Personales para la Defensa” (AGEPAD), habiendo hecho pruebas de campo con munición real.

Los chalecos anti-bala actuales no llegan a detener proyectiles de alta velocidad si no se complementan con placas cerámicas pectorales y dorsales, que requieren espesores de hasta 25 milímetros para ser eficaces, lo que supone unos pesos y volúmenes incompatibles con el uso en condiciones normales. Según el equipo investigador de AGEPAD, el refuerzo de los chalecos convencionales “los vuelve rígidos, pesados e incómodos. Pese a lo cual, los proyectiles del mortífero Kalashinov aún pueden producir heridas letales”. El citado proyecto de I+D tiene el objetivo de “garantizar la supervivencia de los combatientes, dotándoles de un sistema de protección con unos niveles de ligereza, movilidad y confort muy superiores”.

Pese a ser un material revolucionario, el grafeno no es fácil de producir a escala industrial con la tecnología actual, lo que repercute en un elevado coste comercial que dificulta, asimismo, la posibilidad de trabajar con el mismo. No es propósito de este artículo citar todos los proyectos centrados en el mismo objetivo. No obstante, para desvelar posibles aplicaciones finales, mencionaremos también el Proyecto FibreCond (AITEX). El mismo está enfocado en el recubrimiento de fibras inorgánicas por “melt-coating” (recubrimiento por fusión) con nano-compuestos conductores basados en grafeno y matriz polimérica termoplástica. Sus primeras aplicaciones serían las prendas interactivas para deporte y protección.

Visión nocturna, otra posible aplicación


La aplicación de visión nocturna, como las de vestuario térmico y anti-balístico, tiene una clara vocación de protección. Un equipo de investigadores del MIT (Massachusetts Institute of Technology) en el que participa el investigador español, Tomás Palacios, “ha desarrollado un sensor de luz infrarroja basado en grafeno cuya producción podría ser tan barata que podría utilizarse de forma masiva en el mercado, equipando desde coches a teléfonos móviles”, informaba el medio digital El Economista.es.

La visión nocturna se consigue utilizando la luz del espectro de frecuencias que son imperceptibles para el ojo humano. Los sensores utilizados actualmente en los equipos de visión nocturna tienen el inconveniente de ser caros, pesados y con un pobre refresco de la imagen, algo que merma su eficacia cuando ver es cuestión de vida o muerte.

Los investigadores del MIT quisieron explotar las propiedades del grafeno como receptor de emisiones infra-rojas, creando un chip de tamaño (y coste) reducidos, con capacidad –por ahora- de reconocer formas en la oscuridad. El reto inmediato es depurar esta tecnología y dotarla de resoluciones cada vez más altas, que producirán imágenes de mayor calidad.

Si la visión en 360º es una realidad que, progresivamente, se va incorporando a las cámaras de los smartphones, cabe esperar que el desarrollo de la visión nocturna acabe siendo otra opción (al menos para los móviles de alta gama, que podrán retratar la luz invisible para el ojo humano).

La seguridad de los procesos


No todo ha de ser entusiasmo. Los nano-materiales encierran una ambivalencia: ofrecen posibilidades inéditas hasta ahora, pero tienen una nocividad desconocida también hasta ahora. Recuérdese que el potencial nocivo de lo nano es inversamente proporcional a su escala: cuanto más nano, más macro es el riesgo, si no se emplean las medidas de seguridad correctas. Los expertos aseguran que los nano-materiales son seguros siempre que se manipulen usando los EPI disponibles hoy en el mercado. La información que proporciona NIOSH (autoridad norteamericana de seguridad y salud en el trabajo) señala que los filtros HEPA o N100 ofrecen una protección eficaz contra la exposición a nano-materiales dispersos en el aire respirable de los lugares de trabajo. Los datos ofrecidos por NIOSH ratifican que es poco probable que los nano-materiales puedan encontrarse como partículas primarias rondando por el aire. Las nanopartículas transportadas por el aire forman rápidamente aglomerados de varias micras, que pueden ser tratadas o neutralizadas por medio de los dispositivos de protección disponibles en el mercado.

La investigadora de la UPC (Barcelona), Asun Galera, llama la atención sobre las evidencias empíricas disponibles a día de hoy sobre la toxicidad del grafeno y sus efectos celulares (citotoxicidad).

Al respecto, dice que “las hojas de grafeno pueden entrar en las células por diferentes vías. Una vez dentro, el grafeno puede inducir la generación de sustancias que producen estrés oxidativo, incrementar los niveles de LDH y MDH o modificar la homeostasis del calcio. Estas alteraciones pueden causar diferentes tipos de daños, como destrucción física de la célula, daño en la membrana plasmática, inflamación, alteración de ADN, daño mitocondrial, apoptosis o necrosis”.

Como asunto emergente, la seguridad de los nano-materiales genera más preguntas que conclusiones firmes. Por eso, Galera insiste en que “a pesar de estas evidencias, aún estamos lejos de poder formular un enunciado genérico sobre la posible toxicidad de determinadas tipologías de grafeno. Menos aún del grafeno en general. Hasta entonces, la aplicación del principio de precaución nos permitirá garantizar la seguridad y la salud en el trabajo de todas aquellas personas potencialmente expuestas al grafeno. En estas etapas iniciales de desarrollo del grafeno, el principal colectivo de trabajadores es el de los laboratorios de investigación y el de las empresas de producción de grafeno”.

La investigadora concluye que “debemos además estar atentos a los resultados de la investigación, que pueden proporcionarnos pistas o información sobre cómo actuar en tanto que responsables de la seguridad y salud en el trabajo de las personas potencialmente expuestas a nanomateriales como el grafeno, que nos dice que la edad puede ser un factor de respuesta diferencial ante la exposición.
Espaldarazo a los ‘wearables’ (dispositivos portátiles)

La experimentación con el grafeno se lleva a cabo en diferentes países. La investigación puntera ha permitido crear el que se publicita a sí mismo como el “primer textil verdaderamente electrónico” a partir del ‘mágico’ grafeno.

Un equipo internacional de científicos, dirigido por la profesora Monica Craciun, de la Universidad de Exeter (Reino Unido), ha desarrollado una técnica pionera para incrustar electrodos flexibles y transparentes de grafeno en fibras usadas normalmente en la industria textil. El logro podría revolucionar la producción de dispositivos electrónicos portátiles (wearables), como vestuario que contiene ordenadores, auriculares y reproductores de MP3, caracterizados por su extrema ligereza, durabilidad y facilidad de transporte.

La profesora Craciun ha manifestado que “este es un punto crucial en el futuro de los dispositivos electrónicos portátiles. El potencial ha estado entre nosotros durante años, y los electrodos transparentes y flexibles son ya ampliamente usados en plásticos y vidrio, por ejemplo. Pero éste es el primer ejemplo genuino de un electrodo textil incrustado en un hilo. Las posibilidades de uso son inagotables, incluyendo sistemas textiles de GPS, el monitorizado biomédico, seguridad personal o, incluso, herramientas de comunicación para personas que tienen enfermedades sensoriales. Los únicos límites están en nuestra propia imaginación”.

Con el grosor de un átomo, el grafeno es la sustancia más fina capaz de conducir la electricidad, característica en la que aventaja ampliamente al cobre, además de ser más resistente que el acero. Es muy flexible y uno de los materiales más resistentes que se conocen. Existe una carrera para adaptar el grafeno para el uso en dispositivos electrónicos portátiles, que se acelerará cuando empiecen a surgir nuevos desarrollos, además de permitirnos contemplar avances jamás soñados.

La Dr. Helena Alves, de la Universidad de Lisboa, que ha colaborado con su colega de Exeter, explica que “el concepto de tecnología portátil está emergiendo; hasta ahora no disponíamos de una tecnología completamente incrustada en el textil, flexible y transparente. En lo sucesivo, el desarrollo de procesos y la ingeniería para la integración del grafeno en los materiales textiles darán origen a un amplio universo de aplicaciones comerciales”.

Grafeno: revolución atómica

El grafeno es una capa de carbono puro de sólo un átomo de espesor. Cabe distinguir entre el grafeno monocapa y el multicapa, con más de 10 capas, que se llama grafito (lápiz de plomo). A pesar de que la estructura es la misma, la diferencia en el número de capas se traduce en diferentes propiedades.

Una capa de grafeno tiene unos 0,3 nanómetros de grosor, sólo cien milésimas del grosor de un cabello humano. Cada átomo de carbono en la capa está unido a otros tres átomos de carbono, creando una estructura de capas bidimensional en forma de panal de abeja.

El grafeno y el oxígeno pueden convertirse en óxido de grafeno que puede contener diferentes cantidades de oxígeno. Al vincular o funcionalizarlo con otras moléculas o átomos, se pueden producir diferentes propiedades químicas en el material.

El grafeno es revolucionario en diversos campos: electrónica, informática, telefonía móvil, sector energético, industria del blindaje, industria automovilística, industria del motor y los combustibles, industria alimentaria, tratamiento de aguas. Ya citamos la extrema dureza del grafeno, característica que combinada con una buena maleabilidad y la ligereza, lo hacen un compuesto ideal para la fabricación de EPIs: chalecos antibalas, cascos y multitud de elementos de protección, que aumentarán su capacidad de protección al tiempo que se hacen más ligeros.

El entusiasmo que genera el potencial del grafeno no debe nublar la mente de la sociedad, como ya ocurriera con el amianto que, en poco más de un siglo, pasó de considerarse el ‘mineral mágico’ al ‘polvo asesino’. Hoy día, el amianto causa víctimas, las seguirá causando por el periodo de latencia de la enfermedad y, pese a su nocividad, hay países que siguen utilizándolo. Eso mismo ha de ser evitado a toda costa con el grafeno y la legión de nanomateriales que van a ir irrumpiendo en la escena industrial en los años venideros.


El grafeno (una capa monoatómica de carbón puro) tiene excelentes propiedades como material resistente al fuego que podrían revolucionar la extinción de incendios


El grafeno es un material mágico que, mal manipulado (escala nano) puede convertirse en ‘polvo asesino’ (Casa del Grafeno. Manchester)

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