Transforman el carbón en grafeno, componente útil que mejoraría la resistencia del concreto

 Con un rendimiento promedio del 23 % se destaca el potencial del carbón en la producción de materiales muy pequeños como el grafeno, el cual tiene propiedades excepcionales: alta conductividad eléctrica, resistencia mecánica y ligereza, características que lo hacen valioso para aplicaciones en electrónica, medicina y construcción. Para Colombia, país con reservas de carbón de 6.000 millones de toneladas, este avance abre nuevas puertas para su uso en aplicaciones como el fortalecimiento de materiales y el desarrollo de nuevos productos industriales.

El óxido de grafeno es una forma oxidada del grafeno, un material compuesto por capas de carbono de un solo átomo de grosor; pese a su potencial, producirlo en cantidades suficientes y de forma económica sigue siendo un desafío, especialmente en países en vías de desarrollo.

César Germán Franco Rodríguez, doctor en Ingeniería - Ciencia y Tecnología de Materiales de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL), desarrolló un proceso innovador para obtener óxido de grafeno a partir de carbones antárcticos, minerales que se caracterizan por ser muy puros y tener un alto contenido de carbono. Su investigación no solo busca valorizar recursos naturales como el carbón, sino además promover aplicaciones sostenibles, como mejorar la resistencia del concreto.

La tesis doctoral, dirigida por el profesor Carlos Guerrero, del Departamento de Química de la UNAL, aplicó un proceso llamado oxidación de Homers, que consiste en someter el carbón a una mezcla de ácidos fuertes (sulfúrico y fosfórico) y agentes oxidantes (permanganato de potasio), los cuales descomponen las estructuras complejas del carbón y generan óxido de grafeno.

Con carbones boyacenses

Para comenzar, el doctor seleccionó carbones de minas en Boavita (Boyacá), conocidos por su alta pureza y contenido de carbono. Estas muestras se trituraron y clasificaron según su tamaño para garantizar que el material procesado fuera homogéneo y adecuado para las reacciones químicas.

“La norma técnica indica que las partículas deben tener tamaños menores a los 0,5 mm y deben estar acompañadas de un proceso de limpieza que, en el caso del carbón, incluye un baño alcalino con hidróxido de sodio o hidroxido de potasio para eliminar impurezas minerales, lo que mejora la pureza y concentración del carbono”, explica el investigador.

Posteriormente, el material se sometió a oxidación química mediante el método de Homers, en una reacción controlada de 10 horas para modificar la estructura cristalina del carbón e insertar cadenas funcionales que forman óxido de grafeno. Este se exfolió mediante un baño ultrasónico con surfactante, para obtener la limpieza perfecta de material.

Luego se purificó con etanol, se secó y caracterizó usando técnicas como espectrofotometría UV-Visible –que mide la cantidad de luz que absorbe o transmite una muestra en el rango de longitudes de onda ultravioleta (UV) y visible–, que sirve para determinar la concentración y calidad de una sustancia, como la pureza o la presencia de impurezas.

También utilizó microscopía electrónica de barrido, técnica que se utiliza para analizar la morfología y topografía de la superficie de un material; con la microscopía de fuerza atómica determinó capas, y a través de la espectroscopia Raman confirmó la estructura química y el grosor del material.

Así, el investigador encontró que es posible obtener óxido de grafeno a partir de carbón antracítico, un tipo de carbón con alta pureza y bajo contenido de impurezas.

Las estructuras obtenidas tienen una altura promedio entre 10,8 y 184,6 nanómetros (nm), un nanómetro es una mil millonésima parte de un metro. Además, las partículas resultantes presentan tamaños entre los 200 nm y 10 micrómetros (la milésima parte de un milímetro).

“En términos de rendimiento, el proceso logró extraer un 30 % del peso inicial del material, lo que indica que una porción significativa del carbón se convierte en óxido de grafeno”, señala el doctor Franco.

Actualmente el investigador trabaja en incorporar óxido de grafeno en el concreto, buscando aumentar su resistencia mecánica hasta en un 50 %, avance que reduciría el consumo de concreto hasta en un 25 %, alineándose con políticas de sostenibilidad y valorización de residuos.

“El carbón no es ni bueno ni malo, depende del uso que le demos. Este proyecto muestra cómo podemos transformar residuos en soluciones útiles para la humanidad, promoviendo alternativas sostenibles”, concluye el investigador.