André Geim, Premio Nobel de Física 2010, demuestra en Science como destilar vodka utilizando óxido de grafeno

Sir André Geim, Premio Nobel de Física 2010 por el grafeno y Premio IgNobel de Física por hacer levitar ranas, y sus colegas de la Universidad de Manchester han descubierto que el óxido de grafeno también sirve para destilar alcohol, lo han probado con vodka y lo han publicado en Science. Sellando una botella de vodka con una membrana de óxido de grafeno, el agua que se evapora de la botella puede atravesar la membrana como si no estuviera (el óxido de grafeno es «transparente» al agua, pero el grafeno es impermeable a todos los líquidos y gases, incluso a átomos tan pequeños como el helio), pero las demás moléculas del vodka no pueden hacerlo. El óxido de grafeno se obtiene recubriendo una de las caras del grafeno con grupos hidroxilos OH- (el filtro utilizado está formado por múltiples caras de este óxido de grafeno); la figura de arriba ilustra el paso de las moléculas de agua a través de este filtro, como el alcohol no puede hacer lo mismo, la concentración de alcohol en la botella de vodka crece. No sabemos si Geim ha probado el vodka resultante, pero yo me pregunto por qué han usado vodka en lugar de whisky si no era para disfrutarlo. Me enteré de lo del vodka gracias a Daniel Cochlin, «Supermaterial goes superpermeable,» EurekAlert!, 26 Jan. 2012, y la llamada de antención en Twitter de @RSEF_ESP «Comentaste el paper de Nature sobre la interacción del grafeno con el agua. Mira este de ayer en Science» [link al tuit]. El artículo técnico es R. R. Nair, H. A. Wu, P. N. Jayaram, I. V. Grigorieva, A. K. Geim1, «Unimpeded Permeation of Water Through Helium-Leak–Tight Graphene-Based Membranes,» Science 335: 442-444, 27 January 2012 [gratis en ArXiv].

Los materiales porosos cuyos poros son nanométricos tienen un enorme número de aplicaciones industriales, sobre todo en técnicos de separación y filtrado de sustancias con moléculas pequeñas. Geim y su grupo han observado que una lámina de óxido de grafeno es impermeable a todo tipo de líquidos, vapores y gases, salvo para el agua (el H2O penetra a través de las membranas de óxido de grafeno diez mil millones de veces más rápido que el helio). El óxido de grafeno tiene propiedades mecánicas similares al grafeno y esta aplicación industrial parece muy prometedora. El artículo de Geim et al. describe en detalle cómo fabrican el óxido de grafeno y presenta simulaciones por ordenadorde la dinámica molecular del agua a través de los poros del grafeno (en estas simulaciones la clave son la fuerzas de Van der Waals). El grupo de Geim está estudiando últimamente los cambios que sufre el grafeno cuando se le adhieren moléculas simples de forma esporádica; para mí es increíble la desbordante imaginación que demuestran Geim y sus colegas.

El grafeno es casi invisible para el agua en humectación

La manera en la que una gota de agua moja una superficie plana está dominada por las fuerzas de van der Waals entre las moléculas de la superficie y las de agua. Para sorpresa de muchos, el grafeno es invisible (o transparente) para el agua cuando ésta moja una superficie de cobre, oro o silicio, aunque no cuando es de cristal. Cuando digo invisible quiero decir que al recubrir la superficie con una capa de grafeno (una capa de carbono de un solo átomo de grosor) no cambia el ángulo de contacto; conforme el número de capas de grafeno crece, dicho ángulo tiende al del agua sobre grafito (se necesitan al menos 6 capas de grafeno, aunque con 3 ya se ve el cambio). Los investigadores lo han descubierto gracias a medidas experimentales y han descubierto el porqué gracias a simulaciones de dinámica molecular (como las mostradas en la figura que abre esta entrada). La razón es que el grafeno es más delgado que la escala típica de interacción de las fuerzas de van der Waals. Además, el grafeno incrementa entre un 30% y40% la transferencia de calor por condensación con el cobre, gracias a que su presencia suprime la oxidación de éste. Esta propiedad tendrá importantes aplicaciones industriales para el desarrollo de superficies conductoras de la electricidad que sean impermeables. El artículo técnico es Javad Rafiee et al., «Wetting transparency of graphene,» Nature Materials, Published online 22 January 2012. Me he enterado gracias a un tuit #AA de César (@EDocet).

El grafeno es una capa de un solo átomo de grosor de átomos carbono dispuestos en una retícula hexagonal tipo panel de abeja. Sus propiedades son extraordinarias en estabilidad química, resistencia mecánica, flexibilidad, alta conductividad eléctrica y térmica, entre otras. Además es casi transparente a la luz, ya que la absorción óptica de una sola capa de grafeno es de solo ~2,3% en el espectro visible; combinado con su alta conductividad eléctrica permite desarrollar electrodos conductores transparentes. La interacción del grafeno con el agua ha sido poco estudiada, hasta ahora. En superficies como cobre, oro o silicio  las fuerzas de van der Waals controlan la humectación y una capa de grafeno resulta transparente a estas fuerzas; los autores del estudio llaman a este efecto: humectación transparente del grafeno. Los autores afirman que el grafeno es el primer material conocido con esta propiedad de transparencia humectante. Lo más importante es que el grafeno es un buen conductor de la electricidad, al contrario que la mayoría de las superficies hidrófugas y superhidrófugas, que tienen una energía superficial baja y generalmente son aislantes eléctricos. El revestimiento de una superficie con grafeno podría dar lugar a una nueva clase de superficies hidrófugas de alta conductividad eléctrica.

El primer material transparente que es superhidrófugo y superoleófugo

Los materiales hidrófugos, que repelen el agua, no suelen ser oleófugos, que repelen las grasas, y tampoco transparentes. Se publica en Science el primer material con estas tres propiedades, que además es fácil de fabricar. El nuevo material está formado por un cristal transparente recubierto de una capa del hollín de una vela, un material poroso.  a su vez recubierta por una fina capa de sílice de 25 nm (nanómetros). Este material negro se vuelve transparente tras su calcinación a 600 ºC y mantiene su extraordinarias propiedades incluso tras ser bombardeado con granos de arena. Realmente es sorprendente las extraordinarias propiedades que tienen muchos materiales cotidianos cuando se combinan de la forma adecuada. ¡Increíble! El artículo técnico es Xu Deng, Lena Mammen, Hans-Jürgen Butt, Doris Vollmer, «Candle Soot as a Template for a Transparent Robust Superamphiphobic Coating,» Science Express, Published Online Dec. 1, 2011 (recomiendo también una ojeada a la información suplementaria de acceso gratuito).