El grafeno podría resolver el problema del hormigón

Desde hace años el hormigón es algo más que un recurso omnipresente en la construcción, uno sin el que difícilmente habríamos alcanzado el desarrollo urbanístico de las últimas décadas. El hormigón supone también, y cada vez más, un gigantesco desafío para los científicos dedicados al estudio de los materiales.

Al fin y al cabo se calcula que la industria del cemento es responsable del 8% de las emisiones globales de CO2 y cada año dedicamos miles de millones de toneladas de arena a la elaboración de hormigón armado, un volumen ingente que contribuye a lo que algunos organismos —incluida la ONU— ya califican como "crisis de la arena". Para evitarlo en la Universidad Rice han ideado un sustituto que además permite crear un hormigón más ligero.

¿Cuál? Un viejo conocido: el grafeno.

Un consumidor voraz de arena. Cada vez que analizamos el impacto medioambiental del hormigón solemos poner el foco en las emisiones de dióxido de carbono. Y es Lógico que así sea. Según el World Economic Forum, el cemento, parte crucial del hormigón, es responsable del 8% de las emisiones globales de CO2. Industria e investigadores son conscientes del desafío que supone ese porcentaje y llevan años buscando formas de reducirlo, lo que les ha llevado a apostar por hormigón elaborado con café, desechos, cáñamo o mezclas que prescinden del cemento e incluso son capaces de "secuestrar" CO2, entre un largo, larguísimo etcétera.

La industria del hormigón afronta sin embargo otro desafío medioambiental, y no menor precisamente: la conocida como "crisis de arena". Cada año consumimos alrededor de 50.000 millones de toneladas de arena y grava y buena parte, unos 30.000 millones, se destinan a la fabricación de hormigón armado. En 2022 la ONU ya advirtió que se trata del segundo recurso más explotado del planeta, solo superado por el agua, y que debemos gestionarlo "con prudencia", para lo que pedía cambios a nivel legal y en la propia industria, con una apuesta por materiales reciclados, roca triturada y arena procedente de las minas. "Su uso debe regularse para proteger la biodiversidad", subraya Naciones Unidas.

Recogiendo el guante. Eso es lo que ha hecho un grupo de científicos de la Rice University, en Estados Unidos. Ante la elevada demanda global de hormigón y la explotación masiva de arena que eso acarrea, sus expertos se plantearon varias preguntas: ¿Existen componentes alternativos para su elaboración? Y si es así, ¿permitirían mejorar las propiedades del material?

El resultado de su trabajo lo acaban de publicar en ACS Publications y desliza una posibilidad interesante: la clave para mejorar el hormigón y paliar la "crisis de arena" de la que advierte la ONU podría estar en el grafeno derivado del coque metalúrgico, un producto a base de carbón. El equipo de Rice está convencido de que podría servir no solo como aditivo para el cemento, sino como un sustituto de la arena en la mezcla. Su labor sigue así la senda de otras investigaciones anteriores que ya han planteado aplicar el grafeno al hormigón.

Igual de resistente, más ligero. Su propuesta es interesante por varias razones. Primero, porque ofrece una forma de afrontar la "crisis de arena" sobre la que ya advierte la ONU. Segundo, y no menos importante, porque las pruebas realizadas por el profesor James Tour y su equipo muestran que el material preparado con su método tiene propiedades atractivas para la industria. "Comparamos el hormigón fabricado con el sustituto de grafeno con el elaborado con agregados de arena y descubrimos que nuestro hormigón es un 25% más ligero pero igual de resistente", aseguran desde Rice.

"Los experimentos iniciales en los que el coque metalúrgico se convirtió en grafeno dieron como resultado un material con un tamaño similar al de la arena", añade Paul Advincula, autor del estudio.

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Decidimos explorar el uso del grafeno derivado del coque metalúrgico como sustituto total de la arena en el hormigón y nuestros hallazgos muestran que funcionaría realmente bien.

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Sus propiedades mecánicas coinciden de hecho con la mezcla estándar, con arena, aunque con una mayor relación resistencia-peso.

Con la vista puesta en el futuro. Rice insiste en el potencial de su propuesta para reducir la dependencia de la arena natural e incluso las emisiones de CO2 de la industria del hormigón. Y eso no es un objetivo menor. Como recuerda la propia universidad, se espera que para mediados de este siglo el 68% de la población mundial resida en zonas urbanas, lo que implicaría un aumento considerable de la demanda de hormigón… y arena, con el coste medioambiental que implica.

Queda camino por delante, sin embargo, para que su método pueda expandirse. "Hará falta algún tiempo para que el precio del grafeno baje lo suficiente como para que esto resulte viable", admite James Tour, quien reivindica que su trabajo "demuestra que hay alternativas que podemos buscar".

En el camino

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El hecho de que estemos al borde de una 'crisis de la arena' nos motiva a buscar alternativas, y el coque metalúrgico, que cuesta casi lo mismo que la arena, con un 10% del coste del hormigón, podría ayudar no solo a fabricar hormigón de mejor calidad, sino también a traducirse a la larga en un ahorro significativo.

remarca el profesor Satish Nagarajaiah.

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Por lo pronto en Rice han dado ya algunos pasos interesantes. Durante su investigación, en el laboratorio del profesor Tour recurrieron a la técnica de calentamiento Joule Flash, la misma empleada para la síntesis de nanomateriales híbridos de carbono o el reciclaje de piezas de baterías. "Produce grafeno más rápido y a mayor escala que los métodos anteriores", apunta Advincula.