El carbón (y la ciencia del carbón) II: Los materiales de carbono

Decíamos ayer que el carbón es mucho más que un combustible. Trabajando en el Instituto Nacional del Carbón, que además está situado en Asturias, cuando alguien nos pregunta a qué nos dedicamos su siguiente cuestión, además del consabido, ¿y cómo os afecta la situación en la minería? es ¿qué se puede investigar en el carbón, eso no está ya todo inventado?
Aquí entramos en la dualidad de los términos carbón/carbono o si utilizamos los términos en inglés coal/carbon.
En castellano de forma clásica carbón es la roca combustible, también denominado carbón mineral (coal)mientras que carbono es el elemento C (carbon), que aparece en la naturaleza como grafito, diamante y carbono amorfo, aunque también puede adoptar estructuras más extravagantes como fullerenos, nanotubos, carbinos, grafenos, entre otros. Estos materiales, y muchos otros se denominan indistintamente materiales de carbón o materiales de carbono (carbonmaterials). Es precisamente este mundo de materiales tan diferentes como el diamante y el hollín uno de los campos de investigación más fructíferos y novedosos del panorama actual.
Vale, igual me puede un poco la pasión, pero solo un poco, al fin y al cabo el Premio Nobel de Química de 1996 fue concedido a Smalley, Kroto y Curl, los descubridores de los fullerenos(en 1985) y el de Física de 2010 a Geim y Novoselov, los descubridores del grafeno(en 2004) mientras que el Premio Príncipe de Asturias de Investigación Científica y Técnica de 2008 fue para Iijima, descubridor oficial de los nanotubos de carbono (en 1991). Así que, respondiendo a la pregunta, queda mucho por investigar.




 
Todos estos materiales se merecen capítulo aparte, pero dado que estos materiales se descubrieron en los últimos 30 años os imaginaréis que hay otros materiales de carbono y otros usos del carbón distintos a simplemente quemarlo, que han suscitado el interés en el periodo comprendido entre el 1000 AC y 1985. De hecho podemos diferenciar un nuevo periodo, pues hasta aproximadamente 1960 los materiales de carbono comerciales eran básicamente los carbones activados, los negros de carbono, el grafito artificial y el diamante natural, materiales que aún hoy constituyen la mayor parte de la producción mundial de materiales de carbono. En 1960 se desarrollaron las fibras de carbono a partir de diversos polímeros y en el periodo 1960-1985 se desarrollaron diversos métodos de síntesis de materiales de carbono y de composites, lo que dio lugar al desarrollo de nuevas aplicaciones.
Esta gran variedad de materiales de carbono hace que sea preciso utilizar alguna clasificación para agruparlos en familias que compartan alguna característica. Una de las clasificaciones más habituales es la que tiene en cuenta los estados de hibridación del átomo de carbono, como se muestra en la siguiente figura. No obstante, la mayor parte de los materiales de carbono presentan hibridaciones intermedias sp2-sp3-sp, aunque generalmente se consideran de la familia del grafito, pues las estructuras sp2 son predominantes.

Diagrama ternario de los alótropos de carbono, adaptado de Heimann y col. 1997
Aplicaciones clásicas del carbón y el grafito.
Decíamos que más del 40% del carbón consumido en el mundo se usa para producir electricidad. También se emplea en la industria siderúrgica para producir coque, un material derivado que se emplea en la acería para reducir el mineral de hierro y doparlo, para proporcionar el calor suficiente para fundirlo y para proporcionar soporte físico y permeable en el horno alto. El coque se prepara en las propias acerías en unas instalaciones denominadas baterías de coque y como subproductos se obtiene alquitrán y gas de coque que a su vez pueden utilizarse para obtener otros materiales de carbono, principalmente breas y otros compuestos químicos como la naftalina y aceites tales como el aceite de antraceno. Las breas se utilizan en la industria del aluminio y del grafito, y se está investigando en profundidad como precursor de materiales de carbono, principalmente para la síntesis de materiales compuestos, e incluso para la síntesis de fibras de carbono. Por su parte los aceites, que es la fracción menos valiosa, se utilizan en la industria del negro de humo y en la purificación del gas de coque así como en la industria química. La naftalina es punto de partida para la síntesis de numerosos compuestos químicos. En cierto sentido (si descontamos el CO2 que se produce) el carbón se aprovecha totalmente, se podría asemejar al cerdo de los materiales, pues como dice el refrán de él se aprovechan hasta los andares.
El carbón coquizable es caro y relativamente escaso, por lo que las investigaciones se han centrado en el estudio de la capacidad de coquización de mezclas de carbones y también en el efecto que tiene la adición de diversos residuos (como plásticos) sobre las características finales del coque.
El grafito por su parte, natural o sintético, se utiliza en industrias como la del hierro y el acero y en el almacenamiento de energía, pues forma parte de la composición de las baterías de ion-litio tan presentes en todos los dispositivos electrónicos. También se utiliza como moderador de neutrones en las centrales nucleares. Otras aplicaciones son su utilización en frenos, como refractario y en las minas de los lápices. En algunas de estas aplicaciones resultan muy prometedoras las nanoestructuras de carbono grafítico. Además, y más recientemente, el grafito se está estudiando en profundidad para la obtención de grafeno, material que posee unas cualidades únicas que abrirán las puertas a aplicaciones que aún no podemos imaginar.
Negro de carbón.
El negro de carbónes un material de carbono producido en la combustión incompleta de diferentes materiales como petróleo, breas, aceites, hulla y se emplea principalmente (más del 70%) como material de refuerzo de neumáticos, a los que confiere su habitual color negro. También se utiliza como pigmento de tintas y toner. Su principal característica es que está formado por partículas de tamaño nanométrico, esféricas, con tamaños entre 10 y 100 nm, lo que lo convierte en el primer nanomaterial de carbono, por delante de hermanos más famosos como los fullerenos y nanotubos.
Los carbones activos son tantos y tan variados que se merecen el próximo capítulo para ellos solos.

Bibliografía.
J.A. Menéndez, El carbón en la vida cotidiana, disponible en Amazon y en bubok, el vídeo del proyecto de divulgación del mismo nombre:
http://www.youtube.com/watch?v=3oxjRKEcLb8
http://www.gecarbon.org/Boletines/articulos/boletinGEC_009_art.1.pdf
RB Heimann, SE Evsyukov, Y Koga, Carbon 35 (10-11), 1654-1658, 1997
http://www.sedoptica.es/Menu_Volumenes/Pdfs/252.pdf