¿Cómo puede la nanotecnología del grafeno mejorar los lentes de contacto inteligentes?

Científico Nano

Blog original en inglés por Nikki Hoang
Originalmente publicado 14 de Marzo 2018
Traducido por Mariah Dooley, Editado por Becky Rodriguez

¿Alguna vez has querido tener visión super humana? ¿Qué harías si pudieras grabar y reproducir videos directamente desde tus lentes de contacto? Esto podría sonar como ciencia ficción pero ya existe una tecnología de los lentes de contacto inteligentes que puede hacer estas cosas increíbles e incluso más, como la detección médica. (Figura 1). Una de las cosas que hace que el crecimiento exponencial de la electrónica portátil se posible, son las características físicas y químicas únicas de una mina de lápiz: grafeno.

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Figura 1. A la izquierda: lente de contacto inteligente (imagen de Amber Case). A la derecha: lente de contacto revestida de grafeno conductor de electricidad. (Imagen adaptada de Lee et al. (2017)1  con permiso de la Sociedad Americana de Química (ACS))

Grafeno es una lámina de carbón ultrafina, un excelente conductor y 200 veces más fuerte que el acero pero al mismo tiempo increíblemente flexible. (Puedes obtener más información acerca del grafeno en la siguiente publicación en español). Químicamente, el grafeno es una sola capa de átomos de la estructura multiplaca del grafito, el cual compone también a una mina de lápiz.

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Figura 2. El grafito se compone de muchas capas de grafeno (imagen adaptada de Wikipedia por Blomquist (2014) Graphite- grafito, exfoliation- exfoliación, graphene- grafeno)2

Históricamente, la gente creyo que el grafito sería muy difícil de hacer. En 1946, el Físico Canadiense Philip Russel Wallace, quién estuvo interesado en el estudio del grafito, inventó un análogo en 2-D llamado grafeno para respaldar su teoría sobre las propiedades del grafito. Él argumentó que el grafeno posee propiedades similares al grafito, pero otros científicos asumieron que lo había inventado y que no podría existir en el mundo real.

Esto no fue hasta 2004, que cuando los físicos Andre Geim and Konstantin Novoselove eliminaron algunos copos de un trozo de grafito a granel con cinta adhesiva durante un “experimento de la noche del viernes”, donde se comprobó que Wallace estaba en lo cierto. Geim y Novoselove crearon con éxito copos de un solo átomo de grosor, mostrando que era posible aislar una capa de grafeno, el análogo “compuesto” de Wallace al grafito. Como todos suponían que las láminas de un átomo de espesor no podían ser estables debido a la fluctuación térmica (como el hielo pierde su estructura cristalina por encima de los 0° C o 32°F), los hallazgos iniciales de Geim y Novoselove fueron rechazados dos veces antes de su publicación. Eventualmente, su artículo fue publicado en la revista Science3, lo que provocó una investigación en el grafeno, Geim y Novoselove recibieron el Premio Nobel de física en el 2010.

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Figura 3. Novoselove y Geim en una conferencia de prensa de 2010 (imagen de Holger Motzkau)

El grafeno es ultraligero pero es 200 veces más delgado que el acero, de hecho el grafeno es el material más fuerte jamás medido4. A pesar de su extraordinaria resistencia, es extremadamente ligero a 0.77 mg/m2(la misma área de papel es aproximadamente 100 veces más pesado) e increíblemente flexible. Las propiedades electrónicas del grafeno también son extremadamente útiles; es un excelente conductor. Jesús de la Fuente, el CEO de Graphenea, escribe: “En términos de qué tan avanzado estamos para entender las verdaderas propiedades del grafeno, esto es solo la punta del berg de hielo”.

Debido a su rango de propiedades útiles, el grafeno es un componente importante en lentes de contacto inteligentes. Una preocupación sobre los lentes de contacto inteligentes es la exposición continua a ondas electromagnéticas (EM) a nuestros ojos cuando se usan. Esto podría ocasionar riesgo de quemadura o deshidratación a baja temperatura. Los materiales y las técnicas típicas utilizadas para el blindaje electromagnético (EM) dependen de los metales, que añaden costo y peso (¡lo último que quieres son lentes de contacto pesados!) Pero debido a las excelentes propiedades eléctricas del grafeno, impermeabilidad a los gases, transmitancia óptica, flexibilidad mecánica y la estabilidad ambiental, un grupo de investigadores en Corea creen que el grafeno es un material adecuado para agregar a los lentes de contacto para proteger el ojo del usuario de la exposición continua a las ondas EM y protegerlas de la deshidratación.1

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Figura 4. Principio de funcionamiento esquemático de una lente de contacto recubierta de grafeno y su proceso de fabricación. (a) Las ondas electromagnéticas (EM) pasan a través de la lente de contacto y son absorbidas por un globo ocular, posiblemente causando daño por calor en el interior. (b) La energía EM es absorbida por el grafeno y disipada en forma de calor antes de llegar al interior del ojo. (Imagen adaptada de Lee et al. (2017)1  con permiso de la Sociedad American de Química(ACS) Eyeball- ojo, heat-calor)

En su artículo de 2017, Lee et al. señala que las ondas electromagnéticas pasan a través de los lentes de contacto normales y son absorbidos directamente por sus ojos, lo que puede causar un daño térmico que podría provocar cataratas. Su estudio descubrió que una vez que los lentes de contacto están cubiertos con grafeno, las ondas EM son parcialmente absorbidas por la capa de grafeno, lo que protegería sus ojos de la energía EM.

¡Una ingeniosa manera en que los científicos probaron las propiedades protectoras del grafeno fue usando huevos! Llevaron a cabo un experimento en el que expusieron una muestra de clara de huevo a la irradiación de una onda EM de alta potencia en un horno de microondas (cuya longitud de onda está en el mismo rango similar a 4G LTE y Bluetooth, pero mucho más potente). El huevo debajo de una lente de contacto normal se dañó, pero el óvulo protegido bajo la lente de contacto recubierta de grafeno apenas se dañó porque el grafeno absorbe energía EM y la disipa en forma de calor. (Por supuesto, si esta tecnología se va a usar para las personas, los investigadores tendrán que decidir qué hacer con ese calor, ¡incluso si está en el exterior de la lente!) También mostraron que los lentes de contacto recubiertos de grafeno tienen más agua que los lentes de contacto tradicionales, permitiendo que sus ojos se mantengan bien hidratados.

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Figura 5. Efecto protector de ondas EM de lentes de contacto revestidas de grafeno probadas en huevo en un horno de microondas. (Imagen modificada de Lee et al. (2017)1 1 con permiso de la Sociedad Americana de Química (ACS) Graphene les side- lado de lentes de contaco de grafeno, normal lens side- lado de lentes de contacto normal, power- potencía, time-tiempo)

Aunque el recubrimiento con grafeno en lentes de contacto demostró facilitar la hidratación, también reduce la penetración del oxígeno. Como la sangre transporta oxígeno, más sangre significa más oxígeno, por lo que esto puede conducir a un problema llamado neovascularización, que es cuando el ojo produce vasos sanguíneos extra para transportar más sangre como respuesta a la falta de oxígeno en el ojo. Sin embargo, esto no significa que no podamos usar grafeno para lentes de contacto. La preocupación podría abordarse mediante el uso de grafeno con poros a nanoescala (agujeros) diseñados para controlar la vaporización del agua. Los poros en el grafeno permitirán que el oxígeno se transporte a través del contacto para llegar al ojo.

Los lentes de contacto inteligentes aún no están disponibles para el público, pero con los enormes esfuerzos de científicos y empresas, podemos esperar grabar videos, tener una visión más clara o monitorear nuestra salud simplemente usando contactos. Y si se desarrollan métodos para aumentar la escala y la producción continua de grafeno, este nanomaterial tiene la potencial de ser un componente que se incorporará a los lentes de contacto inteligentes para proteger nuestros ojos de las ondas electromagnéticas y la deshidratación.5

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REFERENCIAS

  1. Lee et al. Smart Contact Lenses with Graphene Coating for Electromagnetic Interference Shielding and Dehydration Protection. ACS Nano, 2017. 11(6), 5318-5324. DOI: 10.1021/acsnano.7b00370
  2. Blomquist, N. Large-Scale Nanographite Exfoliation for Low-Cost Metal-Free Supercapacitors. Thesis, 2016. DOI: 10.13140/RG.2.2.36561.33126
  3. Novoselov, K., Geim, et al. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films Science, 2004. 306(5696) 666-669. DOI: 10.1126/science.1102896
  4. Poratta, D. Graphene confirmed as strongest material. Columbia Engineering website, 2008: http://engineering.columbia.edu/graphene-confirmed-strongest-material 
  5. Choi & Park. Smart Reinvention of the Contact Lens with Graphene. ACS Nano 2017. 11(6), 5223-5226 DOI: 10.1021/acsnano.7b03180