Grafeno y Óxido de Grafeno: Propiedades, Aplicaciones y Toxicidad

1. Introducción

1.1. Visión General del Grafeno y Óxido de Grafeno

El grafeno, un material bidimensional (2D) revolucionario, consiste en una única capa de átomos de carbono hibridados sp2 dispuestos meticulosamente en una red hexagonal tipo panal de abeja.¹ Este alótropo del carbono, aislado experimentalmente por primera vez en 2004 ⁵, deriva estructuralmente del grafito, donde múltiples capas de grafeno se apilan y se mantienen unidas por débiles fuerzas de van der Waals.⁴ El grafeno no solo es la forma fundamental de todas las estructuras grafíticas, como el propio grafito, los nanotubos de carbono (considerados como láminas de grafeno enrolladas) y los fullerenos (moléculas esféricas derivadas del grafeno) ⁶, sino que también representa el primer ejemplo de un cristal verdaderamente bidimensional.⁶ Su descubrimiento, reconocido con el Premio Nobel de Física en 2010 ⁹, desencadenó una intensa actividad investigadora a nivel mundial.

Paralelamente, el óxido de grafeno (GO) emergió como un derivado clave y un material de gran interés por derecho propio. El GO se produce típicamente mediante la oxidación química del grafito, un proceso que introduce diversos grupos funcionales que contienen oxígeno (como hidroxilos, epóxidos, carbonilos y carboxilos) tanto en el plano basal como en los bordes de las láminas de carbono.¹⁰ Aunque comparte la naturaleza 2D del grafeno, la presencia de estos grupos funcionales altera drásticamente sus propiedades, confiriéndole características únicas como hidrofilia, dispersabilidad en agua y otros disolventes polares, y una alta reactividad química.¹⁰ Esta facilidad de procesamiento en disolución y su capacidad de funcionalización lo convierten en un precursor atractivo para la producción a gran escala de materiales basados en grafeno (como el óxido de grafeno reducido, rGO) y en un componente valioso para diversas aplicaciones.¹⁰

La divergencia en el enfoque de la investigación poco después del aislamiento del grafeno es notable. Mientras una vía se centró en perseguir y comprender las propiedades ‘perfectas’ y excepcionales del grafeno prístino, explorando su potencial en electrónica avanzada y materiales de alto rendimiento ², otra vía reconoció rápidamente las dificultades inherentes a la producción económica y escalable de este material ideal.² Esta segunda vía se volcó en el estudio del GO, aprovechando su naturaleza ‘imperfecta’ pero procesable como un intermedio más práctico, a pesar de que sus propiedades difieren sustancialmente de las del grafeno prístino.¹⁰ Esta bifurcación estratégica subraya una tensión fundamental en la investigación de nanomateriales entre las propiedades teóricas ideales y la aplicabilidad práctica en el mundo real, llevando a desarrollos paralelos pero distintos para el grafeno y el GO.

Además, la propia terminología utilizada – «grafeno», «óxido de grafeno», «óxido de grafeno reducido» – es crucial, ya que refleja diferencias estructurales y de propiedades significativas.⁷ Sin embargo, esta terminología puede ser confusa o utilizada de forma imprecisa en la literatura ¹⁸, lo que potencialmente afecta a la interpretación de la investigación y al desarrollo de aplicaciones. La falta de definiciones claras y estandarizadas ² puede llevar a la atribución errónea de propiedades (por ejemplo, asignar las propiedades del grafeno prístino al GO o rGO) y obstaculizar la reproducibilidad de la investigación y la selección adecuada de materiales. Por lo tanto, una comprensión clara de las definiciones y distinciones entre estos materiales es fundamental para el avance del campo.

1.2. Características Únicas y Amplio Potencial

El interés científico y tecnológico en el grafeno y el GO se deriva de su combinación única de propiedades excepcionales. El grafeno destaca por su extraordinaria resistencia mecánica, siendo uno de los materiales más fuertes jamás medidos ², junto con una conductividad eléctrica y térmica superior ², alta transparencia óptica ² y una enorme área superficial específica teórica.¹²

Por el contrario, el GO, aunque sacrifica parte de la conductividad eléctrica y la resistencia mecánica del grafeno debido a la interrupción de la red sp2 por los grupos funcionales y los defectos sp3 ³¹, gana otras propiedades valiosas. Su carácter hidrofílico y su excelente dispersabilidad en agua y disolventes polares, resultado directo de los grupos oxígeno polares ¹³, facilitan enormemente su procesamiento y manipulación mediante técnicas basadas en disolución. Además, estos grupos funcionales proporcionan sitios reactivos para una posterior modificación química, permitiendo ajustar sus propiedades y adaptar el material a aplicaciones específicas.¹⁰

Esta dualidad de propiedades entre el grafeno y el GO abre un espectro de aplicaciones extraordinariamente amplio, que abarca desde la electrónica de próxima generación (transistores, pantallas flexibles, electrodos transparentes) ⁴, el almacenamiento y la generación de energía (baterías, supercondensadores, células solares, pilas de combustible) ⁴, la ciencia de materiales (composites reforzados, recubrimientos protectores) ⁴, la química (catálisis, membranas de separación, sensores) ⁴, la medicina (biosensores, administración de fármacos, bioimagen, ingeniería de tejidos, agentes antimicrobianos) ⁵ y la remediación ambiental (purificación de agua, eliminación de contaminantes).¹²

1.3. Alcance y Estructura del Informe

El objetivo de este informe es proporcionar un análisis exhaustivo y de nivel experto sobre el grafeno y su derivado principal, el óxido de grafeno. Se abordarán en profundidad sus estructuras atómicas, sus propiedades físicas y químicas fundamentales, sus diversas aplicaciones en los campos de la industria, la química y la medicina, y las consideraciones cruciales sobre su toxicidad, biocompatibilidad e impacto ambiental.

El informe se estructura de la siguiente manera:

Sección 2: Se detalla la estructura atómica y las propiedades intrínsecas del grafeno prístino, incluyendo datos cuantitativos sobre sus características mecánicas, eléctricas, térmicas y ópticas, así como sus propiedades químicas.
Sección 3: Se describe la síntesis, estructura y propiedades del óxido de grafeno (GO), comparándolas con las del grafeno. Se introduce también el óxido de grafeno reducido (rGO) y se incluye una tabla comparativa de propiedades clave.
Sección 4: Se exploran las aplicaciones de ambos materiales en diversos dominios, destacando ejemplos específicos en la industria (electrónica, energía, composites, recubrimientos), la química (catálisis, membranas, sensores) y la medicina (biosensores, drug delivery, bioimagen, ingeniería tisular).
Sección 5: Se realiza una evaluación crítica de la toxicidad y biocompatibilidad del grafeno y el GO, analizando los factores que influyen en sus interacciones biológicas, los efectos observados in vitro e in vivo, los mecanismos subyacentes, y las consideraciones sobre su impacto ambiental. Se incluye una tabla resumen sobre los factores de toxicidad.
Sección 6: Se presenta una conclusión que sintetiza los hallazgos clave, resume los desafíos pendientes y ofrece perspectivas sobre las futuras direcciones de investigación y desarrollo en este campo dinámico.

Este estudio se basa en una revisión de la literatura científica reciente, integrando datos cuantitativos, análisis comparativos y una discusión de los desafíos y el potencial futuro de estos fascinantes nanomateriales de carbono.

2. Grafeno: Estructura y Propiedades Intrínsecas

2.1. Estructura Atómica

La estructura fundamental del grafeno es notable por su simplicidad y perfección a escala atómica. Consiste en una única capa de átomos de carbono dispuestos en una red cristalina bidimensional perfectamente hexagonal, a menudo descrita como una estructura de panal de abeja.¹ Cada átomo de carbono en esta red presenta una hibridación sp2, formando tres enlaces covalentes sigma (σ) muy fuertes y cortos con sus tres átomos vecinos dentro del plano.¹ La longitud de estos enlaces C-C es de aproximadamente 0.142 nanómetros (nm) o 1.42 Angstroms (Å).¹

El cuarto electrón de valencia de cada átomo de carbono reside en un orbital p no hibridado, orientado perpendicularmente al plano de la lámina de grafeno. Estos orbitales p se solapan lateralmente con los de los átomos vecinos, formando un sistema de enlaces pi (π) deslocalizados que se extienden por toda la superficie, tanto por encima como por debajo del plano atómico.²⁸ Este «mar» de electrones π deslocalizados es el responsable directo de muchas de las propiedades electrónicas únicas del grafeno, como su alta conductividad eléctrica.²⁹

El grafeno es la unidad estructural básica del grafito, un material tridimensional común. En el grafito, múltiples capas de grafeno se apilan una sobre otra, separadas por una distancia interlaminar de aproximadamente 0.335 nm.⁴ Estas capas adyacentes se mantienen unidas por fuerzas intermoleculares débiles de van der Waals, que son considerablemente menos energéticas que los fuertes enlaces covalentes sp2 dentro de cada capa.⁴ Esta diferencia de energía de enlace permite la exfoliación de capas individuales de grafeno a partir del grafito.⁴ La IUPAC (Unión Internacional de Química Pura y Aplicada) recomienda usar el término «grafito» para el material tridimensional y reservar «grafeno» para discusiones sobre las propiedades o reacciones de capas monoatómicas.²

2.2. Propiedades Físicas (Enfoque Cuantitativo)

La estructura atómica única del grafeno da lugar a un conjunto extraordinario de propiedades físicas, muchas de las cuales superan a las de los materiales convencionales.

Propiedades Mecánicas:
Resistencia Excepcional: El grafeno es reconocido como uno de los materiales más resistentes jamás descubiertos o sintetizados.² Los valores cuantitativos reportados son impresionantes: un módulo de Young (una medida de la rigidez del material) de aproximadamente 1 Terapascal (TPa) ² y una resistencia a la tracción intrínseca (la máxima tensión que puede soportar antes de romperse) de alrededor de 130 Gigapascales (GPa).² Para poner esto en perspectiva, su resistencia es entre 100 y 300 veces mayor que la del acero estructural.⁴ A pesar de esta enorme resistencia y rigidez ²⁶, el grafeno también exhibe una notable flexibilidad ²⁶, una combinación de propiedades difícil de encontrar en otros materiales.
Propiedades Eléctricas:

Alta Conductividad y Movilidad: El grafeno se clasifica como un semimetal de solapamiento cero o cuasi-metal, lo que significa que tanto los electrones como los «huecos» (ausencia de electrones, que actúan como portadores de carga positiva) contribuyen a la conducción eléctrica.⁶ La conductividad se debe a la alta movilidad de los electrones π deslocalizados en su estructura 2D.²⁹ Se han medido movilidades electrónicas intrínsecas extremadamente altas, con valores reportados superiores a 15,000 cm2V−1s−1 a temperatura ambiente, y límites teóricos que alcanzan los 200,000 cm2V−1s−1.²⁶ Sin embargo, es importante notar que la movilidad real puede verse afectada por factores como la temperatura, la calidad de la muestra y, significativamente, la interacción con el sustrato sobre el que se deposita el grafeno.²⁹ Por ejemplo, sobre dióxido de silicio (SiO2), la movilidad puede estar limitada a unos 40,000 cm2V−1s−1.²⁹ En condiciones ideales, los electrones pueden viajar distancias submicrométricas sin dispersión, un fenómeno conocido como transporte balístico.²⁹
Brecha de Banda Cero (Zero Band Gap): Una característica electrónica fundamental del grafeno es la ausencia de una brecha de energía (band gap) entre sus bandas de valencia y conducción. Estas bandas se tocan en puntos específicos del espacio recíproco conocidos como puntos de Dirac.²⁶ Esto implica que el grafeno siempre es conductor y no puede ser fácilmente «apagado» eléctricamente como los semiconductores convencionales (silicio, por ejemplo), que tienen una brecha de banda.⁶ Esta propiedad, si bien es ventajosa para aplicaciones que requieren alta conductividad constante (como electrodos transparentes), representa un obstáculo significativo para su uso en transistores digitales, que requieren una clara distinción entre estados «encendido» y «apagado».⁶ Este desafío ha impulsado una intensa investigación para diseñar o inducir una brecha de banda en el grafeno, por ejemplo, mediante la creación de nanoribbons, la aplicación de campos eléctricos a bicapas de grafeno ²⁷, o mediante dopaje químico.⁶ Los electrones cerca de los puntos de Dirac se comportan como partículas relativistas sin masa (fermiones de Dirac sin masa) ²⁶, lo que da lugar a fenómenos cuánticos exóticos como el efecto Hall cuántico anómalo (o de medio entero).²⁶
La naturaleza semimetálica sin brecha de banda del grafeno es, por tanto, una espada de doble filo. Proporciona una conductividad excepcional, ideal para ciertas aplicaciones, pero complica su integración directa en la lógica digital basada en transistores. Esto significa que, para realizar el potencial del grafeno en la electrónica de próxima generación, se requiere una ingeniería de materiales considerable para modificar su estructura electrónica intrínseca o desarrollar arquitecturas de dispositivos alternativas.
Propiedades Térmicas:
Excelente Conductividad Térmica: El grafeno es uno de los mejores conductores térmicos conocidos a temperatura ambiente.⁵ Esta alta conductividad se atribuye a la eficiente propagación de vibraciones de la red (fonones) a través de su estructura cristalina perfecta, con mínima dispersión.³⁵ Los valores medidos para el grafeno suspendido (es decir, no en contacto con un sustrato) a temperatura ambiente son excepcionalmente altos, típicamente en el rango de 3000-5000 Wm−1K−1.² Es crucial destacar que esta propiedad es muy sensible al entorno del grafeno. Cuando el grafeno se coloca sobre un sustrato, la interacción en la interfaz provoca una dispersión adicional de fonones, lo que reduce drásticamente la conductividad térmica medida, pudiendo caer a valores tan bajos como 600 Wm−1K−1.²⁷ El número de capas también influye en la conductividad térmica.²⁷ Esta sensibilidad ambiental implica que, aunque el grafeno intrínseco es un conductor térmico excepcional, aprovechar esta propiedad en dispositivos prácticos requiere una cuidadosa ingeniería de las interfaces y del entorno del material.
Propiedades Ópticas:
Alta Transparencia: A pesar de ser un material conductor, una monocapa de grafeno es notablemente transparente a la luz visible.² Una sola capa absorbe solo una pequeña fracción de la luz incidente, aproximadamente el 2.3% de la luz blanca.² Esta absorción, aunque pequeña, es suficiente para que una lámina de grafeno suspendida sea visible a simple vista.² La reflectancia es muy baja, inferior al 0.1%.⁷ La absorción óptica es notablemente uniforme en un amplio rango del espectro electromagnético y aumenta linealmente con el número de capas apiladas; cada capa adicional absorbe aproximadamente otro 2.3% de la luz.²⁹ Esta combinación única de alta conductividad eléctrica y alta transparencia óptica lo convierte en un candidato ideal para electrodos transparentes en dispositivos como pantallas táctiles, células solares y diodos orgánicos emisores de luz (OLEDs).⁴
Otras Propiedades:

Gran Área Superficial Específica: Debido a su naturaleza bidimensional, donde cada átomo está expuesto en la superficie, el grafeno posee un área superficial específica teórica extremadamente alta, estimada en unos 2600 m2/g.⁹ Esta propiedad es muy ventajosa para aplicaciones que dependen de interacciones superficiales, como catálisis, sensores y almacenamiento de energía (electrodos de supercondensadores).
Ligereza: El grafeno es increíblemente ligero. Se estima que un metro cuadrado de grafeno monocapa pesa tan solo unos 0.77 miligramos (mg).⁴
Impermeabilidad: Una lámina de grafeno perfecta es impermeable a todos los gases y líquidos, incluso a átomos pequeños como el helio.³⁹ Esta propiedad sugiere aplicaciones como barreras protectoras ultrafinas o membranas de separación selectiva (si se introducen poros controlados).

2.3. Propiedades Químicas

Aunque la estructura sp2 del grafeno es muy estable, no es químicamente inerte, especialmente si se consideran los bordes y los defectos estructurales.

Reactividad del Plano Basal vs. Bordes: El plano basal del grafeno ideal, compuesto por anillos aromáticos perfectamente conjugados, es relativamente inerte químicamente en comparación con otras formas de carbono.⁵⁶ La estabilidad de los enlaces sp2 dificulta las reacciones de adición covalente en el plano basal intacto. Sin embargo, los átomos de carbono situados en los bordes de una lámina de grafeno tienen enlaces «colgantes» (dangling bonds) y una coordinación incompleta, lo que los hace mucho más reactivos químicamente.⁵⁰ Dado que el grafeno es un material 2D, tiene la mayor proporción de átomos de borde en comparación con cualquier otro alótropo de carbono, lo que contribuye a su reactividad global.⁵⁶
Papel de los Defectos: Los defectos estructurales dentro de la lámina de grafeno, como vacantes (átomos de carbono ausentes), defectos topológicos (anillos no hexagonales) o la presencia de átomos hibridados sp3, también actúan como sitios activos que aumentan significativamente la reactividad química de la lámina.⁵⁰ De hecho, se argumenta que para muchas aplicaciones químicas (como sensores o catálisis), se requieren estas irregularidades estructurales o químicas, ya que el grafeno perfectamente plano es demasiado inerte.⁵⁶ Esto crea una interesante dicotomía: la perfección estructural que confiere propiedades físicas excepcionales limita simultáneamente la reactividad química del plano basal. Por lo tanto, las estrategias para utilizar el grafeno en aplicaciones dependientes de la química a menudo deben centrarse en la funcionalización de los bordes, la ingeniería de defectos o el uso de interacciones no covalentes, en lugar de depender de la reactividad de la superficie masiva.
Potencial de Funcionalización: A pesar de la relativa inercia del plano basal, el grafeno puede ser funcionalizado químicamente. Esto puede lograrse mediante:

Modificación no covalente: Aprovechando las interacciones π−π entre la superficie del grafeno y moléculas aromáticas, o mediante interacciones de van der Waals o electrostáticas.³⁹
Modificación covalente: Principalmente en los bordes y sitios de defecto, donde se pueden introducir grupos funcionales (por ejemplo, carboxilos).⁵⁶ Bajo condiciones de reacción más enérgicas, también es posible la funcionalización covalente del plano basal, por ejemplo, mediante hidrogenación (para formar grafano) o halogenación (como la fluoración para formar fluorografeno).⁵⁶
Como ligando: El grafeno funcionalizado puede actuar como un ligando para coordinar iones metálicos, formando complejos metal-grafeno.⁵⁶
Reacción con Oxígeno: El grafeno reacciona con el oxígeno gaseoso a temperaturas relativamente bajas. La temperatura de inicio de la reacción para el plano basal de grafeno monocapa es inferior a 260 °C (530 K), y la combustión completa ocurre a unos 350 °C (620 K).⁵⁶

En resumen, las propiedades químicas del grafeno están marcadas por la estabilidad de su plano basal sp2 y la mayor reactividad de sus bordes y defectos. Esta reactividad diferencial, junto con la posibilidad de funcionalización covalente y no covalente, abre vías para adaptar sus propiedades químicas a aplicaciones específicas, aunque a menudo requiere comprometer la perfección estructural idealizada.

3. Óxido de Grafeno (GO): Síntesis, Estructura y Propiedades

El óxido de grafeno (GO) es un derivado químico del grafeno que ha ganado una inmensa atención debido a su facilidad de producción a gran escala, su procesabilidad en disolución y sus propiedades químicas únicas que lo distinguen del grafeno prístino.

3.1. Visión General de la Síntesis

El GO no se sintetiza directamente a partir de grafeno monocapa, sino a través de un proceso de dos pasos que comienza con grafito, la forma tridimensional de carbono en capas.⁷

Paso 1: Oxidación del Grafito: El grafito se trata con agentes oxidantes fuertes (como permanganato de potasio, KMnO4, o clorato de potasio, KClO3) en presencia de ácidos concentrados (típicamente ácido sulfúrico, H2SO4, a menudo con ácido nítrico, HNO3, o ácido fosfórico, H3PO4).¹⁰ Este proceso de oxidación intercala moléculas y grupos funcionales que contienen oxígeno entre las capas de grafito y también los une covalentemente a los planos de carbono. El resultado es un material llamado óxido de grafito (graphite oxide). La introducción de estos grupos oxígeno no solo aumenta la distancia entre las capas de carbono, sino que también hace que el material sea hidrofílico.¹³
Paso 2: Exfoliación a Óxido de Grafeno: Debido a su naturaleza hidrofílica y al mayor espaciado interlaminar, el óxido de grafito puede dispersarse y exfoliarse fácilmente en un disolvente polar, comúnmente agua, mediante agitación o sonicación.¹⁰ Este proceso separa las capas individuales o pequeños apilamientos de capas, produciendo una dispersión de óxido de grafeno (GO). Por lo tanto, la principal diferencia entre el óxido de grafito y el óxido de grafeno radica en el número de capas: el óxido de grafito es el material precursor multicapa, mientras que el GO se refiere a las láminas exfoliadas de una o pocas capas.¹³

Existen varios métodos establecidos para la oxidación del grafito, siendo los más conocidos los métodos de Brodie, Staudenmaier y Hummers (y sus diversas modificaciones).⁷ El método de Hummers, y especialmente sus versiones modificadas (que a menudo eliminan el nitrato de sodio (NaNO3) para evitar la generación de gases tóxicos y mejorar la eficiencia y seguridad), son los más utilizados actualmente debido a su relativa rapidez y eficacia.²² Es fundamental reconocer que el método de síntesis específico empleado tiene una influencia significativa en las propiedades finales del GO, particularmente en el grado de oxidación (relación C/O), el tipo y la distribución de los grupos funcionales de oxígeno, y la presencia de impurezas residuales.⁷

3.2. Estructura

La estructura del GO es considerablemente más compleja y heterogénea que la del grafeno prístino. Aunque conserva la red básica hexagonal de carbono, esta se ve significativamente alterada por la presencia de grupos funcionales de oxígeno y defectos estructurales.¹⁰

Grupos Funcionales de Oxígeno: La característica definitoria del GO es la presencia de diversos grupos funcionales que contienen oxígeno unidos covalentemente a la red de carbono. Los grupos predominantes en el plano basal (la superficie principal de la lámina) son los grupos epóxido (átomos de oxígeno formando un puente entre dos átomos de carbono adyacentes, C-O-C) e hidroxilo (-OH).¹⁰ Los bordes de las láminas de GO suelen estar decorados con grupos carboxilo (-COOH) y, en menor medida, grupos carbonilo (C=O), fenol, lactona y quinona.¹⁰
Hibridación Mixta sp2/sp3: La unión covalente de estos grupos de oxígeno a los átomos de carbono del plano basal induce un cambio en la hibridación de estos carbonos de sp2 (planar) a sp3 (tetraédrica).¹⁰ Esto da como resultado una estructura mixta que contiene dominios de carbono sp2 no oxidados (similares al grafeno) interrumpidos por regiones de carbono sp3 oxidadas. La presencia de estos carbonos sp3 distorsiona la planaridad de la lámina y rompe la extensa red de electrones π conjugados característica del grafeno.¹⁵
Heterogeneidad Estructural y Modelos: La estructura exacta del GO es intrínsecamente heterogénea y no estequiométrica, lo que significa que la proporción y distribución de los diferentes grupos funcionales, así como el tamaño de los dominios sp2 y sp3, pueden variar considerablemente dependiendo de las condiciones de síntesis.¹⁰ Esto ha llevado a la propuesta de varios modelos estructurales (como el modelo de Lerf-Klinowski ⁶⁴, que postula una distribución aleatoria de grupos epóxido e hidroxilo en el plano basal y grupos carboxilo en los bordes), pero todavía existe un debate considerable sobre la disposición precisa de los átomos.¹⁰ Se acepta generalmente que los grupos funcionales están distribuidos de forma semi-aleatoria.¹⁰
Espaciado Interlaminar: Como se mencionó, la presencia de grupos funcionales y moléculas de agua intercaladas aumenta significativamente el espaciado entre las capas en el óxido de grafito (precursor del GO) en comparación con el grafito, alcanzando valores cercanos a 0.7 nm o más, frente a los ~0.34 nm del grafito.¹³ Este mayor espaciado facilita la exfoliación en GO.

La naturaleza heterogénea y la dependencia de la síntesis de la estructura del GO representan un desafío significativo. La falta de un control preciso sobre la estructura a nivel atómico conduce a una variabilidad considerable en las propiedades del material de lote a lote o entre diferentes laboratorios.¹⁰ Esto dificulta la obtención de propiedades reproducibles y un rendimiento predecible en las aplicaciones, lo que subraya la necesidad crítica de mejorar el control de la síntesis y desarrollar métodos de caracterización estandarizados.⁵⁸

3.3. Propiedades (Enfoque Comparativo)

Las alteraciones estructurales inducidas por la oxidación confieren al GO un conjunto de propiedades marcadamente diferentes a las del grafeno prístino.

Propiedades Mecánicas: El GO es mecánicamente menos resistente que el grafeno. Su módulo de Young se ha reportado en el rango de 207-250 GPa ⁷, aproximadamente la mitad o menos del valor del grafeno (~1 TPa).⁷ A pesar de esta reducción, el GO sigue siendo considerado un material mecánicamente fuerte y flexible.¹⁶
Propiedades Eléctricas: Quizás la diferencia más drástica radica en las propiedades eléctricas. El GO es generalmente un aislante eléctrico o, en el mejor de los casos, un semiconductor con una conductividad muy baja.⁷ Se ha reportado una resistencia de lámina del orden de 1012Ω/sq.⁷ Esta baja conductividad es una consecuencia directa de la interrupción de la red conjugada de electrones π por la presencia de los grupos funcionales de oxígeno y los defectos sp3.⁷ Sin embargo, esta propiedad aislante puede ser útil en ciertas aplicaciones (dieléctricos) y, crucialmente, la conductividad puede ser restaurada parcialmente mediante la reducción química o térmica para formar rGO.¹⁶
Propiedades Térmicas: De manera similar a la conductividad eléctrica, la conductividad térmica del GO es significativamente inferior a la del grafeno.⁷ Se han reportado valores típicos alrededor de 3 Wm−1K−1 ⁷, órdenes de magnitud por debajo de los ~5000 Wm−1K−1 del grafeno suspendido. La interrupción de la red cristalina por los grupos funcionales dificulta la propagación eficiente de los fonones.
Propiedades Ópticas: El GO mantiene una alta transparencia óptica, similar a la del grafeno (absorción ~2.3% por capa, transparencia ~97.7%).⁷ Sin embargo, su espectro de absorción UV-Vis muestra picos característicos que no están presentes en el grafeno prístino: un pico principal alrededor de 230 nm, atribuido a las transiciones π→π∗ en los dominios aromáticos sp2 remanentes, y un hombro o pico secundario alrededor de 300 nm, asociado a las transiciones n→π∗ de los grupos carbonilo (C=O).⁷ Además, el GO puede exhibir propiedades de fotoluminiscencia o fluorescencia, a menudo en la región del visible o infrarrojo cercano.⁷
Reactividad Química y Dispersabilidad: En contraste con el plano basal relativamente inerte del grafeno, el GO es químicamente muy reactivo debido a la abundancia de grupos funcionales de oxígeno.¹⁵ Estos grupos polares también le confieren una naturaleza hidrofílica, lo que permite que el GO se disperse fácilmente en agua y otros disolventes polares, formando suspensiones coloidales estables.¹³ Esta es quizás la ventaja práctica más significativa del GO sobre el grafeno prístino, que es hidrofóbico y tiende a agregarse fuertemente en la mayoría de los disolventes.³⁰ La excelente procesabilidad en disolución del GO abre la puerta a una amplia gama de técnicas de fabricación (recubrimiento por rotación, filtración, impresión) y facilita su integración en matrices poliméricas o sistemas acuosos (aplicaciones biológicas, ambientales).¹³ Además, los grupos funcionales actúan como «asas» químicas que permiten una fácil modificación y funcionalización adicional de la superficie del GO para adaptar sus propiedades a aplicaciones específicas.¹⁰ La oxidación que degrada ciertas propiedades electrónicas y mecánicas del grafeno, por lo tanto, desbloquea simultáneamente una vasta gama de aplicaciones inaccesibles al grafeno prístino debido a limitaciones de procesamiento y funcionalización.
Área Superficial: Aunque teóricamente el GO debería tener un área superficial muy alta similar a la del grafeno, los valores medidos suelen ser inferiores, por ejemplo, alrededor de 890 m2/g ³³, en comparación con los ~2600 m2/g teóricos del grafeno.²⁷ Esto podría deberse a la presencia de los grupos funcionales, al arrugamiento de las láminas o a una exfoliación incompleta que deja pequeños apilamientos. No obstante, el área superficial sigue siendo considerablemente grande.¹²

3.4. Óxido de Grafeno Reducido (rGO)

El óxido de grafeno reducido (rGO) se obtiene mediante la eliminación parcial o casi total de los grupos funcionales de oxígeno del GO, utilizando métodos de reducción químicos (por ejemplo, con hidracina, borohidruro de sodio, ácido ascórbico) o térmicos (calentamiento a altas temperaturas en atmósfera inerte o reductora).⁷ El objetivo de la reducción es restaurar la estructura electrónica conjugada sp2 del grafeno y, con ella, sus propiedades eléctricas y térmicas.

El rGO presenta propiedades intermedias entre el GO y el grafeno prístino:

Conductividad: La conductividad eléctrica se restaura en gran medida en comparación con el GO, alcanzando valores significativos (por ejemplo, hasta 6300 Scm−1 reportado ³³), aunque generalmente permanece inferior a la del grafeno prístino debido a la presencia de defectos estructurales residuales (vacantes, grupos funcionales remanentes, distorsiones de la red) introducidos durante la oxidación y/o la reducción.¹⁵ La reducción térmica, aunque eficaz, puede causar daños estructurales adicionales si no se controla cuidadosamente.³⁵
Resistencia Mecánica: Se reporta que el rGO recupera una resistencia mecánica similar a la del grafeno prístino, con un módulo de Young cercano a 1 TPa.³³
Dispersabilidad: A medida que se eliminan los grupos oxígeno polares, el rGO se vuelve más hidrofóbico y su dispersabilidad en agua disminuye drásticamente en comparación con el GO.¹⁷
Área Superficial: El área superficial específica del rGO tiende a aumentar durante la reducción, acercándose al valor del grafeno prístino a medida que se eliminan los grupos funcionales y se mejora la exfoliación.³³
Funcionalidad Residual: El rGO típicamente retiene algunos grupos funcionales de oxígeno residuales, lo que aún permite cierto grado de funcionalización química, aunque menor que en el GO.¹⁵

Es crucial entender que el rGO no es simplemente «grafeno obtenido a través de GO». El proceso de oxidación-reducción introduce inevitablemente defectos y alteraciones estructurales que no están presentes en el grafeno prístino obtenido por otros métodos (como la exfoliación mecánica o CVD). Por lo tanto, el rGO debe considerarse un material distinto, con su propio conjunto de propiedades y limitaciones.⁴¹ Aunque puede no alcanzar el rendimiento máximo del grafeno ideal, su combinación de conductividad mejorada respecto al GO, funcionalidad residual y, lo que es más importante, su potencial para la producción escalable a partir de GO ¹³, lo convierten en un material muy atractivo y ampliamente utilizado para una multitud de aplicaciones donde se requiere un compromiso entre rendimiento y procesabilidad.¹²

3.5. Tabla Comparativa de Propiedades

La siguiente tabla resume y compara las propiedades clave del grafeno prístino, el óxido de grafeno (GO) y el óxido de grafeno reducido (rGO), basándose en los datos discutidos y los valores reportados en la literatura referenciada.

Propiedad	Grafeno Pristino	Óxido de Grafeno (GO)	Óxido de Grafeno Reducido (rGO)
Módulo de Young	≈ 1 TPa ²⁷	≈ 207-250 GPa ⁷	≈ 1 TPa ³³
Resistencia a la Tracción	≈ 130 GPa ²	Menor que Grafeno	Similar a Grafeno ³³
Conductividad Eléctrica	Muy Alta (Semimetal) ²⁷; Movilidad >15,000 cm2V−1s−1 ²⁹	Muy Baja (Aislante/Semiconductor) ⁷; Rs≈1012Ω/sq ⁷	Alta (Restaurada) ³³; hasta 6300 Scm−1 ³³ (inferior a grafeno prístino)
Conductividad Térmica	Muy Alta (≈ 3000-5000 Wm−1K−1 suspendido) ²⁷	Baja (≈ 3 Wm−1K−1) ⁷	Mayor que GO, se acerca a Grafeno
Transparencia Óptica	Alta (≈ 97.7% / capa) ⁷	Alta (≈ 97.7%) ⁷; Absorción UV característica ⁷	Alta
Área Superficial Específica	Muy Alta (Teórica ≈ 2600 m2/g) ²⁷	Alta (Medida ≈ 890 m2/g) ³³	Muy Alta (≈ 2600 m2/g) ³³
Hidrofilia/Dispersabilidad	Hidrofóbico / Mala en agua ³³	Hidrofílico / Buena en agua y solventes polares ¹³	Hidrofóbico / Mala en agua ³³
Reactividad Química	Plano basal inerte, bordes/defectos reactivos ⁵⁶	Alta (debido a grupos funcionales) ¹⁵	Baja (funcionalidad residual) ¹⁵

Nota: Los valores son aproximados y pueden variar según el método de síntesis, número de capas, sustrato y condiciones de medición.

Esta tabla ilustra claramente las compensaciones entre estos tres materiales. El grafeno prístino ofrece el máximo rendimiento físico, pero es difícil de procesar y funcionalizar. El GO sacrifica rendimiento por procesabilidad y reactividad química. El rGO representa un compromiso, recuperando gran parte del rendimiento del grafeno pero con defectos residuales y menor procesabilidad que el GO. La elección del material depende críticamente de los requisitos específicos de la aplicación.

4. Aplicaciones en Dominios Clave

4.1. Introducción a las Aplicaciones

Las propiedades excepcionales del grafeno, como su conductividad eléctrica y térmica sin parangón, su resistencia mecánica extrema y su vasta área superficial ⁴, junto con las características únicas del óxido de grafeno, como su reactividad química, dispersabilidad en agua y capacidad de funcionalización ¹², han impulsado una exploración intensiva de sus aplicaciones en una multitud de campos tecnológicos y científicos. Desde la electrónica y la energía hasta la medicina y el medio ambiente, estos materiales bidimensionales prometen revolucionar tecnologías existentes y habilitar otras completamente nuevas.⁵

Sin embargo, a pesar del enorme potencial demostrado en el laboratorio, la transición a aplicaciones industriales y comerciales a gran escala se enfrenta a desafíos significativos. Entre ellos destacan la necesidad de desarrollar métodos de producción que sean escalables, rentables y capaces de generar materiales con calidad y propiedades consistentes y controladas.² La integración de estos nanomateriales en procesos de fabricación existentes y la falta de estandarización también representan obstáculos importantes.²⁸

Una observación clave que surge del análisis de las aplicaciones es la clara dicotomía en la elección del material según los requisitos específicos. El grafeno prístino (o rGO de alta calidad) tiende a ser el material preferido para aplicaciones donde sus propiedades intrínsecas de alta conductividad eléctrica/térmica y resistencia mecánica son primordiales, como en la electrónica avanzada, el almacenamiento de energía de alto rendimiento y los composites estructurales.⁴ Por otro lado, el GO se convierte en el material de elección para la mayoría de las aplicaciones biomédicas, membranas de separación, catálisis heterogénea y ciertos tipos de composites, donde su procesabilidad en disolución, su superficie químicamente reactiva y sus propiedades interfaciales ajustables son más críticas que la máxima conductividad o resistencia.⁵ Esta selección pragmática refleja el compromiso inherente entre las propiedades ideales del grafeno y la viabilidad práctica ofrecida por el GO y sus derivados.

4.2. Aplicaciones Industriales

Electrónica y Optoelectrónica:

Grafeno: Su alta movilidad de portadores de carga lo hace atractivo para transistores de alta frecuencia, superando potencialmente al silicio.⁴ Sin embargo, la ausencia de una brecha de banda sigue siendo un desafío para aplicaciones lógicas digitales.⁴⁵ La combinación de alta conductividad y transparencia óptica lo posiciona como un material ideal para electrodos conductores transparentes (TCEs) en pantallas táctiles, células solares, OLEDs y pantallas flexibles.² Su flexibilidad inherente también es clave para el desarrollo de electrónica vestible y dispositivos plegables.⁴ Además, su amplia absorción óptica lo hace útil para fotodetectores de banda ancha, especialmente en telecomunicaciones.⁴ La deposición química de vapor (CVD) es el método preferido para producir grafeno de gran área y alta calidad necesario para estas aplicaciones electrónicas.⁴
GO/rGO: Aunque el GO es aislante ²⁵, puede usarse como capa dieléctrica o como precursor para rGO. El rGO, con su conductividad restaurada y procesabilidad en disolución, se utiliza en aplicaciones electrónicas donde no se requiere la máxima conductividad del grafeno prístino, como en tintas conductoras o ciertos tipos de sensores.¹²
Almacenamiento y Generación de Energía:

Grafeno/rGO: El grafeno y el rGO son materiales muy prometedores como electrodos en dispositivos de almacenamiento de energía. Su alta área superficial y excelente conductividad eléctrica mejoran el rendimiento de las baterías (especialmente de iones de litio, donde se usan como aditivos en el ánodo o cátodo, o en combinación con otros materiales como el silicio para aumentar la capacidad y la vida útil del ciclo ⁴) y los supercondensadores (donde el área superficial maximiza la capacitancia de doble capa eléctrica y la conductividad reduce la resistencia interna).⁵ También se exploran como soportes catalíticos eficientes en pilas de combustible ⁴² y como componentes (electrodos transparentes, capas de transporte de carga, o incluso material fotoactivo) en células solares de diversos tipos (orgánicas, perovskita).⁴
GO: Se utiliza principalmente como precursor para la fabricación de electrodos de rGO.⁴³ También puede actuar como separador en baterías o aditivo en electrolitos. Las membranas de GO funcionalizadas se investigan para el intercambio de protones en pilas de combustible o electrolizadores.⁵⁵ Los composites de GO con óxidos metálicos son materiales de electrodo eficaces para supercondensadores.⁴³
Composites y Ciencia de Materiales:

Grafeno/Nanoplaquetas de Grafeno (GNPs): La excepcional resistencia y rigidez del grafeno lo convierten en un agente de refuerzo ideal para materiales compuestos, especialmente polímeros.²⁵ La adición de pequeñas cantidades de grafeno o GNPs puede mejorar significativamente las propiedades mecánicas (resistencia, módulo), la estabilidad térmica y la conductividad (eléctrica y térmica) de la matriz polimérica. Estos nanocomposites tienen aplicaciones potenciales en sectores exigentes como el aeroespacial y el automotriz, donde se busca ligereza y alto rendimiento.⁹ Sin embargo, lograr una buena dispersión de las nanopartículas y una fuerte adhesión interfacial entre el grafeno y la matriz es crucial para maximizar el efecto de refuerzo, lo cual sigue siendo un desafío.⁴⁰
GO: El GO también se utiliza como relleno en composites poliméricos. Sus grupos funcionales de oxígeno pueden facilitar una mejor dispersión en la matriz y promover una interacción interfacial más fuerte a través de enlaces químicos o interacciones polares.¹⁰ Esto puede mejorar las propiedades mecánicas y, especialmente, las propiedades de barrera del composite (contra gases o líquidos).
Recubrimientos:

Grafeno: Dada su inercia química y su impermeabilidad a moléculas pequeñas, el grafeno se investiga como recubrimiento protector ultrafino contra la corrosión.⁴ También se utiliza en recubrimientos conductores.⁴⁵
GO: Se emplea en la formulación de recubrimientos, a menudo funcionalizados para impartir propiedades específicas, como actividad antimicrobiana ⁴⁹ o mejor adhesión.

4.3. Aplicaciones Químicas

Catálisis:

Grafeno/rGO: Su gran área superficial y alta conductividad eléctrica los hacen excelentes soportes para catalizadores metálicos o de óxido metálico, mejorando la dispersión del catalizador y facilitando la transferencia de electrones, especialmente en electrocatálisis (por ejemplo, en la reacción de reducción de oxígeno (ORR) en pilas de combustible).³⁹ El grafeno o rGO también pueden actuar como catalizadores directos en ciertas reacciones o como fotocatalizadores.¹²
GO: Sirve como precursor para soportes de rGO. Los composites de GO con semiconductores (como TiO2) u óxidos metálicos se utilizan ampliamente en fotocatálisis para la degradación de contaminantes orgánicos en agua o aire, o para la reducción de CO2.¹² El propio GO puede exhibir cierta actividad catalítica.⁵¹
Membranas de Separación:

Grafeno: Teóricamente, una membrana de grafeno con poros de tamaño controlado podría ofrecer la máxima permeabilidad y selectividad debido a su espesor monoatómico.⁴⁶ Sin embargo, el grafeno prístino es impermeable ⁴⁶, por lo que se requiere la creación precisa de defectos o poros para permitir el transporte selectivo. Se investigan membranas de grafeno perforado para separación de gases o iones, y membranas conductoras de protones.⁵⁵ Las membranas de grafeno suspendidas también se utilizan en dispositivos nanoelectromecánicos (NEMS) y sensores.⁷³
GO: Las membranas basadas en GO son un área de investigación muy activa. Se fabrican típicamente apilando láminas de GO (a menudo mediante filtración al vacío ⁴⁸), donde los espacios entre las láminas (espaciado interlaminar) actúan como nano-canales.⁴⁷ El tamaño de estos canales puede ajustarse controlando el grado de oxidación o mediante intercalación/reticulación, permitiendo la separación de moléculas o iones por tamaño (tamizado molecular).⁴⁷ La hidrofilia del GO facilita el transporte de agua. Estas membranas se exploran para una amplia gama de aplicaciones: purificación de agua (eliminación de contaminantes orgánicos, tintes, iones de metales pesados) ¹², desalinización ⁴⁶, separación de gases ⁴⁷ y pervaporación.⁶⁸ Los grupos funcionales en la superficie del GO no solo ayudan en la separación selectiva, sino que también permiten modificar la membrana para mejorar su rendimiento o resistencia al ensuciamiento (fouling).⁴⁷ Las membranas de GO tridimensionales y arrugadas se han propuesto para superar problemas de agregación y compactación.⁷⁹ A pesar de los avances, persisten desafíos como la estabilidad a largo plazo de las membranas de GO en soluciones acuosas (hinchazón), el ensuciamiento y la dificultad de escalar la producción a módulos industriales.⁴⁷ También se han desarrollado reactores electroquímicos con membranas de GO.⁷⁴
Sensores:

Grafeno/rGO: La combinación de una enorme área superficial (cada átomo es una superficie) y una extrema sensibilidad de sus propiedades electrónicas a la adsorción de moléculas hace que el grafeno y el rGO sean excelentes candidatos para sensores químicos y biológicos de alta sensibilidad.⁴ Se utilizan en diversas plataformas de detección: transistores de efecto de campo (FETs) donde la adsorción modula la conductividad del canal de grafeno ¹², sensores de gas que detectan cambios en la resistencia ¹², sensores electroquímicos que aprovechan su conductividad y área superficial ⁵³, y sensores de presión piezoresistivos basados en membranas suspendidas.⁷³
GO: Aunque menos conductor, el GO también se utiliza en sensores. Sus grupos funcionales pueden modificarse para unir selectivamente analitos específicos.¹⁰ Sus propiedades ópticas, como la capacidad de apagar la fluorescencia de moléculas cercanas (quenching), se explotan en biosensores ópticos basados en la transferencia de energía de resonancia de fluorescencia (FRET).⁶⁷ También se usa en sensores electroquímicos ⁵⁷ y como componente en materiales compuestos para sensores.¹²

Un patrón recurrente en muchas de estas aplicaciones, especialmente en catálisis, almacenamiento de energía y sensores, es el uso de materiales híbridos o compuestos. El grafeno o el GO a menudo no actúan como el único componente activo, sino como una plataforma o andamio que mejora el rendimiento de otro material (óxidos metálicos, polímeros conductores, nanopartículas metálicas, puntos cuánticos, enzimas).⁴ El grafeno/rGO proporciona una red conductora de electrones y un soporte de alta área superficial, mientras que el GO ofrece una superficie reactiva para el anclaje y una buena dispersión. El componente adicional aporta la funcionalidad principal (catalítica, de almacenamiento, de reconocimiento). Esto subraya la importancia crítica de la ingeniería de interfaces y la sinergia entre materiales en el desarrollo de dispositivos basados en grafeno/GO de alto rendimiento.

4.4. Aplicaciones Médicas

El campo biomédico ha sido un área de intensa investigación para el grafeno y sus derivados, especialmente el GO y el rGO, debido a su potencial para interactuar con sistemas biológicos a nanoescala. La dispersabilidad acuosa y la superficie funcionalizable del GO son particularmente ventajosas aquí.³⁰

Biosensores: El grafeno y sus derivados se utilizan para desarrollar biosensores ultrasensibles para la detección temprana de enfermedades mediante la cuantificación de biomarcadores (ADN, ARN, proteínas, glucosa, metabolitos), patógenos (bacterias, virus) o células cancerosas.⁵ Se emplean diversas estrategias de detección, incluyendo plataformas electroquímicas (aprovechando la conductividad de G/rGO), ópticas (basadas en FRET con GO/GQDs), espectrometría de masas (LDI-MS con GO como matriz) y SERS (Surface-Enhanced Raman Spectroscopy).⁸⁰ Los puntos cuánticos de grafeno (GQDs) son particularmente prometedores debido a sus propiedades ópticas y biocompatibilidad.⁵¹ El objetivo es lograr una detección rápida, sensible y específica.⁵¹
Administración de Fármacos y Genes (Drug/Gene Delivery): El GO se explora extensamente como un nanotransportador (nanocarrier) para fármacos (especialmente anticancerígenos) y material genético (ADN, ARN).⁵ Su gran área superficial permite una alta carga de fármaco, a menudo mediante adsorción física (interacciones π−π con fármacos aromáticos, enlaces de hidrógeno).³⁸ Los grupos funcionales en su superficie pueden conjugarse con ligandos de direccionamiento (anticuerpos, péptidos) para dirigir el transportador a células o tejidos específicos (por ejemplo, tumores) ⁶⁹, o con polímeros (como PEG) para mejorar la biocompatibilidad y el tiempo de circulación.⁸⁶ También se pueden diseñar sistemas de liberación controlada que respondan a estímulos internos (pH, potencial redox) o externos (luz, campo magnético).⁶⁹ Se investiga su capacidad para atravesar barreras biológicas como la barrera hematoencefálica (BBB).⁸³
Bioimagen: El grafeno, GO, rGO y GQDs se utilizan como agentes de contraste o plataformas para modalidades de imagen biomédica.⁵ Sus propiedades ópticas intrínsecas (fluorescencia de GQDs, absorción NIR de G/rGO/GO) se aprovechan para imagen óptica (fluorescencia, Raman, fotoacústica (PAI)).³⁸ También pueden funcionalizarse con quelantes de metales para imagen por resonancia magnética (MRI) o con isótopos radiactivos para tomografía por emisión de positrones (PET) o tomografía computarizada por emisión de fotón único (SPECT).⁸² La combinación de capacidades de imagen y terapéuticas (por ejemplo, PAI y terapia fototérmica) da lugar a plataformas teranósticas.⁶⁴
Ingeniería de Tejidos: El grafeno y sus derivados se utilizan como componentes en andamios (scaffolds) para la ingeniería de tejidos, con el objetivo de reparar o regenerar tejidos dañados.⁵ Estos materiales pueden promover la adhesión, proliferación y diferenciación celular.⁵ La conductividad eléctrica del grafeno y el rGO es particularmente beneficiosa para la ingeniería de tejidos eléctricamente activos, como el tejido cardíaco y el nervioso, ya que puede mejorar la señalización intercelular y la maduración funcional.⁵ Los grupos funcionales del GO pueden mejorar la interacción con las células y la biocompatibilidad del andamio.⁴⁴ Se explora el uso de grafeno en impresión 3D para fabricar estructuras tisulares complejas.³⁸
Agentes Antimicrobianos: Se ha demostrado que el grafeno y, en particular, el GO poseen actividad antimicrobiana contra una amplia gama de bacterias y algunos virus.¹² Los mecanismos propuestos incluyen el daño físico a las membranas celulares por los bordes afilados de las láminas y la generación de estrés oxidativo. Esta propiedad se aprovecha en el desarrollo de recubrimientos antimicrobianos para implantes médicos, materiales para el tratamiento de heridas, filtros de aire/agua y mascarillas.³⁰

5. Toxicidad, Biocompatibilidad y Consideraciones Ambientales

5.1. Introducción a las Preocupaciones de Seguridad

El enorme potencial y la creciente producción y uso del grafeno y sus derivados en una amplia gama de aplicaciones ⁴⁹ plantean inevitablemente preguntas cruciales sobre su seguridad para la salud humana y el medio ambiente.³⁷ La exposición humana puede ocurrir durante la fabricación (exposición ocupacional), el uso de productos que los contienen (exposición del consumidor) o a través de la liberación ambiental.⁸⁴

Una revisión de la literatura revela una imagen compleja y, a menudo, contradictoria sobre la toxicidad y biocompatibilidad de estos materiales.⁵⁸ Algunos estudios reportan efectos tóxicos significativos in vitro e in vivo, mientras que otros sugieren una buena biocompatibilidad, especialmente a bajas concentraciones o con modificaciones superficiales. Esta variabilidad subraya la necesidad de una evaluación sistemática y cuidadosa, teniendo en cuenta los múltiples factores que influyen en las interacciones biológicas de estos nanomateriales.

Una conclusión fundamental que emerge es que la toxicidad del grafeno y sus derivados no es una propiedad intrínseca y fija del material base («grafeno»), sino un fenómeno altamente dependiente del contexto.²² Las características fisicoquímicas específicas de cada material particular (tamaño, forma, número de capas, estado de oxidación, grupos funcionales, pureza, carga superficial, estado de agregación) y las condiciones de exposición (dosis, ruta, duración, medio biológico) juegan un papel crucial en la determinación de la respuesta biológica.²² Por lo tanto, las generalizaciones amplias sobre la seguridad («el grafeno es tóxico» o «el grafeno es seguro») son engañosas y científicamente insostenibles. Se requiere un enfoque de evaluación de riesgos caso por caso, específico para el material y la aplicación.⁶⁶

5.2. Factores que Influyen en la Toxicidad

Numerosos factores fisicoquímicos y biológicos modulan las interacciones de los nanomateriales basados en grafeno con los sistemas vivos y, por lo tanto, su potencial toxicidad:

Dosis y Concentración: Como con la mayoría de las sustancias, la toxicidad del grafeno y GO es generalmente dependiente de la dosis o concentración.²² Se han observado umbrales por debajo de los cuales los efectos son mínimos o inexistentes. Por ejemplo, estudios in vitro han mostrado que el GO puede no ser tóxico para fibroblastos humanos a concentraciones inferiores a 20 µg/mL, pero muestra citotoxicidad evidente (reducción de la adhesión, apoptosis) a concentraciones superiores a 50 µg/mL.⁵⁸ En estudios in vivo con ratones, dosis bajas (0.1 mg) y medias (0.25 mg) de GO inyectado no mostraron toxicidad obvia, mientras que dosis altas (0.4 mg) causaron toxicidad crónica, incluyendo muerte y formación de granulomas pulmonares.⁵⁸
Tamaño y Forma (Dimensiones Laterales, Espesor/Capas): Las dimensiones de las láminas de grafeno/GO son críticas.³⁰ Las láminas más pequeñas pueden ser internalizadas más fácilmente por las células ¹¹², lo que podría conducir a una mayor toxicidad intracelular, pero también pueden ser eliminadas más eficientemente del cuerpo (por ejemplo, a través de los riñones si son lo suficientemente pequeñas).⁹⁰ Las láminas más grandes pueden tener dificultades para entrar en las células pero pueden causar daño mecánico a las membranas o acumularse en ciertos órganos (como los pulmones o el bazo).⁹⁰ La forma también importa; los bordes afilados de las láminas o nanoribbons pueden causar daño físico directo a las membranas celulares.⁵⁴ El número de capas (espesor) también influye en las interacciones biológicas y la toxicidad.⁵⁴
Química de Superficie (Funcionalización, Oxidación, Carga): Las propiedades de la superficie son determinantes clave. El grafeno prístino, el GO y el rGO tienen diferentes grados de oxidación y tipos de grupos funcionales, lo que resulta en diferentes interacciones con las biomoléculas y las células, y por lo tanto, diferente toxicidad.⁵⁸ La presencia, tipo y densidad de grupos funcionales en el GO (hidroxilo, epóxido, carboxilo) influyen en su carga superficial (generalmente negativa a pH fisiológico), hidrofilia, y capacidad para interactuar a través de enlaces de hidrógeno o interacciones electrostáticas.²² La funcionalización deliberada de la superficie, por ejemplo, con polímeros biocompatibles como el polietilenglicol (PEG), quitosano, o proteínas como la albúmina sérica, ha demostrado consistentemente reducir la citotoxicidad, alterar la biodistribución (aumentando el tiempo de circulación, dirigiendo la acumulación al sistema reticuloendotelial) y mejorar la biocompatibilidad general.⁵⁴
Pureza e Impurezas: Este es un factor crítico y a menudo subestimado. Los métodos de síntesis, especialmente los métodos químicos húmedos utilizados para producir GO y rGO, emplean reactivos agresivos (ácidos fuertes, oxidantes) y disolventes orgánicos.⁵⁸ Si estos reactivos o subproductos no se eliminan completamente durante la purificación, las impurezas residuales pueden permanecer en el producto final.⁵⁸ Estas impurezas pueden ser tóxicas por sí mismas y contribuir significativamente a la toxicidad observada, confundiendo la interpretación de si la toxicidad se debe al material de grafeno en sí o a los contaminantes.⁵⁸ Esto resalta la importancia capital de utilizar materiales bien caracterizados y de alta pureza en los estudios toxicológicos y la necesidad de incluir controles adecuados para los posibles residuos del proceso de síntesis.⁶⁶
Estado de Agregación y Dispersión: En medios biológicos o ambientales, las láminas de grafeno/GO pueden agregarse o permanecer dispersas, dependiendo de sus propiedades superficiales y de las condiciones del medio (pH, fuerza iónica).⁵⁴ La agregación cambia el tamaño efectivo de las partículas y reduce el área superficial disponible para la interacción, lo que puede alterar la captación celular y la toxicidad.¹⁰⁴ El medio de dispersión utilizado en los experimentos también puede influir en el estado de agregación y los resultados de toxicidad.¹⁰³
Ruta y Duración de la Exposición: La forma en que un organismo entra en contacto con el material (inhalación, ingestión, contacto dérmico, inyección) determina los órganos diana primarios y la biodistribución subsiguiente.³⁰ La inhalación es una ruta de preocupación particular para la exposición ocupacional, con potencial de efectos pulmonares.⁸⁸ La duración de la exposición también es crucial, distinguiendo entre efectos agudos (corto plazo) y crónicos (largo plazo). La mayoría de los estudios hasta la fecha se han centrado en la toxicidad aguda o subaguda, y existe una falta significativa de datos sobre los efectos de la exposición crónica o repetida a largo plazo.⁵⁸
Corona de Proteínas: Cuando las nanopartículas entran en contacto con fluidos biológicos (sangre, plasma, fluidos intersticiales), las proteínas y otras biomoléculas se adsorben rápidamente en su superficie, formando una capa conocida como «corona de proteínas».¹⁰⁴ Esta corona modifica la identidad fisicoquímica de la nanopartícula «vista» por las células, alterando su tamaño efectivo, carga superficial, hidrofobicidad y potencial de reconocimiento biológico. Por lo tanto, la corona de proteínas juega un papel mediador crucial en la captación celular, la biodistribución y la respuesta inmunológica, y debe considerarse en la evaluación de la toxicidad.¹⁰⁴

5.3. Efectos Biológicos Observados y Mecanismos

Los estudios toxicológicos han revelado una variedad de efectos biológicos inducidos por el grafeno y sus derivados en diferentes niveles de organización biológica.

Nivel Celular (Estudios In Vitro):

Citotoxicidad: Se ha observado daño a la membrana plasmática (medido por la liberación de lactato deshidrogenasa, LDH), reducción de la viabilidad celular, inducción de apoptosis (muerte celular programada) y necrosis (muerte celular no controlada) en diversas líneas celulares (cancerosas, normales, inmunes).⁵⁸ La susceptibilidad varía mucho entre tipos celulares; por ejemplo, las células en suspensión pueden ser más sensibles que las adherentes.¹⁰³
Estrés Oxidativo: Un mecanismo de toxicidad frecuentemente reportado es la generación de especies reactivas de oxígeno (ROS) dentro de las células, lo que lleva a un desequilibrio redox (estrés oxidativo). Esto puede dañar lípidos, proteínas y ADN, y agotar las defensas antioxidantes celulares (como el glutatión, GSH).⁵⁸
Inflamación: Las células inmunes (como macrófagos y neutrófilos) pueden activarse en respuesta a la exposición a grafeno/GO, liberando citoquinas proinflamatorias.⁸⁷
Daño al ADN y Genotoxicidad: Algunos estudios han reportado daño al ADN (roturas de hebras, modificaciones de bases) e inducción de respuestas genotóxicas.⁶⁶ Sin embargo, los datos sobre genotoxicidad son todavía limitados y a veces contradictorios.⁶⁶
Disfunción Mitocondrial: Se ha observado que el GO puede afectar la función mitocondrial, provocando una disminución del potencial de membrana mitocondrial y una reducción en la síntesis de ATP.¹⁰³
Autofagia: La exposición a GO puede inducir autofagia (un proceso de degradación celular) en algunas células.⁸⁷
Nivel de Organismo (Estudios In Vivo):

Biodistribución y Acumulación: Tras la administración sistémica (por ejemplo, inyección intravenosa), el grafeno y el GO tienden a acumularse principalmente en órganos del sistema reticuloendotelial como el hígado y el bazo, así como en los pulmones, especialmente si se administran por inhalación o si las partículas son grandes.⁵⁸ La distribución depende en gran medida del tamaño, la forma y la funcionalización de la superficie.⁹⁰
Inflamación y Granulomas: La acumulación en órganos puede inducir respuestas inflamatorias locales. La formación de granulomas (agregados de células inmunes) se ha observado particularmente en los pulmones después de la exposición a dosis altas de GO o grafeno.⁵⁸
Fibrosis: La inflamación crónica puede conducir a fibrosis (formación de tejido cicatricial excesivo) en órganos como los pulmones o el hígado.⁸⁸
Toxicidad Sistémica y Orgánica: Se han reportado daños histopatológicos y disfunción en varios órganos (pulmón, hígado, riñón) en animales expuestos a dosis altas.⁵⁸
Efectos sobre el Desarrollo: Estudios en modelos como el pez cebra han mostrado que la exposición a GO puede dañar el corion del embrión, retrasar la eclosión y causar edema cardíaco, sugiriendo una potencial toxicidad para el desarrollo.⁸⁸
Cambios Conductuales: Se han observado alteraciones en la actividad locomotora en algunos modelos animales expuestos.⁸⁸
Eliminación: La eliminación del cuerpo parece depender del tamaño y la funcionalización. Las partículas muy pequeñas (< 8-10 nm) pueden ser eliminadas por los riñones a través de la orina, mientras que las partículas más grandes pueden ser eliminadas más lentamente a través de las heces (probablemente por vía biliar) o por la acción de los macrófagos (en los pulmones).⁵⁹ La persistencia a largo plazo en el cuerpo es una preocupación.⁹⁹
Mecanismos de Toxicidad: Los efectos biológicos observados se atribuyen a varios mecanismos que pueden actuar solos o en combinación:

Interacción Física: Daño mecánico directo a las membranas celulares por los bordes afilados o la estructura de las láminas.⁸⁷
Interacción Química/Estrés Oxidativo: Generación de ROS a través de la actividad catalítica intrínseca de los materiales, interacciones con componentes celulares (mitocondrias) o activación de células inmunes (estallido oxidativo).⁸⁷
Activación de Vías de Señalización: Interferencia con vías de señalización celular que regulan la inflamación (a través de receptores tipo Toll (TLR), factor de crecimiento transformante beta (TGF-β), factor de necrosis tumoral alfa (TNF-α), factor nuclear kappa B (NF-κB)), la apoptosis (vías Bax/Bcl-2, caspasas) y otras respuestas celulares.⁸⁷

5.4. Evaluación de la Biocompatibilidad

La biocompatibilidad se refiere a la capacidad de un material para interactuar con un sistema biológico sin provocar una respuesta adversa local o sistémica inaceptable en una aplicación específica. No es una propiedad intrínseca, sino que depende del contexto de uso (por ejemplo, contacto a corto plazo vs. implante a largo plazo).⁵⁴

A pesar de las preocupaciones sobre la toxicidad, especialmente a dosis altas o con materiales no funcionalizados, el GO y sus derivados han mostrado una biocompatibilidad prometedora en muchas condiciones relevantes para aplicaciones biomédicas.²² La clave para lograr una biocompatibilidad aceptable reside en el diseño cuidadoso del material y el control de los factores que influyen en la toxicidad:

Control de Dosis: Utilizar la concentración más baja posible que sea eficaz para la aplicación deseada.
Optimización Fisicoquímica: Seleccionar cuidadosamente el tamaño, la forma y el número de capas apropiados.
Funcionalización Superficial: Modificar la superficie con recubrimientos biocompatibles (por ejemplo, PEG, quitosano, dextrano, proteínas) es una estrategia muy eficaz para reducir la citotoxicidad, minimizar las interacciones no deseadas con proteínas y células inmunes, y mejorar la estabilidad coloidal.⁵⁴
Pureza del Material: Asegurar la eliminación rigurosa de impurezas tóxicas residuales de la síntesis.⁵⁸

Estudios de hemocompatibilidad (interacción con células sanguíneas) también son importantes para aplicaciones intravenosas.⁸⁷

5.5. Impacto Ambiental

Más allá de la toxicidad directa para los humanos, la producción y el uso a gran escala de materiales basados en grafeno plantean preocupaciones sobre su impacto ambiental.²²

Vías de Liberación: Los materiales pueden liberarse al medio ambiente durante su producción (efluentes, emisiones), a través del desgaste de productos que los contienen (composites, recubrimrimientos, textiles), o al final de la vida útil de los productos (disposición en vertederos, incineración).²² La síntesis de GO, en particular, puede generar residuos químicos tóxicos si no se gestionan adecuadamente.²²
Destino Ambiental: Una vez en el medio ambiente, el destino de estos nanomateriales es complejo. Se espera que sean relativamente persistentes.⁹² Pueden agregarse y sedimentar en sistemas acuáticos, o transportarse en el agua y el suelo.⁹² Sus interacciones con componentes ambientales como la materia orgánica natural, los minerales del suelo y los microorganismos pueden alterar su estado de agregación, movilidad y biodisponibilidad.⁹³ Existe evidencia de que algunos procesos naturales, como la fotodegradación (para GO ⁶²) o la degradación microbiana ⁹³, pueden ocurrir, pero las tasas y la extensión de la degradación en condiciones ambientales reales son en gran medida desconocidas.
Ecotoxicidad: Se han realizado estudios sobre los efectos tóxicos del grafeno y GO en diversos organismos representativos de diferentes niveles tróficos y ecosistemas, incluyendo bacterias, algas, hongos, plantas, invertebrados acuáticos (como Daphnia), gusanos (como C. elegans), peces (como el pez cebra) y otros.²² Los efectos observados incluyen inhibición del crecimiento, estrés oxidativo, daño reproductivo y alteraciones del desarrollo, aunque los resultados varían según el organismo, el material y las condiciones de exposición. Existe preocupación por la posible bioacumulación y biomagnificación a través de las cadenas alimentarias acuáticas y terrestres.⁸⁸ Sin embargo, el campo de la nanoecotoxicología del grafeno está todavía en desarrollo, y se necesita más investigación para comprender los riesgos a nivel de ecosistema y establecer concentraciones seguras (como la Concentración Prevista Sin Efecto, PNEC).¹⁰²

La evaluación del impacto ambiental requiere considerar todo el ciclo de vida del material, desde la síntesis hasta la disposición final, y adoptar enfoques de química verde para minimizar la generación de residuos y el uso de reactivos peligrosos.²²

5.6. Desafíos en la Evaluación de la Seguridad y Estandarización

La evaluación fiable de la seguridad del grafeno y sus derivados se ve obstaculizada por varios desafíos clave:

Falta de Materiales Estándar: La gran variabilidad en las propiedades fisicoquímicas de los materiales de grafeno/GO producidos por diferentes métodos o lotes dificulta la comparación de los resultados de toxicidad entre estudios y la extrapolación de los hallazgos.⁵⁸
Falta de Protocolos de Ensayo Estandarizados: No existen protocolos de ensayo toxicológico universalmente aceptados y validados específicamente para nanomateriales 2D como el grafeno, lo que contribuye a la variabilidad de los resultados.³⁸
Dificultades Analíticas: La detección y cuantificación precisas de estos nanomateriales de carbono en matrices biológicas complejas (células, tejidos, fluidos) o ambientales sigue siendo un desafío analítico.⁶⁶
Necesidad de Estudios a Largo Plazo: La mayoría de los estudios se centran en efectos agudos. Se necesitan urgentemente estudios crónicos y de dosis repetidas para evaluar los efectos a largo plazo de la exposición.⁶⁶
Modelos Relevantes: Faltan estudios que utilicen modelos animales inmunocomprometidos o con enfermedades preexistentes, que podrían ser más susceptibles a los efectos tóxicos.⁶⁶
Caracterización Incompleta: Muchos estudios de toxicidad no caracterizan adecuadamente el material probado, lo que impide establecer relaciones claras entre estructura y actividad (toxicidad).⁵⁸ Es esencial una caracterización fisicoquímica exhaustiva (tamaño, forma, número de capas, química de superficie, pureza) en todos los estudios toxicológicos.⁶⁶

Superar estos desafíos mediante el desarrollo de materiales de referencia, protocolos de ensayo estandarizados, métodos analíticos mejorados y una caracterización rigurosa es fundamental para construir una base de conocimientos sólida sobre la seguridad del grafeno y permitir una evaluación de riesgos informada.⁶⁶

5.7. Tabla Resumen de Factores de Toxicidad y Efectos

La siguiente tabla resume los principales factores que influyen en la toxicidad del grafeno y GO, junto con los efectos biológicos reportados y los mecanismos subyacentes.

Factor Influyente	Efectos Biológicos Reportados	Mecanismos Clave	Referencias Ilustrativas
Dosis/Concentración	Efectos dependientes de la dosis; umbrales de toxicidad; citotoxicidad, inflamación, daño orgánico a dosis altas.	Saturación de mecanismos de defensa/reparación; activación de vías de muerte celular.	⁵⁸
Tamaño Lateral	Afecta captación celular, biodistribución, aclaramiento renal, potencial de daño físico. Resultados contradictorios (pequeño vs. grande).	Interacción diferencial con membranas; eficiencia de endocitosis/fagocitosis; filtración física en órganos.	⁹⁰
Forma/Bordes	Bordes afilados pueden causar daño mecánico a membranas celulares.	Perforación/disrupción de la membrana; estrés mecánico.	⁸⁷
Número de Capas (Espesor)	Influye en rigidez, interacciones superficiales, biodistribución.	Cambios en propiedades mecánicas y superficiales.	⁵⁴
Química Superficial/Funcionalización	GO vs. G/rGO; tipo/densidad de grupos O en GO; carga superficial; recubrimientos (PEG, etc.) reducen toxicidad y alteran biodistribución.	Interacciones electrostáticas, hidrofóbicas, H-bonding; reconocimiento celular; evasión sistema inmune (PEG).	⁵⁸
Pureza/Impurezas	Residuos de síntesis (ácidos, metales, solventes) pueden ser tóxicos per se y confundir resultados.	Toxicidad intrínseca de los contaminantes.	⁵⁸
Agregación/Dispersión	Afecta tamaño efectivo, área superficial, sedimentación, biodisponibilidad. Dependiente del medio.	Cambios en la dosis efectiva local; alteración de la interacción superficie-célula.	⁵⁴
Ruta de Exposición	Determina órganos diana primarios (pulmón por inhalación, TGI por ingestión, sistémico por inyección) y biodistribución.	Diferentes barreras biológicas y mecanismos de absorción/translocación.	⁸⁸
Duración Exposición	Efectos agudos vs. crónicos; acumulación; posible desarrollo de tolerancia o sensibilización. Estudios crónicos limitados.	Bioacumulación; inflamación crónica; adaptación celular.	⁵⁸
Corona de Proteínas	Modifica la identidad de la nanopartícula en fluidos biológicos, afectando captación celular, respuesta inmune, destino.	Enmascaramiento/presentación de epítopos; cambio de tamaño/carga/hidrofobicidad.	¹⁰⁴
Tipo Celular/Organismo	Susceptibilidad variable (células inmunes, cancerosas, epiteliales; bacterias, algas, invertebrados, vertebrados).	Diferencias en fisiología celular, metabolismo, mecanismos de defensa, barreras.	⁵⁸
Efectos Comunes Observados	Estrés oxidativo (ROS↑, GSH↓), inflamación, daño membrana, apoptosis/necrosis, daño ADN, disfunción mitocondrial, acumulación/granulomas (pulmón, hígado).	(Ver mecanismos arriba)	⁵⁸

Esta tabla proporciona una visión estructurada de la compleja interacción entre las propiedades de los materiales basados en grafeno y sus consecuencias biológicas, destacando las áreas clave que requieren una cuidadosa consideración en la evaluación de la seguridad.

6. Conclusión y Perspectivas Futuras

6.1. Recapitulación de Hallazgos Clave

Este informe ha examinado en profundidad el grafeno y su derivado principal, el óxido de grafeno (GO), dos nanomateriales de carbono bidimensionales que han cautivado a la comunidad científica y tecnológica. El grafeno prístino se define por su estructura perfecta de panal de abeja sp2, que le confiere propiedades físicas verdaderamente excepcionales: una resistencia mecánica sin precedentes, una conductividad eléctrica y térmica extremadamente alta, y una notable transparencia óptica.¹ Sin embargo, esta perfección estructural también conlleva una relativa inercia química en su plano basal y dificultades significativas en su producción a gran escala y procesamiento en disolución.²

En contraste, el óxido de grafeno (GO), obtenido por la oxidación química del grafito, presenta una estructura heterogénea caracterizada por la presencia de grupos funcionales de oxígeno (hidroxilos, epóxidos, carboxilos) y defectos sp3 que interrumpen la red sp2.¹⁰ Estas modificaciones estructurales degradan significativamente la conductividad eléctrica y térmica y la resistencia mecánica en comparación con el grafeno.⁷ No obstante, simultáneamente confieren al GO propiedades muy valiosas: alta reactividad química, excelente dispersabilidad en agua y otros disolventes polares, y una superficie fácilmente funcionalizable.¹³ El óxido de grafeno reducido (rGO), obtenido al eliminar la mayoría de los grupos oxígeno del GO, representa un compromiso, recuperando gran parte de la conductividad pero conservando algunos defectos y una procesabilidad intermedia.¹³

Esta dualidad de propiedades ha impulsado una amplia gama de aplicaciones potenciales. El grafeno prístino y el rGO de alta calidad son los candidatos preferidos para la electrónica de alto rendimiento, el almacenamiento de energía y los composites estructurales. El GO, por su parte, domina en aplicaciones biomédicas (administración de fármacos, biosensores, ingeniería de tejidos), membranas de separación, catálisis y composites funcionales, donde su procesabilidad y reactividad son clave.

6.2. Resumen de Desafíos Clave

A pesar de los avances significativos, la realización del pleno potencial del grafeno y el GO se enfrenta a varios desafíos persistentes:

Producción y Estandarización: La producción escalable, rentable y sostenible de grafeno de alta calidad sigue siendo un obstáculo importante.² Para el GO, aunque la producción es más escalable, lograr una calidad consistente y controlar con precisión el grado y tipo de funcionalización sigue siendo difícil, lo que lleva a una variabilidad en las propiedades.¹⁰ Falta estandarización en materiales y métodos.⁶⁵
Control de Propiedades e Integración: Se necesita un mejor control sobre las propiedades de estos materiales, como la inducción de una brecha de banda controlada en el grafeno para aplicaciones electrónicas ²⁷, o la mejora de la estabilidad a largo plazo de las membranas de GO en entornos acuosos.⁴⁷ La ingeniería de interfaces para optimizar la transferencia de carga o estrés en composites y dispositivos sigue siendo crucial.⁴⁰ La integración en procesos de fabricación existentes es otro desafío.²⁸
Seguridad y Consideraciones Ambientales: Las preocupaciones sobre la toxicidad potencial para la salud humana y el medio ambiente deben abordarse de manera rigurosa.⁴⁵ Esto requiere una comprensión más profunda de las relaciones estructura-toxicidad, el desarrollo de protocolos de ensayo estandarizados para nanomateriales, la garantía de la pureza del material, y la evaluación del destino ambiental a largo plazo y los riesgos ecológicos.

6.3. Perspectivas Futuras y Direcciones de Investigación

El futuro del grafeno y sus derivados sigue siendo muy prometedor, con varias direcciones clave de investigación y desarrollo:

Síntesis Avanzada y Sostenible: Se espera un progreso continuo en métodos de síntesis que ofrezcan un mejor control sobre la estructura (número de capas, tamaño lateral, tipo y densidad de defectos/funcionalización), mayor calidad, menor costo y mayor sostenibilidad (enfoques de química verde).²²
Fabricación e Integración a Gran Escala: El desarrollo de técnicas de fabricación fiables y escalables (como CVD rollo a rollo, impresión, autoensamblaje) y métodos para integrar estos materiales 2D en dispositivos y sistemas 3D es esencial para la comercialización.²⁸
Funcionalización y Diseño de Materiales Híbridos: La exploración de nuevas estrategias de funcionalización covalente y no covalente permitirá ajustar con precisión las propiedades del GO y rGO.¹⁰ El diseño racional de materiales híbridos, combinando grafeno/GO con otros nanomateriales (nanopartículas metálicas, puntos cuánticos, óxidos metálicos, polímeros), probablemente dominará muchas áreas de aplicación, aprovechando efectos sinérgicos [Insight 4.2]. Esto sugiere un futuro centrado en el diseño dirigido de materiales, donde la síntesis se acopla estrechamente a la función deseada en un sistema específico.
Comprensión Fundamental: A pesar de los años de investigación, todavía hay mucho que aprender sobre la física y la química fundamentales del grafeno y GO, especialmente en interfaces complejas y en interacción con sistemas biológicos o ambientales.⁶
Avances en Aplicaciones Específicas: Se anticipan avances continuos en áreas clave como la electrónica flexible y transparente, el almacenamiento de energía de alta densidad y potencia, las membranas de separación de próxima generación con permeabilidad y selectividad mejoradas, la nanomedicina personalizada y dirigida (teranóstica), y los composites multifuncionales ligeros y resistentes.⁴
Evaluación Integral de la Seguridad: Es imperativo realizar estudios toxicológicos y ecotoxicológicos exhaustivos y estandarizados a largo plazo.⁶⁶ El desarrollo de modelos predictivos de toxicidad basados en las propiedades fisicoquímicas (enfoques QSAR/QSPR) ⁹⁸ y la adopción de principios de «seguridad por diseño» (Safe-by-Design) en la síntesis y funcionalización de materiales serán cruciales. Abordar proactivamente las preocupaciones de seguridad y ambientales no es solo un requisito regulatorio, sino una condición previa para la aceptación pública y el éxito comercial generalizado, especialmente en aplicaciones biomédicas y de consumo.⁴⁵

En conclusión, el grafeno y el óxido de grafeno continúan siendo materiales de extraordinaria promesa científica y tecnológica. Si bien persisten desafíos significativos relacionados con la producción, el control de propiedades y la seguridad, la investigación continua y la innovación en síntesis, funcionalización, ingeniería de dispositivos y evaluación de riesgos probablemente desbloquearán un número aún mayor de aplicaciones transformadoras en los próximos años. La clave residirá en un enfoque multidisciplinario que integre la ciencia de materiales, la química, la física, la ingeniería y la toxicología para aprovechar de manera responsable el potencial único de estos notables nanomateriales de carbono.

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