Grafeno
El grafeno es una sustancia
formada por carbono puro, tiene asombrosas propiedades ya que según se cuenta
el grafeno es un millón de veces más pequeño que
un cabello humano, puede ser 300 veces más resistente que el acero y 1.000
veces más conductivo que el silicón.
Este
material tendrá muchísimas aplicaciones en el futuro pero donde se centrará será en el
sector de la informática y la electrónica. Un ejemplo lo da IBM que ha
demostrado que la potencia del grafeno es bastante más superior del silicio.
Para ello el pasado invierno de 2009 IBM
presentó los primeros chips fabricados en grafeno y que son 10 veces más
veloces que los de silicio.
El
grafeno se puede utilizar para la fabricación de pantallas táctiles, estas pantallas táctiles no solo serán más livianas sino
que también serán extensibles según el gusto del usuario y tendrán
una nitidez impresionante. Además se podrán enrollar cuando no
tengas que usar tu dispositivo para que se pueda guardar en cualquier sitio.
En mi
opinión el uso del grafeno en la informática y la electrónica será un
grandísimo paso para la humanidad y un avance
significativo.
Es
un alótropo del carbono, un teselado hexagonal plano (como panal de abeja)
formado por átomos de carbono y enlaces covalentes que se generan a partir de la
superposición de los híbridos sp2 de los
carbonos enlazados.
El Premio Nobel de Física de
2010 se les otorgó a Andréy Gueim y a Konstantín Novosiólov por
sus revolucionarios descubrimientos acerca de este material.
Mediante
la hibridación sp2 se explican mejor los ángulos de enlace, a
120°, de la estructura hexagonal del grafeno. Como cada uno de los carbonos
contiene cuatro electrones de valencia en el estado
hibridado, tres de esos electrones se alojan en los híbridos sp2, y
forman el esqueleto de enlaces covalentes simples de la estructura.
El
electrón sobrante se aloja en un orbital atómico de tipo «p» perpendicular al plano de los
híbridos. El solapamiento lateral de
dichos orbitales da lugar a formación de orbitales de tipo π. Algunas de estas
combinaciones propician un gigantesco orbital molecular deslocalizado entre todos los átomos de
carbono que constituyen la capa de grafeno.
El
nombre proviene de intercambio –en el vocablo grafito– de sufijos:
«ito» por «eno»: propio de los carbonos con enlaces dobles. En realidad, la estructura del grafito puede considerarse una pila de gran cantidad de
láminas de grafeno superpuestas. Los enlaces entre las distintas capas de
grafeno apiladas se deben a fuerzas de Van der Waals e
interacciones de los orbitales π de los átomos de carbono.
Estructura cristalina del grafito. Se ilustran las
interacciones de las diversas capas de aromáticos condensados.
En
el grafeno, la longitud de los enlaces carbono-carbono es de aproximadamente
142 pm (picómetros). Es el componente estructural básico de todos los demás
elementos grafíticos, incluidos el propio grafito, los nanotubos de carbono y los fullerenos.
A
esta estructura también se le puede considerar una molécula aromática
extremadamente extensa en las dos direcciones espaciales. Es decir, sería el
caso límite de una familia de moléculas planas de hidrocarburos aromáticos
policíclicos denominada grafenos.
Descripción
Anteriormente, se han utilizado para el término
grafeno descripciones como capas de grafito, capas de carbono u hojas de
carbono. [...] No es correcto utilizar, para una sola capa, un término que
incluya el término grafito, que implica una estructura tridimensional. El
término grafeno debe ser usado sólo cuando se trata de las reacciones, las
relaciones estructurales u otras propiedades de capas individuales.
En
este sentido, al grafeno se le ha definido como hidrocarburo aromático
policíclico infinitamente alternante de anillos de sólo seis
átomos de carbono. La molécula más grande de este tipo contiene 222 átomos de
carbono o 37 «unidades de benceno» separadas.
Las
cifras de la oración anterior son las contenidas en el resumen de la
cita. Debería ser: 111 átomos de carbono y 111 átomos de hidrógeno o, más simple, 222 átomos, lo cual resulta de
37 x 6 (átomos de carbono –o de hidrógeno– del benceno, de fórmula C6H6) = 222,
o bien: 18.5 anillos de benceno:
18.5 x 12 (átomos del benceno) = 222.
La
opción de «unidades» fue para obtener una cifra «redonda» (37), y por
consiguiente evitar la expresión fraccionaria (18,5).
Estructuras de resonancia en el benceno (ejemplo clásico).
La
ilustración anterior, relativa a la estructura molecular de
dos mesómeros de benceno,
permite mejor comprensión de lo enunciado previamente.
Propiedades destacadas
Entre
las propiedades destacadas de este material se incluyen:
·
Es muy flexible
·
Es transparente
·
Auto
enfriamiento (según algunos científicos de la Universidad de Illinois).
·
Conductividad térmica y eléctrica altas.
·
Elasticidad y dureza elevadas.
·
Reacción química con otras sustancias para producir
compuestos de diferentes propiedades. Esto lo dota de gran potencial de
desarrollo.
·
Soporte de radiación ionizante.
·
Gran ligereza, como
la fibra de carbono, pero
más flexible.
·
Menor efecto Joule: se calienta menos al conducir los electrones.
·
Para una misma tarea que el silicio, menor consumo de electricidad.
·
Generación de electricidad al ser alcanzado por
la luz.
·
Razón Superficie/Volumen muy alto, lo que le otorga un
buen futuro en el mercado de los supe condensadores.
·
Se puede dopar introduciendo impurezas para cambiar su
comportamiento primigenio de tal manera que se pueda hacer que no repela el
agua o que incluso mejore todavía más la conductividad.
·
Cuando una lámina de grafeno recibe algún daño que
quiebra su estructura produciendo un agujero consigue atraer átomos de carbono
situados en las proximidades para así reparar los huecos (se auto repara).
Otras propiedades
interesantes desde el punto de vista teórico
·
Comportamiento como cuasi partículas sin masa de los electrones que se
trasladan sobre el grafeno. Son los denominados fermiones de Dirac,
que se mueven a velocidad constante, de manera independiente de su energía (como ocurre con la luz), en este caso a unos 106 m/s.
A este respecto, la importancia del grafeno consiste en que propicia el estudio
experimental de este comportamiento, predicho teóricamente hace más de 50 años.
·
Efecto Hall cuántico, por el cual
la conductividad perpendicular
a la corriente toma valores discretos, o cuantizados. Esto permite medirla con suma precisión. La cuantización implica que la conductividad del grafeno nunca
puede ser nula (su valor mínimo depende de la constante de Planck y
de la carga del electrón).
·
Efecto Hall cuántico fraccionario.
·
(Debido a las propiedades anteriores) Movilización
libre de los electrones por toda la lámina del grafeno: no quedan aislados en
zonas de las que no puedan salir. Es el efecto conocido como localización de
Anderson, que representa un problema en sistemas bidimensionales con
impurezas.
·
Transparencia casi completa y densidad tal que ni siquiera los átomos de helio,
que son los más pequeños que existen —sin combinar en estado gaseoso—, podrían
atravesarlo.
·
Aunque no deja pasar el helio,
sí permite paso al agua: en un recipiente de grafeno cerrado se evapora prácticamente a la misma velocidad que si
estuviese abierto.
Descubrimiento
El
repentino aumento del interés científico por el grafeno puede dar la impresión
de que se trata de un material nuevo. En realidad se conoce y se ha descrito
desde hace más de medio siglo. El enlace químico y su estructura se
describieron durante el decenio de 1930.
P. R. (Philip Russell) Wallace calculó por primera vez (en 1949)
la estructura electrónica de bandas. Al grafeno se le prestó poca atención
durante décadas al pensarse que era un material inestable termodinámicamente ya
que se pensaba que las fluctuaciones térmicas destruirían el orden del cristal
dando lugar a que el cristal 2D se fundiese.
Bajo este prisma se entiende la
revolución que significó que Novoselov y Geim consiguiesen aislar el grafeno a
temperatura ambiente. La palabra grafeno se adoptó oficialmente en 1994,
después de haber sido designada de manera indistinta –en el campo de la ciencia de superficies–
«monocapa de grafito».
Además,
muchas nano estructuras recientemente
descubiertas, como los nanotubos de carbono, están
relacionadas con el grafeno. Tradicionalmente, a estos nanotubos se les ha
descrito como «hojas de grafeno enrolladas sobre sí mismas». De hecho las
propiedades de los nanotubos de carbono se explican y entienden fácilmente a
partir de las inherentes al grafeno. Se ha descrito también la preparación
de nano tiras de
grafeno mediante nano litografía, haciendo uso de un microscopio de efecto túnel.
Aplicaciones Electrónicas
Las
propiedades del grafeno son ideales para utilizarlo como componente de circuitos integrados. Está
dotado de alta movilidad de portadores, así como de bajo nivel de «ruido». Ello permite que se le utilice como canal en
transistores de efecto campo (FET). La dificultad
de utilizar grafeno estriba en la producción del mismo material en el sustrato
adecuado. Investigadores están indagando métodos tales como transferencia de
hojas de grafeno desde grafito (exfoliación) o crecimiento epitaxial (como
la grafitización térmica de la superficie del carburo de silicio: SiC).
En
diciembre de 2008, IBM anunció que habían fabricado y caracterizado transistores que operaban a frecuencias de 26 gigahercios (GHz). En febrero de 2010, la misma empresa
anunció que la velocidad de estos nuevos transistores alcanzó los 100 GHz. En
septiembre de 2010 se alcanzaron los 300 GHz.
Las
publicaciones especializadas rebosan de artículos en los que se atribuye a esta
estructura de carbono cualidad de «panacea universal» en la tecnología para reemplazo de
dispositivos de silicio por grafeno. Pero no toda la
comunidad científica comparte este optimismo. El célebre físico holandés Walter de Heer afirma:
El
grafeno nunca reemplazará al silicio. Nadie que conozca el mundillo puede decir
esto seriamente. Simplemente, hará algunas cosas que el silicio no puede hacer. Es como con los barcos y los
aviones. Los aviones nunca han reemplazado a los barcos.
Además,
el grafeno carece de una banda de resistividad, propiedad esencial que le es inherente al silicio.
Eso implica que el grafeno no puede dejar de conducir
electricidad: no se puede apagar.
Técnicas de producción del grafeno
El
problema principal que impide la explotación del grafeno es que la producción
de grandes muestras es limitada. Las diferentes técnicas tradicionales de
fabricación por orden ascendente de escalabilidad son:
·
Scotch Tape
·
CVD (Chemical Vapor Deposition)
·
Liquid Phase Exfoliation
·
Plasma
·
Oxidisation-Reduction
·
Thin Graphite
La
calidad de las muestras va en sentido contrario al de la escalabilidad: a más
escalabilidad del proceso menor calidad de las muestras.
Recientemente,
investigadores de la Universidad de Rice han conseguido sintetizar grafeno a
partir del azúcar común a 800 ºC siendo el grafeno resultante de alta calidad.
Otra nueva técnica procede del IPCPAS-Instituto de Química Física de la
Academia Polaca de Ciencias conjuntamente con el IRI-Instituto de Investigación
Interdisciplinaria de Lille.
La técnica de fabricación que utilizaron fue la
oxidación del grafito obteniéndose un polvo llamado óxido de grafito.
Posteriormente se suspende en agua y se coloca en un limpiador ultrasónico. Los
ultrasonidos separan las láminas oxidadas de grafeno y permiten la obtención de
escamas de grafeno de 300 nm de espesor.
Grafeno en el espacio.
En
2011 el telescopio espacial Spitzer de la NASA descubrió grafeno en el espacio
además de otras moléculas de la familia de los fulerenos, en concreto las
moléculas C60 y C70
Compañías y universidades punteras en la investigación del
grafeno
·
AMO GmbH, Alemania
·
BASF, Alemania
·
Carben Semicon Ltd, Rusia
·
Carbon Solutions, Inc., Estados Unidos
·
Catalyx Nanotech Inc. (CNI), Estados Unidos
·
Georgia Tech Research Institute (GTRI), Estados Unidos
·
Grafoid
·
GRAnPH Nanotech, España
·
Graphene Energy Inc., Estados Unidos
·
Graphensic
·
Graphenea, España
·
Harbin Mulan
·
HDPlas
·
HRL Laboratories, Estados Unidos
·
IBM, Estados Unidos
·
Instituto
Tecnológico de Massachusetts (MIT), Estados Unidos
·
Max Planck Institute for Solid State Research,
Alemania
·
Nanostructured & Amorphous Materials, Inc.,
Estados Unidos
·
Universidad Estatal de
Pensilvania, Estados Unidos
·
Quantum Materials Corp
·
Instituto Politécnico
Rensselaer (RPI), Estados Unidos
·
Universidad Rice, Estados
Unidos
·
Rutgers, Universidad Estatal de Nueva
Jersey, Estados Unidos
·
Samsung Electronics, Corea
del Sur
·
Sungkyunkwan University Advanced Institute of Nano
Technology (SAINT), Corea del Sur
·
Universidad de
California en Los Ángeles (UCLA), Estados Unidos
·
Universidad de Granada (UGR),
Andalucía, España
·
Universidad de Mánchester,
Reino Unido
·
Universidad de Princeton,
Estados Unidos
·
Universidad del Sur de
California (USC), Estados Unidos
·
Universidad de Texas en Austin,
Estados Unidos
·
Universidad de
Wisconsin-Madison, Estados Unidos
·
Universidad Tecnológica de Campeche, Campeche, México
Aplicación del grafeno en nuestro diario vivir.
Grafeno el material de Dios.
