GRAFENO, el material del futuro

El grafeno 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 le otorgó a Andre Geim y a Konstantin Novoselov por sus revolucionarios descubrimientos acerca del material bidimensional grafeno.^{1 2}
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.³ 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 anillos aromáticos condensados.

En el grafeno, la longitud de los enlaces carbono-carbono es de aproximadamente 1,42 Å (ångstroms). 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.

Índice 1 Descripción 2 Propiedades destacadas 2.1 Otras propiedades interesantes desde el punto de vista teórico 3 Se descubrió durante el decenio de 1930 4 Aplicaciones en electrónica 5 Técnicas de producción del grafeno 6 Grafeno en el espacio 7 Compañías y universidades punteras en la investigación del grafeno 8 Véase también 9 Referencias 10 Enlaces externos

Descripción

El grafeno perfecto está constituido exclusivamente por celdas hexagonales. Celdas pentagonales o heptagonales corresponden a defectos. Ante una celda pentagonal aislada, el plano se arruga en forma cónica. La presencia de 12 pentágonos crearía un fullereno. La inserción de un heptágono le aportaría forma de silla. Los nanotubos de carbono de pared única son cilindros de grafeno.
En el compendio tecnológico de la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) se establece:

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.⁴
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:⁵

• Es muy flexible
• Es transparente
• Autoenfriamiento (según algunos científicos de la Universidad de Illinois).
• Conductividad térmica y eléctrica altas.⁶
• Elasticidad y dureza elevadas.
• (Sobre todo) Muy alta dureza: 200 veces mayor que la del acero, casi igual a la del diamante.⁷
• 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.⁸
• Ratio Superficie/Volumen muy alto, lo que le atorga un buen futuro en el mercado de los supercondensadores.
• 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.

Otras propiedades interesantes desde el punto de vista teórico

• Comportamiento como cuasipartículas 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.⁹
• 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.¹⁰

Se descubrió durante el decenio de 1930

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.¹¹ 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 nanoestructuras 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».¹² De hecho las propiedades de los nanotubos de carbono se explican y entienden fácilmente a partir de las inherentes al grafeno.^{13 14} Se ha descrito también la preparación de nanotiras de grafeno mediante nanolitografía, haciendo uso de un microscopio de efecto túnel.¹⁵

Aplicaciones en electrónica

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 de 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).¹⁶ En febrero de 2010, la misma empresa anunció que la velocidad de estos nuevos transistores alcanzó los 100 GHz.¹⁷ En septiembre de 2010 se alcanzaron los 300 GHz.¹⁸
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.¹⁹

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-Instituo 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 colocó 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 http://www.spitzer.caltech.edu/news/1307-feature11-09-Honeycomb-Carbon-Crystals-Possibly-Detected-in-Space

Compañías y universidades punteras en la investigación del grafeno

• AMO GmbH
• BASF, Alemania
• Carben Semicon Ltd, Rusia
• Carbon Solutions, Inc., USA
• Catalyx Nanotech Inc. (CNI), USA
• Georgia Tech Research Institute (GTRI), USA
• Grafoid
• GRAnPH Nanotech
• Graphene Energy Inc., USA
• Graphensic
• Harbin Mulan
• HDPlas
• HRL Laboratories, USA
• IBM, USA
• Massachusetts Institute of Technology (MIT), USA
• Max Planck Institute for Solid State Research, Alemania
• Nanostructured & Amorphous Materials, Inc., USA
• Pennsylvania State University, USA
• Quantum Materials Corp
• Rensselaer Polytechnic Institute (RPI), USA
• Rice University, USA
• Rutgers - The State University of New Jersey, USA
• Samsung Electronics, Corea del Sur
• Sungkyunkwan University Advanced Institute of Nano Technology (SAINT), Corea del Sur
• Universidad de California Los Angeles (UCLA), USA
• Universidad de Manchester, Reino Unido
• Universidad de Princeton
• Universidad de Southern California (USC), USA
• Universidad de Texas at Austin, USA
• Universidad de Wisconsin-Madison, USA

Véase también

• Siliceno

Referencias

1. ↑ Público, 5/10/2010
2. ↑ Anuncio de la Fundación Nobel (en inglés)
3. ↑ Murray Tortarolo, G. y Murray Prisant, G. (julio 2012). Grafeno: ¿La siguiente revolución tecnológica? ¿Cómo ves? Revista de Divulgación de la Ciencia de la Universidad Nacional. Año 14, no. 164, pp. 22-25. ISSN 1870-3186
4. ↑ C. D. Simpson et al. "Synthesis of a Giant 222 Carbon Graphite Sheet" Chemistry - A European Journal, 6 1424 (2002)
5. ↑ Murray Tortarolo, G. y Murray Prisant, G. (julio 2012). Grafeno: ¿La siguiente revolución tecnológica? ¿Cómo ves? Revista de Divulgación de la Ciencia de la Universidad Nacional. Año 14, no. 164, pp. 22-25. ISSN 1870-3186
6. ↑ «The transport properties of graphene: An introduction». Reviews of Modern Physics 82:  pp. 2673-2700. 2010.
7. ↑ Lee, C. et al. (2008). «Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene». Science 321 (5887):  p. 385. doi:10.1126/science.1157996. PMID 18635798. Resumen divulgativo.
8. ↑ Graphene shows unusual thermoelectric response to light.
9. ↑ «Nobel de Física para dos científicos rusos por sus trabajos sobre el grafeno - El País de España.». Consultado el 5 de octubre de 2010.
10. ↑ «La propiedad más inesperada y embriagante del grafeno - BBC Mundo». Consultado el 28 de enero de 2012.
11. ↑ Wallace, P. R. (1947). Physical Review 71, 622.
12. ↑ S. Iijima, Nature 354, 56 (1991)
13. ↑ C. Dekker, Physics Today 52, 22 (1999)
14. ↑ Special-Issue, Physics World 13, 29 (2000)
15. ↑ Tapasztó, Levente; Dobrik, Gergely; Lambin, Philippe; Biro, László (2008). «Tailoring the atomic structure of graphene nanoribbons by scanning tunnelling microscope lithography». Nature Nanotechnology 3. pp. 397-401.
16. ↑ Graphene transistors clocked at 26 GHz Arxiv (en inglés)
17. ↑ Anuncio de IBM sobre la velocidad de los nuevos transistores
18. ↑ Los transistores alcanzan una velocidad de 300 GHz
19. ↑ «Próximamente en sus pantallas: el grafeno - El País de España.». Consultado el 5 de octubre de 2010.

Enlaces externos

• [1] libro gratuito ( en inglés ) "Graphene synthesis: characterization properties and its aplications" ( Jian Ru Gong )( Editorial In Tech, 2011 )
• [2] Blog Noticias del grafeno.
• Reportaje de El País Artículo en El País sobre el grafeno.
• Graphene-Info Graphene news and resources (en inglés).
• The Rise of Graphene (El surgimiento del grafeno) Artículo sobre el grafeno escrito por A. K. Geim y K. S. Novoselov en Nature Materials 6, 183-191 (2007) (en inglés).
• Epitaxial Graphene Lab (en inglés).
• Galería de imágenes - grafito y grafeno.
• Los electrones pierden su masa en hojas de carbón (en inglés) Physics Web (09-Nov-2005).
• Charlas (en inglés) de la conferencia Electronic Properties of Graphene (8-19 enero 2007).
• Artículo de El Comercio El Premio Nobel de Física 2010 es otorgado a expertos que investigaron sobre el grafeno.

El grafeno es, simplemente, una capa cristalina de carbono de sólo un átomo de espesor. Se la ha comparado con una reja de gallinero molecular, en la que cada átomo de carbono se une a tres átomos contiguos formando una pauta de hexágonos, parecida a un panal de abeja.

Hace ya muchos años una estructura semejante aparecía hasta en los libros elementales de física para ilustrar la diferencia entre el diamante y el grafito. En el primero, los átomos de carbono están apilados simétricamente en forma de pequeñas pirámides: La unión entre ellos es muy fuerte en cualquier dirección y de ahí la enorme dureza de esa piedra; en cambio, en el grafito la estructura es planar: Cada capa de átomos mantiene enlaces muy fuertes con los átomos contiguos, pero débiles con las otras capas. Por eso el grafito se exfolia con tanta facilidad.

El grafeno no es más que una simple capa de grafito inconcebiblemente fina. Pero precisamente por estar en el límite de lo imaginable, no puede estudiarse con las técnicas convencionales que se aplican a otros materiales, como el hierro o el cemento. Su comportamiento responde a las leyes de la física atómica, incluidos efectos cuánticos y relativistas. Hay que manejar conceptos exóticos como bandas de energía, fermiones de Dirac, constantes de estructura fina, o efecto Hall anómalo…

En el grafeno aparecen también electrones y “huecos” libres como portadores de carga eléctrica, un concepto familiar para quienes hace cincuenta años estudiaban el comportamiento íntimo de los primeros semiconductores. Eso apunta a la posibilidad de utilizar este material como base para nuevos dispositivos electrónicos. De hecho, sobre grafeno se han fabricado ya transistores de efecto de campo, unos dispositivos electrónicos capaces de conmutar a gran velocidad, y algunos prototipos simples de circuitos integrados. Es sólo cuestión de tiempo que aparezcan los primeros procesadores de grafeno.

Se conoce ya casi una docena de métodos de producción de este material. El más antiguo consiste simplemente en escribir con un lápiz blando: Al rozar sobre el papel, la mina se descama y desprende diminutos fragmentos de grafeno. El que le valió el Nobel de 2010 a André Geim (compartido con Konstantin Novoselov) se basa en arrancar delgadas capas de grafito mediante cinta adhesiva y luego disolver ésta para recuperar las delgadas capas de átomos.

Otros métodos industriales se basan en depósito epitaxial (ir depositando átomos de carbono sobre un sustrato de silicio o metal, como se hace en la fabricación de ciertos semiconductores) o tratamientos químicos a partir de compuestos de sodio, celulosa o la combustión de magnesio sobre hielo carbónico.

La promesa del grafeno se apoya en sus sorprendentes propiedades en muchos campos. De entrada, estas diminutas cadenas constituyen uno de los materiales más resistentes, cientos de veces más que el propio acero. Se han fabricado muestras de “papel de grafeno”, más flexibles, ligeras y duras que el metal. De hecho, éste es uno de los materiales-milagro que ahora investiga la industria aeronáutica.

El grafeno presenta sorprendentes propiedades ópticas. Una capa monoatómica absorbe exactamente el 2,3% de la luz blanca que lo atraviesa. Esta cifra es justo “pi” veces la constante de estructura fina, una de las constantes básicas de la física atómica. Lo cual implica que puede utilizarse como patrón de definición universal de esa cantidad. Además, la aplicación de un campo eléctrico altera sus propiedades ópticas, lo que permitrá aplicaciones que van desde lásers de estado sólido hasta conmutadores optoelectrónicos de gran velocidad.

“La estructura única y la propiedades del grafeno le dan el potencial para impactar en numerosos sectores industriales”, declaró en cierta ocasión Tomas Palacios, primer director del CG, centro de investigación de grafeno del Masasuchets Institute of Technology (MIT).

Sus aplicaciones van de lo más tech a lo más común, del internet ultrarrápido a las plantillas desodorantes para el calzado. Otras posibles aplicaciones son la fabricación de pantallas táctiles (aprovechando su transparencia y alta conductividad eléctrica), sensores de diversos tipos (el grafeno ofrece una gran superficie con espesor casi nulo), células solares flexibles (que quizás podrían “imprimirse” directamente sobre el dispositivo a alimentar), secuenciadores de ADN y condensadores eléctricos de gran capacidad (otras consecuencias de la gran superficie que ofrece el grafeno por unidad de peso). Incluso se ha observado cierto poder bactericida. Quizá en el futuro la envoltura de los tomates del super en lugar de plástico será de grafeno.
FUENTE Wikipedia