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El grafeno es un alótropo del carbono, un teselado hexagonal plano (como panal de abeja) formado por átomos decarbono 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.
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 solapamientolateral 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 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.
Descripción
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.
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
Propiedades destacadas
Entre las propiedades destacadas de este material se incluyen:
Es muy flexible
Es transparente
Autoenfriamiento (según algunos científicos de la Universidad de Illinois).
Conductividad térmica y eléctrica altas.
Elasticidad y dureza elevadas.
(Sobre todo) Muy alta dureza: 200 veces mayor que la del acero, casi igual a la del diamante.
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.
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
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 cuantizaciónimplica 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.
Se descubrió durante el decenio de 1930
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. 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». 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 nanotiras de grafeno mediante nanolitografía, haciendo uso de un microscopio de efecto túnel
Aplicaciones en electrónica
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). 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
Técnicas de producción del grafeno
El problema principal que impide la explosión 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
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 C70http://www.spitzer.caltech.edu/news/1307-feature11-09-Honeycomb-Carbon-Crystals-Possibly-Detected-in-Space
Compañías y universidades punteras en la investigación del grafeno
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
Curiosidades del Grafeno
La propiedad más inesperada y embriagante del grafeno
Los científicos se asombran de los usos potenciales del grafeno y sus derivados.
Las membranas hechas a base de ese "material milagroso" llamado grafeno sirven para destilar alcohol, de acuerdo a un nuevo estudio publicado en elScience Journal.
Un equipo internacional creó este tipo de membrana a partir del óxido de grafeno. Demostraron que bloquea el paso de varios gases y líquidos, pero sí permite el del agua. Esta característica se une a una larga lista de propiedades fascinantes e inusuales asociadas al grafeno y sus derivados.
Contenido relacionado
El grafeno es una forma de carbono. Se trata de una capa plana de átomos de ese elemento ajustadamente empaquetados en una estructura bidimensional con forma de panal.
Al ser tan fina, es prácticamente transparente. Como conductor de electricidad funciona igual que el cobre, y como conductor de calor, es mejor que cualquier otro material.
Las inusuales propiedades electrónicas, mecánicas y químicas del grafeno a escala molecular prometen numerosas aplicaciones.
Andrei Geim y Konstantin Novoselov de la Universidad de Manchester recibieron el Premio Nobel en Física en 2010 por su descubrimiento, esbozado en un informe científico en 2004.
Geim y otros científicos han desarrollado una lámina hecha de hojas de óxido de grafeno. Éstas resultaron ser cientos de veces más finas que un cabello pero aún así son fuertes, flexibles y fáciles de manipular.
Cuando un recipiente de metal fue sellado con ese film, ni el equipo más sensible pudo detectar la pérdida de aire o cualquier otro gas, incluido el helio.
Pero cuando los investigadores probaron lo mismo con agua, encontraron que se evaporó sin importar el sellado. Las moléculas pasaron a través de las membranas de óxido de grafeno a tal velocidad que la tasa de evaporación era la misma si el recipiente está abierto o sellado.
"Encontramos que la solución destilada se volvió
Rahul Nair, de la Universidad de Manchester, quien encabezó el equipo, comentó que "las hojas de óxido de grafeno se colocan de tal forma que entre ellas sólo hay espacio para una capa de moléculas de agua exactamente".
"Si otro átomo o molécula intenta el mismo truco, encontrará que los capilares de grafeno o se encojen con un poco de humedad o quedan atascados con las moléculas de agua", agrega.
El profesor Gleim, por su parte, añadió que el "gas de helio es difícil de detener". "Lentamente se filtra aun a través de una ventana de vidrio de un milímetro de grosor pero nuestros films ultra finos lo bloquean completamente. Al mismo tiempo, el agua se evapora a través de ellos sin dificultad. Los materiales no se pueden comportar de manera más extraña", subraya.
Nair confiesa que "sólo para divertirse" sellaron una botella de vodka con la membrana. "Encontramos que la solución destilada se volvió más y más fuerte con el tiempo. Ninguno de nosotros bebe vodka pero fue muy entretenido realizar el experimento".
A pesar de esto, los investigadores no ofrecen ninguna idea inmediata en cuanto a su aplicación. Sin embargo, el profesor Geim, comentó que "las propiedades son tan inusuales que es difícil imaginar que no se encuentre algún uso en el diseño de membranas para filtrado, separación o para remoción selectiva de agua".
En otro estudio publicado en el Science Journal, otro quipo de investigadores informó sobre el desarrollo de una membrana basada en un tipo de carbono similar al diamante. Esta membrana tiene unos poros de un tamaño único que permiten el paso ultra rápido de combustible a través de ellos. Un experto dijo que se podría utilizar para filtrar contaminantes tóxicos en el agua o para purificar químicos industriales.
Siliceno
El siliceno es un alótropo bidimensional del silicio, similar al grafeno.
Historia
Aunque los teóricos han especulado sobre la existencia y las posibles propiedades del siliceno, los investigadores observaron primero estructuras de silicio que sugerían al siliceno en 2010. Usando el microscopio de efecto túnel, estudiaron el autoensamblaje molecular de las nanocintas de siliceno y las hojas de siliceno depositadas sobre un cristal de plata con resolución atómica. Las imágenes revelaron hexágonos en una estructura de panal similar a la del grafeno.
Los cálculos con la Teoría del funcional de la densidad (DFT) mostraron que los átomos de silicio tienden a formar tales estructuras de panal en la plata, y a adoptar una ligera curvatura que la hace más apropiada para una configuración tipo grafeno.
En adición a su potencial compatibilidad con las técnicas existentes de semiconductores, el siliceno tiene la ventaja de que sus bordes no exhiben reactividad al oxígeno.
Recientes cálculos DFT han revelado que los grupos (clústers) de siliceno son excelentes materiales para aplicaciones FET. Curiosamente, el siliceno en 2D no es realmente plano y parecen haber distorsiones como arrugas tipo silla distortions en los anillos. Esto lleva a tener ondas ordenadas en su superficie. La hidrogenación de silicenos a silicanos es bastante exotérmica. Esto ha llevado a la predicción de que el proceso de conversión del siliceno al silicane (siliceno hidrogenado) puede ser un eventual candidato para el almacenamiento de hidrógeno. A diferencia del grafito, el cual consiste de varias capas de grafeno débilmente unidas mediante fuerzas de dispersión, el acople entre capas en los silicenos es muy fuerte.
La primera revisión sobre el siliceno ha aparecido.
Progreso reciente
Se reportó que el siliceno crecía en la superficie de Ag(111). Recientemente, varios grupos han informado independientemente fases ordenadas en la misma superficie.
Teoría funcional de la densidad cálculos en 2011 sugirió que las agrupaciones siliceno podría ser un excelente material para el FET aplicaciones.
En 2012, se encontró usando ángulo de resolverse la espectroscopia de fotoemisión de que las hojas siliceno sintetizados en Ag (111) de superficie tienen similares propiedades electrónicas de grafeno, es decir, una dispersión electrónica semejante a la de relativistas fermiones de Dirac en los puntos K de la zona de Brillouin , el así los llamados puntos de Dirac. Por estas hojas siliceno, una velocidad de Fermi-ν F = 1,3 × 10 6 m · s -1 se encontró, lo cual sería comparable a la encontrada para el grafeno . Más recientemente la existencia de fermiones de Dirac para siliceno en Ag (111) también fue observado por espectroscopia túnel de barrido . Los cálculos teóricos discuten la existencia de fermiones de Dirac en siliceno cultivadas en la Ag (111) de superficie.
Siliceno También se ha informado de crecer en un ZRB 2 sustrato.
Zhao et al. mostró que el mecanismo de hibridación pd entre Ag y Si es importante para estabilizar las agrupaciones de silicio casi planas y explica la superioridad de sustrato para el crecimiento de Ag siliceno por cálculos ab initio y simulaciones de dinámica molecular.
Funcional de la Densidad teoría cálculos muestran que la aplicación de un campo eléctrico transversal a través de una hoja siliceno abre una brecha de banda que es proporcional al campo aplicado, y que la estructura se mantiene dinámicamente estable cuando dicho campo eléctrico se aplica.
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