Grafeno

Representación artística del grafeno.

El grafeno es una alotropía del carbono; la cual consiste en un teselado hexagonal plano (como un panal de abeja) formado por átomos de carbono y enlaces covalentes que se formarían a partir de la superposición de los híbridos sp² de los carbonos enlazados.

El Premio Nobel de Física de 2010 fue otorgado a Andre Geim y Konstantin Novoselov por sus revolucionarios descubrimientos sobre el material bidimensional grafeno.^{[1] [2]}

La hibridación sp² es la que mejor explica los ángulos de enlace, a 120°, de la estructura hexagonal. Como cada uno de los carbonos tiene cuatro electrones de valencia en el estado hibridado, tres de esos electrones se alojarán en los híbridos sp², formando el esqueleto de enlaces covalentes simples de la estructura y el electrón sobrante, se alojará en un orbital atómico de tipo p perpendicular al plano de los híbridos. La solapación lateral de dichos orbitales es lo que daría lugar a la formación de orbitales de tipo π. Algunas de estas combinaciones, entre otras, darían lugar a un gigantesco orbital molecular deslocalizado entre todos los átomos de carbono que constituyen la capa de grafeno.

El nombre proviene de GRAFITO + ENO. En realidad, la estructura del grafito puede considerarse como una pila de un gran número de láminas de grafeno superpuestas. Los enlaces entre las distintas capas de grafeno apiladas se debe a fuerzas de Van der Waals e interacciones entre los orbitales π de los átomos de carbono.

Estructura cristalina del grafito en la que se observan las interacciones entre las distintas capas de anillos aromáticos condensados.

En el grafeno, la longitud de los enlaces carbono-carbono es de aproximadamente 1,42 Å. Es el componente estructural básico de todos los demás elementos grafíticos incluyendo el grafito, los nanotubos de carbono y los fulerenos. Esta estructura también se puede considerar como una molécula aromática extremadamente extensa en las dos direcciones del espacio, es decir, sería el caso límite de una familia de moléculas planas de hidrocarburos aromáticos policíclicos llamada grafenos.

Descripción

El grafeno perfecto se constituye exclusivamente de celdas hexagonales; las celdas pentagonales o heptagonales son defectos. Ante la presencia de una celda pentagonal aislada, el plano se arruga en forma cónica; la presencia de 12 pentágonos crearía un fulereno. De la misma forma, la inserción de un heptágono le daría forma de silla. Los nanotubos de carbono de pared única son cilindros de grafeno.

El compendio tecnológico de la IUPAC 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, el grafeno ha sido definido como un hidrocarburo aromático policíclico infinitamente alternante de anillos de sólo seis átomos de carbono. La molécula más grande de este tipo se constituye de 222 átomos; 10 anillos de benceno.^[3]

Propiedades

Entre las propiedades más destacadas de este material se incluyen:

• Algunos científicos de la Universidad de Ilinois en Michigan aseguran que el grafeno tiene propiedades de autoenfriamiento.
• Alta conductividad térmica y eléctrica.^[4]
• Alta elasticidad y dureza.
• Resistencia (200 veces mayor que la del acero).^[5]
• El grafeno puede reaccionar químicamente con otras sustancias para formar compuestos con diferentes propiedades, lo que dota a este material de gran potencial de desarrollo.
• Soporta la radiación ionizante.
• Es muy ligero, como la fibra de carbono, pero más flexible.
• Menor efecto Joule; se calienta menos al conducir los electrones.
• Consume menos electricidad para una misma tarea que el silicio.
• Genera electricidad al ser alcanzado por la luz.^[6]

Otras propiedades interesantes desde el punto de vista teórico son las siguientes:

• Los electrones que se trasladan sobre el grafeno se comportan como cuasipartículas sin masa. Son los llamados fermiones de Dirac. Dichos fermiones se mueven a una velocidad constante independientemente de su energía (como ocurre con la luz), en este caso a unos 10⁶ m/s. La importancia del grafeno, en este aspecto, consiste en estudiar experimentalmente este comportamiento que había sido predicho teóricamente hace más de 50 años.
• El grafeno presenta un efecto llamado efecto Hall cuántico, por el cual la conductividad perpendicular a la corriente toma valores discretos, o cuantizados, permitiendo esto medirla con una precisión increíble. La cuantización implica que la conductividad del grafeno nunca puede ser cero (su valor mínimo depende de la constante de Planck y la carga del electrón).
• Debido a las propiedades anteriores, los electrones del grafeno pueden moverse libremente por toda la lámina y no quedarse aislados en zonas de las que no pueden salir (efecto llamado localización de Anderson, y que es un problema para sistemas bidimensionales con impurezas).
• Es casi completamente transparente y tan denso que ni siquiera el átomo de helio, cuyos átomos son los más pequeños que existen (sin combinar en estado gaseoso) puede atravesarlo.^[7]

Descrito en la década de 1930

El repentino aumento del interés científico por el grafeno puede dar la impresión de que se trata de un nuevo material. La realidad, sin embargo, es que el grafeno ha sido conocido y descrito desde hace al menos medio siglo. El enlace químico y su estructura se describieron durante la década de 1930, mientras la estructura de bandas electrónica fue calculada por primera vez por Wallace en 1949.^[8] La palabra grafeno fue oficialmente adoptada en 1994, después de haber sido usada de forma indistinta con monocapa de grafito, en el campo de la ciencia de superficies.

Además, muchas nanoestructuras recientemente descubiertas, como los nanotubos de carbono, están relacionadas con el grafeno. Tradicionalmente, los nanotubos de carbono se han descrito como hojas de grafeno enrolladas sobre sí mismas,^[9] y de hecho las propiedades de los nanotubos de carbono se describen y entienden fácilmente en términos de las del grafeno.^{[10] [11]} Se ha descrito también la preparación de nanotiras de grafeno mediante nanolitografía mediante un microscopio de efecto túnel.^[12]

Aplicación en electrónica

El grafeno tiene propiedades ideales para ser utilizado como componente en circuitos integrados. El grafeno tiene una alta movilidad de portadores, así como un bajo nivel de ruido, lo que permite que sea utilizado como canal en transistores de efecto de campo (FET). La dificultad de utilizar grafeno estriba en la producción del mismo material, en el substrato adecuado. Los investigadores están buscando métodos como la transferencia de hojas de grafeno desde el grafito (exfoliación) o el 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 operando a frecuencias de 26GHz.^[13] En febrero del 2010, la misma IBM anunció que la velocidad de estos nuevos transistores alcanzaba los 100 GHz.^[14]

En septiembre del 2010 se alcanzaron los 300 GHz^[15]

Las publicaciones especializadas bullen con artículos que presentan a esta estructura de carbono como la Panacea universal en la tecnología y el reemplazo de dispositivos de Silicio por Grafeno; pero no toda la comunidad científica comparte este optimismo por el Grafeno. El célebre físico holandés Walt De Heer afirma que "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 reemplazaron a los barcos".^[16]

Además el Grafeno no tiene una banda de resistividad, propiedad esencial. Eso significa que el grafeno no puede parar de conducir electricidad, no se puede apagar. En cambio el Silicio sí tiene dicha banda.

Referencias

1. ↑ Público, 5/10/2010
2. ↑ Nobel Foundation announcement
3. ↑ C. D. Simpson et al. "Synthesis of a Giant 222 Carbon Graphite Sheet" Chemistry - A European Journal, 6 1424 (2002)
4. ↑ «The transport properties of graphene: An introduction». Reviews of Modern Physics 82:  pp. 2673-2700. 2010. http://arxiv.org/abs/1007.2849. 
5. ↑ 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. http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/321/5887/385. Resumen divulgativo. 
6. ↑ Graphene shows unusual thermoelectric response to light. http://www.mit.edu/newsoffice/2011/graphene-thermoelectric-1007.html. 
7. ↑ «Nobel de Física para dos científicos rusos por sus trabajos sobre el grafeno - El País de España.». Consultado el 5 de Octubre del 2010.
8. ↑ P. R. Wallace, Physical Review 71, 622 (1947)
9. ↑ S. Iijima, Nature 354, 56 (1991)
10. ↑ C. Dekker, Physics Today 52, 22 (1999)
11. ↑ Special-Issue, Physics World 13, 29 (2000)
12. ↑ 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. http://www.nature.com/nnano/journal/v3/n7/full/nnano.2008.149.html. 
13. ↑ Graphene transistors clocked at 26 GHz Arxiv article
14. ↑ http://www.neoteo.com/transistores-de-grafeno-de-100ghz-ibm.neo
15. ↑ http://www.nature.com/nature/journal/v467/n7313/full/nature09405.html
16. ↑ «Próximamente en sus pantallas: el grafeno - El Pais de España.». Consultado el 5 de Octubre del 2010.

Enlaces externos

• Reportaje de El País Artículo de El País sobre el Grafeno.
• Graphene-Info Graphene news and resources (english)
• The Rise of Graphene Un artículo acerca del Grafeno escrito por A.K. Geim y K.S. Novoselov en Nature Materials 6, 183-191 (2007) Inglés.
• Epitaxial Graphene Lab Inglés
• Galería de imágenes - Gráfito y Grafeno
• Los electrones pierden su masa en hojas de carbón (Inglés) Physics Web (09-Nov-2005)
• Charlas (Inglés) de la Conferencia Electronic Properties of Graphene(Enero 8-19, 2007)
• Artículo de El Comercio El Premio Nobel de Física 2010 es otorgado a expertos que investigaron sobre el grafeno