Grafeno propiedades, descubirmiento,aplicaciones

1. Grafeno

2. El grafeno es una sustancia formada de carbono puro, con átomos dispuestos en patrón
regular hexagonal, similar al grafito, pero en una hoja de un átomo de espesor. Es muy
ligero, una lámina de 1 metro cuadrado pesa tan sólo 0,77 miligramos. Se considera 200
veces más fuerte que el acero y su densidad es aproximadamente la misma que la de la
fibra de carbono, siendo, aproximadamente, 5 veces más ligero que el acero.
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.

3. • 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 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.

4. • 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. 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.

5. • Propiedades destacadas
• Entre las propiedades destacadas de este material se incluyen:
• Es extremadamente duro: 100 veces más resistente que una hipotética lámina de
acero del mismo espesor
• Es muy flexible y elástico.
• Es transparente.
• Autoenfriamiento (según algunos científicos de la Universidad de Illinois).
Conductividad térmica y eléctrica altas.
• Hace reacción química con otras sustancias para producir compuestos de diferentes
propiedades. Esto lo dota de gran potencial de desarrollo.
• Sirve de soporte de radiación ionizante.
• Tiene gran ligereza, como la fibra de carbono, pero más flexible.
• Menor efecto Joule: se calienta menos al conducir los electrones.

6. •Para una misma tarea que el silicio, tiene un menor consumo de electricidad.
•Genera electricidad al ser alcanzado por la luz.
•Razón superficie/volumen muy alta que le otorga un buen futuro en el mercado de los
supercondensadores.
•Se puede dopar introduciendo impurezas para cambiar su comportamiento primigenio de
manera que, por ejemplo, no repela el agua o que incluso cobre mayor conductividad.
•Se autorepara; cuando una lámina de grafeno sufre daño y se quiebra su estructura, se genera
un ‘agujero’ que ‘atrae’ átomos de carbono vecinos para así tapar los huecos.
•Posible uso futuro en preservativos.
•En su forma óxida absorbe residuos radioactivos.

7. 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.

8. •(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 las moléculas de helio, que
son las más pequeñas que existen, 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.

9. • Propiedades mecánicas
• El grafeno es de los materiales más duros y fuertes existentes, incluso supera la dureza del
diamante y es 200 veces más resistente que el acero. Es altamente rígido, de hecho, tiene un
módulo de Young de 1 TPa. Por lo tanto soporta grandes fuerzas sin apenas deformarse. Se
trata de un material ligero con una densidad de tan sólo 0,77 miligramos por metro cuadrado
(densidad indica en unidades de superficie como causa de su estructura laminar). También
cabe destacar que soporta grandes fuerzas de flexión, es decir, se puede doblar sin que se
rompa. Para hacerse una idea de la capacidad de estas propiedades mecánicas, el premio
Nobel hizo una comparación con una hamaca de grafeno de un metro cuadrado de
superficie y un solo átomo de espesor. Esta hamaca de grafeno podría soportar hasta 4 kg
antes de romperse (equivalente al peso de un gato). En total esta hamaca pesaría lo mismo
que uno de los pelos del bigote del gato, menos de un miligramo.

10. • 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 Geim y Novoselov 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.