miniatura|300px|Representación gráfica del grafeno.
miniatura|Micrografía HRTEM (High Resolution Transmission Electron Microscopy) de Grafeno (IDNano). El grafeno es una sustancia compuesta por carbono puro, con átomos organizados en un patrón regular hexagonal, parecido al grafito. Es un material casi transparente. Una lámina de un átomo de espesor es unas 200 veces más resistente que el acero actual más fuerte, siendo su densidad más o menos la misma que la de la fibra de carbono, y unas cinco veces más ligero que el aluminio.
Es un alótropo del carbono, un teselado hexagonal plano formado por átomos de carbono y enlaces covalentes que se generan a partir de la superposición de los híbridos sp2 de los carbonos enlazados.
En 2004, el grafeno fue redescubierto, aislado e investigado en la Universidad de Mánchester por Andréy Gueim y Konstantín Novosiólov. En 2010, Gueim y Novosiólov recibieron el Premio Nobel de Física por sus revolucionarios descubrimientos acerca de este material.5/10/2010. Público.Anuncio de la Fundación Nobel. (En inglés.)
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.
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.Murray Tortarolo, G. y Murray Prisant, G. (julio 2012). Grafeno: ¿La siguiente revolución tecnológica? Revista de Divulgación de la Ciencia de la Universidad Nacional. Año 14, no. 164, pp. 22-25. ISSN 1870-3186 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.
200px|miniatura|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 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.
El grafeno se utiliza como blindaje antibalas y también se utiliza para los coches irrompibles y más seguros del mundo gracias a sus componentes altamente resistentes.
Descripción
En este sentido, al grafeno se le ha definido como hidrocarburo aromático policíclico infinitamente alternante de anillos de solo seis átomos de carbono. La molécula más grande de este tipo contiene 222 átomos de carbono o 37 «unidades de benceno» separadas.C. D. Simpson et al. "Synthesis of a Giant 222 Carbon Graphite Sheet" Chemistry - A European Journal, 6 1424 (2002)
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 × 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).
200px|centrado|Estructuras de resonancia en el benceno, ejemplo clásico.
Propiedades destacadas
Entre las propiedades destacadas de este material se incluyen:
Es extremadamente resistente: 200 veces más resistente que una hipotética lámina de acero del mismo espesor. Es muy flexible y elástico. Es transparente. Auto enfriamiento (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. 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 autorrepara; 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. En su forma óxida absorbe residuos radiactivos. Presenta conducción ambipolar: puede transportar tanto electrones como huecos como portadores de carga
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 cincuenta 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 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.
Propiedades mecánicas
El grafeno es de los materiales más duros y fuertes existentes, incluso supera la dureza del diamante y es doscientas veces más resistente que el acero. Es altamente rígido, de hecho, tiene un módulo de Young de 1TPa. Por lo tanto soporta grandes fuerzas sin apenas deformarse. Se trata de un material ligero con una densidad de tan solo 0,77 miligramos por metro cuadrado (densidad indicada 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 4kg 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.
Formas
Grafeno reforzado Esta forma de grafeno cuenta con barras de refuerzo de nanotubos de carbono incrustadas (o "varillas") es más fácil de manipular, al tiempo que mejora las cualidades eléctricas y mecánicas de ambos materiales.
Los nanotubos de carbono funcionalizados de una o varias paredes se recubren por rotación sobre láminas de cobre y luego se calientan y enfrían, utilizando los propios nanotubos como fuente de carbono. Al calentarse, los grupos funcionales de carbono se descomponen en grafeno, mientras que los nanotubos se dividen parcialmente y forman enlaces covalentes en el plano con el grafeno, lo que agrega fuerza. Los dominios de apilamiento π – π añaden más fuerza. Los nanotubos pueden superponerse, lo que hace que el material sea un mejor conductor que el grafeno estándar cultivado por CVD. Los nanotubos unen eficazmente los límites de los granos que se encuentran en el grafeno convencional. La técnica elimina los rastros de sustrato sobre el que se depositaron láminas separadas posteriormente mediante epitaxia.
Se han propuesto pilas de unas pocas capas como un sustituto rentable y físicamente flexible del óxido de indio y estaño (ITO) utilizado en pantallas y células fotovoltaicas.
Grafeno moldeado En 2015, investigadores de la Universidad de Illinois (UIUC) desarrollaron un nuevo enfoque para generar formas 3D a partir de láminas de grafeno 2D planas. Una película de grafeno que se había empapado en disolvente para que se hinchara y se volviera maleable se superpuso sobre un sustrato subyacente "formador". El solvente se evaporó con el tiempo, dejando una capa de grafeno que había tomado la forma de la estructura subyacente. De esta manera, pudieron producir una gama de formas microestructuradas relativamente intrincadas. Las características varían de 3,5 a 50μm. El grafeno puro y el grafeno decorado con oro se integraron con éxito en el sustrato.https://grafeno.co/hacen-que-el-grafeno-sea-facil-de-moldear/
Aerogel de grafeno Se trata de un aerogel hecho de capas de grafeno separadas por nanotubos de carbono que ha llegado a medirse a 0,16 miligramos por centímetro cúbico. Se liofiliza una solución de grafeno y nanotubos de carbono en un molde para deshidratar la solución, dejando el aerogel. El material tiene una elasticidad y absorción superiores. Puede recuperarse completamente después de una compresión superior al 90 % y absorber hasta 900 veces su peso en aceite, a una velocidad de 68,8 gramos por segundo.https://www.abc.es/ciencia/20130325/abci-aerogel-grafeno-material-liviano-201303251055.html
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 ha sido descrito desde hace más de medio siglo. El enlace químico y su estructura se describieron durante los años 1930. Philip Russell Wallace calculó por primera vez (en 1949) la estructura electrónica de bandas.Wallace, P. R. (1947). Physical Review 71, 622. 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 esta premisa se entiende la revolución que significó que Gueim y Novosiólov 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».