El Grafeno

Grafeno

El grafeno es una estructura laminar plana, de un átomo de grosor, compuesta por átomos de carbono densamente empaquetados en una red cristalina en forma de panal de abeja mediante 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 afuerzas 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, losnanotubos 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.

Contenido

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• 1 Descripción

• 2 Propiedades

• 3 Descrito en la década de 1930

• 4 Aplicación en electrónica

• 5 Referencias

• 6 Enlaces externos

[editar]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

[editar]Propiedades

Entre las propiedades más destacadas de este material se incluyen:

 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.

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. 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.6

[editar]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 1949.7 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,8 y de hecho las propiedades de los nanotubos de carbono se describen y entienden fácilmente en términos de las del grafeno.9 10 Se ha descrito también la preparación de nanotiras de grafeno mediante nanolitografía mediante unmicroscopio de efecto túnel.11

[editar]Aplicación en electrónica

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