Ramón Mujal Rosas, Dept. Ingeniería Eléctrica-UPC; Xavier Colom Fajula, Dept. Ingeniería Química-UPC; y Xavier Salueña Berna, Dept. Ingeniería Mecánica-UPC

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Autor: Metales y Metalurgia

El grafeno no deja de ser un material curioso. Su existencia es conocida desde los años treinta. Ya en 1949 Philip Russell calculó su estructura electrónica de bandas, pero han tenido que pasar varias décadas para que se volviera a hablar de este material debido a que era un material altamente inestable donde las fluctuaciones térmicas podrían destruir el orden del cristal dando lugar a su fusión.

En un artículo publicado en Automática e Instrumentación, se explica que, concretamente, no fue hasta el año 2004, cuando los científicos Andréy Geim y Konstantín Novosiólov consiguiesen aislar el grafeno a temperatura ambiente por el método de la cinta adhesiva, lo que les valió el premio Novel de Física en 2010 y abrió las puertas a este nuevo material. Ni tan siquiera la palabra grafeno se adoptó desde el inicio, sino a partir de 1994, después de haber sido designada de diversas formas, como, por ejemplo, monocapa de grafito. A partir de esta fecha el interés por el grafeno no ha hecho más que crecer.

Pero ¿que es lo que hace al grafeno un material tan especial? El grafeno es una estructura de carbono 2D constituida por una sola capa de átomos de carbono sp2 en una red hexagonal, similar al grafito. De hecho, el carbono es uno de los elementos químicos más comunes y conocidos, de forma que los científicos se sorprendieron al encontrar que esta nueva forma de carbono tenía propiedades tan sorprendentes. El carbono presenta muchas formas cristalinas, llamadas alótropos, siendo los más conocidos el diamante y el grafito. Los alótropos son formas diferentes del mismo elemento con enlaces entre átomos distintos, resultando estructuras que tienen propiedades químicas y físicas diferentes.

La forma en que se enlazan los átomos en materiales sólidos tiene un gran impacto en sus propiedades generales. Así, por ejemplo, un diamante y un trozo de grafito son tan diferentes que nunca se diría que ambos están compuestos del mismo elemento, el carbono. Un diamante es un compuesto duro y transparente que es extraído del interior de la Tierra, donde está sometido a grandes presiones, mientras que el grafito es un material ligero y negro extraído del carbón. En el diamante, cada átomo de carbono está conectado a otros cuatro átomos de carbono, lo que le confiere una dureza y un brillo excepcional. En cambio, en el grafito, cada átomo de carbono está enlazado con otros tres átomos en capas de formas hexagonales que se parecen a una colmena de abeja.

Los enlaces dentro de las capas hexagonales son fuertes, pero cada capa está unida con fuerzas de enlace más débiles con la próxima, lo que permite que las capas se deslicen unas sobre otras. Andrey Geim y Konstantin Novoselov utilizaron esta propiedad de laminación para producir muestras de grafeno y para descubrir sus notables propiedades. Las muestras iniciales de grafeno eran muy pequeñas, de solo un par de milímetros cuadrados, pero lo suficientemente grandes para comprobar sus propiedades.

Al tener solo un átomo de grosor, el grafeno es el único material conocido bidimensional. A pesar de ser tan delgado, también es el material más resistente, siendo unas 100 veces más resistente que el acero. También es destacable que sus electrones tengan poca dispersión cuando se mueven, dispersión mucho menor que la que presentan otros materiales, tal como el silicio, lo que permite crear transistores basados en el grafeno dos veces más rápidos que los creados con silicio, potenciando la velocidad de los equipos informáticos.

Propiedades del grafeno

El grafeno por definición posee unas características muy interesantes, algunas absolutamente asombrosas. Su grosor de tamaño nanométrico le hace ser transparente y muy flexible, pero al mismo tiempo, es un material muy duro y resistente. En los últimos años ha generado muchas expectativas debido a sus excelentes propiedades tanto mecánicas, como eléctricas, ópticas y térmicas. Entre éstas cabe destacar que el grafeno absorbe fotones en el rango del visible al infrarrojo con una rápida transición inter-bandas que permite obtener una eficaz respuesta eléctrica. Estas propiedades, junto a la abundancia de carbono en forma de grafito en la naturaleza, lo hacen especialmente interesante.

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