Hay un nuevo material del que se habla por todas partes en los últimos años. Parece mágico. Un material que sirve para todo, desde la mejora de los circuitos electrónicos, pantallas táctiles u óptica avanzada, pasando por trasplantes humanos o desarrollos en bioingeniería y medicina. Este maravilloso material es el llamado GRAFENO. Pero, ¿que es?
El grafeno es un material compuesto exclusivamente por átomos de carbono formando una capa de red hexagonal como un panal de abeja en dos dimensiones. Químicamente tiene la forma de un hidrocarburo aromático, por eso la terminación en -eno, con enlaces covalentes de estados hibridados sp² y un orbital p [1]. Es un derivado del grafito (en realidad el grafito son capas apiladas de grafeno), que se encuentra abundantemente en la naturaleza, y por tanto es un material natural y tenemos mucha materia prima para producirlo.
Se considera que es un material bidimensional ya que la red solo tiene el grosor de un átomo de carbono. Por esta razón durante mucho tiempo se consideró que no podría existir en la naturaleza. Los átomos que forman la capa deberían de vibrar en el estado fundamental haciendo que la lámina se curvara o encogiera. En el caso del grafeno, los enlaces y la estructura mantienen ligados los átomos mientras que los electrones hibridados de la capa p, que se encuentra en un plano perpendicular en orbitales tipo π, hacen que la carga efectiva sea nula y que se encuentre en un nivel de Fermi[2]. Esto quiere decir que los electrones se encuentran en equilibrio y por eso las vibraciones no deforman el material mientras que lo hace un buen conductor.
Debido a esta peculiar estructura, el grafeno tiene las siguientes características. Al tener el grosor de un átomo, es transparente, ligero y flexible, mientras que el tipo de enlaces hace que sea más duro que una lámina de acero equivalente. Por su parte, los electrones desapareados de los orbitales p le confieren propiedades eléctricas equiparables a las del silicio mientras que se produce un menor efecto Joule debido a las propiedades térmicas.
Al estar compuesto de carbono, abundante en la naturaleza, es capaz de autorregenerarse por atracción de átomos. Esta misma composición de carbono, hace que sea un material biológico y compatible con el cuerpo humano, que se compone de carbono en un 18%, el segundo más abundante después del agua. Por otro lado, desde el punto de vista químico, el carbono se relaciona bien con un gran número de componentes, por lo que es posible que sustituyendo átomos de carbono por otros dentro del anillo consigamos nuevos materiales de grandes posibilidades.
Estas son algunas de las propiedades que hacen del grafeno un material versátil y aplicable a muchos y diferentes campos. Tiene potencial para un gran número de aplicaciones. Pero la mayoría de ellas son solo teorías o están en fase de estudio. El grafeno surgió como material teórico a mediados del siglo XX pero hasta el año 2004 no se pudo demostrar su sintetización. Los científicos consiguieron aislar una capa de grafeno mediante la aplicación de papel celo a un trozo de grafito para exfoliarlo. Pero este método no era practico industrialmente. En los años posteriores a su descubrimiento, la producción de grafeno era difícil y cara. Ahora, tras unos años de intenso estudio, podemos producir grafeno de diversas formas.
Los rápidos avances en las técnicas de producción de grafeno, además de el gran número de equipos de estudio dedicados a este material, hace posible que pensemos que el paso de la teoría a la práctica no este muy lejano. Teléfonos flexibles, pantallas táctiles sobre todo tipo de superficies que nos otorguen el control sobre electrodomésticos y otros objetos de nuestro hogar, lentes futuristas que superponen información a las imágenes, trasplantes humanos totalmente compatibles con el organismo, estructuras espaciales formadas por nanotubos de grafeno. El grafeno es el material que nos acerca al futuro de las películas de ciencia ficción.
Más información:
1- Enlaces: Los átomos de carbono tienen número atómico 6, por lo que la configuración electrónica base es: 1s² 2s² 2p². Como la ultima capa no esta completa, pueden producirse uniones. En el caso del anillo hexagonal del grafeno se producen enlaces covalentes y para que se puedan dar este enlace los orbitales 2s y 2p (px y py) se hibridan en tres orbitales sp formando un triangulo equilatero mientras que el restante orbital p queda en un plano perpendicular. En la unión entre carbonos los orbitales sp forman enlaces σ y los p enlaces π. En el anillo, tanto el enlace σ como el π se producen de forma alterna.
2- Nivel de Fermi: En la teoría de bandas es el nivel de energía que ocupan los electrones de la última capa de un material en el cero absoluto (0º K). En el caso de un conductor el nivel de Fermi se encuentra en mitad de una banda, lo que permite que los electrones se exciten dentro de su banda y suban de nivel de energía produciendo conducción. Por el contrario, en un material aislante, el nivel de Fermi se encuentra dentro del gap entre bandas (espacio entre las bandas donde no puede haber electrones). Si un electrón de un material aislante quiere saltar el gap necesita mucha energía.
En el caso del grafeno, el nivel de Fermi se encuentra entre dos bandas, pero estas están tocándose, no tienen gap. La banda está completa, por lo que está en equilibrio, pero los electrones pueden saltar a la banda siguiente y conducir electricidad fácilmente.
Referencias:
