EL GRAFENO
TERTULIA
DEL 18/1/17. Juan Vázquez Mateos. Ingeniero de Telecomunicación
1.- El grafeno
El grafeno es una
sustancia compuesta exclusivamente por carbono, como el diamante o el grafito.
Su nombre
proviene de la combinación de la palabra grafito y
el sufijo ‘-eno’ que se utiliza para definir
alquenos en química orgánica (los alquenos son hidrocarburos -moléculas
compuestas por hidrógeno y carbono- insaturados - hidrocarburo en el que algún átomo
de carbono está unido a otro a partir de un enlace doble o triple- que tienen
uno o varios enlaces carbono-carbono en su molécula. Se puede decir que un
alqueno es un alcano que ha perdido dos átomos de hidrógeno produciendo como
resultado un enlace doble entre dos carbonos).
Lo que realmente
define sus propiedades y características, es la unión de los distintos átomos
de carbono entre sí. En el caso del grafeno, cada átomo de carbono dispone de
cuatro electrones con los que interacciona, (electrones de valencia). Tres de
estos electrones se unen con sendos electrones de otros tres átomos de carbono
adyacentes. Estos enlaces se forman en ángulos de 120º sobre un mismo plano,
formando enlaces covalentes *1, en una
red cristalina de dos dimensiones.
El cuarto
electrón se encuentra libre, perpendicular a la estructura cristalina anterior,
y se une a otro electrón libre de un átomo adyacente, formando un orbital en
pi. Si los electrones libres de los átomos de una lámina de grafeno se unen con
los electrones libres de los átomos de otra lámina adyacente, forman grafito.
Así el grafeno es
una estructura laminar plana, bidimensional del espesor del orden de un átomo.
2.- Un poco de historia
En 1907 se
realizó la primera descripción de este nuevo material de carbono. Este trabajo
fue publicado por Acheosn, E. G. en la revista de Journal
of the Franklin Institute.
En 1947 Wallce P. R., publica un artículo en la revista Phyical Review, en el que describe que el grafito
es un semimetal, esto es, que no existen electrones libres a una temperatura
igual a 0 grados Kelvin, pero que si es posible pasar electrones de la banda de
de valencia a la banda de conducción, cuando la temperatura sube de 0 grados
Kelvin
En 1962 se usa
por primera vez el término ‘grafeno’ para referirse al grafito exfoliado
químicamente, proceso en el que por medio de ácidos fuertes y otros químicos,
el grafito se separa (exfolia) produciendo hojas de carbono individuales. Estas
hojas constituyen el material más delgado que existe. Este trabajo fue
publicado por Boehm, H. P.; Clauss, A; Fisher, G; Hofman, U; Fischer, G. O; en
la revista alemana Z Naturforsch.
En 1975 se produce por primera vez grafeno mediante un tratamiento
térmico en el cual es sometido el carburo de silicio a 800 grados centígrados.
A través de este proceso, una monocapa de átomos de carbono es expulsada del
carburo de silicio formando grafeno. Los resultados de este trabajo fueron
publicados en la revista Surface Science.
En 2004 se realizó la producción y descripción de las propiedades
electrónicas del grafeno formado de varias capas (grafeno multicapa). El
material fue producido mediante la técnica de crecimiento epitaxial (proceso
por el que se hace crecer, mediante deposición, sobre una capa cristalina de
material semiconductor, otra capa uniforme y de poco espesor con la misma
estructura cristalina que éste), generando grafeno de 3 capas. El trabajo de
Berger, C; Song, Z; Li, T; Li, X; Ogbazghi, A. Y; Freng, R.; Dai, Z;
Marchenkov, A. N.; Conrad, E. H.; First, P. N. y Heer, W. fue publicado en la
revista J. Phys. Chem
En este mismo año, se describen experimentalmente las propiedades
electrónicas del grafeno colocado sobre un soporte. En el artículo se describen
las propiedades de una película de grafeno monocristalina de pocos átomos de
espesor, pero estable en condiciones normales de temperatura y humedad y que se
comporta como un metal. El trabajo fue publicado por Novoselov, K. S.; Geim, A.
K.; Morozov, S. V.; Jiang, D.; Zhang, Y.; Dubonos, S. V.; Gigorieva, I. V.; y
Firsov, A. A. en la revista Science.
En 2005 Novoselov, K. S., Jiang, D., Schedin, F., Booth, T. J.,
Khotkevich, V. V., Morozov, S. V. y Geim, A. K. utilizaron un método simple
para producir grafeno a partir de grafito utilizando una cinta adhesiva (una
simple cinta adhesiva pegada sobre una superficie de grafito). Este proceso
genera hojas de carbono de un solo átomo de espesor (grafeno), con una alta
cristalinidad, que además son estables en condiciones normales y sin sustrato
alguno. El trabajo se publicó en la revista Proc. Natl. Acad. Sci.
En
2009 comenzaron a producirse hojas de grafeno de gran tamaño mediante la
técnica de de deposición química de vapores (similar al crecimiento epitaxial,
donde el sustrato (oblea) se expone a uno o más precursores volátiles, que reaccionan o se descomponen en la superficie del
sustrato para producir el depósito deseado), utilizando una hoja de níquel como
sustrato. El material resultante se utilizó para fabricar electrodos con muy
baja resistencia eléctrica, transparentes y flexibles. Los resultados se
publicaron en la revista Nature.
Los experimentos llevados a cabo por Geim,
A; y Novoselov, K; les valieron el Premio Nobel de Física en 2010.
3.- Propiedades del grafeno
1.- Dureza: El grafeno es más duro que el diamante. Una lámina de
grafeno es 100 veces más dura que una lámina del mismo grosor de acero
2.- Es transparente, aunque al poseer interacciones con otras
moléculas, similares a las del grafito, a simple vista posee un color grisáceo
3.- Es elástico: la rigidez (resistencia del material a doblarse
por acción de fuerzas externas) es muy baja, menor incluso que la de la fibra
de carbono
4.- Poco pesado: es posible fabricar aerogel de grafeno (material coloidal similar al gel, en el cual el componente líquido es cambiado por un gas,
obteniendo como resultado un sólido de muy baja densidad (3 mg/cm3 ó 3 kg/m3) y altamente poroso. Un material coloidal
es un sistema formado por dos o más fases, normalmente una fluida (líquido)
y otra dispersa en forma de partículas generalmente sólidas muy finas, de diámetro comprendido entre 10-9 y 10-5 m.1 La fase dispersa es la que se halla en
menor proporción. )
El
aerogel de grafeno es un material unas 6 veces menos pesado que el aire y se
comporta como una super esponja, capaz de absorber 900 veces su peso
5.- Posee gran conductividad térmica,
especialmente indicada para disipadores; así como posee una gran capacidad para
autoenfriarse.
6.- Es un buen conductor eléctrico, capaz
de generar corriente al ser excitado con una fuente luminosa. Es el conocido
efecto fotoeléctrico empleado en las placas solares.
7.- En caso de conseguir romperlo, posee la
capacidad de auto-reparación al atraer el electrón libre a otro átomo de
carbono
8.- El agua es capaz de atravesarlo como si
no existiese nada.
9.- Gracias a su excelente conductividad
eléctrica, para la misma tarea, consume menos electricidad que el silicio.
4.- Proceso
de fabricación del grafeno
El grafeno no es fácil de producir a nivel industrial. Ésto se debe a que, para su utilización en aplicaciones 2D (2
dimensiones, esto es, superficies bien sean planas o curvas), es necesario
conseguir láminas extensas, muy finas y de una alta pureza.
Los procesos de
fabricación del grafeno no son especialmente simples, por lo que se requiere
todo un entramado industrial que permita su producción.
Las 4 formas más
comunes de fabricar grafeno que se utilizan hoy en día son:
Exfoliación de grafito.
Éste método consiste básicamente
en arrancar de forma mecánica (mediante algún tipo de material adherente)
láminas de un trozo de grafito. Éste proceso de
obtención del grafeno es realmente simple (se puede hacer en casa) y se
consigue un grafeno bastante puro. El problema es que las cantidades
resultantes suelen ser ínfimas y, además, no siempre se consiguen monocapas de
grafeno.
Deposición de átomos de carbono.
Aquí la idea es
calentar el carbono lo suficiente como para tenerlo suspendido en “el aire” y
después dejar que se enfríe para que, al depositarse sobre un sustrato, se
formen láminas de grafeno bastante homogéneas. Utilizando este proceso de
fabricación de grafeno se pueden conseguir mayores cantidades de material; sin
embargo, los costes de producción son relativamente altos.
Oxidación-Reducción de óxido de
grafeno.
Utilizando reacciones redox se puede conseguir que el oxido
de grafeno (que es un material bastante más fácil de conseguir en grandes
cantidades) sea purificado hasta convertirse en grafeno. Para ello, se oxida el
grafeno con sustancias químicas, por ejemplo, que contengan hidrógeno (que,
junto al oxígeno, formará agua) y posteriormente se reduce con elementos compuestos
de carbono para “rellenar los huecos” formados en el proceso anterior.
Obtención de grafeno de forma artificial.
Además de los
procesos anteriores, se puede operar sobre el grafeno cual cirujano,
manipulando moléculas de óxido de grafeno hasta conseguir el resultado deseado.
Evidentemente se trata de un proceso mucho más costoso, pero permite manipular
el grafeno hasta dotarlo de las características mecánicas y eléctricas que se deseen. Se
trata, sin duda, de uno de los métodos que más está destacando para
obtener grafeno.
5.- Utilidades del grafeno
Baterías
de grafeno
Una de las principales aplicaciones del grafeno se encuentra en
las baterías. Con este material se pueden fabricar baterías más
duraderas, de mayor capacidad, con mayor tasa de carga y más resistentes.
Cableado
Debido a la gran
conductividad y resistencia del grafeno, es un material idóneo para la
transmisión de información y energía. La tasa de datos que se puede conseguir
con cables con grafeno es incluso superior a la de la fibra óptica monomodo
(el modo es la forma de propagación de la señal dentro de la fibra óptica,
dependiendo de la arquitectura física de la fibra, permitirá que la energía,
propagada mediante campos eléctricos, magnéticos o electromagnéticos, siga una
configuración determinada).
Pantallas y displays flexibles
Las láminas de grafeno
son transparentes, flexibles, altamente conductivas y se ven afectadas por
efectos capacitivos al acercar los dedos. Todos estos factores lo convierten en
un elemento ideal para el desarrollo de pantallas táctiles flexibles.
Equipos de audio
Los altavoces
actuales producen sonido moviendo grandes volúmenes de aire con membranas muy
finas. En el caso de algunos sonidos (principalmente los más graves) esto
supone un verdadero quebradero de cabeza. Las membranas sufren grietas con el
uso continuado. En éste sentido, el grafeno presenta la dureza y flexibilidad
perfectas, al mismo tiempo que resulta simple generar vibraciones en las
láminas de grafeno que, además, pesan mucho menos que las actuales.
Sensores fotográficos
Las cámaras
actuales se centran en aumentar el número de sensores para compensar las
carencias de las tecnologías CCD y CMOS. El grafeno puede adaptarse para ser
tremendamente sensible a factores de luminancia (relación entre la intensidad
luminosa de la superficie y el área aparente para un observador alejado de
ella. Se emplea para determinar el brillo y la luminosidad de una imagen), y
crominancia (señal que transporta la información sobre el color de la imagen)
En dispositivos
fotográficos, los sensores se disponen en forma de matriz, donde cada celda es
denominada pixel. La cantidad de energía almacenada en cada pixel dependerá de
la cantidad de luz que incida sobre el mismo
La diferencia
esencial entre un sensor implementado con tecnología CCD y uno implementado con
tecnología CMOS, es que en el sensor CCD, la cámara interpreta la señal
analógica ofrecida por cada sensor, y la convierte a formato digital; en el
sensor CMOS, la señal se ofrece directamente en formato digital, por lo que la
cámara no tiene que realizar la conversión de la señal para poder interpretarla
Los sensores CMOS
son más rápidos (no necesitan el paso intermedio de conversión
analógica-digital, más baratos de construir, más sensibles a la luz; por contra
presentan un peor comportamiento frente al ruido y un rango dinámico peor
(relación entre la saturación del píxel y el umbral bajo el cual no captan
señal)
Placas fotovoltaicas
Adaptar el
grafeno para que se modifique su comportamiento eléctrico con la luz incidente
también tiene aplicaciones directas sobre la generación de energía.
Investigadores de la Universidad de Manchester han creado un material basado en
el grafeno capaz de absorber la energía emitida por el sol para transformarla
en energía a utilizar en el hogar. De este modo la pintura aplicada a la
fachada puede servir de placa fotovoltaica para el consumo del hogar
Generadores eléctricos
Sobre todo en el
campo de los pequeños dispositivos (relojes, teléfonos,
etc; e Internet de las Cosas), una
de las aplicaciones del grafeno más llamativas es su capacidad de comportarse
como un material piezoeléctrico (efecto de transformación de la energía mecánica en energía
eléctrica mediante compresión), produciendo corriente eléctrica al ser
comprimido.
Procesadores a THz
Menor tamaño,
consumo, disipación de calor y autoenfriamiento componen la carta de
presentación del grafeno para los circuitos integrados. Al poder someter este
material a condiciones más exigentes de funcionamiento que el silicio se
consiguen rendimientos increíblemente altos.
El grafeno se
emplea en la fabricación de transistores de efecto de campo que aprovechan la
alta movilidad de portadores con bajo nivel de ruido (el ruido está asociado al
movimiento desordenado de los portadores que les lleva a emplear un tiempo
desigual en su recorrido, esto provoca que la señal proporcionada no sea
limpia, sino que esté ‘alterada’ respecto al valor esperado, pudiendo llegar a
ocasionar errores). Estos transistores componen la base tecnológica de los
procesadores. Su elevada rapidez,
comparada con los construidos con silicio, permiten evitar el uso de procesadores en paralelo y, por
tanto, los tiempos de espera en el envío de información de unos a otros.
Ingeniería biológica
El tamaño y la
sensibilidad de los sensores de grafeno permite a los equipos médicos afinar
mucho en lo relativo a la microcirugía. Además, el grafeno ya está demostrando
ser muy eficiente a la hora de detectar células cancerígenas, permitiendo
eliminar de nuestro organismo exclusivamente las células cancerosas.
Piezas mecánicas
Con la
fabricación de grafeno a gran escala tendremos un material que pesa menos, es
más flexible, más duro y se autorrepara. Sin duda toda una revolución para el
sector industrial.
Filtros semipermeables
Una cualidad
bastante peculiar del grafeno es que es prácticamente transparente frente al
agua y, sin embargo, impide el paso del resto de sustancias. Con estas
características,es posible aplicar el grafeno en filtros de agua potable,
desalinizadoras…
Pinturas
El grafeno puede
agregarse a las pinturas tradicionales para dotarlas de mayor resistencia
(haciendo que no se agrieten a causa de los factores climáticos). También puede
utilizarse para aislar eléctricamente los elementos pintados.
Tejidos de poliester grafenizados para plantillas
Consiste en la
modificación de la superficie del grafeno con platino para su uso en textiles
modificados como membranas. Estos tejidos pueden emplearse para la fabricación
de vendas y plantillas antibacterianas de grafeno.
Anexo I: El enlace covalente en el
grafeno
El átomo de carbono tiene dos propiedades muy interesantes:
•
Tiene una gran facilidad para
“hacerse amigo” de otros átomos de carbono.
•
Tiene en su última capa
cuatro electrones.
Hay una regla en
química según la cual un átomo está “totalmente realizado” si cuenta con ocho
electrones en su última capa. Los átomos forman moléculas siempre con la
tendencia de completarse entre ellos.
Un enlace
covalente es la unión de varios átomos, mediante ‘el préstamo’ de electrones de
la última capa. En el caso del grafeno, la unión entre átomos forma una
estructura hexagonal, parecida a la del benceno. Sus enlaces, para que se
consigan los ocho electrones en la última capa poseen un sólo enlace en tres
lados alternativos del hexágono; y otros tres lados alternativos con dos
enlaces.
Bibliografía
‘Química
general’, Wendell, S; ed. Limusa; 1968
‘Química
ambiental de sistemas terrestres’; Doménech X., Peral J.; ed Reverté
‘Usos y
aplicaciones del grafeno’; Martínez Palacios E., Concha Ruíz D., Rosales
Martínez A.; Benemérita Universidad Autónoma de Puebla
Agradecimiento
A D. Francisco Quintana López, Perito Industrial por la Escuela Técnica de Peritos
Industriales de Sevilla, sin cuyo asesoramiento y paciencia no hubiese sido
posible la elaboración de esta presentación
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