Para entender el grafeno debemos repasar los materiales de dónde proviene. Así que en este artículo extenderemos información acerca de los átomos de carbono, los que podríamos llamar los padres de nuestro preciado y estudiado grafeno. No olvidemos el grafito, material que repasaremos en el próximo artículo del cuál se extrae directamente el grafeno ya sea en su forma natural o sintética.
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Qué es el carbono?
El carbono es un elemento químico que pertenece al grupo de los no metales, de número atómico 6 y símbolo C. Tiene tres isótopos, dos de ellos estables (12Cy 13C) y uno radioactivo (14C), siendo el 12C el más abundante en la naturaleza. El carbono se presenta en cuatro formas alotrópicas, es decir, la misma composición pero diferente estructura cristalina, estas son: grafito, diamante, carbino, fullereno o como carbono amorfo (sin estructura cristalina) y es el pilar básico de la química orgánica. Se conocen cerca de 16 millones de compuestos de carbono y forma parte de todos los seres vivos conocidos. Además, la síntesis de carbono en las estrellas constituye una etapa básica del ciclo por el cual se forman muchos otros elementos.
Tipos de estructuras del átomo de carbono
Por su configuración electrónica 1s(cuadrado) 2s(cuadrado) 2sp(cuadrado), el átomo de carbono es muy versátil. Tiene la capacidad de unirse con otros elementos o consigo mismo a través de distintos tipos de enlace y formar una gran variedad de compuestos y estructuras que generan materiales de muy distintas propiedades.
Cuando está unido a otro átomo de carbono por un enlace triple y a un segundo átomo de carbono por un enlace sencillo (a través de orbitales híbridos sp) da lugar a estructuras lineales que pueden ser tan largas como se quiera. Este tipo de estructuras constituyen una forma de carbono poco común que se denomina carbino, el cual puede presentarse en forma lineal o cíclica. Existe un escaso conocimiento sobre los carbinos y ciertas dudas sobre su existencia real en forma pura. No obstante, se han descrito una serie de variedades impuras denominadas “alfa” y “beta” carbinos, chaoíta, carbono VI, carbonos VIII- XIII, etc. Algunos de estos sólidos son de origen natural (la chaoíta fue descubierta en el cráter del meteorito Ries, en Alemania, por ejemplo) y otros fueron sintetizados a partir del acetileno. En la actualidad está despertando un gran interés, ya que estudios teóricos muestran al carbino como un material más fuerte que el grafeno y los nanotubos de carbono, solo falta que sea confirmado experimentalmente.
Si cada átomo de carbono se une covalentemente a otros 3 átomos de carbono a través de una red plana de tipo hexagonal (orbitales híbridos sp(cuadrado)) se llega al grafito. Los átomos de carbono forman un sistema de anillos condensados que dan lugar a láminas paralelas entre sí. Los enlaces químicos en el plano presentan uniones muy fuertes, mientras que las interacciones entre las láminas se deben a fuerzas de Van derWaals, es decir, interacciones a través de la nube electrónica, mucho más débiles.
Cuando el átomo de carbono está unido a otros 4 átomos de carbono formando una estructura tridimensional (vía hibridación sp(cubo)) da lugar al diamante.
En el fullereno los átomos de carbono presentan una hibridación intermedia entre la sp(cuadrado) y la sp(cubo). Esto hace posible que los átomos de carbono puedan combinarse formando hexágonos y pentágonos con estructuras tridimensionales cerradas. La presencia de anillos de 5 átomos de carbono es la que permite la formación de curvaturas. El fullereno más común es el C60 (compuesto de 60 átomos de carbono) y es similar a un balón de fútbol, aunque también se han descrito otros fullerenos como el C70, C80, etc… Los nanotubos de carbono presentan también este tipo de hibridación intermedia.
La mayoría de los materiales de carbono con hibridación sp(cuadrado) se pueden considerar formados por unidades grafénicas, con mayor o menor orden estructural, conectadas por regiones menos ordenadas. El grafeno puede hacerse una pelota para formar fullerenos, enrollarse formando nanotubos o apilarse para formar grafito.
Carbono y sus distintos materiales
Los distintos tipos de enlace del carbono hacen posible la existencia de materiales de carbono de muy diversa estructura y propiedades, así como de distinta morfología y arquitectura. Encontramos desde el carbono vítreo hasta los grátenos, pasando por carbones activados, espumas, fibras de carbono (unidireccionales, telas, preformas), fullerenos y nanotubos. Estos materiales pueden ser estructuralmente ordenados o desordenados, densos o porosos, conductores o aislantes.
Según su grado de perfección estructural se pueden clasificar en materiales grafiticos y no grafiticos.
En los grafiticos, el carbono está dispuesto en planos paralelos unos a otros formando una red cristalina tridimensional próxima a la del grafito. De ahí que el término grafito suela emplearse, aunque de forma incorrecta, para definir los distintos materiales grafiticos. Los materiales no grafiticos pueden ser de dos tipos: grafitizables y no grafitizables. Un material de carbono grafitizable es aquel que, si bien inicialmente no es grafitico, se puede transformar en grafitico mediante un trata- miento a temperaturas superiores a 2.500°.
Por otro lado, los materiales no grafitizables son aquellos cuya estructura nunca se aproximará a la del grafito aunque se sometan a elevadas temperaturas. Un material grafitizable presenta apilamientos relativamente paralelos de las unidades estructurales grafiticas, pero tanto la forma como el tamaño de estas láminas es bastante heterogéneo. Además, la estructura hexagonal es poco regular, ya que existen numerosas vacantes y heteroátomos (oxígeno, nitrógeno…). Con el aumento gradual de la temperatura (siempre en atmósfera inerte, porque si no se quemaría), los planos crecen lateralmente al unirse unos a otros, mientras va disminuyendo el número de defectos presentes en cada lámina. En el rango de temperaturas 2.000 – 2.300 °C se forma una estructura en la que el ordenamiento cristalino es de corto alcance, ya que los diferentes apilamientos no poseen ninguna correlación con los adyacentes. A temperaturas superiores a los 2.300 °C los apilamientos de los planos alcanzan un mayor grado de paralelismo y los heteroátomos desaparecen completamente, aproximándose a la estructura propia del grafito.
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