Grafeno: Características y Propiedades

El grafeno se puede definir como una lámina de carbono puro de un solo átomo de espesor dispuestas en un patrón regular hexagonal. Se considera hasta cien veces más fuerte que el propio acero, con una densidad muy parecida a la fibra de carbono y un peso hasta cinco veces más ligero que el más utilizado aluminio. Qué se puede esperar de un material que mejora las propiedades de los tres más utilizados en tantos campos de la industria?

El material de partida para que Geim y Novoselov, los dos descubridores Premio Nobel de Física en 2010, aislaran la lámina de grafeno fue el grafito, así pues haremos especial énfasis a este junto con el carbono.

Como comentábamos, al ser un cristal bidimensional, el grafeno ofrece unas propiedades únicas. Hay que destacar también que el grafeno es sintetizable de diversas formas consiguiendo una estructura y propiedades distintas, lo que nos ofrece grafeno de distintas cualidades. Así entonces, no es de extrañar que se esté convirtiendo en el material de moda del siglo XXI.

Un poco de historia sobre el grafeno

En los años sesenta, los compuestos de intercalación del grafito ya despertaron un gran interés debido a su extraordinaria conductividad eléctrica, estos eran los fullerenos. En los años ochenta, por su extraña forma esférica, que integra ni más ni menos que 60 átomos de carbono, adoptando la forma de una pelota de fútbol, los nanotubos de carbono. A principios de este siglo, cuando a veces nos parece que ya lo hemos descubierto todo, se lograron separar las capas que integran el grafito y aparece el material del siglo, el grafeno.

A pesar de que todo esto parezca muy nuevo, el descubrimiento de las tres últimas formas de carbono fechadas entre 1985 y 2004, es decir, fullereno, nanotubo y grafeno, estos materiales ya habían sido analizados, probados o manejados años atrás. El problema es que no se les había dado la importancia que merecen, o no tenían una clara aplicación en su momento.

Aunque parezca increíble el grafeno ya se utilizó a principios de los años cuarenta, a raíz del desarrollo del grafito para la realización de cálculos teóricos de propiedades eléctricas. En los años sesenta se trató de preparar las primeras láminas delgadas de grafito, que ahora llamamos grafeno. Incluso este término ya se propuso en 1986 como definición para cada una de las capas del grafito, pero hasta 2004 se creía que era imposible aislarlo por ser termodinámicamente inestable, fueron Konstantin Novoselov y Andrew Geim en la Universidad de Mánchcster los que lo consiguieron, por este motivo fueron premiados en 2010 con el Nobel de Física.

 Para evitar confusiones con el pasado y no quitar méritos a los dos honorables científicos la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) ha establecido que “anteriormente, se utilizó para el término grafeno descripciones como capas de grafito, capas de carbono u hojas de carbono… y añade que no es correcto utilizar, para una sola capa, un término que incluya el término grafito, que im-plica una estructura tridimensional. El término grafeno debe ser usado solo cuando se trata de las reacciones, las relaciones estructurales u otras propiedades de capas individuales”.

Así pues, el grafeno se ha definido como un “hidrocarburo aromático policíclico infinitamente alternante de anillos de solo seis átomos de carbono”. De todos modos término grafeno se usa también para hacer referencia a agrupaciones de varias láminas de grafeno, habitualmente usando los términos grafeno mono, bi o multicapa. Diferenciados ya que sus propiedades son distintas.

Terminología utilizada para el grafeno

Dicho lo anterior, parece que en el ámbito científico existen imprecisiones en la terminología utilizada para referirse al grafeno. Para no confundirnos con estudios anteriores a su fecha oficial de descubrimiento, o con otros tipos de materiales que no son considerados grafeno como extenderemos más información. Debe quedar claro es que no es lo mismo una agrupación de cuatro capas de grafito en la que se mantienen las interacciones entre ellas por fuerzas de Van der Waals que cuatro láminas de grafeno apiladas.

La forma más sencilla de comprobar si se trata realmente de grafeno es suspender el material en un disolvente y someterlo a ultrasonidos para verificar si se dispersan las láminas, en caso afirmativo se puede decir que es grafeno.

Propiedades del grafeno

El grafeno es el material bidimensional en el cual cada átomo de carbono se une a otros tres mediante enlaces sp(cuadrado) para formar una lámina con estructura plana parecida a la de un panal de abeja.

Como ya hemos comentado anteriormente, se creía que los materiales bidimensionales no podían existir sin formar parte de estructuras tridimensionales. De esta forma, el grafeno ha pasado totalmente desapercibido hasta 2004, cuando el interés por este material ha explotado. El grafeno es el cristal bidimensional más delgado descubierto en la naturaleza, con un espesor de solo un átomo de carbono. Esta característica es la que le ofrece algunas de sus principales propiedades.

• Ofrece una extraordinaria conductividad eléctrica. Se comporta al mismo tiempo como un metal y como un semiconductor, en el que los electrones se mueven a muy alta velocidad. Ofrece también el llamado “efecto Hall cuántico”, esto implica que la conductividad del grafeno nunca será de cero ya que los electrones pueden moverse libremente por toda la lámina de grafeno y no se quedan aislados en zonas de las que no pueden salir.
• Es casi transparente y tan denso que ni el mismo helio es capaz de atravesarlo.
• Es hasta dos cientas veces más resistente que el propio acero y más duro que el preciado diamante.
• Ofrece la misma ligerez y e incluso más flexibilidad que las fibras de carbono.
• Ofrece unas excelentes propiedades como conductor térmico.
• Totalmente capaz de soportar la radiación ionizante.
• Se puede decir que prácticamente no ofrece el efecto Joule, es decir, pérdida de energía cinética de los electrones en forma de calor. Esto implica que se calienta menos al conducir electrones.
• Ofrece una muy buena movilidad de portadores, movilidad electrónica, también un bajo nivel de ruido, algo que permite que sea utilizado como canal en transistores de efecto de campo (FET).
• Se ha demostrado que puede reaccionar químicamente junto con otras sustancias para formar compuestos con distintas propiedades.

El conjunto de propiedades del grafeno destaca para la generación de baterías, de la que nos hemos especializado en este sitio web baterías de grafeno. Ya se está demostrando su excelente rendimiento en estos productos y lo mejor está por llegar.