Grafeno

Lámina de grafeno.

El grafeno es una estructura laminar plana, de un átomo de grosor, compuesta por átomos de carbono densamente empaquetados en una red cristalina en forma de panal de abeja mediante enlaces sp². El nombre proviene de GRAFITO + ENO; el grafito consiste de muchas láminas de grafeno apiladas.

En el grafeno, la longitud de los enlaces carbono-carbono es de aproximadamente 1,42 Å. Es el elemento estructural básico de todos los demás elementos grafíticos incluyendo el grafito, los nanotubos de carbón y los fulerenos. Esta estructura también puede considerarse como una molécula aromática infinitamente grande, el caso límite de una familia de moléculas planas de hidrocarbones aromáticos policíclicos llamada grafenos.

Descripción

El grafeno perfecto se constituye exclusivamente de celdas hexagonales; las celdas pentagonales o heptagonales son defectos. Ante la presencia de una celda pentagonal aislada, el plano se arruga en forma cónica; la presencia de 12 pentágonos crearía un fulereno. De la misma forma, la inserción de un heptágono le daría forma de silla. Los nanotubos de carbono de pared única son cilindros de grafeno.

El compendio tecnológico de la IUPAC establece: "anteriormente, descripciones como capas de grafito, capas de carbono u hojas de carbono, se han utilizado para el término grafeno... no es correcto utilizar para una sola capa, un término que incluya el término grafito, que implica una estructura tridimensional. El término grafeno debe ser usado sólo cuando las reacciones, las relaciones estructurales u otras propiedades de capas individuales se discutan.". En este sentido, el grafeno ha sido definido como un hidrocarburo policíclico aromático infinitamente alternante de anillos de sólo seis átomos de carbono. La molécula más grande de este tipo se constituye de 222 átomos; 10 anillos de benceno.​

Propiedades

Entre las propiedades más destacadas de este material se incluyen:

• Alta conductividad térmica y eléctrica.
• Semimetal
• Alta elasticidad y dureza
• El grafeno puede reaccionar químicamente con otras sustancias para formar compuestos con diferentes propiedades, lo que dota a este material de gran potencial de desarrollo.
• Soporta la radiación ionizante.
• Es muy ligero, como la fibra de carbono, pero más flexible.

Otras propiedades interesantes desde el punto de vista teórico son las siguientes:

• Los electrones que se trasladan sobre el grafeno, se comportan como cuasipartículas sin masa. Los llamados fermiones de Dirac. Dichos fermiones se mueven a una velocidad constante independientemente de su energía (como ocurre con la luz), en este caso a unos 10⁶ m/s. La importancia del grafeno, en este aspecto, consiste en estudiar experimentalmente este comportamiento que había sido predicho teóricamente hace más de 50 años.
• El grafeno presenta un efecto llamado efecto Hall cuántico, por el cual la conductividad perpendicular a la corriente toma valores discretos, o cuantizados, permitiendo esto medirla con una precisión increíble. La cuantización implica que la conductividad del grafeno nunca puede ser cero (su valor mínimo depende de la constante de Planck y la carga del electrón).
• Debido a las propiedad anteriores, los electrones del grafeno pueden moverse libremente por toda la lámina y no quedarse aislados en zonas de las que no pueden salir (efecto llamado localización de Anderson, y que es un problema para sistemas bidimensionales con impurezas).

¿Un nuevo material?

El repentino aumento del interés científico en el grafeno puede dar la impresión que se trata de un nuevo material. La realidad sin embargo, es que el grafeno ha sido conocido y descrito desde al menos hace medio siglo. El enlace químico y su estructura se describieron durante la década de 1930, mientras la estructura de bandas electrónica fue calculada por primera vez por Wallace en 1949.​ La palabra grafeno fue oficialmente adoptada en 1994, después de haber sido usada de forma indistinta con monocapa de grafito, en el campo de la ciencia de superficies.

Además, muchas nanoestructuras recientemente descubiertas, como los nanotubos de carbono, están relacionadas con el grafeno. Tradicionalmente, los nanotubos de carbono se han descrito como hojas de grafeno enrolladas sobre sí mismas,​ y de hecho las propiedades de los nanotubos de carbono se describen y entienden facilmente en términos de las del grafeno.​​

Aplicación en electrónica

El grafeno tiene propiedades ideales para ser utilizado como componente en circuitos integrados. El grafeno tiene una alta mobilidad de portadores, así como un bajo nivel de ruido, lo que permite que sea utilizado como canal en transistores de efecto de campo (FET). La dificultad de utilizar grafeno estriba en la producción del mismo material, en el substrato adecuado. Los investigadores están buscando métodos como la transferencia de hojas de grafeno desde el grafito (exfoliación) o el crecimiento epitaxial (como la grafitización térmica de la superficie del carburo de silicio - SiC). En diciembre de 2008, IBM anunció que habían fabricado y caracterizado transistores operando a frecuencias de varios GHz.​

Enlaces externos

• Graphene-Info Graphene news and resources (english)
• The Rise of Graphene Un artículo acerca del Grafeno escrito por A.K. Geim y K.S. Novoselov en Nature Materials 6, 183-191 (2007) Inglés.
• Epitaxial Graphene Lab Inglés
• Galería de imágenes - Gráfito y Grafeno
• Los electrones pierden su masa en hojas de carbón Physics Web (09-Nov-2005)
• Charlas de la Conferencia Electronic Properties of Graphene(Enero 8-19, 2007)