Fullerenos y nanotubos de carbono

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Fullerenos y nanotubos de carbono. 
 
1 Grafeno 
El grafeno es una forma alotrópica de carbono, cuya estructura son hojas planas 
de átomos de carbono con configuración sp2 que están densamente 
empaquetados en una red cristalina de nido de abeja. En esencia son las capas 
que constituyen el material natural grafito. Aunque inicialmente se llamó grafeno a 
una sola capa, posteriormente se distingue entre grafeno de una capa (SLG), de 
dos capas (DLG) y de pocas capas (FLG) para menos de 10 capas. 
 
Figura 1. El grafeno puede enrollarse y dar un nanotubo de carbono, un fullerene y 
apilarse para obtener grafito. Referencia: A. Geim and K. Novoselov, Nature 
Materials 6, 183 (2007) © Nature Publishing Group. 
El termino grafeno fue acuñado como una combinación de grafito y el sufijo-eno 
por H-P. Boehm, que describió láminas de carbono de una sola capa en 1962. La 
longitud del enlace carbono-carbono en el grafeno es de unos 0,142 nanómetros. 
En el grafito, las hojas de grafeno forman una con un espaciado interplanar de 
0,335 nm. Esto implica que ca. 300.000 capas tendrían el espesor de un cabello 
humano. También se puede considerar como un hidrocarburo aromático 
policíclico infinitamente grande. Esto es, las capas de grafeno cumplen con las 
reglas de Huckel. Esta observación debe ser recordada cuando se estudian 
nanoparticulas de grafeno, ya que los bordes de la lámina son altamente 
reactivos porque los electrones de enlace no pueden estar libres y existirán 
enlaces C-H o C-O. 
En 2010 se otorgó el premio Nobel de Fisica a A. Geim y K. Novoselov por sus 
importantes experimentos con grafeno. El renovado interés en el grafeno viene de 
sus especiales propiedades electrónicas. Si se puede aislar en vacío una capa de 
grafeno que tenga dimensiones macroscópicas (e. 1 x 1 cm), los electrones 
podrán moverse en dos dimensiones (en el plano de la capa) a distancias de 
centímetros pero no se moverán en la dirección perpendicular al plano más que 
0.35 nm (distancia 1/1000000 menor). Semejante nivel anisotropía, esto es que una 
propiedad, dependa de la dirección en que se mide, produce propiedades 
especiales. Del punto de vista práctico, mientras muchos objetos de la 
nanotecnología (incluyendo los nanotubos de carbono) poseen propiedades 
electrónicas de gran interés pero no pueden ser conectados fácilmente, una 
capa de grafeno puede ser conectada con simples alambres de cobre ya que 
posee dos dimensiones macroscópicas. Esta característica permite que existan en 
el grafeno unas cuasiparticulas predichas teóricamente por Dirac, llamadas 
fermiones de Dirac (fermiones por Enrico Fermi y de Dirac por Paul Dirac). Durante 
mucho tiempo se supuso que materiales conductores bidimensionales no eran 
estables. La fabricación de grafeno por Geim y Novoselov probó que esto era 
erróneo. 
Además de sus propiedades electrónicas, se ha observado que SLG y sus parientes 
(oxido de grafeno, DLG, FLG) poseen propiedades mecánicas y como materiales 
que los hacen únicos. La gran resistencia mecánica (200 veces mayor que el 
acero) deriva del hecho que para fracturar una pieza de grafeno hay que romper 
enlaces C-C mientras que el acero deforma sin romper enlaces. La utilidad del 
grafeno para fabricar barrera de gases o vapor depende del hecho que las 
moléculas no pueden atravesar las nubes electrónicas de los anillos aromáticos. 
Esta propiedad no es particular del grafeno, ya que la poseen los nanotubos y los 
fulerenos. Sin embargo solo con grafeno pueden fabricarse barreras continuas de 
al menos micrones. Por otra parte, el hecho que en el plano sean relativamente 
grandes impide que ingresen a las células fácilmente disminuyendo drásticamente 
su toxicidad. 
El termino grafeno término apareció por primera vez en 1987 para describir a una 
sola hoja de grafito como uno de los componentes de los compuestos de 
intercalación de grafito (GIC). El avance clave en la ciencia de grafeno se 
produjo cuando Andre Geim y Kostya Novoselov (U. Manchester, UK) lograron 
extraer láminas de grafeno de un solo átomo de espesor desde HOPG (Highly 
Ordered Pyrolytic Graphite) usando cinta adhesiva (2004). Sacaron capas de 
grafeno del grafito y lo transfieren sobre SiO2 depositado sobre una oblea de 
silicio. El SiO2 es un buen aislador eléctrico que interactúa débilmente con el 
grafeno, proporcionando capas de grafeno sin carga. En este material se observó 
el efecto Hall cuántico anómalo que se esperaba. Existen diferencias entre los 
tipos de grafeno ya que el de una capa (SLG) mostrara el máximo de 
propiedades bidimensionales mientras el de pocas capas (FLG) mostrara 
confinamiento cuántico tanto en el plano como en la dirección perpendicular. El 
de dos capas (DLG) muestra propiedades más similares a una capa pero con una 
propiedad especial debida a la conexión electrónica entre las dos capas. 
El grafeno puede ser dopado reemplazando algunos átomos por otros elementos 
(ej. nitrógeno), oxidado a oxido de grafeno (grafeno con grupos funcionales 
oxigenados) o reducido a grafano (grafeno con átomos de hidrogeno unidos a los 
carbonos). La oxidación o reducción genera materiales aislantes ya que se 
interrumpe la conjugación extendida por formación de carbonos sp3. Esto puede 
ser una ventaja ya que se pueden dibujar circuitos en zonas conductoras 
(grafeno) aislados de otros pasos conductores por zonas aislantes (ej. grafano). 
El grafeno, en teoría, es un material sensor excelente debido a su estructura 2D. 
Todo su volumen se expone al entorno, esto lo hace muy eficiente para detectar 
moléculas adsorbidas. Sin embargo, al igual que los nanotubos de carbono, el 
grafeno tiene ningún enlace fuera de su pared y solo puede interactuar por las 
nubes pi de los anillos. Por ello, las moléculas gaseosas no pueden ser fácilmente 
adsorbidas en la superficie de grafeno. La sensibilidad de los sensores de grafeno 
puede ser dramáticamente mejorada por adsorción de moléculas o polímeros. La 
fina capa de moléculas absorbe las moléculas gaseosas e introduce un cambio 
local en la resistencia eléctrica del grafeno. 
Las mediciones mecánicas han demostrado que el grafeno tiene una resistencia a 
la rotura de 200 veces mayor que el acero, con una resistencia a la tracción de 
130 GPa. Utilizando un microscopio de fuerza atómica (AFM), se midió una 
constante de resorte de suspensión en el rango de 5.1 N / m. E módulo de Young 
fue de 1 TPa, mayor que el de grafito (0.13 TPa). Estos altos valores que el grafeno 
es una capa muy fuerte y rígida en la dirección perpendicular al plano. Sumado a 
su transparencia, permite fabricar sensores de presión y resonadores. De hecho, un 
grupo en Corea a fabricado parlantes piezoeléctricos transparentes haciendo un 
sándwich de dos capas de grafeno con una capa intermedia de PVDF (un 
polímero piezoelectrico). 
El grafeno puede fabricarse por distintos métodos. El método original, separación 
de monocapas con una cinta adhesiva, no es práctico para producción en 
cantidad ya que solo se pueden fabricar algunos centímetros cuadrados por 
operación. Se han propuesto métodos fisicoquímicos como la intercalación 
química o electroquímica de iones, por reducción u oxidación, der grafito. De esta 
manera se fuerzan iones y solución entre las capas de grafito, separándolas. Se 
requiere un control cuidadoso para evitar generar grupos químicos en las capas 
de grafito. También se ha propuesto el uso de ultrasonido para separar las capas, 
que se estabilizan por adsorción de surfactantes o polímeros. Por otro lado, se han 
propuesto métodos químicos como la reducción de óxido de grafeno o el corte 
longitudinal de un nanotubo de carbono. Estos métodos producen SLG pero el 
material tendrá defectos ya que es muy difícil reconstituir la red bidimensional 
perfecta o evitar la presencia de grupos funcionales en los bordes de las placas. Es 
posible transformar el óxido de grafenoen grafeno por calentamiento en vacío o 
por iluminación con láser. 
También puede fabricarse por CVD como los nanotubos. Recientemente, el grupo 
de James Tour en la Universidad de Rice (Texas, USA) fabrico SLG por pirolisis (1050 
oC) en atmosfera de H2/Ar de materiales comunes: galletitas, plásticos y 
cucarachas. 
El área de las placas de grafeno puede ir de centímetros cuadrados para 
aplicaciones electrónicas hasta algunos nanómetros cuadrados para 
nanografeno. Ambos son objetos nanotecnológicos ya que tienen una dimensión 
(el espesor de la capa) de menos de 1 nm. 
Ya que la cantidad de electrones es grafeno es pequeña comparada con el área, 
debido a su pequeño espesor (< 1 nm), el flujo de especies en frente del grafeno 
puede arrastrar los electrones. Se ha observado que escurriendo agua sobre una 
pieza de SLG se produce una diferencia de potencial De esta manera, podría 
extraerse energía de un flujo de agua en pequeña escala. 
La gran superficie y baja toxicidad del grafeno ha motivado el uso del material en 
aplicaciones biológicas. Por un lado se ha mostrado que la presencia de grafeno 
influencia positivamente el crecimiento y la diferenciación de células. Por otra 
parte, al adherir el grafeno a células es posible medir cambios dimensionales en 
estas debidos a moléculas en el medio externo. Por último, las nanoparticulas de 
grafeno o oxido de grafeno pueden ser tomadas por células vivas. 
Como con los nanotubos, las principales aplicaciones de los nanotubos son 
electrónicas. Se han construido diodos, transistores de efecto de campo y 
sensores. Por otra parte, el grafeno puede ser usado como electrodo transparente 
de electrocromicos, LEDs y celdas solares. En estas aplicaciones, el grafeno ha 
demostrado ser más útil que los nanotubos de carbono debido a su fácil 
manipulación dado que posee dos dimensiones no nanometricas. 
 
Oxido de grafeno 
La oxidación fuerte del grafito produce el llamado oxido de grafeno (muchas 
veces confundido con este). Esto se debe a que la oxidación crea defectos en las 
capas de grafeno que molestan la interacción entre capas. Además, siendo un 
material semiconductor, es posible crear cargas positivas netas en las capas por 
oxidación. Estas cargas deben ser compensadas por iones de carga negativa 
(aniones) que se intercalan entre las capas y separan mecánicamente. 
El óxido de grafeno contendrá grupos con oxígeno en los bordes de las capas y en 
defectos en las superficies de estas. Ya que estos grupos son polares y pueden 
formar puente hidrogeno con el agua, el óxido de grafeno es dispersable en 
agua. Además, los grupos epóxido, alcohol y carboxílico que están presentes en el 
óxido de grafeno permiten funcionalizar el grafeno por reacciones químicas 
comunes.