Grafeno: Propriedades e Aplicações

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El grafeno: Premio Nobel, propiedades y aplicaciones
Garćıa Pacheco Miguel Ángel
Universidad Nacional Autónoma de México
Facultad de Ciencias
14 de junio de 2019
Con el desarrollo y crecimiento de la mecánica cuántica
durante el siglo XX, se llegó a tratar de entender y des-
cribir mejor la f́ısica a nivel microscópico, un desarrollo
importante que ha surgido del estudio de los arreglos de
los átomos de los elementos qúımicos, con sus diferentes
estructuras y compuestos que logran formar, dio naci-
miento a la f́ısica del estado sólido, es decir, una parte
de la f́ısica de la materia condensada que se ha dedicado
las últimas décadas a estudiar la materia ŕıgida.
Hoy en d́ıa, se siguen estudiando los diferentes enla-
ces atómicos tales como el covalente, enlace donde se
comparten electrones de valencia y fuerzas como la de
Van der Waals, para obtener mejores formas de realizar
arreglos de átomos con ciertos elementos, para generar
estructuras más optimizadas y aśı poder crear mejores
materiales de uso tanto común como en la industria.
Una de las estructuras que ha dado de que hablar es
la del grafeno, una estructura de patrón regular hexa-
gonal bidimensional (Vease Fig.1) compuesta puramente
de carbono que hasta hoy logró despertar la curiosidad
de los cient́ıficos. Se sabe bien que el carbono es uno de
los elementos que mejor se adapta a los enlaces atómi-
cos, no por nada tiene una rama en la misma qúımica
que le dedica un estudio completo, la qúımica orgánica.
El carbono puede formar diversos materiales tales como
el diamante, el anterior mencionado grafito, el carbono
amorfo, el que es de nuestro interés es el grafeno. Parti-
cularmente en 2010 donde los cient́ıficos Andréy Gueim
y Konstant́ın Novosiólov ganaron el premio nobel de f́ısi-
ca por sus descubrimientos totalmente revolucionarios de
este material.
Figura 1: Representación bidimensional del grafeno, ob-
servese la estructura hexagonal regular
Aunque, el galardón es muy reciente, su descubrimien-
to no. Este mismo remonta a los años entre 1940 y 1950,
donde no hab́ıa sido de mucho interés del cient́ıfico Philip
Russel Wallace que en 1949 calculó la primera estructura
electrónica de bandas. El grafeno fue totalmente ignora-
do en ese entonces por considerarse como un material con
poca o nula estabilidad termodinámica, creyéndose que
era muy fácil de fundirse. En 1986, Barry W. Boehm y sus
colaboradores recomendaron el uso de la palabra grafeno
para nombrar a cada una de las láminas individuales de
carbono que componen el grafito. Puede resultar curioso
pensar que una única lámina de grafeno sea más dura y
resistente que la superposición de muchas. Esto es por-
que, en el grafito, las láminas de carbono están unidas
por las fuerzas de Van der Waals, que son fuerzas mucho
más débiles que las uniones covalentes entre los carbonos
que conforman una lámina de grafeno. No fue hasta 2004
donde los cient́ıficos Andréy Gueim y Konstant́ın Novo-
siólov, lograron sintetizar una capa de grafeno colocando
un trozo de cinta “scotch”, o cinta adhesiva, sobre un
trozo de grafito logrando sintetizar el dichoso material a
temperatura ambiente, para posteriormente en 2010 ob-
tener gracias a esta sintetización el premio nobel de f́ısica.
Debido a la caracterización de esta técnica, y por el he-
cho de obtenerse de esta forma, se interpretó al grafito
como progenitor del grafeno. El grafeno ha permitido a
los f́ısicos estudiar las propiedades de los materiales en
solo dos dimensiones. Muchas de estas propiedades se de-
ben a fenómenos de la mecánica cuántica sin análogo en
el mundo de los materiales en tres dimensiones.
Entrando más particularmente en el material mismo,
el grafeno es un alotropo del carbono, es decir, una es-
tructura molecular que presenta de muchas formas en
un mismo estado f́ısico. Su estructura, es producto de
la hibridación de los orbitales sp2 de los átomos de car-
bono enlazados entre śı. Como sus ángulos de enlace son
iguales a 120◦, denota el porqué de su estructura particu-
larmente hexagonal. Cada uno de los carbonos contiene
cuatro electrones de valencia en este estado de hibrida-
ción, por lo que solo tres de esos electrones se alojan en
los h́ıbridos sp2, formando el esqueleto de la estructu-
1
Jose
Resaltado
Jose
Resaltado
¿Cómo se relaciona con lo visto en clase? Calificación: 8.5
ra. Como sobra un electrón, éste se aloja en un orbital
atómico tipo p perpendicular al plano de los h́ıbridos,
dando lugar a la formación de orbitales moleculares de
tipo π.
El grafeno está denominado como un nanomaterial. Su
extrema delgadez lo hace transparente y muy flexible,
y bajo los tipos de enlaces que lo conforman, lo hacen
uno de los materiales más duros y resistentes. Aśı como
el grafito se caracteriza como el progenitor del grafeno,
este mismo es el precursor de muchas otras formas de
carbono. Es como la unidad elemental básica en dos di-
mensiones para construir todos los materiales graf́ıticos
de las demás dimensiones. Por ejemplo, si las capas de
átomos de carbono las envolvemos a modo de forro de un
balón, arqueadas en estructuras de cero dimensione, ob-
tenemos fullerenos; si las enrollamos ciĺındricamente en
estructuras de 1 dimension, darán lugar a los nanotubos;
finalmente, si superponemos más de 10 capas tridimen-
sionalmente, obtendremos de nuevo el grafito.
Figura 2: De izquierda a derecha, el grafeno formando
fullerenos, nanotubos y grafito
Entre sus propiedades más importantes a destacar te-
nemos:
Ultraligero: Una sola capa de grafeno de un metro
cuadrado pesa tan solo 0.77 g, en comparación con
una placa de acero de la misma superficie, que su-
pone un peso 200 veces menor. Su espaciamiento su-
perficial, según algunos cient́ıficos de la Universidad
de Illinois, le confiere una capacidad de autoenfria-
miento, aunque esto aún no se ha dado a conocer
con certeza.
Maleable: Como se dijo, su delgadez le permite ser
muy flexible, tanto aśı, que su constante elástica es
tan enorme que puede adoptar prácticamente cual-
quier forma.
Resistencia: Su misma dureza supera la del diaman-
te, aśı mismo es 100 veces más resistente que el acero
estructural. Curiosamente Andréy Gueim y Kons-
tant́ın Novosiólov, durante su discurso en la entrega
del premio nobel en el 2010, mencionaron que hi-
potéticamente una hamaca de 1 metro cuadrado de
este material podŕıa soportar el peso de un gato sin
problema, considerando que la delgadez del hamaca
es mucho menor que los bigotes del mismo gato.
Conductividad térmica y eléctrica: Hasta el momen-
to, el grafeno es el mejor conductor térmico conoci-
do, con un valor aproximado de 5000 WmK , mayor que
la del cobre, la plata, lo que le permite disipar el ca-
lor. También es un excelente conductor eléctrico, con
un valor de 0,96 × 108S/m tal que es mejor que el
cobre. A pesar de ello, el grafeno no es ni conductor
ni semiconductor, ni aislante, es un h́ıbrido de las
tres caracteŕısticas ¿Cómo? A nivel cuántico, su su-
perficie y tipo de enlace hacen que los electrones se
mueven a lo largo de toda la red con una velocidad,
aunque 300 menor que la de la luz, lo hacen de ma-
nera muy eficiente, comportándose como part́ıculas
fermionicas. La velocidad y eficiencia de los electro-
nes en la red hacen que el grafeno tenga un efecto
Joule menor al de los demás elementos, en particular
mcho más eficiente que el silicio.
Otras propiedades y caracteŕısticas que destacan es
que soporta radiación ionizante, por lo que cuando luz
incide en él, emite enerǵıa sin llegar a ionizarse, útil en
sistemas de radioterapia. Es muy denso e impermeable,
pero permite el paso de moléculas de agua, por lo que se
ha considerado su utilización en filtración. Una propie-
dad que puede tener much́ısima relevancia en un futuro es
la biocompatibilidad, donde se han hecho experimentos
con ratas mostrando que la toxicidad del óxido de gra-
feno es nula cuando se aplica intravenosamente en pocas
y mediascantidades.
Sus aplicaciones en la actualidad están en la fabrica-
ción de materiales con utilidad en celulares, ordenadores
computacionales. Las propiedades de alta resistencia nos
pueden dar una pauta hacia la fabricación de partes para
aviones, automóviles, satélites etc. La electrónica es un
campo donde le grafeno ha tenido mucha participación,
como elemento principal en la fabricación de circuitos
integrados, transistores donde la empresa IBM ha fabri-
cado muy veloces, tales que en 2010 se anunció que los
transistores que fabricaban alcanzaban una velocidad de
casi 300 GHZ. Finalmente, una de las aplicaciones más
interesantes se ha ido desarrollando en la medicina, don-
de un equipo de cient́ıficos de la Universidad de Mánches-
ter ha demostrado que el óxido de grafeno, actúa como
agente anticanceŕıgeno que se dirige directamente a las
células cancerosas. Gracias a esto el grafeno podŕıa ser
usado para disminuir tumores y prevenir la propagación
del cáncer, pero este descubrimiento aún está siendo es-
tudiado en todas sus posibilidades.
2
Jose
Resaltado
¿Referencia?
Jose
Resaltado
Referencias
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Graphene
[2] https://www.graphenano.com/uploads/2017/
11/Que-es-el-grafeno.pdf
[3] https://www.investigacionyciencia.es/
noticias/premio-nobel-para-los-descubridores-del-grafeno-9522
[4] https://www.seas.es/blog/automatizacion/
el-grafeno-propiedades-caracteristicas-y-aplicaciones/
[5] https://www.researchgate.net/figure/
7-Estructura-electronica-del-grafeno_
fig10_44721349
[6] Menéndez Rosa, B. C. (2014). El grafeno. Ma-
drid, España: Consejo Superior de Investigaciones
Cient́ıficas; Los libros de la Catarata.
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https://www.graphenano.com/uploads/2017/11/Que-es-el-grafeno.pdf
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https://www.investigacionyciencia.es/noticias/premio-nobel-para-los-descubridores-del-grafeno-9522
https://www.investigacionyciencia.es/noticias/premio-nobel-para-los-descubridores-del-grafeno-9522
https://www.seas.es/blog/automatizacion/el-grafeno-propiedades-caracteristicas-y-aplicaciones/
https://www.seas.es/blog/automatizacion/el-grafeno-propiedades-caracteristicas-y-aplicaciones/
https://www.researchgate.net/figure/7-Estructura-electronica-del-grafeno_fig10_44721349
https://www.researchgate.net/figure/7-Estructura-electronica-del-grafeno_fig10_44721349
https://www.researchgate.net/figure/7-Estructura-electronica-del-grafeno_fig10_44721349