1. Descripción del grafeno. ¿Qué es el grafeno?
  2. Historia y descubrimiento del grafeno.
  3. Comercialización.
  4. Propiedades del grafeno.
  5. Repercusiones e inconvenientes del grafeno.
  6. Aplicaciones del grafeno.

1. Descripción del grafeno. ¿Qué es el grafeno?

img_8303.jpgEl grafeno es un alótropo (propiedad de algunos elementos químicos de poseer estructuras químicas diferentes) del carbono, un teselado hexagonal plano (como un panal de abeja) formado por átomos de carbono y enlaces covalentes que se forman a partir de la superposición de los híbridos sp(2) de los carbonos enlazados.

En realidad, la estructura del grafito es una pila de gran cantidad de laminas de grafeno superpuestas y los enlaces entre las distintas capas de grafeno apiladas se deben a las fuerzas de Van der Waals e interacciones de los orbitales π de los átomos de carbono.

Entre las propiedades más sobresalientes se encuentran que es transparente, flexible, extraordinariamente resistente, impermeable, abundante, económico y conduce la electricidad mejor que ningún otro metal conocido, el Grafeno tiene muchas propiedades que no se habían encontrado antes en ningún otro material, en la actualidad el Grafeno tiene fascinados a científicos y a la industria debido a sus fantásticas propiedades.

Aunque fue sintetizado por primera vez en 2004, saltó a la fama en 2010 cuando sus descubridores, los investigadores de origen ruso Andre Geim (Sochi, 1958) y Konstantin Novoselov (Nizhny Tagil, 1974) recibieron el Premio Nobel de Física.

Este versátil material permitirá fabricar desde dispositivos electrónicos con pantallas flexibles y transparentes y baterías ultrarrápidas a potentes paneles solares, sin olvidar aplicaciones en aeronáutica, medicina y otros sectores que se investigan en la actualidad. Además, supone una base excelente para crear nuevos materiales a medida, en función de las necesidades específicas.El estudio de las propiedades del grafeno mantiene ocupados a una gran cantidad de científicos en todo el mundo, entre los que destacan las aportaciones de los físicos teóricos españoles.

La hibridación sp2 (ángulos de 120°) explica la estructura hexagonal del grafeno. Cada uno de los carbonos contiene cuatro electrones de valencia en el estado hibridado, tres de esos electrones se alojan en los híbridos sp2, y forman enlaces covalentes simples. El electrón sobrante se aloja en un orbital atómico de tipo «p» perpendicular al plano de los híbridos. El solapamiento lateral de dichos orbitales da lugar a formación de orbitales de tipo π.
Algunas de estas combinaciones propician un gigantesco orbital molecular deslocalizado entre todos los átomos de carbono que constituyen la capa de grafeno.

2. Historia y descubrimiento del grafeno

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El grafeno ya fue descrito y se conocía desde la década de 1930 y en 1889 ya se mencionaba la posibilidad de formar filamentos de carbono por descomposición térmica de hidrocarburos gaseosos. Además, la palabra grafeno fue oficialmente adoptada en 1994 después de haber sido usada como monocapa de grafito en las ciencias superficiales. Pero no ha sido hasta hace unos años cuando se ha descubierto su verdadera utilidad.


Fue en 2004 cuando se produjo el impulso definitivo en el estudio del grafeno, Andre Geim y Konstantin Novoselov profesor y alumno doctorado de la Universidad de Manchester aislaron las primeras muestras de grafeno a partir de grafito mediante un proceso de exfoliación mecánica. Geim y Novoselov extrajeron el grafeno de un trozo de grafito, como el que se encuentra en cualquier mina de lápiz, utilizando una cinta adhesiva que les permitió extraer una lámina de un solo átomo de carbono.



Entonces se creía imposible fabricar una lámina de un solo átomo de grosor porque era inestable, sin embargo, Geim y Novoselov lograron lo inesperado y recibieron el Premio Nobel de Física en 2010 por el descubrimiento de esta estructura del carbono.




3. Comercialización y producción.
El problema principal que impide la explosión del grafeno es que la producción de grandes muestras es limitada ya que son de poca calidad.

En un principio existen varias formas de producir grafeno. La cinta adhesiva (exfoliación mecánica) fue el método que utilizó Geim para aislarlo por primera vez y puede servir para algunos experimentos, pero no es válido para la industria. Básicamente se comercializa de dos maneras: en formato lámina y en polvo.

Recientemente, investigadores de la Universidad de Rice han conseguido sintetizar grafeno a partir del azúcar común a 800 ºC siendo el grafeno resultante de alta calidad. Otra nueva técnica es que utilizaron fue la oxidación del grafito obteniéndose un polvo llamado óxido de grafito. Posteriormente se suspendió en agua y se colocó en un limpiador ultrasónico. Los ultrasonidos separan las láminas oxidadas de grafeno y permiten la obtención de escamas de grafeno de 300 nm de espesor

En la actualidad hay empresas ligadas al I+D que se dedican a buscar métodos de producción más eficaces para el Grafeno y su comercialización, entre sus principales clientes se encuentran las principales compañías en el campo de la telecomunicación y de la electrónica. Graphenea, con base en San Sebastián, es una de las tres principales productoras de grafeno en lámina a nivel mundial (sus dos principales competidoras son estadounidenses).






4. Propiedades del grafeno.

El grafeno es un material nuevo, aparte de ser el material más delgado del mundo es el más resistente. El Grafeno es tan buen conductor como el cobre y como conductor de calor “supera a todos los materiales conocidos”, señaló la Academia.

Entre las propiedades más destacadas de este material se incluyen:


ØAlta conductividad térmica y eléctrica, el material es semiconductor.

Ø Entre las propiedades físicas del material se pueden observar:
-Alta elasticidad, dureza y resistencia, ya que es el material más resistente.
-Es un material muy flexible, y es casi transparente, y es altamente elástico, y sobre todo duro (200 veces mayor que el acero, casi igual al diamante.
-Es muy ligero, como la fibra de carbono pero más flexible.
ØEl grafeno puede reaccionar químicamente con otras sustancias para formar compuestos con diferentes propiedades, lo que da a este material un fuerte desarrollo.

Ø Soporta la radiación ionizante.

Ø Es muy ligero, como la fibra de carbono, pero más flexible, y también es muy denso, ni una partícula de helio lo puede atravesar.

Ø Se calienta menos el material al conducir los electrones, por lo que posee un menos efecto Joule, por lo que no se recalentaría al usarlo como aparato electrónico, y también consume menos electricidad, incluso menos que el silicio, por lo que su uso será más eficiente.

Ø Autoenfriamiento, el material se podría autoenfriar el mismo (según algunos científicos de la Universidad de Illinois)

Ø El grafeno, al ser alcanzado por la luz, el haz de luz, produciría electricidad.

Ø Su ratio superficie/volumen es muy denso, por lo que hace que el grafeno tenga un buen futuro en el campo de los condensadores.

Ø Se puede dopar introduciendo impurezas para cambiar su comportamiento primigenio de tal manera que se pueda hacer que no repela el agua o que incluso mejore todavía más la conductividad.


Desde el punto de vista teórico posee el grafeno propiedades interesantes:

ØComportamiento como cuasipartículas sin masa de los electrones que se trasladan sobre el grafeno. Son los denominados fermiones de Dirac, que se mueven a velocidad constante, de manera independiente de su energía (como ocurre con la luz), en este caso a unos 106 m/s. A este respecto, la importancia del grafeno consiste en que propicia el estudio experimental de este comportamiento, predicho teóricamente hace más de 50 años.

Ø Efecto Hall cuántico, por el cual la conductividad perpendicular a la corriente toma valores discretos, o cuantizados. Esto permite medirla con suma precisión. La cuantización implica que la conductividad del grafeno nunca puede ser nula (su valor mínimo depende de la constante de Planck y de la carga del electrón).
Ø Hay una movilización libre de electrones por todas las partes del grafeno por lo que no quedan aislados en zonas de las que no puedan salir. Es el efecto conocido como localización de Anderson, que representa un problema en sistemas bidimensionales con impurezas.
Ø Aunque no deja pasar el helio, sí permite paso al agua: en un recipiente de grafeno cerrado se evapora prácticamente a la misma velocidad que si estuviese abierto.
Generalmente las propiedades del grafeno como norma general varían dependiendo del sustrato sobre el cual se deposita.

5. Inconvenientes del grafeno.

Muchos investigadores creen que el Grafeno puede rivalizar con el principal producto de la electrónica, el silicio, pero a pesar de sus numerosas y prometedoras propiedades, se tienen que superar ciertas barreras asociadas a la misma naturaleza del material, sobre todo en lo que se refiere a sus posibles aplicaciones en electrónica. Por ejemplo, a diferencia del silicio, el grafeno no es un material que se pueda detener fácilmente el flujo de la corriente eléctrica, por lo que el Grafeno “puro” no es apropiado para su uso en electrónica.

En contra de esto numerosos investigadores están intentado saltarse este tipo de “barreras”, como por ejemplo intentando alterar químicamente las propiedades del material para hacerlo más apto y funcional.
En el grafeno es difícil ‘detener’ los electrones. Y en un transistor, éstos tienen que ser controlados como con una llave que a veces hay que cerrar y abrir


“Aún se está trabajando por encontrar una forma práctica de fabricarlo a escala industrial y a bajo coste”.

6. Aplicaciones del grafeno.

  • Aplicaciones en la electrónica:
external image articleImageThumbnail.jpgLas propiedades del grafeno son ideales para utilizarlo como componente de circuitos integrados. Está dotado de alta movilidad de portadores, así como de bajo nivel de «ruido». Ello permite que se le utilice como canal en transistores de efecto de campo (FET). La dificultad de utilizar grafeno estriba en la producción del mismo material en el sustrato adecuado. Investigadores están indagando métodos tales como transferencia de hojas de grafeno desde grafito (exfoliación) o crecimiento epitaxial (como la grafitización térmica de la superficie del carburo de silicio.
  • Batería duradera:
Se ha demostrado que con electrodos de grafeno se consiguen baterías diez veces más duraderas. Una de las desventajas de los actuales móviles inteligentes o smartphones es la poca duración de su batería, ya que si el móvil es usado frecuentemente no suele superar muchos más de 24 horas. El grafeno podría ser la solución a este problema ya que los prototipos de baterías fabricadas con electrodos de grafeno son 10 veces más duraderas que las baterías de ion-litio que usan la mayoría de los móviles actuales, además el proceso de carga sería inferior al de éstas (aproximadamente media hora frente a una hora y media aproximada de las de ion-litio). Aún así no se esperan baterías basadas en grafeno hasta dentro de 5 años.
  • Blindaje:
Para que podamos hacernos una idea de la dureza del grafeno, Jaffrey Kysar y James Hone, propusieron una curiosa analogía. Comparó las pruebas realizadas por su equipo con poner una cubierta de plástico sobre una taza de café y medir la fuerza que requeriría pinchar esa cubierta con un lapicero. Pues bien, según explicó Hone, si en lugar de plástico lo que se pusiera sobre la taza de café fuera una lámina de grafeno, después situáramos encima un lápiz, y en lo alto de éste colocáramos un automóvil que se sostuviera en equilibrio sobre él, la lámina de grafeno ni se inmutaría. Se puede decir, sin duda, que el grafeno es el material más duro del mundo
  • Aviación:
El Pentágono ha asignado tres millones de dólares a la Universidad de Princeton para que desarrolle diminutas hojas de grafeno que, añadidas al combustible empleado en los motores de los aviones supersónicos, consigan una optimización en su funcionamiento y una reducción en el consumo y la contaminación ambiental. Según los científicos, este desarrollo puede alumbrar el nacimiento de una nueva era en los motores de combustión de las aeronaves. Los aditivos de combustible fabricados con partículas minúsculas de grafeno podrían lograr que los aviones supersónicos vuelen aún más rápido y que sus motores lleguen a contar con mejores condiciones de eficiencia y protección de la sostenibilidad ambiental.
  • Energía:
Los investigadores ven una amplia variedad de aplicaciones para el papel de óxido de grafeno, incluyendo su uso en membranas con permeabilidad controlada, y para las baterías o ultracondensadores destinados a usos en el ámbito energético. Estos dispositivos de almacenamiento de energía podrían ayudar al almacenar brotes repentinos de energía, por tanto, supondría una ayuda para aprovechar el irregular suministro por parte de las fuentes “verdes”.Esto revolucionará el concepto de energía renovable y la elevará a unas cotas de eficiencia nunca vistas.
  • Detectar enfermedades:
Mike McAlpine, ingeniero investigador de la universidad de Priceton ha desarrollado sensores basados en el Grafeno que se “tatuarían” en los dientes para la detección de enfermedades, las bacterias se pegarían a la superficies de los sensores a modo de velcro. Estos sensores irían sobre una fina capa de seda que se adhiere al diente mediante la saliva, quedaría fuertemente pegado al diente, y adherido a la superficie mediante fuerzas de Wan der Waals.
  • Estudio de líquidos:
En un estudio de la universidad de California publicado en la revista “Science” se señala que el grafeno puede ayudar al estudio de los líquidos. Al intentar estudiar un determinado líquido en la misma resolución que un sólido, antes de observarlo con un microscopio hay que encapsularlo entre dos “pantallas”, estas suelen ser silicio, pero el problema radica en que las pantallas hechas con este material son demasiado gruesas para obtener una resolución óptima. Pues el sustitutivo de estas “pantallas” de silicio pueden ser láminas de grafeno, que debido a se presenta en capas de extrema delgadez, es prácticamente transparente y los líquidos se podrían ver a través de los TEM (microscopios electrónicos de transmisión) con una alta resolución.
Como vemos, la promesa de una nueva era basada en el carbono (y no en el silicio) se acerca a marchas forzadas. En un plazo medio, nos podemos ver inundados de dispositivos, mecanismos y tecnologías basadas en el grafeno, con unos rendimientos varios órdenes de magnitud por encima de lo que estamos acostumbrados ahora.