Francisco Javier Soler Piña
Ángel Torrecillas Bonilla
El material de moda en la actualidad es el grafeno sin lugar a dudas. Sus múltiples aplicaciones abren la puerta a una auténtica revolución tecnológica. Pero... ¿Qué es el grafeno?
Ángel Torrecillas Bonilla
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| Celdas fotovoltaicas de grafeno |
El grafeno es un nanomaterial formado únicamente por carbono. De hecho, es una forma alotrópica de este elemento, al igual que lo es el grafito, el fullereno o el diamante.
Su estructura consiste en celdas hexagonales de carbono. Cada átomo de carbono dispone de cuatro electrones con los que se une a átomos adyacentes, de manera que tres de estos electrones sirven para establecer unión con tres átomos de carbono, que también aportan tres electrones, formándose así tres enlaces σ por cada átomo. El cuarto electrón se encuentra libre y tiende a dar enlaces π con otros electrones libres adyacentes. Las celdas hexagonales dan lugar a láminas de un átomo de espesor que se unen entre sí, en el caso de tener muchas láminas apiladas se hablaría de grafito (carácter tridimensional). Sin embargo, el grafeno puede presentar desde una lámina (monocapa) hasta diez de estas láminas (multicapa) como máximo, de forma que sólo posee dos dimensiones: anchura y longitud (la altura se pierde).
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| Lámina de grafeno constituida por celdas hexagonales |
La estructura es la principal responsable de sus asombrosas propiedades, que le han hecho ganarse el calificativo de "material del futuro".
- Ligereza: Es ultraligero. Una lámina de grafeno de un metro cuadrado pesa tan solo 0,77 miligramos.
- Dureza y resistencia: Posee una dureza superior a la del diamante y es 100 veces más resistente que el acero.
- Conductividad eléctrica: Es un gran conductor eléctrico. Conduce la electricidad de manera parecida al cobre.
- Conductividad térmica: Es el mejor conductor del calor conocido, superando al cobre, la plata y el diamante. Esta propiedad es muy interesante dado que es capaz de soportar altas corrientes eléctricas sin calentarse en exceso.
- Densidad: Es muy denso.
- Bidimensionalidad: Es un material bidimensional porque está formado por una o pocas láminas. Se podría decir que es 100.000 veces más delgado que el cabello humano.
- Flexibilidad: Una lámina de grafeno se puede estirar un 10 % de su tamaño normal de forma reversible y se puede doblar un 20 % sin sufrir daño alguno.
- Transparencia: Apenas absorbe luz, en este aspecto es similar al vidrio.
- Superficie específica: Su alta superficie específica hace que pueda reaccionar con otras sustancias.
Hasta ahora se ha hablado del grafeno, pero se ha obviado su origen. Este material se descubrió en la década de 1930 por exfoliación del grafito. Sin embargo, fue abandonado por considerarse muy poco estable. Ya en el 2004 los doctores Konstantin Novoselov y Andre Geim consiguieron aislarlo, lo cual les llevó a ganar el Premio Nobel de Física en el 2010.
¿Cómo puede obtenerse grafeno?
Existen diferentes maneras de hacerlo. La más sencilla es mediante una cinta adhesiva y un lápiz. El grafito del lápiz puede exfoliarse sobre la cinta adhesiva y dar lugar a láminas de grafeno. También puede conseguirse mediante síntesis química, que puede ser de dos tipos:
- Descomposición química en fase vapor (CVD). En este caso, una fuente de carbón se descompone catalíticamente sobre un sustrato metálico (níquel o cobre normalmente) al calentarse a temperaturas de 800 ºC aproximadamente. La superficie metálica actúa como catalizador y el grafeno se forma sobre la superficie metálica una vez producido el enfriamiento. Para finalizar, hay que separar la lámina del sustrato metálico, lo cual sea realiza generalmente mediante disolución del metal en un agente químico.
- Pirólisis. En la pirólisis se hacen crecer monocapas aisladas de grafeno sobre un cristal monocristalino de carburo de silicio, el cual actúa como sustrato. Para ello se calientan obleas de carburo de silicio a elevadas temperaturas (superiores a 1100 ºC) y se establece alto vacío. Con estas condiciones se consigue que los átomos de silicio sublimen consiguiendo el crecimiento de las monocapas de grafeno sobre su superficie ya que los átomos de carbono se reordenan formando grafeno.
Hay que destacar que la pirólisis es un método poco viable en comparación con el CVD debido a las extremas condiciones de operación requeridas y al rendimiento relativamente bajo obtenido.
En cuanto a sus aplicaciones, el grafeno podría tener aplicaciones en áreas muy variopintas. Por ejemplo, se podría usar en aparatos electrónicos como consecuencia de su alta conductividad eléctrica; en la fabricación de automóviles, aviones y satélites, debido a su bajo peso y elevada dureza; en medicina, para la fabricación de prótesis resistentes y flexibles...
Se pueden desprender algunas conclusiones de todo lo comentado sobre el grafeno:
- Está considerado como el material del futuro debido a su gran variedad de usos, consecuencia directa de sus excelentes propiedades.
- Actualmente no puede usarse a gran escala ya que su producción es cara.
- Se debe seguir investigando para rebajar su coste de producción a nivel industrial. Esto pasa por diseñar nuevos métodos que requieran condiciones menos drásticas.
Referencias:
- University of Manchester
- Graphenea
- Graphenano Nanotechnologies
- Ligereza: Es ultraligero. Una lámina de grafeno de un metro cuadrado pesa tan solo 0,77 miligramos.
- Dureza y resistencia: Posee una dureza superior a la del diamante y es 100 veces más resistente que el acero.
- Conductividad eléctrica: Es un gran conductor eléctrico. Conduce la electricidad de manera parecida al cobre.
- Conductividad térmica: Es el mejor conductor del calor conocido, superando al cobre, la plata y el diamante. Esta propiedad es muy interesante dado que es capaz de soportar altas corrientes eléctricas sin calentarse en exceso.
- Densidad: Es muy denso.
- Bidimensionalidad: Es un material bidimensional porque está formado por una o pocas láminas. Se podría decir que es 100.000 veces más delgado que el cabello humano.
- Flexibilidad: Una lámina de grafeno se puede estirar un 10 % de su tamaño normal de forma reversible y se puede doblar un 20 % sin sufrir daño alguno.
- Transparencia: Apenas absorbe luz, en este aspecto es similar al vidrio.
- Superficie específica: Su alta superficie específica hace que pueda reaccionar con otras sustancias.
Hasta ahora se ha hablado del grafeno, pero se ha obviado su origen. Este material se descubrió en la década de 1930 por exfoliación del grafito. Sin embargo, fue abandonado por considerarse muy poco estable. Ya en el 2004 los doctores Konstantin Novoselov y Andre Geim consiguieron aislarlo, lo cual les llevó a ganar el Premio Nobel de Física en el 2010.
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| De izquierda a derecha: Andre Geim y Konstantin Novoselov |
¿Cómo puede obtenerse grafeno?
Existen diferentes maneras de hacerlo. La más sencilla es mediante una cinta adhesiva y un lápiz. El grafito del lápiz puede exfoliarse sobre la cinta adhesiva y dar lugar a láminas de grafeno. También puede conseguirse mediante síntesis química, que puede ser de dos tipos:
- Descomposición química en fase vapor (CVD). En este caso, una fuente de carbón se descompone catalíticamente sobre un sustrato metálico (níquel o cobre normalmente) al calentarse a temperaturas de 800 ºC aproximadamente. La superficie metálica actúa como catalizador y el grafeno se forma sobre la superficie metálica una vez producido el enfriamiento. Para finalizar, hay que separar la lámina del sustrato metálico, lo cual sea realiza generalmente mediante disolución del metal en un agente químico.
- Pirólisis. En la pirólisis se hacen crecer monocapas aisladas de grafeno sobre un cristal monocristalino de carburo de silicio, el cual actúa como sustrato. Para ello se calientan obleas de carburo de silicio a elevadas temperaturas (superiores a 1100 ºC) y se establece alto vacío. Con estas condiciones se consigue que los átomos de silicio sublimen consiguiendo el crecimiento de las monocapas de grafeno sobre su superficie ya que los átomos de carbono se reordenan formando grafeno.
Hay que destacar que la pirólisis es un método poco viable en comparación con el CVD debido a las extremas condiciones de operación requeridas y al rendimiento relativamente bajo obtenido.
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| Fases del CVD para obtener grafeno |
En cuanto a sus aplicaciones, el grafeno podría tener aplicaciones en áreas muy variopintas. Por ejemplo, se podría usar en aparatos electrónicos como consecuencia de su alta conductividad eléctrica; en la fabricación de automóviles, aviones y satélites, debido a su bajo peso y elevada dureza; en medicina, para la fabricación de prótesis resistentes y flexibles...
Se pueden desprender algunas conclusiones de todo lo comentado sobre el grafeno:
- Está considerado como el material del futuro debido a su gran variedad de usos, consecuencia directa de sus excelentes propiedades.
- Actualmente no puede usarse a gran escala ya que su producción es cara.
- Se debe seguir investigando para rebajar su coste de producción a nivel industrial. Esto pasa por diseñar nuevos métodos que requieran condiciones menos drásticas.
Referencias:
- University of Manchester
- Graphenea
- Graphenano Nanotechnologies
El grafeno solo sirve para que los estudiantes de doctorado sufran.
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