¿Cuál es la estructura del grafeno?

Material de grafeno

El grafeno (/ˈɡræfiːn/[1]) es un alótropo del carbono formado por una única capa de átomos dispuestos en una nanoestructura bidimensional en forma de panal[2][3].[4] El nombre deriva de “grafito” y del sufijo -ene, que refleja el hecho de que el alótropo del carbono grafito contiene numerosos dobles enlaces.

Cada átomo de una hoja de grafeno está conectado a sus tres vecinos más cercanos mediante un enlace σ y contribuye con un electrón a una banda de conducción que se extiende por toda la hoja. Este es el mismo tipo de enlace que se observa en los nanotubos de carbono y en los hidrocarburos aromáticos policíclicos, y (parcialmente) en los fullerenos y el carbono vítreo[5][6] Estas bandas de conducción hacen del grafeno un semimetal con propiedades electrónicas inusuales que se describen mejor mediante teorías para partículas relativistas sin masa[2] Los portadores de carga en el grafeno muestran una dependencia lineal, en lugar de cuadrática, de la energía en el momento, y se pueden fabricar transistores de efecto de campo con grafeno que muestran una conducción bipolar. El transporte de cargas es balístico a grandes distancias; el material presenta grandes oscilaciones cuánticas y un diamagnetismo amplio y no lineal[7] El grafeno conduce el calor y la electricidad de forma muy eficiente a lo largo de su plano. El material absorbe fuertemente la luz de todas las longitudes de onda visibles,[8][9] lo que explica el color negro del grafeno; sin embargo, una sola hoja de grafeno es casi transparente debido a su extrema delgadez. Además, el material es unas 100 veces más resistente que el acero más fuerte del mismo grosor[10][11].

Grafeno deutsch

Se ha estudiado la estructura de las membranas de óxido de grafeno (GO) in situ en disolventes líquidos mediante difracción de rayos X por radiación sincrotrón en un amplio intervalo de temperaturas. Las membranas de GO son hidratadas por el agua de forma similar a los polvos de óxido de grafeno precursores, pero la intercalación de alcoholes se ve fuertemente obstaculizada, lo que explica que las membranas de GO sean permeables al agua y no al etanol. La inserción de etanol en la estructura de la membrana se limita a una sola monocapa en todo el rango de temperaturas estudiado, en contraste con los polvos de óxido de grafito precursores, que se intercalan con hasta dos monocapas de etanol (Brodie) y cuatro monocapas de etanol (Hummers). Como resultado, las membranas de GO demuestran la ausencia de “expansión térmica negativa” y de transiciones de fase relacionadas con la inserción/desinserción de alcoholes al variar la temperatura, como se ha informado anteriormente para los polvos de óxido de grafito. Por lo tanto, las membranas de GO son un tipo de material distinto con propiedades de solvatación únicas en comparación con los óxidos de grafito madre, aunque estén compuestas por las mismas escamas de óxido de grafeno.

Producción de grafeno

El grafeno libre tiene una estructura tridimensional (3D), denominada ondulación, en lugar de un cristal bidimensional (2D) perfecto. Dado que los cálculos teóricos sugieren que la ondulación influye fuertemente en varias propiedades fisicoquímicas fundamentales del grafeno, es importante aclarar cuantitativamente la estructura de la ondulación en los experimentos. Este artículo propone un nuevo método para medir la estructura atómica 3D de una ondulación mediante el uso de microscopía electrónica de transmisión (TEM) con corrección de aberraciones. El método utiliza el hecho de que el contraste 2D de una imagen TEM es sensible a la altura de un anillo de seis miembros. El método propuesto se aplica experimentalmente a una monocapa de grafeno, y se reconstruyen las disposiciones atómicas 3D de las imágenes TEM adquiridas consecutivamente. En ese experimento, se observa que la muestra se mueve hacia arriba. Además, la disposición atómica puede aproximarse como un compuesto de dos estructuras consistentes en una ondulación 3D y un plano 2D. La ondulación se representa como una superposición de ondas sinusoidales, cuyos vectores de onda coinciden con la dirección específica del anillo de seis miembros. También se miden las dependencias temporales de la altura y el tamaño lateral de la ondulación.

Aplicaciones del grafeno

Anteriormente, se han utilizado descripciones como capas de grafito, capas de carbono o láminas de carbono para el término grafeno. Dado que el grafeno designa aquella modificación del elemento químico carbono, en la que las láminas planas de átomos de carbono, cada átomo unido a tres vecinos en una estructura similar a la de un panal de abejas, se apilan en un orden regular tridimensional, no es correcto utilizar para una sola capa un término que incluya el de grafito, que implicaría una estructura tridimensional. El término grafeno debe utilizarse sólo cuando se discutan las reacciones, las relaciones estructurales u otras propiedades de las capas individuales.