¿Cuántos átomos tiene el grafeno?

Propiedades del grafeno

El grafeno está atrayendo la atención de innovadores de todo el mundo. ¿Puede este material sencillo, ligero, potencialmente barato y renovable cambiar el mundo? Nosotros creemos que sí. Y después de conocer un poco el grafeno, creemos que estará de acuerdo.

El grafeno es una sola capa de átomos de carbono puro unidos con enlaces sp2 en un patrón de red hexagonal. Las capas apiladas de grafeno forman el grafito. El grafeno, que mide un átomo de grosor (0,345Nm), es el compuesto más fino que se conoce. De hecho, es bidimensional. Antes de que se aislara el grafeno, se creía que no podían existir compuestos bidimensionales porque serían demasiado inestables, pero los enlaces carbono-carbono del grafeno son pequeños y fuertes y completamente estables. El grafeno, incluso con un solo átomo de grosor, puede verse a simple vista.

El grafeno se ha estudiado teóricamente durante muchos años, pero fue aislado por primera vez en 2004 por los físicos Andre Geim, Konstantin Novoselov y otros colaboradores de la Universidad de Manchester (Reino Unido). Su pregunta inicial era: ¿Podemos hacer un transistor con grafito? Durante su investigación, Geim y Novoselov extrajeron finas capas de grafito de un cristal de grafito utilizando cinta adhesiva, transfirieron estas capas a un sustrato de silicio y, a continuación, colocaron electrodos y crearon un transistor. Estos investigadores ganaron el Premio Nobel de Física en 2010. Desde este descubrimiento, la investigación sobre el grafeno se ha disparado en todo el mundo.

Aplicaciones del grafeno

En un estudio me he encontrado con algunas preguntas sobre “Cuántos átomos contiene la celda unitaria” del grafeno. Tengo algunos problemas para entender la celda unitaria del grafeno, que siempre se representa como una monocapa de átomos. ¿Qué es una celda unitaria en una monocapa?

La celda unitaria del grafeno es un rombo bidimensional según la figura que aparece en la página 31 de este documento.$^1$ (también aquí.) El resultado es que hay dos átomos por celda unitaria. La estructura superior derecha que aparece realmente en el grafito, capas apiladas de grafeno.

$^1$Zhou, J; Huang, R. Relajación de la red interna de grafeno de una sola capa bajo deformación en el plano. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2008, 56(4), 1609-1623. https://doi.org/10.1016/j.jmps.2007.07.013

Estructura del grafeno

El grafeno es, básicamente, una sola capa atómica de grafito; un mineral abundante que es un alótropo del carbono que está formado por átomos de carbono muy fuertemente enlazados y organizados en una red hexagonal. Lo que hace que el grafeno sea tan especial es su hibridación sp2 y su finísimo grosor atómico (de 0,345 nm). Estas propiedades son las que permiten al grafeno batir tantos récords de resistencia, electricidad y conducción del calor (además de muchos otros). Ahora vamos a analizar qué hace que el grafeno sea tan especial, cuáles son sus propiedades intrínsecas que lo separan de otras formas de carbono y de otros compuestos cristalinos en 2D.

Antes de que se aislara el grafeno monocapa en 2004, se creía teóricamente que los compuestos bidimensionales no podían existir debido a su inestabilidad térmica cuando se separaban. Sin embargo, una vez que se aisló el grafeno, quedó claro que era realmente posible, y los científicos tardaron en averiguar exactamente cómo. Después de estudiar las láminas de grafeno en suspensión mediante microscopía electrónica de transmisión, los científicos creyeron encontrar la razón en una ligera ondulación del grafeno que modificaba la estructura del material. Sin embargo, investigaciones posteriores sugieren que en realidad se debe a que los enlaces carbono-carbono del grafeno son tan pequeños y fuertes que impiden que las fluctuaciones térmicas lo desestabilicen.

Nano grafeno

El grafeno (/ˈɡræfiːn/[1]) es un alótropo del carbono formado por una sola 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 con 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].