No penséis que me olvido de vosotros. Me vais a disculpar pero siento que debo hablar de algo más que de los usos que tiene, ya que en esto de los materiales me educaron bajo las premisas de que para conocer los usos de un material tienes que conocer sus propiedades y para conocer sus propiedades tienes que conocer su estructura, así que voy a empezar hablando sobre la estructura del grafeno. Intentaré hacerlo lo más ligero posible, nada de hablar en profundidad de si redes de Bravais, espacios recíprocos o ecuaciones raras.
Iré editando y poniéndolo todo más bonico, por ahora quiero ir dejando cosillas ya que lo habíais pedido. Por otro lado, decidme si queréis que vaya escribiendo aquí o que haga un hilo dedicado a este tema.
Dicho esto, empecemos.
01 - ¿Qué es el Grafeno?
El Grafeno es un material constituido enteramente por carbono. El carbono es el cuarto elemento más abundante en masa en el Universo, la base química de todas las formas de vida conocidas y el elemento que más compuestos forma, así que podemos deducir que su importancia tiene.
En sus formas alotrópicas (variaciones en la forma de una sustancia simple) podemos encontrar el carbono en forma de diamante, grafito, nanoespumas, carbino y londsdaleíta (encontrada sólo en meteoritos). Aquí he hecho un poco de trampa y no he enumerado el grafeno y los fullerenos. Si cogemos un trozo de grafito y lo exfoliamos hasta obtener láminas de un átomo de espesor habremos obtenido láminas de grafeno, basta con usar cinta adhesiva e ir pegando y despegando sobre un trozo cada vez más pequeño de grafito. Es así como en 2004 Andre Geim y Konstantin Novoselov aislaron grafeno por primera vez en la Universidad de Manchester [1]. La historia es algo curiosa, el experimento de la cinta adhesiva y el grafito lo llevaron a cabo dentro de un programa de experimentos que podían tirar hacia el absurdo pero no por ello tenían menos ciencia detrás. Estos experimentos los hacían algunos viernes por la tarde, y aquel viernes particular revertió en un premio Nobel en 2010 y en el impulso al estudio del grafeno.
Pero dejemos las batallitas y volvamos a la estructura del grafeno. El grafeno está formado por el enlace sobre un mismo plano de átomos de carbono. Cada átomo de carbono tiene cuatro electrones en su capa de valencia, o dicho de otro modo, tiene cuatro electrones disponibles para formar enlaces con otros elementos. No nos es posible saber con exactitud dónde se encuentran los electrones de un átomo, pero por una suerte de teorías y mucha matemática detrás podemos saber las zonas dónde están cada uno de los electrones de valencia con una certeza del 99%, a lo que se llaman orbitales. En el caso del carbono hay dos tipos de orbitales: tres de tipo sp2 y uno de tipo p, todos con forma más o menos elíptica. Los orbitales sp2 comparten el mismo plano, mientras que el p es perpendicular a ellos. Para visualizarlo mejor, os dejo un esquema de cómo quedan estas regiones:
Cuando se forma el grafeno el electrón de un orbital sp2 se enlaza con un electrón sp2 de otro átomo, y se repite el proceso hasta formar toda una lámina. Los electrones en el orbital p forman enlaces que aparecen y desaparecen con otros electrones p adyacentes, por lo que se dice que quedan deslocalizados en el plano y son los principales causantes de las propiedades eléctricas del material. Visto en forma de esquema usando el átomo de la imagen anterior:
Por la geometría de los orbitales, se forma la característica lámina de hexágonos que en algún momento habremos visto todos. No obstante cuidado con estos hexágonos, no son la porción de la estructura cristalina más simple con la que puede describirse (lo que se llama celdilla unidad) el grafeno, sino que es un paralelogramo que contiene dos átomos de carbono, como se muestra aquí:
La celdilla unidad es la región sombreada. c = 0.000000000142 m, a = 0.000000000246 m.
La idea con esto es que si colocamos celdillas unidad una pegada a la otra podemos reconstruir toda la estructura.
El grafeno es interesante no sólo por las propiedades que tiene sino porque puede considerarse la base de otros alótropos. Si apilamos capas sucesivas de grafeno acabaremos por obtener grafito, normalmente con cuatro capas ya se han desvirtuado tanto las propiedades que podemos empezar a hablar de grafito. Si enrollamos una lámina de grafeno formando un cilindro abierto por los extremos obtendremos un nanotubo de carbono. Si empezamos a curvar una lámina de grafeno hasta formar una bola cerrada obtenemos un buckminsterfullereno (buckybola para los amigos). Si unimos una buckybola a una pared de un nanotubo obtenemos un nanobud. Nanotubos, buckybolas y nanobuds son todos fullerenos, o en otras palabras, al cerrar una lámina de grafeno sobre sí misma se obtiene un fullereno.
Referencias
[1] Novoselov, K. S., Geim, A. K., et al. ÔÇ£Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon FilmsÔÇØ. Science (2004); 306(5696):666 ÔÇô 669.
Lo siguiente serán las propiedades del grafeno. Luego vendrán los usos. Si queréis que hable de como se obtiene e incluso de los defectos que puede haber en el material y como afectan a las propiedades decidlo y lo cuelo.