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Invento e inventor: el grafeno

El grafeno

El grafeno es un alótropo del carbono, un teselado hexagonal plano (como un panal) formado por átomos de carbono y enlaces covalentes que se forman a partir de la superposición de los híbridos sp² de los carbonos enlazados.

El Premio Nobel de Física de 2010 fue otorgado a Andre Geim y Konstantin Novoselov por sus revolucionarios descubrimientos sobre el material bidimensional grafeno.¹ ²

La hibridación sp² es la que mejor explica los ángulos de enlace, a 120°, de la estructura hexagonal del grafeno. Como cada uno de los carbonos tiene cuatro electrones de valencia en el estado hibridado, tres de esos electrones se alojarán en los híbridos sp², formando el esqueleto de covalentes simples de la estructura, y el electrón sobrante se alojará en un orbital atómico de tipo p perpendicular al plano de los híbridos. La solapación lateral de dichos orbitales es lo que daría lugar a la formación de orbitales de tipo π. Algunas de estas combinaciones, entre otras, darían lugar a un gigantesco orbital deslocalizado entre todos los átomos de carbono que constituyen la capa de grafeno.

El nombre proviene de GRAFITO + ENO. En realidad, la estructura del grafito puede considerarse como una pila de un gran número de láminas de grafeno superpuestas.³ Los enlaces entre las distintas capas de grafeno apiladas se deben a fuerzas de Van der Waals e interacciones entre los orbitales π de los átomos de carbono.

En el grafeno, la longitud de los enlaces carbono-carbono es de aproximadamente 1,42 Å. Es el componente estructural básico de todos los demás elementos grafíticos, incluidos el propio grafito, los nanotubos de carbono y los fulerenos. Esta estructura también se puede considerar una molécula aromática extremadamente extensa en las dos direcciones del espacio, es decir, sería el caso límite de una familia de moléculas planas de hidrocarburos aromáticos policíclicos llamada grafenos.

Descripción

El grafeno perfecto se constituye exclusivamente de celdas hexagonales; las celdas pentagonales o heptagonales son defectos. Ante la presencia de una celda pentagonal aislada, el plano se arruga en forma cónica; la presencia de 12 pentágonos crearía un fulereno. De la misma forma, la inserción de un heptágono le daría forma de silla. Los nanotubos de carbono de pared única son cilindros de grafeno.

El compendio tecnológico de la IUPAC establece: "anteriormente, se han utilizado para el término grafeno descripciones como capas de grafito, capas de carbono u hojas de carbono... no es correcto utilizar, para una sola capa, un término que incluya el término grafito, que implica una estructura tridimensional. El término grafeno debe ser usado sólo cuando se trata de las reacciones, las relaciones estructurales u otras propiedades de capas individuales". En este sentido, el grafeno ha sido definido como un hidrocarburo aromático policíclico infinitamente alternante de anillos de solo seis átomos de carbono. La molécula más grande de este tipo se constituye de 222 átomos; 10 anillos de benceno.⁴

Propiedades

Entre las propiedades más destacadas de este material se incluyen:⁵

§ Algunos científicos de la Universidad de Illinois aseguran que el grafeno tiene propiedades de autoenfriamiento.

§ Tiene una alta conductividad térmica y eléctrica.⁶

§ Presenta una alta elasticidad y dureza.

§ Sobre todo, una muy alta resistencia (200 veces mayor que la del acero, casi la misma que la del diamante).⁷

§ Puede reaccionar químicamente con otras sustancias para formar compuestos con diferentes propiedades, lo que lo dota de un gran potencial de desarrollo.

§ Soporta la radiación ionizante.

§ Es muy ligero, como la fibra de carbono, pero más flexible.

§ Menor efecto Joule; se calienta menos al conducir los electrones.

§ Consume menos electricidad para una misma tarea que el silicio.

§ Genera electricidad al ser alcanzado por la luz.⁸

Otras propiedades interesantes desde el punto de vista teórico son las siguientes:

§ Los electrones que se trasladan sobre el grafeno se comportan como cuasipartículas sin masa. Son los llamados fermiones deDirac, que se mueven a una velocidad constante independientemente de su energía (como ocurre con la luz), en este caso a unos 10⁶ m/s. La importancia del grafeno, en este aspecto, consiste en estudiar experimentalmente este comportamiento que había sido predicho teóricamente hace más de 50 años.

§ El grafeno presenta un efecto llamado efecto Hall cuántico, por el cual la conductividad perpendicular a la corriente toma valores discretos, o cuantizados, lo que permite medirla con una precisión increíble. La cuantización implica que la conductividad del grafeno nunca puede ser cero (su valor mínimo depende de la constante de Planck y de la carga del electrón).

§ Debido a las propiedades anteriores, los electrones del grafeno pueden moverse libremente por toda la lámina y no quedarse aislados en zonas de las que no pueden salir (efecto llamado localización de Anderson, que representa un problema para sistemas bidimensionales con impurezas).

§ Es casi completamente transparente y tan denso que ni siquiera el átomo de helio, cuyos átomos son los más pequeños que existen (sin combinar en estado gaseoso) podrían atravesarlo.⁹

§ Aún no dejando pasar el helio, sí deja pasar el agua, que estando en un recipiente de grafeno cerrado, se evapora prácticamente a la misma velocidad que si estuviese abierto. ¹⁰

Descrito en la década de 1930

El repentino aumento del interés científico por el grafeno puede dar la impresión de que se trata de un nuevo material. La realidad, sin embargo, es que el grafeno ha sido conocido y descrito desde hace al menos medio siglo. El enlace químico y su estructura se describieron durante la década de 1930, mientras la estructura de bandas electrónica fue calculada por primera vez por P. R. Wallace en 1949.¹¹ La palabra grafeno se adoptó oficialmente en 1994, después de haber sido usada de forma indistinta con mono capa de grafito, en el campo de la ciencia de superficies.

Además, muchas nano estructuras recientemente descubiertas, como los nanotubos de carbono, están relacionadas con el grafeno. Tradicionalmente, los nanotubos de carbono se han descrito como hojas de grafeno enrolladas sobre sí mismas,¹² y de hecho las propiedades de los nanotubos de carbono se describen y entienden fácilmente a partir de las del grafeno.¹³ ¹⁴ Se ha descrito también la preparación de nano tiras de grafeno mediante nano litografía, con el uso de un microscopio de efecto túnel.¹⁵

Aplicaciones en electrónica

El grafeno tiene propiedades ideales para ser utilizado como componente en circuitos integrados. El grafeno tiene una alta movilidad de portadores, así como un bajo nivel de ruido, lo que permite que sea utilizado 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. Los investigadores están buscando métodos como la transferencia de hojas de grafeno desde el grafito (exfoliación) o el crecimiento epitaxial (como la grafitización térmica de la superficie del carburo de silicio-Sic). En diciembre del 2008, IBM anunció que habían fabricado y caracterizado transistores que operaban a frecuencias de 26 GHz.¹⁶ En febrero del 2010, la misma empresa anunció que la velocidad de estos nuevos transistores alcanzaba los 100 GHz.¹⁷

En septiembre del 2010 se alcanzaron los 300 GHz.¹⁸

Las publicaciones especializadas bullen con artículos que presentan a esta estructura de carbono como la Panacea universal en la tecnología y el reemplazo de dispositivos de silicio por grafeno; pero no toda la comunidad científica comparte este optimismo por el grafeno. El célebre físico holandés Walt De Heer afirma que "el grafeno nunca reemplazará al silicio". "Nadie que conozca el mundillo puede decir esto seriamente. Simplemente, hará algunas cosas que el silicio no puede hacer. Es como con los barcos y los aviones. Los aviones nunca reemplazaron a los barcos."¹⁹

Además, el grafeno no tiene una banda de resistividad, propiedad esencial con la que sí cuenta el silicio. Eso significa que el grafeno no puede dejar de conducir electricidad, no se puede apagar.

Andre Geim y Konstantin novoselov

Siguen los anuncios de la Real Academia de las Ciencias de Suecia. Hace algunas horas se dio a conocer el nombre de los afortunados ganadores del Premio Nobel de Física correspondiente a este año. Se trata de dos cientificos de la Universidad de Manchester (Reino Unido), Andre Geim y Konstantin Novoselov. El trabajo que les ha permitido hacerse con el preciado premio tiene relación con uno de los materiales más revolucionarios que se han “descubierto” en las ultimas décadas: el grafeno.

Andre Geim y Konstantin Novoselov.

El grafeno no es otra cosa que una capa muy delgada -en rigor de verdad, puede ser tan delgada como el espesor de un átomo- de carbono, el mismo material del que se compone un diamante o la mina de un lápiz. Cuando los átomos de carbono se distribuyen de la forma apropiada para formar el grafeno, se convierte en un compuesto casi mágico, que posee aplicaciones potenciales en el campo de la electrónica. Según los expertos, el grafeno hará posibles ordenadores más eficaces y veloces que los actuales, pantallas electrónicas flexibles y paneles solares más delgados, con un rendimiento nunca visto, entre muchos “milagros” más. Konstantin Novoselov era un alumno de doctorado de Andre Geim en el momento que hicieron este descubrimiento. Ambos científicos obtuvieron las primeras muestras de este material que hoy asombra al mundo por sus sorprendentes propiedades físicas mediante un procedimiento extremadamente simple: “arrancando”, con un trozo de cinta adhesiva, capas de la superficie de un bloque de grafito. El grafito es un material extremadamente barato y abundante, y es la forma de carbono que utilizamos para construir las minas de los lápices.

El grafeno es un material bidimensional, compuesto por átomos de carbono.

A diferencia de Robert G. Edwards (85 años), quien a principios de esta semanaobtuvo el Premio Nobel de Medicina, estos dos galardonados son jóvenes. Geim, que cuenta con un doctorado en Ciencias Físicas otorgado por la Academia Rusa de Ciencias de Chernogolovka, tiene 51 años. Su colega y ex alumno Novoselov, hoy -al igual que Geim- se desempeña como catedrático en la Universidad de Manchester, recién ha cumplido 36 años. Ambos son rusos de nacimiento, pero desde hace tiempo se encuentran trabajando en el Reino Unido. Están eufóricos por la noticia, y reconocen que “no esperábamos ganar el Nobel”. Los científicos , al igual que Edwards y los demás galardonados cuyos nombres aún no se conocen, recibirán su premio el 10 de diciembre.

Andréy Gueim

Andréy Konstantínovich Gueim (en ruso: "Андрей Константинович Гейм") es un físico nacido en Sochi de padres alemanes del Volga, conocido sobre todo por su trabajo sobre el grafeno,¹ ² el desarrollo de la cinta de geco y demostraciones delevitación diamagnética. El 5 de octubre de 2010, fue galardonado con el Premio Nobel de Física junto con Konstantín Novosiolov. Previamente, en el año 2000 ganó un Ig Nobel por conseguir hacer levitar una rana con imanes.³ Convirtiéndose en la primera persona en ganar un Premio Nobel y un premio Ig Nobel.⁴

Konstantín Novosiólov

Sir Konstantín Serguéievich Novosiolov (en ruso: Константи́н Серге́евич Новосёлов) (Nizhny Tagil, URSS, 23 de agosto de 1974) es un físico ruso-británicoconocido por sus trabajos sobre el grafeno junto con Andréy Gueim, por los cuales recibieron el Premio Nobel de Física en 2010.¹ Es miembro del grupo de trabajo demesoscópica de la Universidad de Mánchester como investigador de la Royal Society

Pregunta tecnológica

Teniendo en cuenta los grandes problemas ambientales en el planeta, ¿Es posible utilizar mas la tecnologia para solucionar estos problemas y no para satisfacer nuestros gustos?

Invento e inventores

Invento: el grafeno, premio nobel de fisica del año 2010

Inventores:

Andre Geim y Konstantin Novoselov científicos de origen ruso son anunciados como ganadores del Nobel de Física 2010 por su valioso aporte con el desarrollo del grafeno.

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