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Miércoles, 3 de febrero 2016, 11:56
El grafeno es una sustancia formada por carbono puro, con átomos dispuestos en patrón regular hexagonal, similar al grafito, pero en una hoja de un átomo de espesor. Es muy ligero: una lámina de 1 metro cuadrado pesa tan solo 0,77 miligramos. Se considera 200 veces más fuerte que el acero y su densidad es aproximadamente la misma que la de la fibra de carbono, y es aproximadamente cinco veces más ligero que el aluminio.
Es un alótropo del carbono, un teselado hexagonal plano formado por átomos de carbono y enlaces covalentes que se generan a partir de la superposición de los híbridos sp2 de los carbonos enlazados.
El Premio Nobel de Física de 2010 se les otorgó a los científicos Andréy Gueim y Konstantín Novosiólov por sus revolucionarios descubrimientos acerca de este material.
Mediante la hibridación sp2 se explican mejor los ángulos de enlace, a 120°, de la estructura hexagonal del grafeno. Como cada uno de los carbonos contiene cuatro electrones de valencia en el estado hibridado, tres de esos electrones se alojan en los híbridos sp2, y forman el esqueleto de enlaces covalentes simples de la estructura.
El electrón sobrante se aloja en un orbital atómico tipo P perpendicular al plano de los híbridos. El solapamiento lateral de dichos orbitales da lugar a formación de orbitales de tipo . Algunas de estas combinaciones propician un gigantesco orbital molecular deslocalizado entre todos los átomos de carbono que constituyen la capa de grafeno.
Entre las propiedades destacadas de este material se incluyen
- Es extremadamente duro 100 veces más resistente que una hipotética lámina de acero del mismo espesor6
- Es muy flexible y elástico.
- Es transparente.
- Autoenfriamiento (según algunos científicos de la Universidad de Illinois).
- Conductividad térmica y eléctrica altas.
- Hace reacción química con otras sustancias para producir compuestos de diferentes propiedades. Esto lo dota de gran potencial de desarrollo.
- Sirve de soporte de radiación ionizante.
- Tiene gran ligereza, como la fibra de carbono, pero más flexible.
- Menor efecto Joule se calienta menos al conducir los electrones.
- Para una misma tarea que el silicio, tiene un menor consumo de electricidad.
- Genera electricidad al ser alcanzado por la luz.
- Razón superficie/volumen muy alta que le otorga un buen futuro en el mercado de los supercondensadores.
- Se puede dopar introduciendo impurezas para cambiar su comportamiento primigenio de manera que, por ejemplo, no repela el agua o que incluso cobre mayor conductividad.
- Se autorrepara; cuando una lámina de grafeno sufre daño y se quiebra su estructura, se genera un agujero que atrae átomos de carbono vecinos para así tapar los huecos.
- En su forma óxida absorbe residuos radioactivos.
Otras propiedades interesantes desde el punto de vista teórico
- Comportamiento como cuasipartículas sin masa de los electrones que se trasladan sobre el grafeno. Son los denominados fermiones de Dirac, que se mueven a velocidad constante, de manera independiente de su energía (como ocurre con la luz), en este caso a unos 106 m/s. A este respecto, la importancia del grafeno consiste en que propicia el estudio experimental de este comportamiento, predicho teóricamente hace más de 50 años.
- Efecto Hall cuántico, por el cual la conductividad perpendicular a la corriente toma valores discretos, o cuantizados. Esto permite medirla con suma precisión. La cuantización implica que la conductividad del grafeno nunca puede ser nula (su valor mínimo depende de la constante de Planck y de la carga del electrón).
- Efecto Hall cuántico fraccionario.
- (Debido a las propiedades anteriores) Movilización libre de los electrones por toda la lámina del grafeno no quedan aislados en zonas de las que no puedan salir. Es el efecto conocido como localización de Anderson, que representa un problema en sistemas bidimensionales con impurezas.
- Transparencia casi completa y densidad tal que ni siquiera las moléculas de helio, que son las más pequeñas que existen, podrían atravesarlo.9
- Aunque no deja pasar el helio, sí permite paso al agua en un recipiente de grafeno cerrado se evapora prácticamente a la misma velocidad que si estuviese abierto.
El nombre proviene de intercambio en el vocablo grafito de sufijos: «ito» por «eno»: propio de los carbonos con enlaces dobles. En realidad, la estructura del grafito puede considerarse una pila de gran cantidad de láminas de grafeno superpuestas. Los enlaces entre las distintas capas de grafeno apiladas se deben a fuerzas de Van der Waals e interacciones de los orbitales de los átomos de carbono.
Estructura cristalina del grafito. Se ilustran las interacciones de las diversas capas de anillos aromáticos condensados.
En el grafeno la longitud de los enlaces carbono-carbono es de aproximadamente 142 pm (picómetros). Es el componente estructural básico de todos los demás elementos grafíticos, incluidos el propio grafito, los nanotubos de carbono y los fullerenos.
A esta estructura también se le puede considerar una molécula aromática extremadamente extensa en las dos direcciones espaciales. Es decir, sería el caso límite de una familia de moléculas planas de hidrocarburos aromáticos policíclicos denominada grafenos.
Fuente: Wikipedia
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