Grafeno

Representació gràfica del grafeno.

Micrografía HRTEM (High Resolution Transmission Electron Microscopy) de Grafeno (IDNano).

El grafeno és una substància composta per carbono pur, en àtoms organisats en un patró regular hexagonal, semblat al grafit. És un material casi transparent. Una làmina d'un àtom de gruixa és unes 200 voltes més resistent que l'acer actual més fort, sent el seu densitat més o menys la mateixa que la de la fibra de carbono, i unes cinc voltes més llauger que l'alumini.

És un alótropo del carbono, un teselado hexagonal pla format per àtoms de carbono i enllaços covalente que es generen a partir de la superposició dels híbrits sp² dels carbono enllaçats.

En 2004, el grafeno va ser redescubierto, aïllat i investigat en l'Universitat de Mánchester per Andréy Gueim i Konstantín Novosiólov. En 2010, Gueim i Novosiólov varen rebre el Premi Nobel de Física pels seus revolucionaris descobriments sobre este material.

Per mig de l'hibridació sp² s'expliquen millor els ànguls d'enllaç, a 120°, de l'estructura hexagonal del grafeno. Com cada u dels carbono conté quatre electrons de valència en l'estat hibridado, tres d'eixos electrons s'estagen en els híbrits sp², i formen l'esquelet d'enllaços covalente simples de l'estructura.

L'electró sobrer s'estaja en un orbital atòmic tipo p perpendicular al pla dels híbrits. El solapamiento lateral de dits orbitales dona lloc a formació de orbitales de tipo π. Algunes d'estes combinacions propicien un jagantesc orbital molecular deslocalizado entre tots els àtoms de carbono que constituïxen la capa de grafeno.

El nom prové d'intercanvi —en el vocablo grafit— de sufixs: «ito» per «eno»: propi dels carbono en enllaços dobles. En realitat, l'estructura del grafit pot considerar-se una pila de gran cantitat de làmines de grafeno superpostes. Els enllaços entre les distintes capes de grafeno apilades es deuen a forces de Van der Waals i interaccions dels orbitales π dels àtoms de carbono.

Estructura cristalina del grafit. S'ilustren les interaccions de les diverses capes d'anells aromàtics condensados.

En el grafeno la llongitut dels enllaces carbono-carbono és d'aproximadament 142 pm (picómetros). És el component estructural bàsic de tots els demés elements grafíticos, inclosos el propi grafit, els nanotubos de carbono i els fullerenos.

A esta estructura també se li pot considerar una molècula aromàtica extremadament extensa en les dos direccions espacials. És dir, seria el cas llímit d'una família de molèculas planes d'hidrocarburs aromàtics policíclics denominada grafenos.

El grafeno s'utilisa com a blindage antibalas i també s'utilisa per als coches irrompibles i més segurs del món gràcies als seus components altament resistents.

Descripció

Anteriorment, s'han utilisat per al terme grafeno descripcions com a capes de grafit, capes de carbono o fulls de carbono. [...] No és correcte utilisar, per a una sola capa, un terme que incloga el terme grafit, que implica una estructura tridimensional. El terme grafeno deu ser usat solament quan es tracta de les reaccions, les relacions estructurals o atres propietats de capes individuals.

En este sentit, al grafeno se li ha definit com hidrocarbur aromàtic policíclic infinitament alternante d'anells de sol sis àtoms de carbono. La molècula més gran d'este tipo conté 222 àtoms de carbono o 37 «unitats de benceno» separades.

Les sifres de l'oració anterior són les contingudes en el resum de la cita. Deuria ser: 111 àtoms de carbono i 111 àtoms d'hidrogen o, més simple, 222 àtoms, la qual cosa resulta de 37 × 6 (àtoms de carbono —o d'hidrogen— del benceno, de fòrmula C₆H₆) = 222, o be: 18,5 anells de benceno: 18,5 x 12 (àtoms del benceno) = 222.

L'opció de «unitats» va ser per a obtindre una sifra redona (37), i per tant evitar l'expressió fraccionaria (18,5).

Estructures de resonància en el benceno, eixemple clàssic.

Propietats destacades

Entre les propietats destacades d'este material s'inclouen:

• És extremadament resistent: 200 voltes més resistent que una hipotètica làmina d'acer de la mateixa gruixa.
• És molt flexible i elàstic.
• És transparent.
• Auto refredat (segons alguns científics de l'Universitat d'Illinois).
• Conductivitat tèrmica i elèctrica altes.
• Fa reacció química en atres substàncies per a produir composts de diferents propietats. Açò ho dota de gran potencial de desenroll.
• Servix de soport de radiació ionisant.
• Té gran llaugerea, com la fibra de carbono, pero més flexible.
• Menor efecte Joule: es calfa menys en conduir els electrons.
• Per a una mateixa tasca que el silici, té un menor consum d'electricitat.
• Genera electricitat en ser alcançat per la llum.
• Raó superfície/volum molt alta que li otorga un bon futur en el mercat dels supercondensadores.
• Es pot dopar introduint impurees per a canviar el seu comportament primigeni de manera que, per eixemple, no repelixca l'aigua o que inclús coure major conductivitat.
• Es autorrepara; quan una làmina de grafeno sofrix dany i es quebra la seua estructura, es genera un ‘forat’ que ‘atrau’ àtoms de carbono veïns per a aixina tapar els buits.

• En la seua forma óxida absorbix residus radiactius.

Atres propietats interessants des del punt de vista teòric

• Comportament com cuasipartículas sense massa dels electrons que es traslladen sobre el grafeno. Són els denominats fermiones de Dirac, que es mouen a velocitat constant, de manera independent de la seua energia (com ocorre en la llum), en este cas a uns 10⁶ m/s. A este respecto, l'importància del grafeno consistix que propicia l'estudi experimental d'este comportament, predit teòricament fa més de cinquanta anys.
• Efecte Hall quàntic, pel qual la conductivitat perpendicular a la corrent pren valors discrets, o cuantizados. Açò permet medir-la en suma precisió. La cuantización implica que la conductivitat del grafeno mai pot ser nula (el seu valor mínim depén de la constant de Planck i de la càrrega de l'electró).
• Efecte Hall quàntic fraccionario.
• (Per les propietats anteriors) Movilisació lliure dels electrons per tota la làmina del grafeno: no queden aïllats en zones de les que no puguen eixir. És l'efecte conegut com localisació d'Anderson, que representa un problema en sistemes bidimensionales en impurees.
• Transparència casi completa i densitat tal que ni tan sols les molècules d'heli, que són les més chicotetes que existixen, podrien travessar-ho.
• Encara que no deixa passar el heli, sí permet pas al aigua: en un recipient de grafeno tancat es evapora pràcticament a la mateixa velocitat que si estiguera obert.