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Grafeno

Representación artística del grafeno.

Micrografía HRTEM (High ResolutionTransmission Electron Microscopy) de Grafeno.

El grafeno es una sustancia formada porcarbono puro, con átomos dispuestos en unpatrón regular hexagonal similar al grafito,pero en una hoja de un átomo de espesor. Esmuy ligero, una lámina de 1 metro cuadradopesa tan sólo 0,77 miligramos.

Es un alótropo del carbono, un teseladohexagonal plano (como panal de abeja)formado por átomos de carbono y enlacescovalentes que se generan a partir de lasuperposición de los híbridos sp2 de loscarbonos enlazados.

El Premio Nobel de Física de 2010 se leotorgó a Andréy Gueim y a KonstantínNovosiólov por sus revolucionariosdescubrimientos acerca de este material.[1][2]

Mediante la hibridación sp2 se explicanmejor los ángulos de enlace, a 120°, de laestructura hexagonal del grafeno. Comocada uno de los carbonos contiene cuatroelectrones de valencia en el estadohibridado, tres de esos electrones se alojanen los híbridos sp2, y forman el esqueleto deenlaces covalentes simples de la estructura.

El electrón sobrante se aloja en un orbitalatómico de tipo «p» perpendicular al planode los híbridos. El solapamiento lateral dedichos orbitales da lugar a formación deorbitales de tipo π. Algunas de estascombinaciones propician un gigantescoorbital molecular deslocalizado entre todos los átomos de carbono que constituyen la capa de grafeno.

El nombre proviene de intercambio –en el vocablo grafito– de sufijos: «ito» por «eno»: propio de los carbonos conenlaces dobles. En realidad, la estructura del grafito puede considerarse una pila de gran cantidad de láminas degrafeno superpuestas.[3] Los enlaces entre las distintas capas de grafeno apiladas se deben a fuerzas de Van derWaals e interacciones de los orbitales π de los átomos de carbono.

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Estructura cristalina del grafito. Se ilustran lasinteracciones de las diversas capas de anillos

aromáticos condensados.

En el grafeno, la longitud de los enlaces carbono-carbono es deaproximadamente 142 pm (picómetros). Es el componenteestructural básico de todos los demás elementos grafíticos,incluidos el propio grafito, los nanotubos de carbono y losfullerenos.

A esta estructura también se le puede considerar una moléculaaromática extremadamente extensa en las dos direccionesespaciales. Es decir, sería el caso límite de una familia demoléculas planas de hidrocarburos aromáticos policíclicosdenominada grafenos.

Descripción

Anteriormente, se han utilizado para el términografeno descripciones como capas de grafito, capas decarbono u hojas de carbono. [...] No es correctoutilizar, para una sola capa, un término que incluya eltérmino grafito, que implica una estructuratridimensional. El término grafeno debe ser usadosólo cuando se trata de las reacciones, las relaciones estructurales u otras propiedades de capasindividuales.

En este sentido, al grafeno se le ha definido como hidrocarburo aromático policíclico infinitamente alternante deanillos de sólo seis átomos de carbono. La molécula más grande de este tipo contiene 222 átomos de carbono o 37«unidades de benceno» separadas.[4]

Las cifras de la oración anterior son las contenidas en el resumen de la cita. Debería ser: 111 átomos de carbono y111 átomos de hidrógeno o, más simple, 222 átomos, lo cual resulta de 37 x 6 (átomos de carbono –o de hidrógeno–del benceno, de fórmula C6H6) = 222, o bien: 18.5 anillos de benceno: 18.5 x 12 (átomos del benceno) = 222.La opción de «unidades» fue para obtener una cifra «redonda» (37), y por consiguiente evitar la expresiónfraccionaria (18,5).

Estructuras de resonancia en el benceno (ejemploclásico).

La ilustración anterior, relativa a la estructura molecular de dos mesómeros de benceno, permite mejor comprensiónde lo enunciado previamente.

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Propiedades destacadasEntre las propiedades destacadas de este material se incluyen:[5]

•• Es muy flexible•• Es transparente• Autoenfriamiento (según algunos científicos de la Universidad de Illinois).• Conductividad térmica y eléctrica altas.• Elasticidad y dureza elevadas.• (Sobre todo) Muy alta dureza: 200 veces mayor que la del acero, casi igual a la del diamante.•• Reacción química con otras sustancias para producir compuestos de diferentes propiedades. Esto lo dota de gran

potencial de desarrollo.• Soporte de radiación ionizante.• 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, menor consumo de electricidad.• Generación de electricidad al ser alcanzado por la luz.•• Razón Superficie/Volumen muy alto, lo que le atorga un buen futuro en el mercado de los supercondensadores.•• Se puede dopar introduciendo impurezas para cambiar su comportamiento primigenio de tal manera que se pueda

hacer que no repela el agua o que incluso mejore todavía más la conductividad.•• Cuando una lámina de grafeno recibe algún daño que quiebra su estructura produciendo un agujero consigue

atraer átomos de carbono situados en las proximidades para así reparar los huecos (se autorepara).

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 quepropicia 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, ocuantizados. Esto permite medirla con suma precisión. La cuantización implica que la conductividad del grafenonunca 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, querepresenta un problema en sistemas bidimensionales con impurezas.

• Transparencia casi completa y densidad tal que ni siquiera los átomos de helio, que son los más pequeños queexisten —sin combinar en estado gaseoso—, podrían atravesarlo.

• Aunque no deja pasar el helio, sí permite paso al agua: en un recipiente de grafeno cerrado se evaporaprácticamente a la misma velocidad que si estuviese abierto.

DescubrimientoEl repentino aumento del interés científico por el grafeno puede dar la impresión de que se trata de un material nuevo. En realidad se conoce y se ha descrito desde hace más de medio siglo. El enlace químico y su estructura se describieron durante el decenio de 1930. P. R. (Philip Russell) Wallace calculó por primera vez (en 1949) la estructura electrónica de bandas.[6] Al grafeno se le prestó poca atención durante décadas al pensarse que era un material inestable termodinámicamente ya que se pensaba que las fluctuaciones térmicas destruirían el orden del cristal dando lugar a que el cristal 2D se fundiese. Bajo este prisma se entiende la revolución que significó que Novoselov y Geim consiguiesen aislar el grafeno a temperatura ambiente. La palabra grafeno se adoptó oficialmente

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en 1994, después de haber sido designada de manera indistinta –en el campo de la ciencia de superficies–«monocapa de grafito».Además, muchas nanoestructuras recientemente descubiertas, como los nanotubos de carbono, están relacionadascon el grafeno. Tradicionalmente, a estos nanotubos se les ha descrito como «hojas de grafeno enrolladas sobre símismas».[7] De hecho las propiedades de los nanotubos de carbono se explican y entienden fácilmente a partir de lasinherentes al grafeno.[8][9] Se ha descrito también la preparación de nanotiras de grafeno mediante nanolitografía,haciendo uso de un microscopio de efecto túnel.

Aplicaciones en electrónicaLas propiedades del grafeno son ideales para utilizarlo como componente de circuitos integrados. Está dotado de altamovilidad de portadores, así como de bajo nivel de «ruido». Ello permite que se le utilice como canal en transistoresde efecto campo (FET). La dificultad de utilizar grafeno estriba en la producción del mismo material en el sustratoadecuado. Investigadores están indagando métodos tales como transferencia de hojas de grafeno desde grafito(exfoliación) o crecimiento epitaxial (como la grafitización térmica de la superficie del carburo de silicio: SiC).En diciembre de 2008, IBM anunció que habían fabricado y caracterizado transistores que operaban a frecuencias de26 gigahercios (GHz).[10] En febrero de 2010, la misma empresa anunció que la velocidad de estos nuevostransistores alcanzó los 100 GHz.[11] En septiembre de 2010 se alcanzaron los 300 GHz.[12]

Las publicaciones especializadas rebosan de artículos en los que se atribuye a esta estructura de carbono cualidad de«panacea universal» en la tecnología para reemplazo de dispositivos de silicio por grafeno. Pero no toda lacomunidad científica comparte este optimismo. El célebre físico holandés Walter de Heer afirma:

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 han reemplazado a los barcos.

Además, el grafeno carece de una banda de resistividad, propiedad esencial que le es inherente al silicio. Eso implicaque el grafeno no puede dejar de conducir electricidad: no se puede apagar.

Técnicas de producción del grafenoEl problema principal que impide la explotación del grafeno es que la producción de grandes muestras es limitada.Las diferentes técnicas tradicionales de fabricación por orden ascendente de escalabilidad son:•• Scotch Tape•• CVD (Chemical Vapor Deposition)•• Liquid Phase Exfoliation•• Plasma•• Oxidisation-Reduction•• Thin GraphiteLa calidad de las muestras va en sentido contrario al de la escalabilidad: a más escalabilidad del proceso menorcalidad de las muestras.Recientemente, investigadores de la Universidad de Rice han conseguido sintetizar grafeno a partir del azúcar comúna 800 ºC siendo el grafeno resultante de alta calidad. Otra nueva técnica procede del IPCPAS-Instituto de QuímicaFísica de la Academia Polaca de Ciencias conjuntamente con el IRI-Instituto de Investigación Interdisciplinaria deLille. La técnica de fabricación que utilizaron fue la oxidación del grafito obteniéndose un polvo llamado óxido degrafito. Posteriormente se suspende en agua y se coloca en un limpiador ultrasónico. Los ultrasonidos separan lasláminas oxidadas de grafeno y permiten la obtención de escamas de grafeno de 300 nm de espesor.

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Grafeno en el espacioEn 2011 el telescopio espacial Spitzer de la NASA descubrió grafeno en el espacio además de otras moléculas de lafamilia de los fulerenos, en concreto las moléculas C60 y C70 http:/ / www. spitzer. caltech. edu/ news/1307-feature11-09-Honeycomb-Carbon-Crystals-Possibly-Detected-in-Space

Compañías y universidades punteras en la investigación del grafeno•• AMO GmbH, Alemania• BASF, Alemania•• Carben Semicon Ltd, Rusia•• Carbon Solutions, Inc., Estados Unidos•• Catalyx Nanotech Inc. (CNI), Estados Unidos•• Georgia Tech Research Institute (GTRI), Estados Unidos•• Grafoid•• GRAnPH Nanotech, España•• Graphene Energy Inc., Estados Unidos•• Graphensic•• Graphenea, España•• Harbin Mulan•• HDPlas•• HRL Laboratories, Estados Unidos• IBM, Estados Unidos• Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), Estados Unidos•• Max Planck Institute for Solid State Research, Alemania• Nanostructured & Amorphous Materials, Inc., Estados Unidos• Universidad Estatal de Pensilvania, Estados Unidos•• Quantum Materials Corp• Instituto Politécnico Rensselaer (RPI), Estados Unidos• Universidad Rice, Estados Unidos• Rutgers, Universidad Estatal de Nueva Jersey, Estados Unidos• Samsung Electronics, Corea del Sur•• Sungkyunkwan University Advanced Institute of Nano Technology (SAINT), Corea del Sur• Universidad de California en Los Ángeles (UCLA), Estados Unidos• Universidad de Granada (UGR), Andalucía, España• Universidad de Mánchester, Reino Unido• Universidad de Princeton, Estados Unidos• Universidad del Sur de California (USC), Estados Unidos• Universidad de Texas en Austin, Estados Unidos• Universidad de Wisconsin-Madison, Estados Unidos• Universidad Tecnológica de Campeche, Campeche, México

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Referencias[1] Público, 5/10/2010 (http:/ / www. publico. es/ ciencias/ 340050/ nobel-de-fisica-para-los-descubridores-del-material-del-futuro,)[2] Anuncio de la Fundación Nobel (en inglés) (http:/ / nobelprize. org/ nobel_prizes/ physics/ laureates/ 2010/ )[3] Murray Tortarolo, G. y Murray Prisant, G. (julio 2012). Grafeno: ¿La siguiente revolución tecnológica? ¿Cómo ves? Revista de Divulgación

de la Ciencia de la Universidad Nacional. Año 14, no. 164, pp. 22-25. ISSN 1870-3186[4] C. D. Simpson et al. "Synthesis of a Giant 222 Carbon Graphite Sheet" Chemistry - A European Journal, 6 1424 (2002) (http:/ / www3.

interscience. wiley. com/ journal/ 91016409/ abstract)[5] Murray Tortarolo, G. y Murray Prisant, G. (julio 2012). Grafeno: ¿La siguiente revolución tecnológica? ¿Cómo ves? Revista de Divulgación

de la Ciencia de la Universidad Nacional. Año 14, no. 164, pp. 22-25. ISSN 1870-3186[6] Wallace, P. R. (1947). Physical Review 71, 622.[7] S. Iijima, Nature 354, 56 (1991)[8] C. Dekker, Physics Today 52, 22 (1999)[9] Special-Issue, Physics World 13, 29 (2000)[10] Graphene transistors clocked at 26 GHz Arxiv (en inglés) (http:/ / arxivblog. com/ ?p=755)[11] Anuncio de IBM sobre la velocidad de los nuevos transistores (http:/ / www. neoteo. com/ transistores-de-grafeno-de-100ghz-ibm. neo)[12] Los transistores alcanzan una velocidad de 300 GHz (http:/ / www. nature. com/ nature/ journal/ v467/ n7313/ full/ nature09405. html)

Enlaces externos• Wikimedia Commons alberga contenido multimedia sobre Grafeno. Commons• Wikcionario tiene definiciones para grafeno.Wikcionario• Wiki Grafeno (http:/ / wikigrafeno. com/ )• Vídeo explicativo del Grafeno: Características y Aplicaciones (http:/ / www. youtube. com/

watch?v=FNJRXYc3xSQ).• Circuitos de grafeno flexibles y transparentes (http:/ / www. nature. com/ ncomms/ journal/ v3/ n8/ full/

ncomms2021. html).• La electrónica transparente se vuelve flexible gracias al grafeno (http:/ / flagellum. wordpress. com/ 2010/ 08/ 07/

la-electronica-transparente-se-vuelve-flexible-gracias-al-grafeno/ )• Libro gratuito ( en inglés ) "Graphene synthesis: characterization properties and its aplications" ( Jian Ru Gong )(

Editorial In Tech, 2011 ) (http:/ / www. etnassoft. com/ biblioteca/graphene-synthesis-characterization-properties-and-applications/ )

• Blog Noticias del grafeno (http:/ / www. grafeno. com).• Artículo en El País sobre el grafeno (http:/ / www. elpais. com/ articulo/ sociedad/ Proximamente/ pantallas/

grafeno/ elpepisoc/ 20100806elpepisoc_1/ Tes).• Graphenewiki (http:/ / graphenewiki. org/ ) (en inglés)• Graphenano (http:/ / www. graphenano. com/ )• Graphene-Info Graphene news and resources (en inglés) (http:/ / www. graphene-info. com).• The Rise of Graphene (El surgimiento del grafeno) Artículo sobre el grafeno escrito por A. K. Geim y K. S.

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• Epitaxial Graphene Lab (en inglés) (http:/ / www. physics. gatech. edu/ npeg).• Galería de imágenes - grafito y grafeno (http:/ / www. ewels. info/ img/ science/ ).• Los electrones pierden su masa en hojas de carbón (en inglés) (http:/ / physicsweb. org/ articles/ news/ 9/ 11/ 6/ 1)

Physics Web (09-Nov-2005).• Charlas (en inglés) (http:/ / online. kitp. ucsb. edu/ online/ graphene_m07/ ) de la conferencia Electronic

Properties of Graphene (8-19 enero 2007).• Artículo de El Comercio (http:/ / elcomercio. pe/ noticia/ 649495/

premio-nobel-fisica-lo-ganaron-cientificos-que-descubrieron-material-lapiz-cinta-adhesiva) El Premio Nobel deFísica 2010 es otorgado a expertos que investigaron sobre el grafeno.

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• Relación de empresas productoras e inversión en grafeno. (http:/ / valoryprecio. com/ es/invertir-comprar-grafeno. html)

Fuentes y contribuyentes del artículo 8

Fuentes y contribuyentes del artículoGrafeno  Fuente: http://es.wikipedia.org/w/index.php?oldid=70335633  Contribuyentes: 3coma14, 4lex, 5truenos, Alakasam, Alemagana, Allforrous, Andesaa, Angelsosa1990, Anoryat,Banfield, Bibliofilotranstornado, Bigsus, Bubbletruble, Camargo70, Correogsk, Defender, Diamondland, Diegusjaimes, Diádoco, Djsuizo85, Dossier2, El Moska, Eoraptors, Fixertool, FranciscoValdez Mendoza, Fridelain, Gallowolf, GiovanniES, Halfdrag, Ileana n, JMCC1, Javu61, Jkbw, Jorgelrm, Kaprak, Kronen, Leonpolanco, Makete, Marinonano, Materialesnano, Materialesnano2,MaxKarioMC, Mega-buses, Miss Manzana, Moch92, Montgomery, Mpeinadopa, Muro de Aguas, Oblongo, Ortisa, Paul 14, RepliNiquel, Roberpl, Roberto Fiadone, Rosarino, Rrosfel, Rufflos,Sanbec, Sl2010, Slaute, Srbanana, SuperBraulio13, TEPEX, Takashi kurita, Technopat, Tokvo, TorQue Astur, UAwiki, Wikiléptico, Zommbrero, 259 ediciones anónimas

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