Grafeno

Representación artística do grafeno.

O grafeno é unha substancia formada por carbono puro, con átomos dispostos nun patrón regular hexagonal similar ó grafito, pero nunha folla dun átomo de espesor. É moi lixeiro, unha lámina de 1 metro cadrado pesa tan só 0,77 miligramos.

O grafeno é un alótropo do carbono, un teselado hexagonal plano (como panal de abella) formado por átomos de carbono e ligazóns covalentes que se xeran a partir da superposición dos híbridos sp² dos carbonos enlazados.

O Premio Nobel de Física de 2010 outorgóuselle a Andre Geim e a Konstantín Novosiólov polos seus revolucionarios descubrimentos sobre o material bidimensional grafeno.

Mediante a hibridación sp² explícanse mellor os ángulos de ligazón, a 120°, da estrutura hexagonal do grafeno. Como cada un dos carbonos contén catro electróns de valencia no estado hibridado, tres deses electróns alóxanse nos híbridos sp², e forman o esqueleto de ligazóns covalentes simples da estrutura.

O electrón sobrante alóxase nun orbital atómico de tipo «p» perpendicular ó plano dos híbridos. O solapamento lateral de devanditos orbitais dá lugar á formación de orbitais de tipo π. Algunhas destas combinacións propician un xigantesco orbital molecular deslocalizado entre todos os átomos de carbono que constitúen a capa de grafeno.

O nome provén de intercambio -no vocábulo grafito- de sufixos: «ito» por «eno»: propio dos carbonos con ligazóns dobres. En realidade, a estrutura do grafito pode considerarse unha pila de gran cantidade de láminas de grafeno superpostas. As ligazóns entre as distintas capas de grafeno apiladas débense a forzas de Van der Waals e interaccións dos orbitais π dos átomos de carbono.

Estrutura cristalina do grafito. Ilústranse as interaccións das diversas capas de aneis aromáticos condensados.

No grafeno, a lonxitude das ligazóns carbono-carbono é de aproximadamente 1,42 Å (Ångströms). É o compoñente estrutural básico de todos os demais elementos grafíticos, incluídos o propio grafito, os nanotubos de carbono e os fullerenos.

A esta estrutura tamén se lle pode considerar unha molécula aromática extremadamente extensa nas dúas direccións espaciais. É dicir, sería o caso límite dunha familia de moléculas planas de hidrocarburos aromáticos policíclicos denominada grafenos.

Descrición

O grafeno perfecto está constituído exclusivamente por celas hexagonais. Celas pentagonais ou heptagonais corresponden a defectos. Ante unha cela pentagonal illada, o plano engúrrase en forma cónica. A presenza de 12 pentágonos crearía un fullereno. A inserción dun heptágono achegaríalle forma de cadeira. Os nanotubos de carbono de parede única son cilindros de grafeno.

No compendio tecnolóxico da Unión Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC) establécese:

Anteriormente, utilizáronse para o termo grafeno descricións como capas de grafito, capas de carbono ou follas de carbono. [...] Non é correcto utilizar, para unha soa capa, un termo que inclúa o termo grafito, que implica unha estrutura tridimensional. O termo grafeno debe ser usado só cando se trata das reaccións, as relacións estruturais ou outras propiedades de capas individuais.

Neste sentido, ó grafeno definíuselle como hidrocarburo aromático policíclico infinitamente alternante de aneis de só seis átomos de carbono. A molécula máis grande deste tipo contén 222 átomos de carbono ou 37 «unidades de benceno» separadas.

As cifras da oración anterior son as contidas no resumo da cita. Debería ser: 111 átomos de carbono e 111 átomos de hidróxeno ou, máis simple, 222 átomos, o cal resulta de 37 x 6 (átomos de carbono -ou de hidróxeno- do benceno, de fórmula C₆H₆) = 222, ou ben: 18.5 aneis de benceno: 18.5 x 12 (átomos do benceno) = 222.

A opción de «unidades» foi para obter unha cifra «redonda» (37), e por conseguinte evitar a expresión fraccionaria (18,5).

Estruturas de resonancia no benceno (exemplo clásico).

A ilustración anterior, relativa á estrutura molecular de dúas mesómeros de benceno, permite mellor comprensión do enunciado previamente.

Propiedades destacadas

Entre as propiedades destacadas deste material inclúense:

• É moi flexible
• É transparente
• Autoenfriamento (segundo algúns científicos da Universidade de Illinois).
• Condutividade térmica e eléctrica altas.
• Elasticidade e dureza elevadas.
• (Sobre todo) Moi alta dureza: 200 veces maior que a do aceiro, case igual á do diamante.
• Reacción química con outras substancias para producir compostos de diferentes propiedades. Isto dótao de gran potencial de desenvolvemento.
• Soporte de radiación ionizante.
• Gran lixeireza, como a fibra de carbono, pero máis flexible.
• Menor efecto Joule: quéntase menos ó conducir os electróns.
• Para unha mesma tarefa que o silicio, menor consumo de electricidade.
• Xeración de electricidade ó ser alcanzado pola luz.
• Cociente Superficie/Volume moi alto, o que lle outorga un bo futuro no mercado dos supercondensadores.
• Pódese dopar introducindo impurezas para cambiar o seu comportamento primixenio de tal maneira que se poida facer que non repela a auga ou que mesmo mellore aínda máis a condutividade.