Qué es el grafeno: definición y descripción

El grafeno es una de las formas alotrópicas del carbono. Es un material bidimensional, donde cada átomo de carbono se encuentra unido a otros tres átomos de carbono mediante enlaces sp2 para formar una lámina plana con una estructura semejante a la de un panal de abeja, lo que le confiere una elevada conductividad y gran resistencia mecánica en el plano. Éste se puede encontrar de forma estable suspendido en un líquido, depositado sobre un sustrato no cristalino y como membranas.

Se considera al grafeno como la estructura básica del resto de materiales grafíticos de diferentes dimensionalidades, ya que se puede envolver formando fullerenos (0D), enrollarse en forma de nanotubos (1D) o empaquetarse una lámina sobre otra, para formar grafito (3D). Se entiende que un material 0D es aquel que no puede crecer en ninguna dimensión del espacio, como es el caso de los fullerenos, un material 1D aquel que puede crecer en una dimensión del espacio, por ejemplo los nanotubos de carbono, un material 2D aquel que puede crecer a lo largo de dos dimensiones del espacio como es el caso del grafeno, y una material 3D será aquel que pueda crecer en las tres dimensiones del espacio.

grafeno estructura
Este cristal 2D, tiene una estructura electrónica especial, entre las que destaca el anómalo efecto Hall cuántico [13], alta movilidad de portadores de carga, así como su elevada resistencia mecánica (módulo de Young ~1TPa). Debido a que tiene un espesor de una sola capa atómica, tiene un 97,7% de transparencia, manteniendo unos valores de permeabilidad muy bajos, incluso al helio, lo que abre un gran abanico de aplicaciones.

En realidad, estos cristales 2D se mantienen en estado metaestable ya que han sido extraídos de un material 3D. Además, su pequeño tamaño y los fuertes enlaces interatómicos aseguran que las fluctuaciones térmicas no generan dislocaciones u otros defectos incluso a elevadas temperaturas, que son los responsables del crecimiento tridimensional. Complementariamente, un ligero arrugamiento en la tercera dimensión convierte a estos cristales 2D en intrínsecamente estables. Este alabeo da lugar a una ganancia en la energía elástica, pero suprime las vibraciones térmicas, que por debajo de cierta temperatura pueden minimizar la energía libre total.

grafeno disposicion
Es necesario, definir los cristales 2D de manera más exacta. Un plano atómico es un cristal 2D, mientras que 100 láminas apiladas se consideran un material 3D, por lo que hay que delimitar el número de láminas que hacen que un material sea 3D o 2D. En el caso del grafeno la separación se ha llevado a cabo en base a las propiedades electrónicas. Se ha estudiado que la estructura electrónica evoluciona rápidamente con el número de capas, pudiéndose establecer 10 capas como el límite para considerar que un material es grafito (3D). En realidad, sólo el grafeno y, como buena aproximación, los cristales de 2 capas, tienen espectro electrónico simple, son semiconductores de “zero-gap”. A partir de tres láminas el espectro se va complicando: aparecen varios portadores de carga y la banda de valencia y de conducción comienza a superponerse. Esto permite distinguir tres tipos de cristales 2D o grafenos: monocapa, bicapa y nanoplatelets de grafeno (3 a 10 láminas). Estructuras mayores se deben considerar grafito, aunque las láminas resultantes tengan espesores nanométricos.

Conviene establecer una nomenclatura que permita diferenciar los distintos materiales para los cuales se suele usar el término grafeno que no son propiamente grafeno, puesto que sus propiedades difieren unas de otras. Se usa la siguiente terminología que coincide con la usada comúnmente en la literatura y con la propuesta por la IUPAC:
• Grafeno (G): una lámina de grafito cuando está aislada. También se le denomina grafeno prístino (PG), cuando se ha obtenido por exfoliación física y su naturaleza electrónica no ha sido alterada.
• Óxido de grafito (GO): material laminado preparado mediante el tratamiento de grafito con oxidantes fuertes, por los cuales la superficie y los bordes del grafito sufren oxidación química covalente, generando un incremento en la distancia interlaminar con respecto al grafito.
• Óxido de grafeno (G-O): una monocapa de óxido de grafito, frecuentemente obtenida por exfoliación del óxido de grafito.
• Oxido de grafeno reducido (rG-O): material obtenido por reducción térmica o química del óxido de grafito o del óxido de grafeno, donde se ha eliminado gran parte del oxígeno. Debe distinguirse del grafeno prístino por la existencia de heteroátomos y defectos estructurales.
• Compuestos de intercalación de grafito (GIC): Compuestos resultantes de la inclusión de algún tipo de molécula o átomo entre las capas del grafito, separando las láminas en función del tamaño del intercalante. Puede haber compuestos estequiométricos, como el KC8, o no estequiométricos. El óxido de grafito es un derivado de un compuesto de intercalación que se ha descompuesto tras la intercalación.

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