22 de agosto de 2011

GRAFENO


Descubierto en la década de 1930, no se le bautizó con el nombre de “grafeno” hasta 1994. El estudio detallado de su estructura y sorprendentes propiedades por Andre Geim y Konstantine Novoselov les valió el premio Nobel de Física en 2010.


El grafeno no es más que una de las estructuras alotrópicas del carbono, que presenta un teselado hexagonal plano. Su aspecto recuerda vagamente el de la superficie de un panal de abejas. Algunos elementos químicos, como es el caso del carbono, tienden a presentarse con características físicas diferentes que nos lleva a observarlo como grafito, diamante, grafeno o fullereno.

El grafito de nuestros lápices realmente está compuesto por monocapas de grafeno superpuestas. Pero esas capas individuales tienen unas propiedades que las hacen únicas: gran conductividad térmica y eléctrica. Alta elasticidad y dureza, con una resistencia 200 veces superior al acero. Muy ligero y flexible, como la fibra de carbono.


En dispositivos electrónicos, consume menos electricidad que el silicio para una misma tarea y se calienta menos. Esto los convierte en los materiales ideales para los dispositivos electrónicos con circuitos integrados. IBM ha logrado fabricar transistores que operan a 300 GHz, esto es, 100 veces más rápidos que los transistores de silicio de su ordenador. El problema estriba en que el grafeno no tiene una banda de resistividad, no es capaz de dejar de conducir la corriente, a diferencia del silicio, lo que complica mucho su implantación generalizada en los circuitos integrados. Al ser un material conductor y transparente lo hace ideal para crear pantallas flexibles y delgadas de múltiples usos. Ya se está utilizando para la creación de nuevas pantallas OLEDs. Su facilidad para conducir la corriente eléctrica sin sobrecalentarse es lo que puede convertirlo en el elemento central de una nueva generación de baterías. (ver entrada ¡Revolución en Baterías!)

MÉTODOS DE OBTENCIÓN:
Para hacer posible la comercialización a gran escala, se hace imprescindible un método de obtención económico. Para ello hay que concebir procedimientos industriales que permitan fabricar láminas grandes y uniformes de grafeno monocapa y sin impurezas. El caso es que, la producción de pequeñas cantidades de grafeno resulta sorprendentemente fácil, como afirma el Nobel Andre K. Geim. De hecho, todos producimos un poco de grafeno cada vez que deslizamos la punta del lápiz sobre una superficie de papel. La mina del lápiz esta compuesta por una apilación vertical de láminas de grafeno. El procedimiento de laboratorio para obtener grafeno era similar, simplemente se raspaba la superficie del grafito, y con un microscopio se examinaban los restos en busca de las muestras idóneas o se separaban las escamas con una cinta adhesiva.
Para mejorar el procedimiento de laboratorio, se utilizan ultrasonidos para fragmentar el grafeno en capas individuales que se dispersan en un líquido. Posteriormente la suspensión se deseca sobre una superficie. El resultado es que obtenemos una película de láminas parcialmente superpuestas de cristales de grafeno. Al no darse una separación completa de las láminas con este procedimiento, se desconoce todavía si los efectos de borde de cada uno de los copos alterarán las propiedades fundamentales.
La exfoliación química podría lograr muestras de mayor tamaño. Se ha comprobado la solubilidad del grafeno en ciertos disolventes orgánicos. Una vez retirado el disolvente, la sustancia gris que se obtiene es grafeno puro. La empresa Graphene Solutions, confía poder convertir ese grafeno en láminas uniformes y monocristalinas para su comercialización.
Técnicas alternativas de exfoliación química, han demostrado que si se añada ácido a uno solución acuosa de grafito, se obtiene un óxido de grafito que puede emplearse posteriormente para obtener grafeno. Los copos de óxido suspendidos en líquido se depositan por decantación en un sustrato, donde terminan formando una película. Aumentando la temperatura y añadiendo otros compuestos, se elimina el oxígeno obteniéndose grafeno puro.
Uno de los métodos que está logrando superficies mayores de grafeno (muestras de 2 a 3 centímetros cuadrados) es el que se estudia en el Instituto de Tecnología de Masachusetts (MIT) entre otros centros. Se trata de la formación de grafeno mediante disposición química de vapor (DQV). Es un proceso que podría resultar idóneo para la fabricación de  microchips. El método DQV consiste en la creación de elementos volátiles que reaccionan y quedan depositados sobre un sustrato, formando un recubrimiento muy fino. Para lograr la volatilización se utiliza calor procedente de un horno tubular en el que se depositan sustratos con níquel que actúan a modo de catalizadores de la reacción. En un extremo del horno se hace fluir un hidrocarburo gaseoso, que al calentarse, se descompone. Los átomos de carbono terminan depositándose sobre la superficie de níquel formando las películas de grafeno. La calidad del grafeno obtenido depende directamente del sustrato de níquel. Si este es monocristalino (el más costoso) se consiguen los mejores resultados.
El equipo de investigación que logre el procedimiento idóneo para la obtención de grafeno en cantidades industriales se llevará el premio gordo. Por desgracia, ninguno de los equipos de investigación ha querido explicarnos con precisión cómo funcionan sus procedimientos, ¡serán desconfiados los tíos!

2 comentarios:

DGalilea dijo...

La verdad que es un material sorprendente, hace poco vi un documental sobre éste en Discovery Channel y quedé asombrado con las numerosas ultilidades que se le podrá dar en el futuro. Un blog fantástico, te sigo! Saludos.

Máximo Pretoria dijo...

Muchas gracias DGalilea, los cumplidos son siempre bien venidos, jeje!

La verdad es que cada entrada se lleva unas cuantas horas de preparación y gusta saber quién te sigue.

Un saludo.