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.
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.
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.
Fuente: Applynano Solutions: Compañía innovadora en el campo de la
nanotecnología e investigación del Grafeno.
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