El carbono es uno de los átomos más amigables de la tabla periódica de los elementos químicos, pues puede enlazarse o compartir electrones casi con cualquier otro elemento, y es la base de la química orgánica.
Se le considera un villano o un héroe, según en qué compuesto químico o material se encuentre. Por un lado, está íntimamente ligado con la vida y se encuentra en diversas estructuras moleculares, como el ácido desoxirribonucleico (ADN), proteínas y aminoácidos, la clorofila, la hemoglobina, etc. Pero también puede formar parte de moléculas poco deseables, como el monóxido de carbono, por su toxicidad.
Esta dualidad entre el bien y el mal se observa claramente en el dióxido de carbono (CO2), el cual tiene muy mala reputación, por ser uno de los gases responsables del sobre calentamiento de la Tierra debido a sus altas concentraciones en la atmósfera. Sin embargo, el CO2 es fundamental para la vida en nuestro planeta, pues ayuda a la realización de la fotosíntesis.
Soporta corrientes eléctricas muy intensas sin calentarse.
El grafeno es un material laminar formado por átomos de carbono con una estructura hexagonal tipo panal de abejas (Figura 1a). Se trata de un sistema bidimensional (2D) con espesor de un solo átomo, a escala de nanómetros, de aproximadamente 0.3 nm (para comprender mejor ese minúsculo tamaño, piensa que un cabello humano tiene un diámetro de unos 80,000 nm). Es el bloque constructor del grafito (material usado en lápices), una estructura cristalina formada por láminas de grafeno apiladas verticalmente (Figura 1b).
Figura 1. (a) Modelo molecular de la estructura bidimensional del grafeno; (b) grafito formado por infinitas capas de grafeno apiladas verticalmente (apilamiento llamado ABABABA…); (c) transistor de efecto de campo (FET) usando grafeno; (d) modelo molecular de bicapa de grafeno rotado, formando un patrón de Moiré.
En 2004, Andre Geim, Konstantin Novoselov y sus colaboradores reportaron en la prestigiosa revista Science (Novoselov et al., 2004), la fabricación de un transistor de efecto de campo (FET, por sus siglas en inglés) a base de grafeno (Figura 1c). Con este dispositivo controlaron el flujo de corriente eléctrica, sometiéndolo a un voltaje, y reportaron propiedades eléctricas excepcionales, con una movilidad de portadores de carga sin precedentes. Por esta aportación, recibieron el Premio Nobel de Física en 2010. A partir de entonces, el grafeno ha sido tema de numerosas investigaciones experimentales y teóricas alrededor del mundo.
¿Qué lo convierte en un material tan especial? El grafeno es semimetálico, con características físico-químicas únicas, como alta movilidad de electrones, excelente conductividad térmica, ultra liviano, muy fuerte (cien veces mejor que el acero) y flexible, transparente, con superconductividad en estructuras de grafeno con pocas capas, permeable al agua en óxido de grafeno, con maravillosas propiedades de filtración, y puede ser magnético. A diferencia de muchos materiales, el grafeno puede soportar corrientes eléctricas muy intensas sin calentarse.
Parece tenerlo todo, ¿por qué? Hay cosas que pasan en el grafeno que no se pueden explicar en el marco de la física clásica. Por ejemplo, los electrones en el grafeno se mueven a una velocidad de 1/300 de la velocidad de la luz y se comportan como objetos sin masa (Novoselov et al., 2005; Novoselov et al., 2007), y la mecánica cuántica ha sido fundamental para entender este comportamiento (Neto et al., 2009; Geim & Novoselov, 2007).
Podría usarse en tratamiento de aguas residuales, sensores, inhibidores de virus, etc.
Una de sus aplicaciones es la fabricación de sistemas 2D con pocas capas de grafeno, materiales que pueden presentar propiedades superconductoras, es decir, conducir electricidad de forma continua, sin pérdida de energía. En particular, dos capas de grafeno rotadas entre sí (ver Figura 1d), pueden presentar superconductividad para ángulos de rotación muy pequeños (Cao et al., 2018).
El alta área superficial1 del grafeno lo hace un fuerte candidato para adsorber altas concentraciones de diferentes especies químicas. Durante mucho tiempo, los carbones activados (materiales porosos con gran superficie) se han utilizado ampliamente para el tratamiento de agua y la adsorción de gases. Esta nueva generación de estructuras de carbono, con propiedades electrónicas y químicas innovadoras, ofrece horizontes diversos para lograr mejoras en la adsorción, lo que podría dar lugar a aplicaciones originales e innovadoras.
Podría usarse en tratamiento de aguas residuales, rutas para la generación de energía limpia, dispositivos de almacenamiento de hidrógeno, sensores, soportes catalíticos, inhibidores de virus, etc. El grafeno dopado2 con otros átomos, por ejemplo, átomos de carbono reemplazados por nitrógeno, boro, fósforo, silicio, etc., se torna más reactivo y puede albergar diversas especies químicas, moléculas, hidrógeno, o nanopartículas en su superficie con la facultad de conducir a nuevas propiedades y aplicaciones interesantes.
No es tóxico, no irrita la piel, y su inhalación no causa reacciones adversas.
Con el auge del grafeno, la comunidad científica ha reportado que el silicio, germanio, estaño, nitrógeno y muchos otros elementos son estructuralmente estables en 2D, con una estructura hexagonal. Estos han sido llamados silecene, germanene, estanene, nitrogene. Dada esta convención para la denominación de estos materiales 2D, en vez de grafeno, este debió llamarse carbonene. El grafeno también se ha usado como modelo para investigar agujeros negros estelares, dado que los electrones se comportan como un fluido.
Estudiar el grafeno ha fomentado que surja una nueva línea de investigación llamada materiales bidimensionales. Por el momento se sabe que el grafeno no es tóxico, no irrita la piel, y su inhalación no causa reacciones adversas. No obstante, existen experimentos y desafíos teóricos por abordar, tales como el efecto a largo plazo del grafeno en la salud de seres vivos y en el medio ambiente. Todavía se requiere mucho esfuerzo de la comunidad científica e ingenieril, así como estudios de mercado, para hacer realidad todo su potencial.
Referencias
Cao, Y., Fatemi, V., Fang, S., Watanabe, K., Taniguchi, T., Kaxiras, E., & Jarillo-Herrero, P. (2018). Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices. Nature, 556(7699), 43-50. https://doi.org/10.1038/nature26160
Geim, A. K., & Novoselov, K. S. (2007). The rise of graphene. Nature Materials, 6(3), 183-191. https://doi.org/10.1038/nmat1849
Neto, A. H. C., Guinea, F., Peres, N. M. R., Novoselov, K. S., & Geim, A. K. (2009). The electronic properties of graphene. Reviews Of Modern Physics, 81(1), 109-162. https://doi.org/10.1103/revmodphys.81.109
Novoselov, K. S., Geim, A. K., Morozov, S. V., Jiang, D., Zhang, Y., Dubonos, S. V., Grigorieva, I. V., & Firsov, A. A. (2004). Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films. Science, 306(5696), 666-669. https://doi.org/10.1126/science.1102896
Novoselov, K. S., Geim, A. K., Morozov, S. V., Jiang, D., Katsnelson, M. I., Grigorieva, I. V., Dubonos, S. V., & Firsov, A. A. (2005). Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene. Nature, 438(7065), 197-200. https://doi.org/10.1038/nature04233
Novoselov, K. S., Jiang, Z., Zhang, Y., Morozov, S. V., Stormer, H. L., Zeitler, U., Maan, J. C., Boebinger, G. S., Kim, P., & Geim, A. K. (2007). Room-Temperature Quantum Hall Effect in Graphene. Science, 315(5817), 1379. https://doi.org/10.1126/science.1137201
Florentino López Urías
Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica A.C.
