El grafeno y sus aplicaciones

Resumen

La era de la nanotecnología ha incursionado en varios ámbitos de la tecnología como lo ha hecho el grafeno que hasta hace unos días, prácticamente nadie había oído hablar de este compuesto. Esta situación ha cambiado después de que la Real Academia de las Ciencias sueca premiara con el Nobel de Física a dos científicos rusos por sus investigaciones sobre este material.

PALABRAS CLAVE: nanotecnología, grafito, grafeno, semiconductores.

Introducción

El grafeno es un material bidimensional que tiene sólo un átomo de grosor. Su estructura laminar de grafito está compuesta de átomos de carbono que forman una red hexagonal. Varios investigadores destacan que es la membrana más fina creada hasta el momento.

Su apariencia puede parecer frágil ya que a simple vista el grafeno luce como una tela transparente y flexible. Sin embargo es un material extremadamente resistente que además sirve como conductor de la electricidad.

Las aplicaciones del grafeno aún estar por descubrirse aunque algunos entendidos en el tema apuntan su uso en el área de la electrónica por sus extraordinarias propiedades conductoras y semiconductoras.

Uno de los campos donde este material parece ser más prometedor es en la industria de semiconductores. Este sector tiene la intención de construir computadoras mucho más rápidas que las de hoy en día gracias a la implementación de transistores de grafeno en los microprocesadores. Pero el principal problema en la construcción de microprocesadores es la presión debido a que los materiales usados para fabricar los transistores no sólo deben tener excelentes propiedades eléctricas, sino que también deben ser capaces de soportar la tensión a la que se ven sometidos durante el proceso de fabricación y al calentamiento generado por las tareas repetitivas que desempeñan.

El proceso utilizado para estampar conexiones eléctricas en los microprocesadores, ejerce una tensión que puede provocar el fallo de los chips.

Debido a esto el grafeno ha sido el material que mejor ha soportado todo este procedimiento.

Características del grafeno

El grafeno es un cristal bidimensional; como ya sabemos un plano monoatómico es un cristal 2D, mientras que 100 mono capas se deben considerar como una película delgada de un material tridimensional.

Para el grafeno la situación se ha hecho clara pues la estructura electrónica evoluciona rápidamente con el número de capas y se aproxima al límite tridimensional con unas diez capas.

Sólo el grafeno y su bicapa tienen espectros sencillos que son semiconductores con laguna cero (o semimetales con cero solapes) con un tipo de electrones y un tipo de huecos.

Para 3 o más capas, los espectros se van volviendo más complicados, es decir aparecen varios portadores, y las bandas de conducción y de valencia empiezan a solaparse.

Esto permite distinguir entre las mono capas, las bicapas y unas pocas capas (3 a 10) como tres tipos de grafeno.

Las estructuras más gruesas se pueden considerar como películas delgadas de grafito.

Figura 1: distintas presentaciones del grafeno

Propiedades del grafeno

PROPIEDADES MECANICAS:

Las propiedades mecánicas del grafeno han sido determinadas por diferentes métodos, como el abombamiento de membranas, el oscilador armónico, las vigas doblemente empotradas o en voladizo, dinámica de membranas, dinámica de placas, actuadores vibrantes, detección óptica, deflexión de vigas, aplicación de sistemas microelectromecánicos y sistemas nanoelectromecánicos.

El grafeno tiene una resistencia a la cedencia de 130 GPa, un módulo de elasticidad de 1.06 TPa, y una relación de Poisson de ? = 0.186, sin embargo, a pesar de esa elevada rigidez, las láminas de grafeno tienen una gran flexibilidad, lo cual se atribuye al cambio en la curvatura dado por el alargamiento reversible de los enlaces sp.

Además, debido a la baja densidad de defectos en las películas, el comportamiento elástico del grafeno refleja las propiedades intrínsecas del enlace interatómico en toda su resistencia hasta el punto de ruptura. Por consiguiente, la respuesta del grafeno se debe considerar no lineal pues la gráfica tensión – deformación se debe curvar sobre el punto máximo que indica la tensión de ruptura.

PROPIEDADES ELECTRONICAS:

Como se ha repetido, uno de los aspectos más interesantes del grafeno es que sus excitaciones de baja energía son fermiones de Dirac, sólo que estos se mueven a una velocidad menor que la predicha por la electrodinámica cuántica (EDC), pues vF es 300 veces menor que la velocidad de la luz c. Por ello muchas de las propiedades inusuales de la EDC aparecen en el grafeno pero a menores velocidades.

Los fermiones de Dirac se comportan de manera extraña si se comparan con los electrones ordinarios en los campos magnéticos, lo cual da como resultado nuevos fenómenos físicos como el anómalo efecto Hall cuántico entero (EHCE) que además de ser diferente al EHCE exhibido por el silicio y en el arseniuro de galio y aluminio, se puede observar a temperatura ambiente.

Otra característica interesante de los fermiones de Dirac es su insensibilidad a los potenciales electrostáticos externos debido a la llamada paradoja de Klein, esto se debe a que los fermiones de Dirac se pueden transmitir con una probabilidad de 1 en una región prohibida clásicamente. Por ello los fermiones de Dirac se comportan distinto en la presencia de potenciales de confinación, lo que genera el fenómeno de Zitterbewegung, o movimiento saltón (nervioso).

En el grafeno esos potenciales electrostáticos pueden ser generados fácilmente por el desorden. Y como el desorden es inevitable en cualquier material, ha habido mucho interés en entender cómo el desorden afecta la física de los electrones en el grafeno y sus propiedades de transporte. Las fuentes de desorden en el grafeno son muchas y pueden variar desde los efectos comunes encontrados en los semiconductores, como las impurezas ionizadas en el sustrato de Silicio, a átomos adsorbidos y varias moléculas adsorbidas en la superficie del grafeno, hasta efectos menos usuales como las ondulaciones asociadas con la estructura blanda del grafeno. De hecho el grafeno es único en el sentido de que comparte las propiedades de las membranas blandas y al mismo tiempo se comporta de una manera metálica, de modo que los fermiones se propagan en un espacio curvado localmente.

La blandura del grafeno se relaciona con los modos vibracionales fuera del plano. Estos modos flexurales, que son los responsables de las propiedades flexibles del grafeno, también contribuyen a la falta de orden estructural de largo alcance en las membranas delgadas, lo que produce el fenómeno de abollamiento o arrugamiento.

También se ha notado que el grafeno puede presentar efectos mesoscópicos. Esos efectos tienen su origen en las condiciones límites requeridas por las funciones de onda en las muestras mesoscópicas con varios tipos de bordes que puede tener el grafeno.

Los bordes más estudiados, en zigzag y en forma de brazo de silla, tienen propiedades electrónicas muy diferentes.

Aplicaciones del grafeno

Las asombrosas propiedades de transporte del grafeno ya mencionadas han hecho pensar que el grafeno puede, con el tiempo suplantar al silicio en los chips de computador, con la perspectiva de aparatos ultrarrápidos operando a velocidades de Tera hercios. Sin embargo, de acuerdo con los expertos, los microprocesadores de grafeno se demoraran por lo menos 20 años en salir al mercado. Por lo que se espera que aparezcan otras aplicaciones del grafeno.

El uso más inmediato puede ser en materiales compuestos pues se ha demostrado que el polvo de grafeno se puede producir en masa, lo que permitiría desarrollar plásticos conductores con rellenos de menos de 1 % en volumen.

Otra posibilidad atractiva es el uso de polvo de grafeno en las baterías eléctricas que son en la actualidad el principal mercado para el grafito.

Una mejor relación superficie/volumen y la elevada conductividad pueden mejorar la eficiencia de las pilas reemplazando las nano fibras de carbono que se usan en las baterías modernas.

Las aplicaciones más nuevas del grafeno se relacionan con su transparencia y su alta conductividad para su uso para electrodos en pantallas planas y celdas solares. Actualmente, por su transparencia, el óxido de indio es el material usado en tales electrodos, pero presenta el problema de que es muy escaso en el planeta, por tanto las investigaciones buscan nuevos materiales con excelentes propiedades conductivas y que puedan ser aplicados en optoelectrónica.

Figura 2: Uso del grafeno en pantallas planas

Investigadores en Alemania han demostrado que las películas delgadas de grafeno son una buena opción para ser usados como electrodos pues tienen alta conductividad, buena transparencia en ambas regiones de infrarrojo y visible, una superficie ultra suave y es química y térmicamente estable.

Además el equipo preparó celdas solares orgánicas con una película delgada de grafeno con cuarzo como ánodo. Las hojas de grafeno trabajan de forma óptima, aunque existe la posibilidad de mejorar las propiedades del mismo al incrementar la conductividad de la película de grafeno. Los investigadores creen que los electrodos transparentes de grafeno se pueden aplicar en diodos emisores de luz orgánicos, en pantallas planas y otros dispositivos opto electrónicos.

Finalmente, no puede dejar de mencionarse el almacenamiento de hidrógeno, que ha sido un tema muy activo y controvertido con los nanotubos. Se ha sugerido que el grafeno es capaz de absorber una gran cantidad de hidrógeno y se esperan muchos esfuerzos experimentales en esta dirección.

Figura 3: obtención de láminas de grafeno

La película permite el paso del 90% de la luz y tiene una resistencia eléctrica menor que la del conductor común que es de óxido de estaño. Se pudo revelar que el grafeno funcionó mejor que el óxido en una pantalla, el cual además es frágil, mientras que la pantalla de grafeno soporta el doble de deformación que los aparatos convencionales basados en el óxido.

Conclusiones

Después de haber leído y revisado acerca de este nuevo material como es el grafeno nos damos cuenta que es un material muy versátil y de muchas aplicaciones en esta nueva era tecnológica que estamos viviendo claro que se debe seguir investigando acerca de este material con el fin de seguir encontrando un sin número de aplicaciones versátiles.

El uso de esta nanotecnología nos ayuda mucho al empleo de menos hardware para la construcción de aparatos electrónicos ya que al ser materiales tan pequeños el espacio y volumen ocupados son mínimos, aumentando la versatilidad y la velocidad de respuesta de dichos aparatos electrónicos.

Referencias bibliográficas

• 1. VALENCIA GIRALDO, Asdrubal. EL GRAFENO. Revista Colombiana de Materiales, 2011, no 1.

• 2. García, F. J. B. (2012). Nuevos materiales para la fabricación de dispositivos electrónicos. Técnica Industrial, 299, 62-67.

• 3. González Carmona, J., Hernández Vozmediano, M., & Guinea, F. (2010). Electrónica del grafeno.

• 4. García, S. Á., Elías, M. A. A., Gómez, K. J. S., & Silva, E. APLICACIONES BIOMÉDICAS DE GRAFENO Y SUS DERIVADOS: IMAGENOLOGÍA RAMAN.COMITÉ ORGANIZADOR, 2, 40.

• 5. Martínez, G., & Salavagione, H. (2010). Nanocompuestos poliméricos a partir de grafeno. Revista de Plásticos Modernos, 99(646), 336-345.

• 6. Rosales, L. Transporte electrónico en sistemas compuestos por nanocintas de grafeno.

• 7. Welte, L., Amo-Ochoa, P., de Pablo, P. J., Gómez-Herrero, J., & Zamora, F. Síntesis, Caracterización Estructural y en Superficie de un Polímero de Coordinación similar al Grafeno.

• 8. profesor Kian, L. P. El grafeno-El sustrato para la electrónica de plástico.

• 9. Morán Meza, J. A. (2011). Estudio por microscopía de efecto túnel de superficies de grafito y grafeno.

• 10. Serrano, R., Ariza, M. P., & Ortiz, M. DEFECTOS DISCRETOS EN GRAFENO.

• 11. Chávez-Castillo, M. D. R., Rodríguez-Meza, M. A., & Meza-Montes, L. (2013). Grafeno y Siliceno: una nueva vida gracias a la sutileza de los materiales bidimensionales. CIENCIA ergo-sum, 20(2).

• 12. Castelaín, M., Salavagione, H. J., Martínez, G., El, I. C. T. P., Proyectos, I., Contratos, I., … & de Máster, T. F. (2011). Funcionalización de Nanotubos de Carbono y Grafeno con Polímeros Mediante Química Click. Revista Iberoamericana de Polímeros, 12, 5.

• 13. Suárez, D. (2012). Objetivos y características de la química computacional y su aplicación al estudio de los materiales de carbono. Boletín del Grupo Español del Carbón, (25), 23-28.

• 14. Fernández Merino, M. J. (2013). Grafenos preparados por métodos químicos: características y aplicaciones.

• 15. Solís Fernández, P. (2011). Modificación superficial de materiales de carbono: grafito y grafeno.

• 16. Astillero, G. V. (2012). GRAFENO, EL MATERIAL DEL FUTURO.¿ POSIBILIDAD REAL O PURA FANTASÍA?. Dibujo de portada, 605, 57.

• 17. Naumis, G. G. Premio Nobel 2010: el descubrimiento del grafeno.

• 18. Gordillo, C. A. C., Cepeda, L. F., Aguilar, N. V. P., & Hernández, E. H. (2013). Nanocompuestos a base de polímeros dispersos y nanofibras de carbono.Revista Iberoamericana de Polímeros, 14(3), 108-116.

• 19. Martín, D. J. M. T. Electrónica basada en Grafeno.

• 20. Martínez, G., & Salavagione, H. (2011). NANOCOMPUESTOS POLIMÉRICOS DE GRAFENO: PREPARACIÓN Y PROPIEDADES. Revista Iberoamericana de Polímeros, 12, 1.

Autor:

Christian Estrella