¿El material del futuro?. El grafeno; Novosiólov.

El 23 de agosto de 1974, nacía el físico ruso-británico Konstantín Serguéievich Novosiólov (Nizhny Tagil, URSS, 23 de agosto de 1974).

NovoselovRecibió el Premio Nobel de Física en 2010 por el descubrimiento del grafeno compartido con Andréy Gueim,

Además fue galardonado con el  Premio Europeo de Física en 2008, “por descubrir y aislar libremente una capa atómica de carbono (grafeno) y describir sus notables propiedades eléctricas.”

Estudió su carrera de física en Rusia. Novoselov trabajó por primera vez con como estudiante de doctorado de Geim en los Países Bajos. Posteriormente le siguió al Reino Unido. Ahora es profesor de la Universidad de Manchester.

Es miembro del grupo de trabajo de mesoscópica de la Universidad de Mánchester como investigador de la Royal Society.

Ha publicado más de 60 trabajos de investigación en temas como superconductividad (Efecto Hall), movimientos sub-atómicos de las paredes de dominio magnético, de la invención de la Cinta de Geco, y el grafeno.

El grafeno es una sustancia formada por carbono puro, con átomos dispuestos en patrón regular hexagonal, similar al grafito, pero en una hoja de un átomo de espesor. Es muy ligero: una lámina de 1 metro cuadrado pesa tan sólo 0,77 miligramos. Se considera 200 veces más fuerte que el acero y su densidad es aproximadamente la misma que la de la fibra de carbono, y es aproximadamente cinco veces más ligero que el acero.

Es un alótropo del carbono, un teselado hexagonal plano formado por átomos de carbono y enlaces covalentes que se generan a partir de la superposición de los híbridos sp2 de los carbonos enlazados.

Mediante la hibridación sp2 se explican mejor los ángulos de enlace, a 120°, de la estructura hexagonal del grafeno. Como cada uno de los carbonos contiene cuatro electrones de valencia en el estado hibridado, tres de esos electrones se alojan en los híbridos sp2, y forman el esqueleto de enlaces covalentes simples de la estructura.

Novoselov2El electrón sobrante se aloja en un orbital atómico tipo P perpendicular al plano de los híbridos. El solapamiento lateral de dichos orbitales da lugar a formación de orbitales de tipo π. Algunas de estas combinaciones propician un gigantesco orbital molecular deslocalizado entre todos los átomos de carbono que constituyen la capa de grafeno.

En el grafeno la longitud de los enlaces carbono-carbono es de aproximadamente 142 pm (picómetros). Es el componente estructural básico de todos los demás elementos grafíticos, incluidos el propio grafito, los nanotubos de carbono y los fullerenos.

Geim y Novoselov extrajeron el grafeno de un trozo de grafito. Utilizaron una especie de cinta adhesiva que les permitió extraer del grafito una lámina de un solo átomo de carbono. Muchos científicos creían entonces que era imposible que una lámina de un solo átomo de grosor cualquier material era imposible de fabricar porque era inestable.
El grafeno se conoce y se ha descrito desde hace más de medio siglo. El enlace químico y su estructura se describieron durante el decenio de 1930. Philip Russell Wallace calculó por primera vez (en 1949) la estructura electrónica de bandas. Al grafeno se le prestó poca atención durante décadas al pensarse que era un material inestable termodinámicamente ya que se pensaba que las fluctuaciones térmicas destruirían el orden del cristal dando lugar a que el cristal 2D se fundiese. Bajo este prisma se entiende la revolución que significó que Gueim y Novosiólov consiguiesen aislar el grafeno a temperatura ambiente. La palabra grafeno se adoptó oficialmente en 1994, después de haber sido designada de manera indistinta –en el campo de la ciencia de superficies– «monocapa de grafito».

Además, muchas nanoestructuras recientemente descubiertas, como los nanotubos de carbono, están relacionadas con el grafeno. Tradicionalmente, a estos nanotubos se les ha descrito como «hojas de grafeno enrolladas sobre sí mismas». De hecho las propiedades de los nanotubos de carbono se explican y entienden fácilmente a partir de las inherentes al grafeno. Se ha descrito también la preparación de nanotiras de grafeno mediante nanolitografía, haciendo uso de un microscopio de efecto túnel.

El grafeno es de los materiales más duros y fuertes existentes, incluso supera la dureza del diamante y es 200 veces más resistente que el acero. Es altamente rígido, de hecho, tiene un módulo de Young de 1 TPa. Por lo tanto soporta grandes fuerzas sin apenas deformarse. Se trata de un material ligero con una densidad de tan sólo 0,77 miligramos por metro cuadrado (densidad indicada en unidades de superficie como causa de su estructura laminar).

Novoselov4Las propiedades del grafeno son ideales para utilizarlo como componente de circuitos integrados. Está dotado de alta movilidad de portadores, así como de bajo nivel de «ruido». Ello permite que se le utilice como canal en transistores de efecto campo (FET). La dificultad de utilizar grafeno estriba en la producción del mismo material en el sustrato adecuado. Investigadores están indagando métodos tales como transferencia de hojas de grafeno desde grafito (exfoliación) o crecimiento epitaxial (como la grafitización térmica de la superficie del carburo de silicio: SiC).

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 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.

Novoselov3Las 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.

Otro material que puede resultar revolucionario es el grafino.

El grafino es una forma alotrópica del carbono. Su estructura es de láminas planas de un átomo de espesor, unidos de manera de hibridaciones sp y sp2, dispuestos en la red cristalina. Se puede ver como un entramado de benceno anillos conectados por enlaces acetileno.

Dependiendo del contenido de los grupos de acetileno, el grafino puede considerarse una hibridación mixta, SP n, donde 1 <n <2, y por lo tanto difiere de la hibridación de grafeno (considerado puro sp 2) y diamante (puro sp 3). La existencia de grafino se ha conjeturado hace más de 50 años , pero ha llamado la atención después del descubrimiento de los fullerenos.   Aunque todavía no está sintetizada, estructuras periódicas de grafino y sus análogos de nitruro de boro, se mostró a ser estables.

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Publicado el 23 agosto, 2015 en Física, Materiales, Química. Añade a favoritos el enlace permanente. 2 comentarios.

  1. Interesante resumen del material de moda. Echa un vistazo a algunos giros raros que suenan a traducción literal del inglés.

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