Lucía Ibarra Samaniego
Aidé Sáenz Galindo
Adalí Castañeda Facio
Facultad de Ciencias Químicas UAdeC
Víctor Cruz Delgado
CIQA, Materiales Avanzados
luciaibarrasamanieg@uadec.edu.mx
Resumen
En el presente trabajo se muestra una revisión bibliográfica sobre los aspectos más sobre-salientes de uno de los alótropos del carbón más conocidos hasta el momento; el grafeno, cuyas propiedades extraordinarias se deben a la propagación relativista de sus electrones de conducción. En el presente artículo se expone una revisión bibliográfica sobre las genera-lidades, propiedades y sus posibles aplicaciones que presenta el grafeno.
Palabras clave: grafeno, propiedades, aplicaciones.
Introducción
El carbono es uno de los elementos más abundantes y conocidos en la naturaleza, cuenta con una propiedad peculiar e importante, ésta es la alotropía que en química se define como la existencia de diversas estructuras cristalinas de un mismo elemento químico; el carbón presenta esta peculiaridad debido a que sus átomos pueden adoptar tres tipos de hibri-daciones de orbitales (Tapia Composta 2013). En este sentido los alótropos del carbón pue-den ser; tridimensionales como diamante o grafito, bidimensionales como el grafeno, mo-nodimensionales como nanotubos de carbono y cero dimensionales como los fullerenos.
Debido a esto en los últimos años las nanopartículas de carbono han atraído la atención de los investigadores debido a las propiedades que presentan y que estas se pueden trans-ferir a los materiales a los cuales son añadidos.
Por lo mencionado anteriormente en este trabajo se presentan las características y propiedades más sobresalientes del grafeno así como algunas de sus posibles aplicaciones.
Generalidades del grafeno
Andre Gemi y Konstantin Noveselov en el año 2004, descubrieron que a partir de la exfoliación de grafito en láminas individuales era posible obtener grafeno, esto se realizó mediante el método de la cinta adhesiva (scotch tape method); dicho método se basa en la exfoliación de grafito con cinta adhesiva hasta obtener una lámina aislada y de esta manera se obtiene grafeno (Llamas Hernández 2014).
El término grafeno fue introducido por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC, por sus siglas en inglés), cuya definición se refiere a aquella estructura nanométrica bidimensional de átomos de carbono fuertemente cohesionados en una super-ficie uniforme ligeramente plana con una configuración atómica hexagonal. Como re-sultado de esta configuración tan peculiar se desprenden las propiedades eléctricas, mecánicas y químicas tan excepcionales que presenta este material. En la figura 1 se pre-senta su estructura bidimensional (Rodríguez González C. 2008).
Grafeno: Formas alotrópicas
Debido a los tres tipos de hibridación que presenta el carbono, es posible que se origine una gran variedad de formas alotrópicas, dichas formas obedecen al ordenamiento espacial de los orbitales. En la figura 2 se presentan algunos de los alotropos del carbono como por ejemplo, el diamante y el grafeno presentan hibridación sp3 y sp2 respectivamente y son justamente formas alotrópicas del carbono.
Propiedades del grafeno
Debido a la estructura hexagonal que presenta el grafeno es posible que sea el material con más altas propiedades jamás medido, razón por la cual este material presenta un sin número de propiedades. El grafeno cuenta con una conductividad térmica de 4000 Wm-1K-1, en tanto que su conductividad eléctrica está en el orden de 0.96·106 (Ω·m)-1 y una resistencia mecánica de 42 N/m, en tanto que la absorción de luz se encuentra en 2.3 por ciento. En este sentido a continuación se describen algunas de las propiedades más sobresalientes del grafeno (Singh V. y col., 2011).
Propiedades mecánicas
La hibridación presente en los enlaces de carbono incide directamente en las propiedades de dureza y rigidez del grafeno, confirmándolo como el material más fuerte jamás medido, una capa de grafeno presenta flexibilidad siendo capaz de soportar una deformación elástica en exceso del veinte por ciento, estas propiedades dan al grafeno una estructura maleable (Cid H.E. y col., 2012).
Propiedades eléctricas
El grafeno presenta propiedades de un material semimetálico ya que cuenta con un GAP de cero como el de los metales, pero con la peculiaridad de que la densidad de estados en el nivel de Fermi es nula, como ocurre en lo semiconductores así que también se le puede considerar como un semiconductor de banda prohibida (GAP) nula.
En tanto que su estructura electrónica de bandas presenta una dispersión lineal respecto al momento para bajas energías, semejante a la que proporciona la ecuación de Dirac para los fermiones de masa nula.
Lo que convierte al grafeno monocapa en un sistema bidimensional de fermiones de Dirac de masa nula, lo que es de particular importancia para comprender sus propiedades inusuales (Solís Fernández, 2011).
Propiedades térmicas
Las formas del carbono basadas en la hibridación sp2, como: grafito, nanotubos de carbono y grafeno presentan elevada conductividad térmica debido a sus fuertes enlaces covalentes y a la dispersión de fotones, alcanzándose para el grafeno a temperatura ambiente superiores a 4000 W en el caso de grafeno prístino y libre de defectos (Solís Fernández, 2011).
Propiedades ópticas
Es una material de alta transparencia en todo rango de longitudes de onda de la zona visible y ultravioleta. Su transmitancia óptica se encuentra en el rango del 97.7 por ciento y es independiente de la longitud de onda en todo el rango visible, está elevada transmitancia óptica impide la observación visual directa mediante microscopía óptica de las láminas de grafeno (Latorre Sánchez y col., 2015).
Aplicaciones del grafeno
Debido a la versatilidad en propiedades, presenta una extensa gama de aplicaciones entre las que destacan, la electrónica, nanomedicina, almacenamiento de información, optoelec-trónica, baterías y biotecnología, a continuación se presentan algunas de las aplicaciones.
Grafeno: Anticorrosivo
El grafeno puede ser utilizado como material de recubrimiento para evitar la oxidación de diferentes sustratos, esto debido a que su distribución hexagonal e hibridación sp2 genera una barrera física impermeable que evita la interacción sustrato-ambiente, esto también ha sido demostrado en otras estructuras de carbono tales como los nanotubos.
Estudios recientes han demostrado que el grafeno puede proporcionar resistencia a la oxidación para aleaciones de cobre (Cu) y súper alineaciones de Cu/Ni.
En la tabla 1 se presenta el desempeño del grafeno como agente anticorrosivo y anti-oxi-dación (Hu J. y col., 2014).
Tabla 1. Desempeño del grafeno como anti-corrosivo y anti-oxidación
(Tong y col. 2013)
Grafeno: Resistencia a la húmeda
El grafeno ofrece una barrera impermeable para agentes externos, esto debido a las interacciones químicas entre el grafeno como recubrimiento y el medio ambiente, por ejemplo, los recubrimientos de tres dimensiones como las pinturas, los óxidos metálicos y los polímeros han demostrado ser un recubrimiento confiable sin embargo, su principal inconveniente es que su estructura tridimensional puede afectar a las propiedades eléctricas, físicas, térmicas y químicas del material recubierto (Hu J. y col., 2014).
Grafeno: Almacenamiento de energía
Las baterías y celdas de combustible convencionales presentan ciertas deficiencias tales como baja densidad de energía y carga entre otras las cuales podrían ser mitigadas con el uso de dispositivos a base de carbono.
Los nanotubos de carbono (CNT) presentan una excelente conductividad térmica y altas áreas superficiales, sin embargo, presentan defectos entre el electrodo y el colector de corriente.
En este sentido el grafeno surge como un electrodo muy prometedor para alma-cenamiento de energía, esto debido a su alta área superficial, la cual depende de sus capas y no de su distribución en comparación a los nanotubos de carbono.
Por otro lado el grafeno es útil para el almacenamiento de hidrógeno y éste es una de las fuentes de energía más limpias, aunque una tecnología de energía basada en hidrógeno requiere resolver problemas de almacenamiento y transporte ese hecho es una desventaja para el avance de las tecnologías de este elemento (Hu J.y col., 2014).
Grafeno: bioingeniería
Los materiales a base de carbono han sido ampliamente utilizados para la regeneración de tejidos u órganos. En este sentido debido a la estructura del grafeno, es decir, su superficie plana y a la combinación de propiedades tales como las mecánicas pueden ser utilizado como refuerzo estructural de películas biocompatibles para órganos de bioingeniería. En cuanto a los estudios con cultivos celulares existe una mejora en el área osteogénetica, esto ha sido posible gracias al uso de superficies de grafeno recubierto con diferentes células madre como lo son las meseniquimatosas y preosteoblastos. Además, se han implantado células en láminas de óxido de grafeno y se han obtenido resultados prometedores como material de implante (Kumar A. y col., 2013).
Grafeno: biosensores electroquímicos enzimático
Los biosensores de glucosa se aprovechan en la transferencia electrónica directa, en catálisis de reacción enzimática y actualmente continúan desarrollándose. Las reacciones electroquímicas de la glucosa oxidasa (GOx) se refiere al punto entre la superficie del electrodo y el sitio activo de la enzima en la absorbancia de un mediador. Actualmente se han llevado a cabo estudios con híbridos de grafeno con diversos nanomateriales, los electrones viajan una distancia de túnel a través de las enzimas consiguiendo de esta manera la reacción electroquímica de la glucosa oxidasa con los electrodos de grafeno modificado, la cinética de transferencia de electrones es alta debido a la buena conductividad y área superficial del grafeno favoreciendo la inmovilización del GOx (Song Y. y col., 2016).
Conclusiones
De acuerdo a la información analizada en el presente trabajo se puede concluir que las propiedades del grafeno son altamente prometedoras, para que dicho material sea empleado en el desarrollo de nuevos materiales con aplicaciones y propiedades multifuncionales, ya que en los últimos años ha atraído la atención de los investigadores debido a las excelentes propiedades que presenta, destacando su alta estabilidad y su baja toxicidad, al tratarse de un material a base de carbono hoy en días las investigaciones de este material van a la alza, para innumerables aplicaciones que van desde la nanomedicina hasta la aplicación como materiales inteligentes de última generación.
Bibliografía
Cid H.E., Arguello L.A., Flores C., Pérez M. “Síntesis y caracterización de grafeno”, Física Avanzada y Tecnología Aplicada.1-8. (2012).
Fernández Merino M. “Grafeno preparado por métodos químicos: caracterización y aplicaciones”. Tesis de Doctorado en Ciencia y Tecnología de Doctorado en Ciencia y Tecnología de Materiales. Universidad de Oviedo España. (2013).
Hu J., Ji Y.,Shi Y.,Hui F., Duan H. y Lanza Mario. “A review on the use of graphene as a protective coating against corrosión”. Annals of materials Science and Engineering, 16. (2014).
Kumar A. y Lee Huei Ch. “Synthesis and biomedical aplications of graphene: present and future trends”. Nanotechnology and nanomaterials. (2013).
Latorre Sánchez M. “Nanomateriales basados en grafeno y sus aplicaciones en nuevos sistemas”. Tesis de Doctorado. Universidad Politécnica de Valencia. España. (2015).
Llamas Hernández M. “Comportamiento elástico y morfológico de composites de grafeno/polipropileno”. Tesis de Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales. Universidad Autónoma de Nuevo León. (2015).
Min Y., Satoshi M. y Masayoshi H. “Selective edge modification in graphene and graphite by chemical oxidation”. Nanoscience and nanotechnology. 142974-2978 (2014).
Méndez Medrano M. “Grafeno: “El alótropo más prometedor del carbono”. Acta Universitaria. 22. (2012).
Rodríguez González C.; Kharissava Vasilievan O. “Propiedades y aplicaciones del grafeno”. XI.38. (2008).
Singh V.,Joung D.,Zhai L,.Das S.,Khondaker S. y Seal S. “Graphene based materials: past, present and future”. Materials Science. 56: 1178-1271. (2011).
Solís Fernández P. “Modificación superficial de grafeno y grafito”. Tesis de Doctorado en Ciencia de Materiales de la Ingeniería Metalúrgica. Universidad de Oviedo España. (2011).
Song Y., LuoY., Zhue Ch., LiH., Du D. y Lin Y. “Recent advances in electrochemical biosensors base on graphene two-dimensional nanomaterials”. Biosensors and Bioelectronics. 76: 195-212. (2016).
Tapia Composta. ”Preparación y caracterización de grafeno modificado con nanopartículas metálicas y bimetálicas. Tesis de Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales”. Universidad Autónoma de Nuevo León. (2015).
Tong Y., Bohmb S., y Song M. “Graphene based materials and their composites as coatings”. Austin Journal of nanomedicine and nanotechnology (2013).
