Grafeno para niños
El grafeno es un material increíble hecho de puro carbono. Imagina una lámina tan delgada que solo tiene el grosor de un átomo. ¡Es casi transparente! Sus átomos están organizados en un patrón hexagonal, como un panal de abejas, similar al grafito (el material de las minas de lápiz).
Este material es asombroso por varias razones: es unas 200 veces más resistente que el acero más fuerte que conocemos, pero al mismo tiempo es muy ligero, ¡unas cinco veces más ligero que el aluminio! Su densidad es parecida a la de la fibra de carbono.
El grafeno es una forma especial de carbono, donde los átomos se unen de una manera particular (llamada hibridación sp2) para formar esa estructura plana y hexagonal.
En 2004, el grafeno fue "redescubierto" y estudiado a fondo en la Universidad de Mánchester por los científicos Andréy Gueim y Konstantín Novosiólov. Gracias a sus importantes descubrimientos sobre este material, recibieron el Premio Nobel de Física en 2010.
La estructura del grafito puede verse como muchas láminas de grafeno apiladas. Las uniones entre estas capas son débiles, lo que permite que el grafeno sea tan especial cuando se aísla en una sola capa. La distancia entre los átomos de carbono en el grafeno es de aproximadamente 142 picómetros. Es el componente básico de otros materiales de carbono como los nanotubos de carbono y los fullerenos.
Contenido
¿Qué es el grafeno?
El grafeno se describe como una capa individual de átomos de carbono. Es importante no confundirlo con el grafito, que es un material tridimensional. El término grafeno se usa para hablar de las propiedades y reacciones de estas capas individuales.
Se puede pensar en el grafeno como una red infinita de anillos de seis átomos de carbono, similar a los anillos que forman el benceno, pero extendida en dos direcciones.
Propiedades sorprendentes del grafeno
El grafeno tiene muchas características que lo hacen muy interesante para el futuro:
- Es increíblemente resistente: Como dijimos, es 200 veces más fuerte que una lámina de acero del mismo grosor.
- Es muy flexible y elástico: Se puede doblar sin romperse.
- Es transparente: Deja pasar la luz.
- Se enfría solo: Puede disipar el calor de forma eficiente.
- Conduce muy bien la electricidad y el calor: Es un excelente conductor.
- Reacciona con otras sustancias: Puede combinarse con otros elementos para crear nuevos materiales con propiedades diferentes.
- Es muy ligero: Similar a la fibra de carbono, pero más flexible.
- Se calienta menos: Al conducir electricidad, genera menos calor que otros materiales como el silicio.
- Ahorra energía: Para hacer la misma tarea que el silicio, usa menos electricidad.
- Genera electricidad con la luz: Puede producir energía cuando le da la luz.
- Se puede modificar: Se le pueden añadir pequeñas cantidades de otras sustancias (dopaje) para cambiar sus propiedades, por ejemplo, para que no repela el agua o para que conduzca aún mejor.
- Se autorrepara: Si una lámina de grafeno se daña, puede atraer átomos de carbono cercanos para rellenar los huecos y repararse.
- Absorbe residuos radiactivos: En su forma de óxido, puede ayudar a limpiar ciertos materiales.
¿Qué tan fuerte es el grafeno?
Para que te hagas una idea de su resistencia, un científico que ganó el Premio Nobel comparó el grafeno con una hamaca. Si tuvieras una hamaca de grafeno de un metro cuadrado y con el grosor de un solo átomo, ¡podría soportar el peso de un gato (unos 4 kg) antes de romperse! Y lo más sorprendente es que esa hamaca pesaría menos de un miligramo, ¡lo mismo que uno de los pelos del bigote del gato!
Formas especiales de grafeno
Grafeno reforzado
Esta versión del grafeno incluye pequeñas "barras" de nanotubos de carbono incrustadas. Esto lo hace más fácil de manejar y mejora sus propiedades eléctricas y mecánicas. Es como si le pusieran un esqueleto para hacerlo aún más fuerte y conductor.
Grafeno moldeado
En 2015, científicos de la Universidad de Illinois descubrieron cómo darle formas tridimensionales a las láminas planas de grafeno. Empaparon el grafeno en un líquido para que se hinchara y se volviera moldeable. Luego lo colocaron sobre una superficie con la forma deseada. Al evaporarse el líquido, el grafeno se quedaba con esa forma. Así, pudieron crear objetos pequeños y complejos.
Aerogel de grafeno
Este es un material extremadamente ligero, como una "espuma" hecha de grafeno y nanotubos de carbono. Es tan ligero que 0,16 miligramos caben en un centímetro cúbico. Es muy elástico y puede absorber líquidos: puede recuperar su forma después de ser comprimido más del 90% y absorber hasta 900 veces su peso en aceite.
Historia del descubrimiento del grafeno
Aunque el grafeno parece un material muy nuevo, en realidad se conoce y se ha descrito desde hace más de medio siglo. Sus enlaces químicos y su estructura se explicaron en los años 30. En 1949, Philip Russell Wallace calculó por primera vez cómo se comportan los electrones en él.
Durante mucho tiempo, no se le prestó mucha atención porque se pensaba que era inestable. Se creía que el calor lo destruiría. Por eso, fue una gran sorpresa cuando Andréy Gueim y Konstantín Novosiólov lograron aislar el grafeno a temperatura ambiente en 2004. La palabra "grafeno" se adoptó oficialmente en 1994.
Muchas nanoestructuras descubiertas recientemente, como los nanotubos de carbono, están relacionadas con el grafeno. De hecho, las propiedades de los nanotubos de carbono se entienden mejor si se piensa en ellos como láminas de grafeno enrolladas.
Usos del grafeno
Reducción de oxígeno
El grafeno, especialmente si se le añaden ciertos metales como el níquel, puede ayudar en reacciones químicas para reducir el oxígeno. Esto podría ser útil en procesos industriales.
Reemplazo de materiales derivados del petróleo
Investigadores están explorando cómo usar el grafeno para mejorar plásticos hechos de materiales naturales, como el almidón de mandioca. Al añadir pequeñas láminas de grafeno, se obtienen materiales más resistentes y que dejan pasar menos oxígeno. Estos nuevos materiales son también biodegradables, lo que significa que podrían ser una alternativa más ecológica a los plásticos que vienen del petróleo.
Investigación en Argentina
En Argentina, varios grupos de científicos están investigando el grafeno:
- En el INIFTA (CONICET-UNLP) estudian cómo obtener grafeno.
- En el IFEG (CONICET-Universidad Nacional de Córdoba) investigan sus propiedades eléctricas.
- En la CNEA y el Instituto Balseiro, estudian cómo se mueven los electrones en el grafeno y cómo lo afectan los campos electromagnéticos.
- En la Universidad Nacional de Córdoba, descubrieron que un láser de luz infrarroja podría detener la conductividad eléctrica del grafeno, lo que permitiría "encender y apagar" su capacidad de conducir electricidad. Esto sería un gran avance tecnológico.
- El INTI colabora con el NIST de Estados Unidos para aprender a fabricar muestras de grafeno y ver cómo se pueden usar en metrología (la ciencia de las mediciones).
Purificación del agua
El óxido de grafeno, una forma modificada del grafeno, tiene grupos de oxígeno en su superficie que se pueden controlar. Científicos en Argentina están diseñando materiales basados en hidrogeles de óxido de grafeno para limpiar el agua. Este material puede absorber contaminantes, como iones o compuestos orgánicos, de acuíferos contaminados.
La idea es usar pequeños "pellets" de óxido de grafeno que se introducen en el agua para que absorban los contaminantes y luego se retiran, por ejemplo, filtrándolos. Esto podría ayudar a millones de personas que no tienen acceso a agua potable, ya que los métodos actuales suelen ser caros y generan muchos residuos.
El grafeno y las proteínas
Científicos en Santa Fe, Argentina, están usando nanotecnología con grafeno para clasificar proteínas y sus aminoácidos. Quieren crear un dispositivo que detecte errores en la secuencia de aminoácidos de las proteínas, que son la causa de muchas enfermedades.
Descubrieron que el grafeno puede distinguir cada uno de los aminoácidos que forman las proteínas. Al conectar una lámina de grafeno a una pila, cada aminoácido produce una corriente eléctrica diferente, como una "huella digital". Esto sugiere que el grafeno podría usarse para construir un secuenciador de proteínas, un aparato que "lee" el código de las proteínas.
Aplicaciones en electrónica
Las propiedades del grafeno lo hacen ideal para usarlo en circuitos electrónicos. Los electrones se mueven muy rápido en él y genera poco "ruido" eléctrico. Por eso, se puede usar en transistores.
Grandes empresas como IBM han logrado fabricar transistores de grafeno que operan a velocidades muy altas, alcanzando los 300 gigahercios (GHz).
Aunque muchos creen que el grafeno podría reemplazar al silicio en la tecnología, algunos expertos, como el físico holandés Walter de Heer, piensan que no lo reemplazará por completo, sino que hará cosas que el silicio no puede. Una de las limitaciones del grafeno es que no puede dejar de conducir electricidad, es decir, no se puede "apagar" como un interruptor.
Cables de alta velocidad
Científicos de la Universidad de Cambridge lograron que el grafeno captara mucha luz. Esto, combinado con la rapidez con la que se mueven los electrones en él, podría usarse para crear cables de fibra óptica ultrarrápidos. Estos cables de grafeno podrían mover información cientos de veces más rápido que los actuales, mejorando la velocidad de internet y todas las comunicaciones.
Superbaterías eléctricas
El grafeno es muy prometedor para crear baterías que duren mucho más y se carguen en menos tiempo. Esto sería una gran ventaja para teléfonos móviles, tabletas y computadoras portátiles.
Pantallas táctiles flexibles
Investigadores de la Universidad de Texas y Corea del Sur descubrieron que una lámina de grafeno puede usarse en pantallas táctiles. Como es transparente y conduce muy bien la electricidad sin calentarse, es ideal para colocarla sobre un panel de píxeles sin afectar el brillo. Además, al ser tan flexible, podría permitir el desarrollo de futuras pantallas táctiles que se puedan doblar.
Auriculares y altavoces de calidad profesional
Científicos de la Universidad de California están trabajando en auriculares y altavoces con diafragmas hechos de grafeno. El diafragma de grafeno vibra entre dos electrodos para producir sonido. Dicen que el sonido es de muy alta calidad, comparable a productos profesionales, y que al ser tan delgado, los dispositivos podrían ser muy pequeños y ligeros.
Cámaras fotográficas con mayor sensibilidad
Investigadores en Singapur crearon un sensor de cámara hecho de grafeno. Este sensor es mil veces más sensible a la luz que los sensores actuales. Esto permitiría tomar mejores fotos en condiciones de poca luz y en general. Además, estos nuevos sensores de grafeno podrían consumir diez veces menos energía y ser cinco veces más baratos de fabricar.
Aplicación en desalinización del agua
Se está investigando el uso de láminas de grafeno con poros muy pequeños (1,8 nanómetros) para reemplazar las membranas en el proceso de ósmosis inversa para la desalinización del agua (quitarle la sal). Sus agujeros son tan diminutos que las moléculas de agua pueden pasar, pero las de sal no. Se espera que esto sea mucho más eficiente y requiera menos energía que los métodos actuales, aunque por ahora las membranas de grafeno son costosas.
Cómo se produce el grafeno
El principal desafío para usar el grafeno a gran escala es que es difícil producir grandes cantidades. Algunas técnicas de fabricación son:
- Exfoliación con cinta adhesiva: Un método simple, como despegar capas con cinta.
- Deposición química de vapor (CVD): Un proceso donde se deposita carbono sobre una superficie.
- Exfoliación con disolventes: Separar las capas usando líquidos.
- Descarga de arco eléctrico y generación de plasma: Métodos más avanzados.
- Oxidación-Reducción: Un proceso químico.
Generalmente, cuanto más fácil es producir grandes cantidades, menor es la calidad del grafeno. Sin embargo, se pueden obtener nanoplaquetas de grafeno de buena calidad moliendo grafito.
Recientemente, científicos de la Universidad de Rice lograron sintetizar grafeno de alta calidad a partir de azúcar común a 800 °C. Otra técnica nueva consiste en oxidar grafito para obtener un polvo llamado óxido de grafito, que luego se suspende en agua y se usa ultrasonido para separar las láminas de grafeno.
Grafeno en el espacio
En 2011, el telescopio espacial Spitzer de la NASA descubrió grafeno en el espacio, junto con otras moléculas de carbono.
Galería de imágenes
-
Estructura cristalina del grafito.
-
Estructuras de resonancia en el benceno.
-
Lámina de grafeno.
-
Materiales derivados del petróleo.
-
Placa de grafeno.
-
Purificación de agua con grafeno.
-
Grafeno.
Véase también
En inglés: Graphene Facts for Kids
- AMOLED
- Batería de nanocables
- Batería de ion de litio
- Electrónica flexible
- Pentagrafeno
- Siliceno
- Supercondensador
