El grafeno es un nanomaterial compuesto únicamente por carbono, en el que los átomos se unen formando estructuras hexagonales.
Es el cristal más fino que se conoce y sus propiedades lo hacen muy deseable. Este material es ligero, conductor de electricidad, rígido e impermeable.
La aplicabilidad del grafeno se encuentra en varias áreas. Los más conocidos son: construcción civil, energía, telecomunicaciones, medicina y electrónica.
Desde que se descubrió, el grafeno ha seguido siendo el centro de interés de la investigación. El estudio de aplicaciones de este material moviliza instituciones e inversiones de millones de euros. Así que los científicos de todo el mundo siguen intentando desarrollar una forma más barata de producirlo a gran escala.
Entendiendo que es el grafeno
El grafeno es una forma alotrópica de carbono, donde la disposición de los átomos de este elemento forma una capa delgada.
Este alótropo es bidimensional, es decir, tiene solo dos medidas: ancho y alto.
Para tener una idea del tamaño de este material, el grosor de una hoja de papel corresponde a la superposición de 3 millones de capas de grafeno.
Aunque es el material más delgado aislado e identificado por el hombre, su dimensión es del orden de los nanómetros. Es ligero y fuerte, capaz de conducir la electricidad mejor que los metales como el cobre y el silicio.
La disposición que asumen los átomos de carbono en la estructura del grafeno hace que se encuentren en él características muy interesantes y deseables.
Aplicaciones de grafeno
Muchas empresas y grupos de investigación de todo el mundo están publicando resultados de trabajos que involucran aplicaciones para grafeno. Vea a continuación los principales.
| El agua potable | Las membranas formadas por grafeno son capaces de desalinizar y purificar el agua de mar. |
|---|---|
| Emisiones de CO2 | Los filtros de grafeno pueden reducir las emisiones de CO2 separando los gases generados por industrias y negocios que serán rechazados. |
| detección de enfermedades | Los sensores biomédicos mucho más rápidos están basados en grafeno y pueden detectar enfermedades, virus y otras toxinas. |
| Construcción civil | Los materiales de construcción como el hormigón y el aluminio se hacen más ligeros y resistentes con la adición de grafeno. |
| Belleza | Coloración del cabello mediante pulverización de grafeno, cuya duración rondaría los 30 lavados. |
| Microdispositivos | Chips aún más pequeños y fuertes debido a la sustitución del silicio por grafeno. |
| Energía | Las células solares tienen mejor flexibilidad, más transparencia y menores costos de producción con el uso de grafeno. |
| Electrónica | Las baterías con un almacenamiento de energía mejor y más rápido se pueden recargar en hasta 15 minutos. |
| Movilidad | Las bicicletas pueden tener neumáticos más firmes y cuadros que pesan 350 gramos usando grafeno. |
Estructura de grafeno
La estructura del grafeno está formada por una red de carbonos enlazados en hexágonos.
El núcleo de carbono está formado por 6 protones y 6 neutrones. Los 6 electrones del átomo se distribuyen en dos capas.
A capa de valencia hay 4 electrones, con esta capa que contiene hasta 8. Por tanto, para que el carbono adquiera estabilidad, debe realizar 4 conexiones y alcanzar la configuración electrónica de un gas noble, como se indica en la regla del octeto.
Los átomos en el grafeno se unen por enlaces covalentes, es decir, hay un intercambio de electrones.
Los enlaces carbono-carbono son los enlaces más fuertes que se encuentran en la naturaleza y cada carbono se une a los otros 3 en la estructura. Por tanto, la hibridación del átomo es sp2, que corresponde a 2 enlaces simples y uno doble.
De los 4 electrones de carbono, tres se comparten con los átomos vecinos y uno, que forma el enlace. , ayuda al grafeno, por ejemplo, a ser un buen conductor de la electricidad porque tiene más "libertad" en el material.
Propiedades del grafeno
| Luz | Un metro cuadrado pesa solo 0,77 miligramos. Un aerogel de grafeno es aproximadamente 12 veces más ligero que el aire. |
|---|---|
| Flexible | Puede expandirse hasta un 25% de su longitud. |
| Conductor | Su densidad de corriente superior a la del cobre. |
| Durable | Se expande con el frío y se encoge con el calor. La mayoría de las sustancias actúan de forma opuesta. |
| Impermeable | La malla formada por carbonos ni siquiera permite el paso de un átomo de helio. |
| Resistente | Aproximadamente 200 veces más fuerte que el acero. |
| Translúcido | Absorbe solo el 2,3% de la luz. |
| Delgada | Un millón de veces más delgado que un cabello humano. Su grosor es de un solo átomo. |
| Difícil | El material más duro que se conoce, incluso más que el diamante. |
Historia y descubrimiento del grafeno
El término grafeno se utilizó por primera vez en 1987, pero solo fue reconocido oficialmente en 1994 por la União de Química Pure and Applied.
Esta designación surgió de la unión de grafito con el sufijo -ene, refiriéndose al doble enlace de la sustancia.
Desde la década de 1950, Linus Pauling habló en sus clases sobre la existencia de una fina capa de carbono, formada por anillos hexagonales. Philip Russell Wallace también describió algunas propiedades importantes de esta estructura años antes.
Sin embargo, solo recientemente, en 2004, el grafeno fue aislado por los físicos Andre Geim y Konstantin Novoselov en la Universidad de Manchester y puede ser profundamente conocido.
Estaban estudiando el grafito y utilizando la técnica de exfoliación mecánica lograron aislar una capa de material mediante cinta adhesiva. Esta hazaña otorgó el Premio Nobel a la pareja en 2010.
Importancia del grafeno para Brasil
Brasil tiene una de las mayores reservas de grafito natural, un material que contiene grafeno. Las reservas naturales de grafito alcanzan el 45% del total mundial.
Aunque la ocurrencia de grafito se observa en todo el territorio brasileño, las reservas explotadas se encuentran en Minas Gerais, Ceará y Bahía.
Con abundante materia prima, Brasil también invierte en investigación en el área. El primer laboratorio en América Latina dedicado a la investigación con grafeno se encuentra en Brasil, en la Universidade Presbiteriana Mackenzie en São Paulo, llamado MackGraphe.
Fabricación de grafeno
El grafeno se puede preparar a partir de carburo, hidrocarburo, nanotubos de carbono y grafito. Siendo este último el más utilizado como material de partida.
Los principales métodos de producción de grafeno son:
- Microexfoliación mecánica: Un cristal de grafito tiene capas de grafeno eliminadas con una cinta, que se depositan sobre sustratos que contienen óxido de silicio.
- Microexfoliación química: los enlaces de carbono se debilitan por la adición de reactivos, rompiendo parcialmente la red.
- deposición de vapor químico: formación de capas de grafeno depositadas sobre soportes sólidos, como la superficie de níquel metálico.
Precio del grafeno
La dificultad de sintetizar el grafeno a escala industrial hace que el valor de este material sea todavía muy alto.
Comparado con el grafito, su precio es miles de veces más alto. Mientras que 1 kg de grafito se vende por 1 dólar, la venta de 150 g de grafeno se realiza por 15.000 dólares.
Curiosidades sobre el grafeno
- Proyecto de la Unión Europea, denominado Buque insignia de grafeno, destinó alrededor de 1.300 millones de euros a la investigación relacionada con el grafeno, las aplicaciones y el desarrollo de la producción a escala industrial. Cerca de 150 instituciones en 23 países participan en este proyecto.
- La primera maleta desarrollada para viajes espaciales tiene grafeno en su composición. Su lanzamiento está previsto para 2033, cuando la NASA prevé realizar expediciones a Marte.
- El borofeno es el nuevo competidor del grafeno. Este material fue descubierto en 2015 y se considera una versión mejorada del grafeno, siendo aún más flexible, resistente y conductor.
Grafeno en Enem
En la prueba Enem 2018, una de las preguntas de Ciencias naturales y sus tecnologías se trataba de grafeno. Consulte a continuación la resolución comentada de este problema.
El grafeno es una forma alotrópica de carbono que consiste en una hoja plana (matriz bidimensional) de átomos de carbono compactados que tienen solo un átomo de espesor. Su estructura es hexagonal, como se muestra en la figura.
En esta disposición, los átomos de carbono tienen hibridación.
a) sp de geometría lineal.
b) sp2 de geometría trigonal plana.
c) sp3 alternados con carbonos con hibridación sp de geometría lineal.
d) sp3d de geometría plana.
e) sp3D2 con geometría plana hexagonal.
alternativa correcta: b) sp2 de geometría trigonal plana.
La alotropía del carbono se produce debido a su capacidad para formar diferentes sustancias simples.
Debido a que tiene 4 electrones en la capa de valencia, el carbono es tetravalente, es decir, tiende a formar 4 enlaces covalentes. Estos enlaces pueden ser simples, dobles o triples.
Dependiendo de los enlaces que hace el carbono, la estructura espacial de la molécula cambia a la disposición que mejor se adapta a los átomos.
La hibridación ocurre cuando hay una combinación de orbitales, y para el carbono puede ser: sp, sp2 y sp3, según el tipo de llamadas.
El número de orbitales híbridos es la suma de los enlaces sigma (σ) que hace el carbono, ya que el enlace no hibrida.
- sp: 2 enlaces sigma
- sp2: 3 enlaces sigma
- sp3: 4 enlaces sigma
La representación del alótropo de grafeno en bolas y palos, como se muestra en la figura de la pregunta, no demuestra los verdaderos enlaces de la sustancia.
Pero si miramos una parte de la imagen, vemos que hay un carbono, que representa una bola, que se conecta a otros tres carbones formando una estructura como un triángulo.
Si el carbono necesita 4 enlaces y está unido a otros 3 carbonos, entonces uno de esos enlaces es doble.
Debido a que tiene un enlace doble y dos enlaces simples, el grafeno tiene hibridación sp.2 y, en consecuencia, geometría plana trigonal.
Las otras formas alotrópicas conocidas de carbono son: grafito, diamante, fullereno y nanotubos. Aunque todos están hechos de carbono, los alótropos tienen diferentes propiedades, derivadas de sus diferentes estructuras.
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