El Grafeno

El alótropo de carbono más versátil con propiedades extraordinarias 

El carbono es uno de los elementos más abundantes de la tierra y más importantes para los seres vivos. Incluso, es considerado el rey de la tabla periódica gracias a sus excelentes propiedades químicas, las cuales se deben a una estructura electrónica capaz de crear moléculas con enlaces sencillos, dobles y triples pudiendo formar hasta diez millones de elementos. 

Los alótropos de carbono por su parte son aquellos materiales base carbono con distintas configuraciones moleculares y, en consecuencia, distintas propiedades. Por ejemplo, en el grafito, conocido por ser un material blando, conductor eléctrico y de gran resistencia térmica, los átomos de carbono están unidos entre sí por tres enlaces covalentes en forma de hexágonos distribuidos en capas apiladas, pero débilmente unidas.  

Entre sus aplicaciones más conocidas están los lápices, baterías, lubricantes, entre otras. Mientras que, en el diamante, un material aislante y por demás conocido por su alto valor económico en joyería, los átomos de carbono se encuentran unidos también por enlaces covalentes, pero en forma de tetraedros que le confiere una extrema dureza utilizada principalmente para instrumentos de corte.  

Otros alótropos de carbono, quizá menos conocidos y de clase nanométrica, es decir, de tamaño menor a 0.1 micras, son los fullerenos de apariencia semejante a un balón de futbol, el cual puede actuar como semiconductor o superconductor; los nanotubos monocapa o multicapa, que no son más que capas de carbono en forma tubular caracterizados por tener gran resistencia, elasticidad y conductividad.  

Y, finalmente, el grafeno, una molécula constituida por capas de carbono similares a las del grafito, pero en bloques aislados desde una capa hasta 10 como máximo, pero con propiedades superiores en términos de resistencia mecánica, conductividad térmica, eléctrica, entre muchas otras. 

“Existen otros materiales que no deben identificarse como alótropos de carbono, p.ej., el negro de humo y el carbón activado, que se definen como materiales carbonáceos obtenidos a partir de materias primas que contienen carbono” 

El carbón activado o carbón vegetal, es un material similar al grafito, pero de aspecto rugoso y poroso con una importante capacidad adsorbente utilizada fundamentalmente para la eliminación de contaminantes en el aire o en el agua. A diferencia del grafito o del grafeno, que se componen de átomos de carbono organizados en un patrón hexagonal, el carbón activado se constituye por anillos heptagonales y pentagonales más desorganizados por las impurezas adquiridas al momento de su producción, comúnmente a partir de la carbonización de biomasa como madera, cáscaras de coco, huesos o bien de coque de petróleo en ausencia de aire, seguido de una gasificación parcial con vapor de agua o dióxido de carbono para modificar su porosidad. 

“En el carbón activado, el término activación se refiere a la aplicación de medios físicos o químicos para incrementar su porosidad y, por ende, su área superficial” 

El negro de humo o negro de carbón, es un carbón amorfo coloidal compuesto por la agregación de esferas nanométricas con aproximadamente un 1% de especies orgánicas. Se obtiene de la combustión incompleta de hidrocarburos como el petróleo bajo condiciones controladas y, aunque al igual que el carbón activado es un material carbonoso, sus propiedades no dependen de su porosidad, sino de la distancia entre sus partículas.  Es entonces que, mientras que en el carbón activado se aprovechan las propiedades absorbentes, el negro de humo se utiliza como refuerzo del caucho, en pigmentos conductores o como estabilizador de rayos UV.  

¿Qué hace del grafeno un material superior? 

De todos los alótropos de carbono y materiales carbonosos, el grafeno es el nanomaterial más revolucionario y reconocido como la unidad fundamental de todas las formas de grafito, ya que se puede curvar en fullerenos, enrollar en nanotubos y apilarse en grafito. 

Lo que hace del grafeno un material superior, son los fuertes y organizados enlaces entre sus átomos que determinan la estructura en forma de panal de abeja y que a la vez explican su fortaleza mecánica, mientras que el electrón que queda libre cuando cada átomo de carbono se enlaza con otros tres, es la respuesta a su excelente conductividad.  

Lo sorprendente del grafeno es su extraordinaria multifuncionalidad, ya que aunado a lo antes mencionado en términos mecánicos y de conductividad tanto térmica como eléctrica, también el grafeno es sumamente ligero, transparente, impermeable, biocompatible, antimicrobiano, anticorrosivo, resistente a la radiación y, finalmente, tiene la gran facultad de reaccionar químicamente con otras sustancias para compartir todas estas propiedades, de tal manera que puede formar compuestos con características nuevas o mejoradas. Esta capacidad de interactuar con otros compuestos no solo justifica su estudio, sino que promueve su uso para el desarrollo de numerosas aplicaciones en casi todas las industrias, desde la industria de la construcción, para mejorar las propiedades del concreto; en la industria del reciclaje y del plástico, extendiendo la vida útil de los materiales; de los recubrimientos anticorrosivos y antimicrobianos, incrementando su eficiencia protectora, hasta la industria electrónica, energética o biomédica, con diversos beneficios dependiendo de las necesidades de cada sector.   

¿Cómo se obtiene el grafeno? 

El grafeno se puede obtener por dos técnicas principales. La primera recibe el nombre de “abajo hacia arriba” mediante el método de deposición química de vapor (CVD, por sus siglas en inglés), el cual se basa en la extracción de los átomos de carbono a partir de gases como el metano; aunque es un método bastante conocido y comprendido, es poco utilizado para producciones industriales debido a su baja escala de producción y los altos costos de operación. La segunda técnica y además la más común, ya que supera los inconvenientes del CVD, pero no las particularidades del material, es la técnica de “arriba hacia abajo”, la cual consiste en el aislamiento o separación de las capas de carbono o grafeno propiamente dicho mediante la exfoliación mecánica, electroquímica o química del grafito a granel. Entendiendo que, la separación de menos de 10 capas de carbono se considera grafeno y que un número mayor será considerado grafito. De hecho, suele haber una gran confusión entre el grafito y el grafeno, no obstante, es fácil determinar sus diferencias. Por ejemplo, el grafito es un material tridimensional (3D), mientras que el grafeno tiene una estructura bidimensional (2D), lo cual quiere decir que una de sus dimensiones (extensión) se encuentra en el orden de las micras y la segunda dimensión (espesor) se ubica en la escala nanométrica. Es por eso que un punto de referencia del grafeno es que tiene un átomo de espesor.   

En Energeia- Graphenemex®, la empresa mexicana pionera en América Latina enfocada en la investigación y producción de materiales grafénicos, tiene como fortaleza la creación de métodos y procesos patentados para la producción replicable y a gran escala de distintos tipos de grafenos que asegura su disponibilidad para el desarrollo de aplicaciones ya sea propias o, como aliado estratégico de otras compañías interesadas en innovar y mejorar sus productos con esta extraordinaria tecnología.  

Redacción: EF/ DHS