El grafeno es un nanomaterial solo de carbono donde los átomos se unen para formar estructuras hexagonales.

Es el cristal más fino conocido y sus propiedades lo hacen muy deseado. Este material es liviano, conductor de electricidad, rígido e impermeable.

La aplicabilidad del grafeno se encuentra en varias áreas. Los más conocidos son: construcción, energía, telecomunicaciones, medicina y electrónica.

Desde su descubrimiento, el grafeno ha seguido siendo el centro de interés en la investigación. El estudio de las solicitudes de este material moviliza instituciones e inversiones de millones de euros. Entonces, los científicos de todo el mundo siguen intentando desarrollar una forma más barata de producirlo a gran escala.

¿Qué 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, solo tiene 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 mejor material aislado e identificado por el hombre, su tamaño es del orden de los nanómetros. Es liviano y resistente, capaz de conducir la electricidad mejor que metales como el cobre y el silicio.

La disposición que los átomos de carbono asumen en la estructura del grafeno hace que se encuentren características muy interesantes y deseables.

Estructura de grafeno

La estructura del grafeno consiste en una red de carbonos unidos en hexágonos.

El núcleo de carbono está formado por 6 protones y 6 neutrones. Los 6 electrones del átomo ya están distribuidos en dos capas.

En la capa de valencia Hay 4 electrones, y esta capa puede contener hasta 8. Por lo tanto, para que el carbono adquiera estabilidad, debe formar 4 enlaces y lograr la configuración electrónica de un gas noble, como se establece en la regla del octeto.

Átomos en enlace de grafeno por enlaces covalentes, es decir, se comparten electrones.

Estructura de grafeno

Los enlaces carbono-carbono son los más fuertes que se encuentran en la naturaleza y cada carbono se une a los otros 3 en la estructura. Por lo tanto, la hibridación del átomo es sp2, que corresponde a 2 conexiones simples y una doble.

Sp hibridación2 de carbono en grafeno

De los 4 electrones de carbono, tres se comparten con los átomos vecinos y uno, que constituye el enlace, ayuda al grafeno, por ejemplo, a ser un buen conductor de 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 es más alta que el cobre.

Duradero Se expande en el frío y se contrae en el calor. La mayoría de las sustancias actúan de manera opuesta.
Impermeable La malla de carbono ni siquiera permite el paso de un átomo de helio.
Robusto Aproximadamente 200 veces más fuerte que el acero.
Translúcido Absorbe solo el 2.3% de la luz.
Bien Un millón de veces más delgado que un cabello humano. Su grosor es de solo un átomo.
Duro El material más duro conocido, incluso más que el diamante.

Historia del grafeno y descubrimiento

El término grafeno se utilizó por primera vez en 1987, pero no fue reconocido oficialmente hasta 1994 por la Unión de Química Pura y Aplicada.

Esta designación surgió de la unión del grafito con el sufijo -ene, que se refiere al doble enlace de la sustancia.

Desde la década de 1950, Linus Pauling había hablado en sus clases sobre la existencia de una delgada 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.

Estudiaban el grafito y mediante la técnica de exfoliación mecánica pudieron aislar una capa del material con el uso de una cinta adhesiva. Este logro otorgó el Premio Nobel al dúo en el año 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 presencia de grafito se observa en todo el territorio brasileño, las reservas exploradas 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 para la investigación del grafeno se encuentra en Brasil, en la Universidad 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. Este último es el más utilizado como material de partida.

Los principales métodos de producción de grafeno son:

  • Micro Exfoliación Mecánica: Un cristal de grafito tiene capas de grafeno quitadas y depositadas sobre sustratos de óxido de silicio.
  • Microfoliación química: Los enlaces de carbono se debilitan por la adición de reactivos, rompiendo parcialmente la red.
  • Deposición química de vapor: Formación de capas de grafeno depositadas sobre soportes sólidos, como la superficie metálica de níquel.

Precio del grafeno

La dificultad de sintetizar grafeno a escala industrial hace que el valor de este material siga siendo muy alto.

En comparación con el grafito, su precio es miles de veces mayor. Mientras que 1 kg de grafito se vende por $ 1, la venta de 150 gramos de grafeno gramo se realiza por $ 15,000.

¿Cuáles son las aplicaciones del grafeno?

Muchas empresas y grupos de investigación de todo el mundo están publicando resultados de trabajos relacionados con aplicaciones de grafeno. Aquí están los principales.

El agua potable Las membranas formadas por grafeno son capaces de desalar y purificar el agua de mar.
Emisiones de CO2 Los filtros de grafeno pueden reducir las emisiones de CO.2 separando gases generados por industrias y comercios que serán rechazados.
Detección de enfermedades Los sensores biomédicos mucho más rápidos están hechos de grafeno y pueden detectar enfermedades, virus y otras toxinas.
Construcción civil

Los materiales de construcción como el concreto y el aluminio se vuelven más livianos y fuertes con la adición de grafeno.

Belleza Coloración del cabello rociando grafeno, que duraría alrededor de 30 lavados.
Microdispositivos Incluso chips más pequeños y fuertes debido al reemplazo de silicio con grafeno.
Energía Las células solares tienen una 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 pueden recargarse en 15 minutos.
Movilidad Las bicicletas pueden tener neumáticos y cuadros más firmes que pesen 350 gramos con el uso de grafeno.

Curiosidades sobre el grafeno

  • Proyecto de la Unión Europea llamado así Nave insignia de grafeno, ha destinado unos 1.300 millones de euros para investigación relacionada con el grafeno, aplicaciones y desarrollo de 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 programado para 2033, cuando la NASA planea realizar expediciones a Marte.
  • Borofen es el nuevo competidor del grafeno. Este material fue descubierto en 2015 y se considera una versión mejorada de grafeno, siendo aún más flexible, resistente y conductor.

Grafeno en Enem

En la prueba Enem 2018, una de las preguntas de Nature Sciences y sus tecnologías Se trataba de grafeno. Echa un vistazo a la resolución comentada de esta pregunta a continuación.

El grafeno es una forma alotrópica de carbono que consiste en una lámina plana (matriz bidimensional) de átomos de carbono compactados con el grosor de un solo átomo. Su estructura es hexagonal, como se muestra.

En esta disposición, los átomos de carbono se hibridan

a) sp de geometría lineal.
b) sp2 de geometría trigonal plana.
c) sp3 alternando con carbonos sp-hibridados de geometría lineal.
d) sp3d de geometría plana.
e) sp3d2 con geometría hexagonal plana.

Alternativa correcta: b) sp2 de geometría trigonal plana.

La alotropía del carbono ocurre 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, tiene tendencia a formar 4 enlaces covalentes. Estos enlaces pueden ser simples, dobles o triples.

Como enlaces de carbono, la estructura espacial de la molécula cambia a la disposición que mejor acomoda los átomos.

La hibridación ocurre cuando hay una combinación de orbitales, y para el carbono puede ser: sp, sp2 y sp3dependiendo del tipo de enlaces.

El número de orbitales híbridos es la suma de los enlaces sigma (σ) que forma el carbono porque el enlace no se 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 por bola, que se une a otros tres carbonos formando una estructura como un triángulo.

Si el carbono necesita 4 enlaces y está unido a otros 3 carbonos, entonces uno de estos enlaces es doble.

Debido a que tiene un enlace doble y dos enlaces simples, el grafeno tiene hibridación sp.2 y, en consecuencia, la geometría trigonal plana.

Las otras formas alotrópicas conocidas de carbono son: grafito, diamante, fullereno y nanotubos. Aunque todos son carbono, los alótropos tienen diferentes propiedades de sus diferentes estructuras.

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