Ya en el siglo XXI aún tendría que aparecer otra forma alotrópica del carbono que, paradójicamente, había pasado desapercibida durante décadas y que resultaría todavía más sorprendente que las anteriores. Se trata del grafeno, que no es más que una lámina de grafito aislada, es decir, un material puramente bidimensional. Curiosamente, tras su descubrimiento y haciendo un análisis retrospectivo, la comunidad científica se percató de que este material ya había estado presente en muchos laboratorios sin que nadie se diera cuenta de su existencia y, por ende, de sus extraordinarias propiedades. Por tanto, aunque existe cierta polémica sobre el descubrimiento del grafeno, lo cierto es que no fue hasta 2004 cuando los investigadores rusos K. S. Novoselov y A. K. Geim, de la Universidad de Manchester, se dieron cuenta de que el grafito se podía exfoliar con cinta adhesiva y que se podían aislar unas láminas ultrafinas de apenas unos átomos de espesor. Estas no solo resultaban ser estables a temperatura ambiente sino que encerraban una de las mayores sorpresas de la ciencia en el inicio del siglo. Lo que observaron fue que los electrones de esas láminas finísimas se movían a unas velocidades muy superiores a las de cualquier material conocido hasta la fecha[1]; de hecho, parecía como si los electrones se comportaran como partículas sin masa[2].
Sería difícil tratar de expresar en pocas palabras la importancia del descubrimiento de este material para la ciencia, no tanto por expectativas de posibles aplicaciones o implicaciones tecnológicas, que ya se han visto drásticamente rebajadas, al menos a medio plazo[3], sino por la propia existencia de un sólido bidimensional real cuya materialización se preveía físicamente imposible por varios motivos. El hecho de aislar un material estrictamente bidimensional sirvió para confirmar varias hipótesis que hasta el momento solo se habían formulado de forma teórica y con modelos simplificados. Entre ellas, la conducción balística de electrones a lo largo del plano, la existencia de fases de Berry o el llamado efecto Hall cuántico entero[4]. Por todo ello, solo seis años después de la publicación del hallazgo del grafeno, K. S. Novoselov y A. K. Geim fueron galardonados con el Premio Nobel de Física.
Las propiedades tan inusuales y sorprendentes del grafeno se deben a la estructura atómica y electrónica única de este material. Es un sólido cristalino, pero solo en dos dimensiones en lugar de tres como los cristales convencionales. Su estructura se muestra en la figura 10.5. Como vemos, consiste en una red hexagonal que recuerda a la de los panales de abeja, con una distancia de enlace C–C de 1,42 Å, similar a la de muchos compuestos orgánicos. Al igual que en los fullerenos y los nanotubos de carbono, esta estructura es compatible con un estado de hibridación sp2 para los átomos de carbono, de modo que el plano estaría constituido por carbonos fuertemente enlazados mediante enlaces tipo σ mientras que fuera del plano tendríamos los orbitales pz sin hibridar que constituyen una banda π de electrones deslocalizados. Aunque el grafeno es bidimensional, se considera que estas bandas π tienen una extensión espacial de unos 3,35 Å, que es aproximadamente la distancia entre láminas paralelas que presenta la estructura del grafito (apartado 5.10). Esta estructura laminar que combina enlaces muy fuertes en un plano y electrones deslocalizados fuera del plano es la responsable de que este material presente unas propiedades mecánicas y electrónicas excepcionales.
La figura 10.6 resume las propiedades electrónicas del grafeno, que se comporta como un semimetal, ya que hay dos bandas electrónicas que se intersecan exactamente en un punto del espacio recíproco (K) con una dependencia lineal de la energía con respecto al número de ondas en ese entorno. Esta dispersión lineal recuerda mucho al resultado que se obtiene al resolver la ecuación de Dirac para un electrón relativista. La dispersión es muy característica y da lugar a unos puntos singulares en la densidad de estados conocidos como singularidades de van Hove, quedando representada en el espacio por los llamados conos de Dirac que se representan en el esquema de la parte superior izquierda de la figura 10.6. Aunque esta estructura de bandas revela un comportamiento de semimetal para el grafeno, durante muchos años se ha especulado con la posibilidad de usar este material como un semiconductor que sustituyera al silicio en los dispositivos electrónicos, vaticinando una revolución tecnológica[5]. La hipótesis se sustentaba en la posibilidad de “abrir un hueco” en la estructura de bandas, es decir, separar las dos hojas del cono de Dirac mediante la modificación del grafeno por medio del dopado, la funcionalización o la interacción con un sustrato. Sin embargo, pese a los esfuerzos de la comunidad científica en esta dirección no parece que eso vaya a ser posible, por lo menos a corto plazo.
Por otro lado, mención aparte merecen las extraordinarias propiedades mecánicas del grafeno, que se ha erigido de momento como el material más resistente conocido. Gracias a experimentos de nanoindentación llevados a cabo con un microscopio de fuerzas atómicas de una forma similar a lo que se hizo con los nanotubos de carbono, se ha determinado que una lámina de grafeno suspendida presenta una resistencia a la tracción de 130 GPa y un módulo de Young de 1 TPa[6]. Estos valores son mucho mayores que los de cualquier otro material conocido hasta la fecha.
Cabe destacar que, aunque el grafeno se aisló por primera vez mediante un método de exfoliación mecánica, actualmente se han desarrollado otros métodos de síntesis que pretenden ser más eficientes y que den lugar a una producción de grafeno a gran escala[7]. Aparte del método de la exfoliación mecánica, existen otros como el de la segregación, que consiste en calentar un metal en las condiciones adecuadas para que sus impurezas de carbono se acumulen en la superficie formando una capa ordenada de grafeno, o la grafitización del carburo de silicio, que se basa en un procedimiento similar al anterior usando como precursor esta cerámica de carácter abrasivo. Mediante un tratamiento térmico adecuado aparecen en la superficie de la muestra varias capas de grafeno epitaxial, aunque hay que tener en cuenta que la primera capa está muy distorsionada por el sustrato.
También existen métodos químicos en los que la exfoliación tiene lugar en estado líquido usando precursores dispersos en fases coloidales. Estos precursores suelen ser compuestos derivados del grafito como el óxido de grafito, que posee una estructura de capas muy separada que es posible separar completamente mediante procesos químicos y finalmente llevar a cabo su reducción a grafeno. Por último, hay una ruta muy prometedora que hace uso de un proceso conocido como deposición química en fase vapor (apartado 4.1). Este procedimiento, que se desarrolló durante la década de 1960 en la industria de la microelectrónica, consiste en partir de unos precursores en estado gaseoso (para el caso del grafeno, hidrocarburos ligeros) que a cierta temperatura pueden reaccionar sobre una superficie metálica dando los productos deseados si se controlan las condiciones de la deposición. Con este método es posible obtener grandes áreas de grafeno de alta calidad crecido sobre una gran variedad de sustratos metálicos. En la figura 10.7 podemos ver un ejemplo de este proceso aplicado al crecimiento de grafeno sobre la superficie (0001) del rutenio. Gracias al microscopio de efecto túnel puede distinguirse perfectamente la estructura cristalina del grafeno e incluso estudiar el patrón de muaré que se forma debido a la conmensuración de la red cristalina de grafeno con la del sustrato, que posee el mismo tipo de celda unidad pero de distinto tamaño.
[1] K. S. Novoselov et al. Science 306 (2004) 666-669. https://doi.org/10.1126/science.1102896.
[2] K. S. Novoselov et al. Nature 438 (2005) 197-200. https://doi.org/10.1038/nature04233.
[3] Una extensa discusión a este respecto, firmada por importantes expertos del campo, es A. C. Ferrari et al. Nanoscale 7 (2015) 4598-4810. https://doi.org/10.1039/C4NR01600A.
[4] Estos conceptos son de un nivel más avanzado y una discusión más detallada puede encontrarse en: M. I. Katsnelson. Graphene: Carbon in Two Dimensions. Cambridge University Press (2012).
[5] F. Schwierz. Nat. Nanotechol. 5 (2010) 487-497. https://doi.org/10.1038/nnano.2010.89; G. Fiori et al. Nat. Nanotechol. 9 (2014) 768-779. https://doi.org/10.1038/nnano.2014.207.
[6] C. Lee et al. Science 321 (2008) 385-388. https://doi.org/10.1126/science.1157996.
[7] Dos referencias concisas con información más detallada son: P. Avouris y C. Dimitrakopoulos. Mater. Today 15 (2012) 86-97. https://doi.org/10.1016/S1369-7021(12)70044-5; K. E. Whitener Jr. y P. E. Sheehan. Diamond Relat. Mater. 46 (2014) 25-34. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2014.04.006.
[8] Y. Pan et al. Adv. Mater. 21 (2009) 2777. https://doi.org/10.1002/adma.200800761.
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/ .
