Propiedades electrónicas
Una de las propiedades más útiles del grafeno es que es un semimetal de solapamiento cero (con agujeros y electrones como portadores de carga) con una conductividad eléctrica muy alta. Los átomos de carbono tienen un total de 6 electrones, 2 en la capa interna y 4 en la externa. Los 4 electrones de la capa exterior de un átomo de carbono están disponibles para el enlace químico, pero en el grafeno, cada átomo está conectado a otros 3 átomos de carbono en el plano bidimensional, lo que deja 1 electrón libremente disponible en la tercera dimensión para la conducción electrónica. Estos electrones altamente móviles se denominan electrones pi (π) y están situados por encima y por debajo de la hoja de grafeno. Estos orbitales pi se solapan y ayudan a potenciar los enlaces carbono-carbono en el grafeno. Fundamentalmente, las propiedades electrónicas del grafeno están dictadas por los enlaces y antienlaces (las bandas de valencia y de conducción) de estos orbitales pi.
La investigación combinada de los últimos 50 años ha demostrado que en el punto de Dirac del grafeno, los electrones y los huecos tienen una masa efectiva nula. Esto ocurre porque la relación energía-movimiento (el espectro para las excitaciones) es lineal para energías bajas cerca de las 6 esquinas individuales de la zona de Brillouin. Estos electrones y agujeros se conocen como fermiones de Dirac, o Graphinos, y las 6 esquinas de la zona de Brillouin se conocen como los puntos de Dirac. Debido a la densidad de estados nula en los puntos de Dirac, la conductividad electrónica es realmente muy baja. Sin embargo, el nivel de Fermi puede modificarse mediante el dopaje (con electrones o agujeros) para crear un material que sea potencialmente mejor conductor de la electricidad que, por ejemplo, el cobre a temperatura ambiente.
Las pruebas han demostrado que la movilidad electrónica del grafeno es muy alta, con resultados previamente comunicados por encima de los 15.000 cm2-V-1-s-1 y límites teóricos potenciales de 200.000 cm2-V-1-s-1 (limitados por la dispersión de los fotones acústicos del grafeno). Se dice que los electrones del grafeno actúan de forma muy parecida a los fotones en su movilidad debido a su falta de masa. Estos portadores de carga son capaces de recorrer distancias submicrométricas sin dispersarse; un fenómeno conocido como transporte balístico. Sin embargo, la calidad del grafeno y el sustrato que se utilice serán los factores limitantes. Con el dióxido de silicio como sustrato, por ejemplo, la movilidad está potencialmente limitada a 40.000 cm2-V-1-s-1.
«En cuanto a lo lejos que estamos de comprender las verdaderas propiedades del grafeno, esto es sólo la punta del iceberg. Antes de que el grafeno se integre en gran medida en las áreas en las que creemos que destacará, tenemos que dedicar mucho más tiempo a comprender qué es lo que lo convierte en un material tan asombroso»
Fuerza mecánica
Otra de las propiedades más destacadas del grafeno es su fuerza inherente. Gracias a la fuerza de sus enlaces de carbono de 0,142 Nm de longitud, el grafeno es el material más resistente jamás descubierto, con una resistencia a la tracción final de 130.000.000.000 pascales (o 130 gigapascales), en comparación con los 400.000.000 del acero estructural A36 o los 375.700.000 de la aramida (kevlar). El grafeno no sólo es extraordinariamente fuerte, sino que también es muy ligero, con 0,77 miligramos por metro cuadrado (para comparar, un metro cuadrado de papel es aproximadamente 1000 veces más pesado). A menudo se dice que una sola hoja de grafeno (con sólo 1 átomo de grosor), de tamaño suficiente para cubrir un campo de fútbol entero, pesaría menos de 1 solo gramo.
Lo que hace esto particularmente especial es que el grafeno también contiene propiedades elásticas, siendo capaz de mantener su tamaño inicial después de la tensión. En 2007, se realizaron pruebas de microscopía de fuerza atómica (AFM) con láminas de grafeno suspendidas sobre cavidades de dióxido de silicona. Estas pruebas mostraron que las láminas de grafeno (con espesores de entre 2 y 8 Nm) tenían constantes de resorte del orden de 1-5 N/m y un módulo de Young (diferente al del grafito tridimensional) de 0,5 TPa. Una vez más, estas cifras superlativas se basan en perspectivas teóricas utilizando grafeno que no contiene imperfecciones de ningún tipo y que, en la actualidad, es muy caro y difícil de reproducir artificialmente, aunque las técnicas de producción están mejorando constantemente, reduciendo en última instancia los costes y la complejidad.
Propiedades ópticas
La capacidad del grafeno de absorber un 2,3% de la luz blanca es también una propiedad única e interesante, sobre todo teniendo en cuenta que sólo tiene un átomo de espesor. Esto se debe a sus mencionadas propiedades electrónicas; los electrones actúan como portadores de carga sin masa con una movilidad muy alta. Hace unos años se demostró que la cantidad de luz blanca absorbida se basa en la Constante de Estructura Fina, en lugar de estar dictada por las características específicas del material. Añadir otra capa de grafeno aumenta la cantidad de luz blanca absorbida en aproximadamente el mismo valor (2,3%). La opacidad del grafeno de πα ≈ 2,3% equivale a un valor de conductividad dinámica universal de G=e2/4ℏ (±2-3%) en el rango de frecuencias visibles.
Descubra más sobre la nueva gama de transistores de efecto de campo de grafeno de Graphenea para biosensores aquí.
Debido a estas impresionantes características, se ha observado que una vez que la intensidad óptica alcanza un determinado umbral (conocido como fluencia de saturación) se produce una absorción saturable (la luz de muy alta intensidad provoca una reducción de la absorción). Se trata de una característica importante en relación con el bloqueo de modo de los láseres de fibra. Debido a las propiedades del grafeno de absorción saturable ultrarrápida e insensible a la longitud de onda, se ha logrado el bloqueo de modo de banda completa utilizando un láser de fibra de solitón disipativo dopado con erbio capaz de obtener una sintonía de longitud de onda tan grande como 30 nm.
En términos de lo lejos que estamos de comprender las verdaderas propiedades del grafeno, esto es sólo la punta del iceberg. Antes de que el grafeno se integre en gran medida en las áreas en las que creemos que destacará, tenemos que dedicar mucho más tiempo a comprender qué es lo que lo convierte en un material tan sorprendente. Desgraciadamente, aunque tenemos mucha imaginación para idear nuevas aplicaciones y usos potenciales del grafeno, se necesita tiempo para apreciar plenamente cómo y qué es el grafeno para poder desarrollar estas ideas en la realidad. Sin embargo, esto no es necesariamente algo malo, ya que nos da la oportunidad de tropezar con otros supermateriales anteriormente poco investigados o pasados por alto, como la familia de estructuras cristalinas 2D que ha nacido del grafeno.