Resumen de Modelo del comportamiento mecánico del grafeno y sus defectos
La historia de la humanidad está compuesta de muchas otras historias que se entrecruzan y complementan, haciendo avanzar el conocimiento y la conquista del ser humano sobre su entorno y sobre sí mismo. Una de estas historias, la de la tecnología, ha evolucionado para cubrir con aplicaciones las necesidades del hombre, apoyándose en cada momento en el grado de comprensión que éste tenía de las leyes de la Naturaleza, y en particular del comportamiento de los materiales que podía encontrar en ésta u obtener mediante su procesado.
Estas necesidades han sido cada vez más numerosas y exigentes, y por tanto se han requerido con el paso del tiempo materiales con propiedades mejores, cuando no nuevas. Los iniciales requerimientos de la Edad de los Metales (dureza, tenacidad, maleabilidad, fácil fusión y baja viscosidad una vez fundidos, etc.) fueron incrementados lentamente hasta la Revolución Industrial acaecida entre los siglos XVIII y XIX, época en que se experimentó un aumento espectacular de la demanda de materiales con mejores prestaciones que vinieran a desempeñar funcionalidades más exigentes en nuevos medios de transporte como el ferrocarril o el barco a vapor, en la industria textil y en los propios procesos metalúrgicos de transformación del acero.
La llegada de la sociedad industrial dio paso a la de consumo, y de esta manera nuevos sectores, como la electrónica o el ocio de masas, hicieron crecer todavía más y de manera exponencial la aparición de nuevos materiales, con una nueva estética más atractiva, más seguros, y con un menor coste de fabricación, uso y mantenimiento: semiconductores, materiales cerámicos, poliméricos, compuestos etc. Del mismo modo otros sectores de consumo reservados anteriormente a unas élites, como el transporte por carretera o aire se vinieron a sumar a esta vorágine, a la par que se tomaba conciencia de la obligatoriedad de la eficiencia energética de la tecnología que se debe de desarrollar, sobre todo a raíz de la crisis del petróleo de 1973.
Sin embargo, a lo largo de este crecimiento histórico del abanico de materiales de los que la humanidad dispone, no fue precisamente hasta finales de la Revolución Industrial que la ciencia comenzó a comprender los fenómenos subyacentes al comportamiento mecánico de los materiales, lo cual supuso no sólo un mejor uso de los ya existentes sino también la posibilidad de comenzar a buscar otros nuevos con propiedades ad hoc modificando su estructura. En efecto, no fue hasta mediados del siglo XIX que Aguste Bravais propuso que algunos materiales debían poseer estructura cristalina, esto es, que sus átomos debían distribuirse en el espacio con una disposición invariante frente a cierto grupo de traslaciones, postulado que más tarde fue confirmado mediante el uso de los rayos X, descubiertos por Wilhelm Roentgen en 1895. Así, la ciencia de los materiales comenzó a generar suficiente conocimiento y herramientas como para poder hablar de una ingeniería de los materiales.
Actualmente se vive una explosión en el campo de la nanotecnología y por tanto de la nanomecánica de materiales, esto es, de los fenómenos observados a la escala de la milmillonésima parte de un metro. Si bien es desde hace décadas conocida y han sido predichas numerosas vías de aplicación, no ha sido hasta hace relativamente poco con la aparición del microscopio de efecto túnel en 1981 que se ha tenido la posibilidad de cambiar la posición de los átomos de una manera selectiva y precisa. Este microscopio no sólo permite "ver" los átomos, sino moverlos de una manera que hasta entonces parecía impensable. De igual manera, otro tipo de microscopio, el electrónico, permitió en 1991 a Iijima caracterizar por primera vez nanotubos de carbono de pared múltiple. Si bien constituyó uno de los hechos más prometedores en el campo de la nanotecnología, otro material, el grafeno, también con base en Carbono, ha cobrado recientemente más interés.
El grafeno es una lámina monoatómica de átomos de Carbono, distribuidos en forma de panel de abeja, el cual ha sido observado en forma estable sobre una variedad de sustratos (Novoselov et al., 2004), o en suspensión (Meyer et al., 2007a). Hay tres grandes particularidades que hacen interesante a este material. Para comenzar, se trata del primer caso de cristal atómico de dos dimensiones. El sólo estudio de su existencia mejora nuestra comprensión acerca de la estabilidad termodinámica de los sistemas de baja dimensionalidad. En segundo lugar, las propiedades electrónicas del grafeno son muy peculiares: los electrones en grafeno obedecen a una relación de dispersión lineal (como los fotones), imitando el comportamiento de partículas relativistas sin masa, haciéndolo interesante para el desarrollo de transistores de efecto de campo (Geim y Novoselov, 2007).
En último lugar, todas las propiedades usuales que describen el comportamiento de un material son superiores en grafeno, como las propiedades eléctricas o las propiedades que caracterizan desde un punto de vista mecánico a un material, tales como la rigidez en el plano, por lo que se está investigando su posible uso en una gran variedad de aplicaciones, que van desde su uso en dispositivos electrónicos a los materiales compuestos. Sus peculiares características mecánicas (Novoselov et al., 2005, Silvestrov y Efetov, 2007, Geim y Novoselov, 2007, Bunch et al., 2007), son continuo objeto de estudio. De entre todas, cabe destacar su elevada rigidez, de 340_50 N=m (Lee et al., 2008), medida por indentación con una punta de diamante de láminas de grafeno en el rango elástico.
Los desarrollos de aplicaciones se han disparado en multitud de ámbitos muy diversos. Uno de los que ya ha comenzado a dar sus frutos es el de los sensores.
En Schedin et al. (2007) se muestra c_ómo utilizando grafeno se han detectado moléculas unitarias en gases. Los resultados más interesantes hasta la fecha en el campo de la electrónica referente al grafeno se encuentran por una parte en Wang et al. (2009), que ha demostrado por primera vez la posibilidad de utilizar grafeno como multiplicador de frecuencia, y por otra en Liao et al. (2010) donde ya se han alcanzado a nivel de laboratorio frecuencias de 300 GHz, lo cual supone el doble de velocidad que el más rápido de los procesadores MOSFET de silicio desarrollado hasta la fecha de tamaño comparable (150 GHz para un procesador MOSFET de silicio de 150 nm). Se ha investigado tambien su uso como aditivo en materiales compuestos (Ma et al., 2004), comprobándose que se pueden llegar a obtener materiales con propiedades conductoras similares a otros que incorporan nanotubos de carbono. Incluso se están desarrollando nuevos métodos para la desalinización de agua (Li et al., 2010) haciendo uso de grafeno.
Por otro lado, la estructura del grafeno puede ser vista como base de otras estructuras de Carbono. Convenientemente enrollado sobre sí mismo, daría lugar a una estructura denominada fulereno o a un nanotubo de carbono; apilando láminas de grafeno obtendríamos grafito. Es por ello que, si bien las mencionadas no son maneras reales de conseguir estos materiales, si que se puede afirmar que comprender las causas de las diversas propiedades que posee el grafeno ayuda a comprender las propiedades de estas otras estructuras, dadas sus similitudes topológicas.
