El grafeno es un polímero bidimensional de carbono e hidrógeno con la unidad de fórmula (CH) n donde n es grande. [1] La hidrogenación parcial da como resultado grafeno hidrogenado, que fue reportado por Elias et al. en 2009 mediante un estudio TEM como "evidencia directa de un nuevo derivado basado en grafeno". Los autores vieron el panorama como "una gama completa de nuevos cristales bidimensionales con propiedades electrónicas y de otro tipo diseñadas". Con un intervalo de banda prohibida de 0 a 0,8 eV [2]
Su preparación fue reportada en 2009. [2] El grafeno puede formarse por hidrogenación electrolítica de grafeno, grafeno de pocas capas o grafito pirolítico altamente orientado . En este último caso, se puede utilizar la exfoliación mecánica de las capas superiores hidrogenadas. [3]
La primera descripción teórica del grafano se informó en 2003. [4] Se encontró que la estructura, utilizando un método de expansión de clúster, era la más estable de todas las posibles relaciones de hidrogenación del grafeno. [4] En 2007, los investigadores encontraron que el compuesto es más estable que otros compuestos que contienen carbono e hidrógeno, como el benceno , el ciclohexano y el polietileno . [1] Este grupo nombró al compuesto predicho grafano, porque es la versión completamente saturada del grafeno.
El grafano está formado efectivamente por unidades de ciclohexano y, en paralelo al ciclohexano, la conformación estructural más estable no es plana, sino una estructura fuera del plano, que incluye los confórmeros de silla y barco, para minimizar la tensión del anillo y permitir el ángulo de enlace tetraédrico ideal de 109,5° para átomos con enlaces sp3 . Sin embargo, a diferencia del ciclohexano, el grafano no puede interconvertirse entre estos diferentes confórmeros porque no solo son topológicamente diferentes, sino que también son diferentes isómeros estructurales con diferentes configuraciones. El confórmero de silla tiene los hidrógenos alternando por encima o por debajo del plano desde el carbono al carbono vecino, mientras que el confórmero de barco tiene los átomos de hidrógeno alternando en pares por encima y por debajo del plano. También hay otros posibles isómeros conformacionales, incluidos el confórmero de barco torcido y el confórmero de barco torcido-silla. Al igual que con el ciclohexano, el confórmero más estable para el grafano es el de silla, seguido por la estructura de barco torcido. [5] [6] Mientras que el pandeo del confórmero de silla implicaría contracción de la red, [6] los cálculos muestran que la red en realidad se expande aproximadamente un 30% [7] debido al efecto opuesto en el espaciado de la red de los enlaces carbono-carbono (CC) más largos, ya que el enlace sp 3 del grafano produce enlaces CC más largos de 1,52 Å en comparación con el enlace sp 2 del grafeno que produce enlaces CC más cortos de 1,42 Å. [7] Como se acaba de establecer, teóricamente si el grafano fuera perfecto y estuviera en todas partes en su confórmero de silla estable, la red se expandiría; sin embargo, la existencia de dominios donde domina el confórmero de barco torcido localmente estable "contribuye a la contracción de la red observada experimentalmente". [6] Cuando los experimentalistas han caracterizado el grafano, han encontrado una distribución de espaciamientos de red, correspondientes a diferentes dominios que exhiben diferentes confórmeros. [6] Cualquier desorden en la conformación de hidrogenación tiende a contraer la constante de red en aproximadamente un 2,0%. [8]
El grafeno es un aislante. La funcionalización química del grafeno con hidrógeno puede ser un método adecuado para abrir una brecha de banda en el grafeno. [ 1] Se propone que el grafeno dopado con P es un superconductor de la teoría BCS de alta temperatura con una Tc superior a 90 K. [9]
La hidrogenación parcial produce grafeno hidrogenado en lugar de grafeno (totalmente hidrogenado). [2] Estos compuestos suelen denominarse estructuras "similares al grafano". El grafano y las estructuras similares al grafano se pueden formar mediante hidrogenación electrolítica de grafeno o grafeno de pocas capas o grafito pirolítico altamente orientado . En este último caso, se puede utilizar la exfoliación mecánica de las capas superiores hidrogenadas. [3]
La hidrogenación del grafeno sobre un sustrato afecta solo a un lado, preservando la simetría hexagonal. La hidrogenación unilateral del grafeno es posible debido a la existencia de ondulaciones. Debido a que estas últimas se distribuyen aleatoriamente, el material obtenido es desordenado en contraste con el grafano de dos lados. [2] El recocido permite que el hidrógeno se disperse, volviendo al grafeno. [10] Las simulaciones revelaron el mecanismo cinético subyacente. [11]
Se postula que el grafano p-dopado es un superconductor de la teoría BCS de alta temperatura con una Tc superior a 90 K. [9]
Se ha propuesto el uso del grafeno para el almacenamiento de hidrógeno. [1] La hidrogenación disminuye la dependencia de la constante de red con respecto a la temperatura, lo que indica una posible aplicación en instrumentos de precisión. [8]