Una morfología de grafeno es cualquiera de las estructuras relacionadas y formadas a partir de láminas individuales de grafeno . "Grafeno" se utiliza normalmente para referirse a la monocapa cristalina del material natural grafito . Debido al confinamiento cuántico de los electrones dentro del material en estas bajas dimensiones, pequeñas diferencias en la morfología del grafeno pueden afectar en gran medida las propiedades físicas y químicas de estos materiales. Las morfologías de grafeno comúnmente estudiadas incluyen láminas monocapa, láminas bicapa, nanocintas de grafeno y otras estructuras 3D formadas a partir del apilamiento de láminas monocapa.
En 2013, los investigadores desarrollaron una unidad de producción que produce láminas monocapa continuas de grafeno monocapa de alta resistencia ( HSMG ). [1] El proceso se basa en el crecimiento de grafeno sobre una matriz metálica líquida. [2]
El grafeno bicapa muestra el anómalo efecto Hall cuántico , una banda prohibida sintonizable [3] y potencial de condensación excitónica . [4] El grafeno bicapa normalmente se puede encontrar en configuraciones retorcidas donde las dos capas giran entre sí o en configuraciones apiladas de Bernal grafítico donde la mitad de los átomos de una capa se encuentran encima de la mitad de los átomos de la otra. [5] El orden y la orientación del apilamiento rigen sus propiedades ópticas y electrónicas.
Un método de síntesis es la deposición química de vapor , que puede producir grandes regiones de bicapa que se ajustan casi exclusivamente a la geometría de una pila de Bernal. [5]
El grafeno apilado periódicamente y su isomorfo aislante proporcionan un elemento estructural fascinante en la implementación de superredes altamente funcionales a escala atómica, lo que ofrece posibilidades en el diseño de dispositivos nanoelectrónicos y fotónicos. Se pueden obtener varios tipos de superredes apilando grafeno y sus formas relacionadas. [6] [7] La banda de energía en superredes apiladas en capas es más sensible al ancho de la barrera que la de las superredes de semiconductores III-V convencionales. Cuando se agrega más de una capa atómica a la barrera en cada período, el acoplamiento de funciones de onda electrónicas en pozos potenciales vecinos se puede reducir significativamente, lo que conduce a la degeneración de subbandas continuas en niveles de energía cuantificados. Al variar el ancho del pozo, los niveles de energía en los pozos potenciales a lo largo de la dirección L – M se comportan de manera distinta a los de la dirección K – H.
El grafeno alineado con precisión en h-BN siempre produce una superred gigante conocida como patrón Moiré . [8] Se observan patrones de muaré y la sensibilidad de la interferometría de muaré demuestra que los granos de grafeno pueden alinearse con precisión con la red h-BN subyacente con un error de menos de 0,05°. La aparición del patrón muaré indica claramente que el grafeno se bloquea en h-BN a través de la epitaxia de van der Waals con su tensión interfacial liberada en gran medida.
La existencia del patrón Moiré gigante en la nanocinta de grafeno (GNR) incrustada en hBN indica que el grafeno era altamente cristalino y estaba alineado con precisión con el h-BN que se encontraba debajo. Se observó que el patrón Moiré parecía estar estirado a lo largo del GNR, mientras que parecía relajado lateralmente. [9] Esta tendencia difiere de los hexágonos regulares con una periodicidad de ~14 nm, que siempre se han observado con dominios de grafeno bien alineados en h-BN. Esta observación da una fuerte indicación de la epitaxia en el plano entre el grafeno y el h-BN en los bordes de la trinchera, donde el grafeno se estira por tensión a lo largo de la cinta, debido a un desajuste de red entre el grafeno y el h-. BN.
Las nanocintas de grafeno ("nanorayas" en orientación "zig-zag"), a bajas temperaturas, muestran corrientes de borde metálico polarizadas por espín, lo que sugiere aplicaciones de espintrónica . (En la orientación "sillón", los bordes se comportan como semiconductores. [10] )
En 2011, los investigadores informaron que fabricaban fibras utilizando películas de grafeno cultivadas por deposición química de vapor. [11] El método era escalable y controlable, y ofrecía una morfología y una estructura de poros ajustables mediante el control de la evaporación de disolventes con una tensión superficial adecuada. En 2013 se demostraron supercondensadores flexibles de estado sólido basados en este tipo de fibras. [12]
En 2015, la intercalación de pequeños fragmentos de grafeno en los espacios formados por láminas de grafeno enrolladas más grandes después del recocido proporcionó vías para la conducción, mientras que los fragmentos ayudaron a reforzar las fibras. [ fragmento de frase ] Las fibras resultantes ofrecieron mejor conductividad térmica y eléctrica y resistencia mecánica. La conductividad térmica alcanzó los 1290 vatios por metro por kelvin, mientras que la resistencia a la tracción alcanzó los 1080 megapascales. [13]
En 2016, se produjeron fibras continuas de grafeno a escala kilométrica con excelentes propiedades mecánicas y excelente conductividad eléctrica mediante hilado húmedo de alto rendimiento de cristales líquidos de óxido de grafeno seguido de grafitización a través de una estrategia de ingeniería de defectos sinérgica a gran escala. [14]
En 2012 [15] y 2014 se informó sobre grafeno bicapa tridimensional. [16]
En 2013, un panal tridimensional de carbono dispuesto hexagonalmente se denominó grafeno 3D. Ese año se produjo grafeno 3D autoportante. [17] Investigadores de la Universidad de Stony Brook han informado sobre un nuevo método de reticulación iniciado por radicales para fabricar arquitecturas porosas independientes en 3D de grafeno y nanotubos de carbono utilizando nanomateriales como bloques de construcción sin ninguna matriz polimérica como soporte. [18] Las estructuras 3D se pueden fabricar utilizando CVD o métodos basados en soluciones. Una revisión de 2016 resumió las técnicas para la fabricación de grafeno 3D y otros materiales bidimensionales relacionados. [19] Estos andamios/espumas de grafeno 3D (totalmente de carbono) tienen aplicaciones potenciales en campos como el almacenamiento de energía, la filtración, la gestión térmica y los dispositivos e implantes biomédicos. [19] [20]
En 2016, se informó sobre una nanoestructura de grafeno en forma de caja (BSG) resultante de la escisión mecánica de grafito pirolítico . [21] La nanoestructura descubierta es un sistema multicapa de nanocanales huecos paralelos ubicados a lo largo de la superficie que muestra una sección transversal cuadrangular. El espesor de las paredes del canal es aproximadamente igual a 1 nm, la anchura típica de las facetas del canal es de unos 25 nm. Las aplicaciones potenciales incluyen: detectores ultrasensibles , células catalíticas de alto rendimiento, nanocanales para secuenciación y manipulación de ADN , superficies disipadoras de calor de alto rendimiento, baterías recargables de rendimiento mejorado, resonadores nanomecánicos , canales de multiplicación de electrones en dispositivos nanoelectrónicos de emisión, sorbentes de alta capacidad para el almacenamiento seguro de hidrógeno .
En 2017, los investigadores simularon un giroide de grafeno que tiene un cinco por ciento de la densidad del acero, pero es diez veces más fuerte y tiene una enorme relación entre superficie y volumen. Comprimieron escamas de grafeno calentadas. Luego construyeron modelos de plástico impresos en 3D de alta resolución con varias configuraciones, similares a los giroides que el grafeno forma naturalmente, aunque miles de veces más grandes. Luego se probaron estas formas en cuanto a resistencia a la tracción y compresión, y se compararon con las simulaciones por computadora. Cuando se cambió el grafeno por polímeros o metales, se observaron ganancias similares en resistencia. [22] [23]
Se superpuso una película de grafeno empapada en disolvente para que se hinchara y se volviera maleable sobre un sustrato subyacente "formador". El disolvente se evaporó, dejando una capa de grafeno que había adquirido la forma de la estructura subyacente. De esta manera el equipo [ ¿quién? ] pudo producir una variedad de formas microestructuradas relativamente intrincadas. [24] Las características varían de 3,5 a 50 μm. El grafeno puro y el grafeno decorado en oro se integraron con éxito en el sustrato. [25]
Un aerogel hecho de capas de grafeno separadas por nanotubos de carbono se midió en 0,16 miligramos por centímetro cúbico. Una solución de grafeno y nanotubos de carbono en un molde se liofiliza para deshidratar la solución, dejando el aerogel. El material tiene una elasticidad y absorción superiores. Puede recuperarse completamente después de una compresión superior al 90% y absorber hasta 900 veces su peso en aceite, a una velocidad de 68,8 gramos por segundo. [26]
A finales de 2017, se informó sobre la fabricación de giroides de grafeno independientes con celdas unitarias de 35 nm y 60 nm. [27] Los giroides se fabricaron mediante deposición química directa controlada de vapor , son autoportantes y pueden transferirse a una variedad de sustratos. Además, representan las estructuras 3D periódicas de grafeno independientes más pequeñas producidas hasta ahora con un tamaño de poro de decenas de nm. Debido a su alta resistencia mecánica, buena conductividad ( resistencia de la lámina : 240 Ω/sq) y enorme relación de superficie por volumen, los giroides de grafeno podrían encontrar su camino hacia diversas aplicaciones, que van desde baterías y supercondensadores hasta filtración y optoelectrónica .
El grafeno con pilares es una estructura de carbono híbrida que consta de una matriz orientada de nanotubos de carbono conectados en cada extremo a una lámina de grafeno. Se describió teóricamente por primera vez en 2008. El grafeno columnado no se ha sintetizado en el laboratorio.
Las láminas de grafeno reforzadas con nanotubos de carbono incrustados (" rebar ") son más fáciles de manipular, al tiempo que mejoran las cualidades eléctricas y mecánicas de ambos materiales. [28] [29]
Los nanotubos de carbono funcionalizados de pared simple o múltiple se recubren por rotación sobre láminas de cobre y luego se calientan y enfrían, utilizando los nanotubos como fuente de carbono. Al calentarlos, los grupos funcionales de carbono se descomponen en grafeno, mientras que los nanotubos se dividen parcialmente y forman enlaces covalentes en el plano con el grafeno, lo que añade fuerza. Los dominios de apilamiento π – π añaden más fuerza. Los nanotubos pueden superponerse, lo que hace que el material sea mejor conductor que el grafeno estándar cultivado mediante CVD. Los nanotubos unen eficazmente los límites de los granos que se encuentran en el grafeno convencional. La técnica elimina mediante epitaxia los restos de sustrato sobre el que se depositaron las láminas posteriormente separadas. [28]
Se han propuesto pilas de unas pocas capas como un reemplazo rentable y físicamente flexible del óxido de indio y estaño (ITO) utilizado en pantallas y células fotovoltaicas . [28]
En 2015 se descubrió una forma enrollada de grafeno en carbono grafítico (carbón). El efecto espiral se produce por defectos en la rejilla hexagonal del material que hace que éste gire en espiral a lo largo de su borde, imitando una superficie de Riemann , con la superficie del grafeno aproximadamente perpendicular al eje. Cuando se aplica voltaje a dicha bobina, la corriente fluye alrededor de la espiral, produciendo un campo magnético. El fenómeno se aplica a espirales con orientación en zigzag o sillón, aunque con diferentes distribuciones de corriente. Las simulaciones por computadora indicaron que un inductor espiral convencional de 205 micrones de diámetro podría combinarse con una nanobobina de sólo 70 nanómetros de ancho, con una intensidad de campo que alcanzaba hasta 1 tesla , aproximadamente la misma que las bobinas que se encuentran en los altavoces típicos, aproximadamente el mismo campo. fuerza como algunas máquinas de resonancia magnética . Descubrieron que el campo magnético sería más fuerte en la cavidad hueca de nanómetros de ancho en el centro de la espiral. [30]
Un solenoide fabricado con una bobina de este tipo se comporta como un conductor cuántico cuya distribución de corriente entre el núcleo y el exterior varía con el voltaje aplicado, lo que da como resultado una inductancia no lineal . [31]