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Propiedades del grafeno y sus aplicaciones en el
campo energético
resumen
En la última década se ha visto como los problemas económicos,
sociales y ambientales debido a la generación y transporte de la
energía eléctrica se han incrementado, esto ha conllevado a que
investigadores de diversas áreas de la ingeniería se comprometan en
la búsqueda de materiales ecientes para el desarrollo de fuentes de
energía renovable. Diversas investigaciones dan luces que unos de los
materiales que ya se están empezando a utilizar para el desarrollo de
fuentes de energía renovable, es el grafeno. El grafeno es un material
manométrico bidimensional, formada por una red hexagonal de
átomos de carbono muy similar a un panal de abejas. En el 2004, gracias
a la investigación de cientícos de la Universidad de Manchester en
Reino Unido se logró superar uno de los principales inconvenientes
que presentaba este material, la inestabilidad termodinámica a
escala manométrica fue superada y de esta manera se dio inicio a
una nueva era de estudio e investigación en materiales manométricos
bidimensionales. Este artículo evidencia las principales propiedades
del grafeno y el comportamiento de este en el desarrollo de fuentes
de energía renovables, en las cuales posteriormente al análisis de su
desempeño y su impacto en comparación con las actuales fuentes de
energía utilizadas, se demuestra que estamos frente a un material que
es pilar fundamental en el desarrollo de nuevas fuentes de energía
renovables más ecientes.
Palabras clave: grafeno, carbono, material bidimensional,
energía renovable
abstract
In the last decade it has been seen how the economic, social and
environmental problems due to the generation and transportation of
electric power have increased, this has led researchers from various
areas of engineering to engage in the search for ecient materials for
the development of renewable energy sources. Several investigations
could yieldhelpful insights that one of the materials that are already
beginning to be used for the development of renewable energy
sources, is graphene. Graphene is a two-dimensional nanometric
material, formed by a hexagonal network of carbon atoms very
similar to a honeycomb. In 2004, thanks to the research of scientists
from the University of Manchester in the United Kingdom, one of
the main drawbacks of this material was overcome. ermodynamic
instability at a nanometric scale was overcome, and a new era of
study and research in two-dimensional nanometric materials started.
is article shows the main properties of graphene and its behavior
in the development of renewable energy sources, in which after
analyzing its performance and its impact compared to the current
energy sources used, it shows that we are facing to a material that
is a fundamental pillar in the development of new, more ecient
renewable energy sources.
Key words:Graphenem carbon, two dimensional material,
renewable energy
Properties of graphene and its applications in the energy eld
Recibido: agosto 17 de 2018 | Revisado: setiembre 26 de 2018 | Aceptado: octubre 02 de 2018
https://doi.org/10.24265/campus.2018.v23n26.08
T G P
B
L F Z
R
1 Universidad de San Martín de
Porres - Filial Norte, Chiclayo -
Perú
tpachamangogob@usmp.pe
lzapatar@usmp.pe
| C | L,  | V. XXIII | N. 26 | PP. - | - |  |  -
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Introducción
El carbono, en la naturaleza, se puede
presentar en cinco formas alotrópicas: el
diamante, grato, fulerenos, nanatubos
y nanoespumas. Alotropía en química
está referido a la existencia, especialmen-
te en estado sólido, de dos o más formas
estructurales moleculares o cristalinas de
un elemento. De todas sus formas alo-
trópicas, la que en los últimos años ha
cobrado un particular interés y ha sido
ampliamente estudiada es el grato debi-
do que este material está constituido de
láminas superpuestas de grafeno.
El grafeno, considerado el primer na-
nomaterial bidimensional descubierto,
presenta propiedades fascinantes: condu-
ce el calor 10 veces mejor que el cobre y la
electricidad mejor que el silicio. Resiste el
calor mejor que el diamante, es 100 veces
más resistente que el acero. También es
exible, por lo que puede adoptar cual-
quier forma. Es el material más delgado
y también el más ligero; es transparente
y a la vez tan denso que es impermeable
a los gases, incluso al formado por helio,
el segundo átomo más pequeño (Chávez
Castillo, 2012; Katsnelson, 2012; Castro
Neto et al., 2009; Lee et al., 2008).
A causa de estas extraordinarias pro-
piedades, el grafeno, actualmente, es el
nanomaterial con mayor potencial para
reemplazar al silicio, originando una nue-
va revolución tecnológica, así como lo fue
el silicio y el germanio en su momento.
Estas propiedades también hacen que el
grafeno sea el material ideal para ser apli-
cado no solo en el campo de la electróni-
ca, sino también la medicina, farmacéuti-
ca, energía, entre otras, las cuales se verán
ampliamente beneciadas de este nove-
doso nanomaterial bidimensional.
Estructura del grafeno
El grafeno es un material bidimensional
nanométrico de átomos de carbono fuer-
temente cohesionados. La supercie del
grafeno es plana. Puede presentar ligeras
ondulaciones y un átomo de espesor. La
disposición de los átomos se asemeja a la
de un panal de abejas por su conguración
atómica hexagonal. (Figura 1)
Figura 1. Estructura bidimensional del grafeno
De esta disposición atómica del carbono,
se derivan propiedades electrónicas mecáni-
cas y químicas únicas del grafeno. Extrayen-
do una porción de la Figura 1, se muestra se-
guidamente algunas relaciones importantes
observadas en los átomos de carbono.
| C | V. XXIII | N. 26 |  -  | 2018 |
T G P B - L F Z R
189
Figura 2. (a) Celda unitaria (b) Zona de Brillouin del grafeno
En la Figura 2 (a), son vectores
unitarios en espacio real, y en (b),
son vectores de la red recíproca. En las
coordenadas X y Y de la gura 02, los vec-
un átomo de espesor. La disposición de los átomos se asemeja a la de un panal de abejas por su
configuración atómica hexagonal.
(Figura 1)
Figura 1. Estructura bidimensional del grafeno
De esta disposición atómica del carbono, se derivan propiedades electrónicas mecánicas y
químicas únicas del grafeno. Extrayendo una porción de la Figura 1, se muestra seguidamente
algunas relaciones importantes observadas en los átomos de carbono.
Figura 2. (a) Celda unitaria (b) Zona de Brillouin del grafeno
En la Figura 2 (a), ⃗
1
y
⃗
2
son vectores unitarios en espacio real, y en (b),
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⃗
1
y
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⃗
2
son vectores
de la red recíproca. En las coordenadas X y Y de la figura 02, los vectores unitarios en espacio
real ⃗
1
y ⃗
2
de la configuración hexagonal están expresadas como:
⃗
1
= (
√
3
2
,
2
) , ⃗
2
= (
√
3
2
, −
2
) (1)
Donde =
|
1
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�
�
⃗
|
=
|
2
�
�
�
�
⃗
|
= 1.42 ×
√
3 = 2.46 es la constante de configuración del grafeno.
Análogamente, los vectores unitarios
�
⃗
1
y
�
⃗
2
de la red recíproca están dados por
un átomo de espesor. La disposición de los átomos se asemeja a la de un panal de abejas por su
configuración atómica hexagonal.
(Figura 1)
Figura 1. Estructura bidimensional del grafeno
De esta disposición atómica del carbono, se derivan propiedades electrónicas mecánicas y
químicas únicas del grafeno. Extrayendo una porción de la Figura 1, se muestra seguidamente
algunas relaciones importantes observadas en los átomos de carbono.
Figura 2. (a) Celda unitaria (b) Zona de Brillouin del grafeno
En la Figura 2 (a), ⃗
1
y ⃗
2
son vectores unitarios en espacio real, y en (b),
�
⃗
1
y
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⃗
2
son vectores
de la red recíproca. En las coordenadas X y Y de la figura 02, los vectores unitarios en espacio
real ⃗
1
y ⃗
2
de la configuración hexagonal están expresadas como:
⃗
1
= (
√
3
2
,
2
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√
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2
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Donde =
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|
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= 1.42 ×
√
3 = 2.46 es la constante de configuración del grafeno.
Análogamente, los vectores unitarios
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⃗
1
y
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⃗
2
de la red recíproca están dados por
tores unitarios en espacio real de
la conguración hexagonal están expre-
sadas como:
Correspondiente a una constante de
conguración de en el espacio recí-
proco. Los tres puntos de alta simetría Г,
K y M forman un triángulo que se utiliza
para calcular las relaciones de dispersión
de energía, llamada también Zona de
Brillouin.
Entre otros aspectos, la importancia
del grafeno radica en que se puede con-
un átomo de espesor. La disposición de los átomos se asemeja a la de un panal de abejas por su
configuración atómica hexagonal.
(Figura 1)
Figura 1. Estructura bidimensional del grafeno
De esta disposición atómica del carbono, se derivan propiedades electrónicas mecánicas y
químicas únicas del grafeno. Extrayendo una porción de la Figura 1, se muestra seguidamente
algunas relaciones importantes observadas en los átomos de carbono.
Figura 2. (a) Celda unitaria (b) Zona de Brillouin del grafeno
En la Figura 2 (a), ⃗
1
y
⃗
2
son vectores unitarios en espacio real, y en (b),
�
⃗
1
y
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2
son vectores
de la red recíproca. En las coordenadas X y Y de la figura 02, los vectores unitarios en espacio
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de la configuración hexagonal están expresadas como:
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1
= (
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,
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2
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Donde =
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|
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|
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|
= 1.42 ×
√
3 = 2.46 es la constante de configuración del grafeno.
Análogamente, los vectores unitarios
�
⃗
1
y
�
⃗
2
de la red recíproca están dados por
un átomo de espesor. La disposición de los átomos se asemeja a la de un panal de abejas por su
configuración atómica hexagonal.
(Figura 1)
Figura 1. Estructura bidimensional del grafeno
De esta disposición atómica del carbono, se derivan propiedades electrónicas mecánicas y
químicas únicas del grafeno. Extrayendo una porción de la Figura 1, se muestra seguidamente
algunas relaciones importantes observadas en los átomos de carbono.
Figura 2. (a) Celda unitaria (b) Zona de Brillouin del grafeno
En la Figura 2 (a), ⃗
1
y ⃗
2
son vectores unitarios en espacio real, y en (b),
�
⃗
1
y
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⃗
2
son vectores
de la red recíproca. En las coordenadas X y Y de la figura 02, los vectores unitarios en espacio
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1
y ⃗
2
de la configuración hexagonal están expresadas como:
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1
= (
√
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2
,
2
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2
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√
3
2
, −
2
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Donde =
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1
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|
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|
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|
= 1.42 ×
√
3 = 2.46 es la constante de configuración del grafeno.
Análogamente, los vectores unitarios
�
⃗
1
y
�
⃗
2
de la red recíproca están dados por
un átomo de espesor. La disposición de los átomos se asemeja a la de un panal de abejas por su
configuración atómica hexagonal.
(Figura 1)
Figura 1. Estructura bidimensional del grafeno
De esta disposición atómica del carbono, se derivan propiedades electrónicas mecánicas y
químicas únicas del grafeno. Extrayendo una porción de la Figura 1, se muestra seguidamente
algunas relaciones importantes observadas en los átomos de carbono.
Figura 2. (a) Celda unitaria (b) Zona de Brillouin del grafeno
En la Figura 2 (a), ⃗
1
y ⃗
2
son vectores unitarios en espacio real, y en (b),
�
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1
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2
son vectores
de la red recíproca. En las coordenadas X y Y de la figura 02, los vectores unitarios en espacio
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de la configuración hexagonal están expresadas como:
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1
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2
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= 1.42 ×
√
3 = 2.46 es la constante de configuración del grafeno.
Análogamente, los vectores unitarios
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⃗
1
y
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⃗
2
de la red recíproca están dados por
un átomo de espesor. La disposición de los átomos se asemeja a la de un panal de abejas por su
configuración atómica hexagonal.
(Figura 1)
Figura 1. Estructura bidimensional del grafeno
De esta disposición atómica del carbono, se derivan propiedades electrónicas mecánicas y
químicas únicas del grafeno. Extrayendo una porción de la Figura 1, se muestra seguidamente
algunas relaciones importantes observadas en los átomos de carbono.
Figura 2. (a) Celda unitaria (b) Zona de Brillouin del grafeno
En la Figura 2 (a), ⃗
1
y ⃗
2
son vectores unitarios en espacio real, y en (b),
�
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1
y
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2
son vectores
de la red recíproca. En las coordenadas X y Y de la figura 02, los vectores unitarios en espacio
real ⃗
1
y ⃗
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de la configuración hexagonal están expresadas como:
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2
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Donde
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|
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√
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= 2.46
es la constante de configuración del grafeno.
Análogamente, los vectores unitarios
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1
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2
de la red recíproca están dados por
un átomo de espesor. La disposición de los átomos se asemeja a la de un panal de abejas por su
configuración atómica hexagonal.
(Figura 1)
Figura 1. Estructura bidimensional del grafeno
De esta disposición atómica del carbono, se derivan propiedades electrónicas mecánicas y
químicas únicas del grafeno. Extrayendo una porción de la Figura 1, se muestra seguidamente
algunas relaciones importantes observadas en los átomos de carbono.
Figura 2. (a) Celda unitaria (b) Zona de Brillouin del grafeno
En la Figura 2 (a), ⃗
1
y ⃗
2
son vectores unitarios en espacio real, y en (b),
�
⃗
1
y
�
⃗
2
son vectores
de la red recíproca. En las coordenadas X y Y de la figura 02, los vectores unitarios en espacio
real ⃗
1
y ⃗
2
de la configuración hexagonal están expresadas como:
⃗
1
= (
√
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= 1.42 ×
√
3 = 2.46 es la constante de configuración del grafeno.
Análogamente, los vectores unitarios
�
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1
y
�
⃗
2
de la red recíproca están dados por
un átomo de espesor. La disposición de los átomos se asemeja a la de un panal de abejas por su
configuración atómica hexagonal.
(Figura 1)
Figura 1. Estructura bidimensional del grafeno
De esta disposición atómica del carbono, se derivan propiedades electrónicas mecánicas y
químicas únicas del grafeno. Extrayendo una porción de la Figura 1, se muestra seguidamente
algunas relaciones importantes observadas en los átomos de carbono.
Figura 2. (a) Celda unitaria (b) Zona de Brillouin del grafeno
En la Figura 2 (a), ⃗
1
y ⃗
2
son vectores unitarios en espacio real, y en (b),
�
⃗
1
y
�
⃗
2
son vectores
de la red recíproca. En las coordenadas X y Y de la figura 02, los vectores unitarios en espacio
real ⃗
1
y ⃗
2
de la configuración hexagonal están expresadas como:
⃗
1
= (
√
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√
3 = 2.46 es la constante de configuración del grafeno.
Análogamente, los vectores unitarios
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√
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2
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= (
2
√
3
, −
2
) (2)
Correspondiente a una constante de configuración de
4
√
3
en el espacio recíproco. Los tres
puntos de alta simetría Г, K y M forman un triángulo que se utiliza para calcular las relaciones
de dispersión de energía, llamada también Zona de Brillouin.
Entre otros aspectos, la importancia del grafeno radica en que se puede considerar a este
nanomaterial, como la base para la constitución de otros materiales grafiticos. Por ejemplo si se
le envuelve a manera del forro de una superficie esférica, proporciona fullerenos; si se le enrolla
cilíndricamente, nanotubos; si se le superpone tridimensionalmente, grafito. En la Figura 3 se
muestra las constituciones más estudiadas e investigadas actualmente.
Figura 3. Formas alotrópicas del carbono
Métodos de obtención
Uno de los actuales problemas a los que se enfrentan los investigadores, es la producción de
grafeno a escala industrial. Los métodos de obtención de grafeno se ven limitados a entornos solo
de laboratorio y se espera que en un corto plazo gracias a los estudios e investigaciones, su
producción a escala industrial sea una realidad. Actualmente, la obtención del grafeno se puede
dar por cualquiera de los métodos siguientes:
• Exfoliación micromecánica
�
⃗
1
= (
2
√
3
,
2
) ,
�
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2
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2
√
3
, −
2
) (2)
Correspondiente a una constante de configuración de
4
√
3
en el espacio recíproco. Los tres
puntos de alta simetría Г, K y M forman un triángulo que se utiliza para calcular las relaciones
de dispersión de energía, llamada también Zona de Brillouin.
Entre otros aspectos, la importancia del grafeno radica en que se puede considerar a este
nanomaterial, como la base para la constitución de otros materiales grafiticos. Por ejemplo si se
le envuelve a manera del forro de una superficie esférica, proporciona fullerenos; si se le enrolla
cilíndricamente, nanotubos; si se le superpone tridimensionalmente, grafito. En la Figura 3 se
muestra las constituciones más estudiadas e investigadas actualmente.
Figura 3. Formas alotrópicas del carbono
Métodos de obtención
Uno de los actuales problemas a los que se enfrentan los investigadores, es la producción de
grafeno a escala industrial. Los métodos de obtención de grafeno se ven limitados a entornos solo
de laboratorio y se espera que en un corto plazo gracias a los estudios e investigaciones, su
producción a escala industrial sea una realidad. Actualmente, la obtención del grafeno se puede
dar por cualquiera de los métodos siguientes:
• Exfoliación micromecánica
siderar a este nanomaterial, como la base
para la constitución de otros materiales
graticos. Por ejemplo, si se le envuelve
a manera del forro de una supercie es-
férica, proporciona fullerenos; si se le en-
rolla cilíndricamente, nanotubos; si se le
superpone tridimensionalmente, grato.
En la Figura 3 se muestra las constitucio-
nes más estudiadas e investigadas actual-
mente.
| C | V. XXIII | N. 26 |  -  | 2018 |
P         
190
Figura 3. Formas alotrópicas del carbono
Métodos de obtención
Uno de los actuales problemas a los
que se enfrentan los investigadores es la
producción de grafeno a escala industrial.
Los métodos de obtención de grafeno se
ven limitados a entornos solo de labora-
torio y se espera que en un corto plazo
gracias a los estudios e investigaciones,
su producción a escala industrial sea una
realidad. Actualmente, la obtención del
grafeno se puede dar por cualquiera de
los métodos siguientes:
• Exfoliación micromecánica
El grafeno en estado libre fue obtenido
por vez primera en 2004 mediante este
método. La exfoliación micromecánica es
una técnica simple, y es necesario con-
tar con una supercie limpia de grato,
el cual como mencionamos está consti-
tuido por varias láminas superpuestas de
grafeno débilmente unidas. Este método
consiste en someter el grato a un ras-
pado no y luego extraer hojuelas extre-
madamente delgadas al descascarar repe-
tidamente utilizando cinta adhesiva. La
mayor parte de las hojuelas obtenidas por
este método son tridimensionales, gra-
to; sin embargo, entre estas se consiguen
también bidimensionales, grafeno. Para
la identicación de las láminas de gra-
feno se utiliza microscopia óptica. Este
método de obtención del grafeno es muy
rudimentario por el proceso de identi-
cación de láminas viables de grafeno.
• Obtención epitaxial en carburo de
silicio
Consiste en calentar el carburo de sili-
cio (SiC) a temperaturas mayores a 1100
°C para reducir al grafeno. Este proce-
so produce grafeno epitaxial. Muchas
propiedades del grafeno importantes
han sido identicadas por este método.
Mientras que las propiedades electróni-
cas de ciertos grafenos epitaxiales de ca-
pas múltiples son idénticos a los de una
sola capa de grafeno, en otros casos las
propiedades se ven afectadas como lo son
para las capas de grafeno en grato. Este
efecto es, teóricamente, bien entendido y
se relaciona con la simetría de las interac-
ciones entre capas.
| C | V. XXIII | N. 26 |  -  | 2018 |
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191
• Reducción del óxido de grato
La reducción de óxido de grato era
probablemente históricamente el primer
método de síntesis de grafema P. Boehm
informó escamas monocapas de óxido
de grafeno reducido ya en 1962. En es-
tos primeros trabajos la existencia de pe-
queñas escamas monocapa de óxido de
grafeno se demostró. La contribución de
Boehm fue reconocida, recientemente,
por el premio Nobel de la investigación
de grafeno, Andre Geim. Sin embargo,
la calidad de grafeno producido por re-
ducción de óxido de grato es menor en
comparación por ejemplo con el obteni-
do por exfoliación mecánica debido a la
eliminación incompleta de los diversos
grupos funcionales con los métodos de
reducción existentes.
• Obtención con metal-carbono de-
rretido
La idea general de este proceso es la
disolución de átomos de carbono en el
interior de un metal de transición fun-
dido a una cierta temperatura, y luego
permitir que el carbono disuelto se pre-
cipite a bajas temperaturas como grafeno
de una sola capa. El metal se funde, en
primer lugar, en contacto con una fuen-
te de carbono. Esta fuente puede ser el
crisol de grato dentro de la cual se lleva
a cabo el proceso de fusión o podría ser
el polvo de grato. Se debe mantener la
masa fundida en contacto con la fuente
de carbono a una temperatura determi-
nada dará lugar a la disolución y la satu-
ración de átomos de carbono en la masa
fundida basado en el diagrama de fase bi-
naria de metal-carbono. Al bajar la tem-
peratura, la solubilidad del carbono en el
metal fundido disminuye y la cantidad
en exceso de carbono se precipitará so-
bre la parte superior de la masa fundida.
La capa otante puede ser o desnatada, o
dejar que se congele para su posterior re-
tiro. Al aplicar este método se obtiene en
el sustrato de metal morfologías diferen-
tes incluyendo grato, grafeno de pocas
capas y grafeno. El material compuesto
de grafeno-metal podría ser utilizado en
materiales de interfaz térmica para apli-
caciones de gestión térmica.
• Obtención a partir de nanotubos
Métodos experimentales para la pro-
ducción de cintas de grafeno consisten
en cortar los nanotubos. Los nanotubos
de carbono se cortan por acción del per-
manganato de potasio y ácido sulfúrico.
En otro método, las nanocintas de gra-
feno se producen mediante grabado en
plasma de nanotubos, parcialmente, in-
crustados en una película de polímero.
• Obtención por grato por ultraso-
nido
Consiste en la dispersión de grato
en un medio líquido adecuado en el que
luego se agitan las partículas con ondas
sonoras ultrasónicas. El grato no exfo-
liado es nalmente separado del grafeno
por centrifugación. Se ha conseguido con
este método las concentraciones más altas
de grafeno informadas hasta el momento
y obtenida por cualquier método.
Propiedades del grafeno
Es de gran importancia conocer las
propiedades del grafeno comparándo-
las con otras características tanto físicas
como químicas de otros materiales, para
de esta manera entender que estamos
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ante un material que cambiará la tecno-
logía y la vida del hombre como en un
momento determinado lo hizo el silicio
y el germanio. Algunas de las cualidades
más representativas de este nanomaterial
son la conductividad eléctrica, la resisti-
vidad y la estabilidad termodinámica. A
continuación detallamos las propiedades
más estudiadas de este prometedor ma-
terial.
• Comportamiento metálico y efecto
de campo eléctrico
El carbono es un elemento no metá-
lico que es mal conductor de la electri-
cidad; sin embargo, el grafeno presenta
propiedades que corresponden a los me-
tales. Se comporta como semiconductor
gap (separación entre la banda de valen-
cia y la banda de conducción) supercial.
Esto permite que los conductores de car-
ga puedan ser modulados continuamente
entre electrones y huecos en altas concen-
traciones y con una gran movilidad in-
cluso bajo condiciones ambientales. Esto
lo convierte en un excelente conductor.
• Quiralidad
Debido a la simetría de cristal exhibida
por el grafeno sus cuasi-partículas deben
ser descritas por funciones de onda de dos
componentes en virtud de las contribu-
ciones relativas de las dos subredes en la
formación de cada una. Pero el spin en el
grafeno indica la subred más que el spin
real de los electrones surgiendo lo que
es conocido como un pseudoespín. Este
pseudoespín nos permite introducir el
término de quiralidad, denido como la
proyección del pseudoespín en la direc-
ción del movimiento siendo positivo para
los electrones y negativo para los huecos.
Esta propiedad es muy importante
porque permite explicar muchos pro-
cesos electrónicos y dos nuevos efectos
cuánticos: una conductividad cuántica
mínima en el límite de concentraciones
desvanecientes de conductores de carga y
una supresión fuerte de efectos de inter-
ferencia cuántica.
• Electrones del grafeno. Similitud
con fermiones de Dirac sin masa
Ya que los electrones en el grafeno se
comporten como partículas relativísticas
sin masa en reposo y viajan a 106 m/s
requieren ser descritas como partículas
relativísticas llamadas fermiones de Dirac
carentes de masa. Estas partículas pue-
den ser visualizadas como electrones que
han perdido su masa en reposo o como
neutrinos que adquirieron la carga elec-
trónica. El origen de estas partículas se
debe a la interacción de los electrones de
carbono con el potencial periódico dado
por la estructura de panal del grafeno,
produciendo cuasipartículas que, a bajas
energías, se describen exactamente por la
ecuación Dirac, por lo que son llamadas
fermiones Dirac carentes de masa, regi-
das por la siguiente ecuación para la ex-
presión del espectro de energía:
llamadas fermiones de Dirac carentes de masa. Estas partículas pueden ser visualizadas
como electrones que han perdido su masa en reposo o como neutrinos que adquirieron
la carga electrónica. El origen de estas partículas se debe a la interacción de los electrones
de carbono con el potencial periódico dado por la estructura de panal del grafeno,
produciendo cuasipartículas que, a bajas energías, se describen exactamente por la
ecuación Dirac, por lo que son llamadas fermiones Dirac carentes de masa, regidas por
la siguiente ecuación para la expresión del espectro de energía:
= ±�2
|
|
ℎ
2
( +
1
2
±
1
2
)
(3)
Donde f es la velocidad del electrón, v = 0,1,2... es el número cuántico y el termino con
±
1
2
está relacionado con la quiralidad. El efecto Hall cuántico anómalo es la evidencia
más directa para asegurar la existencia de los fermiones de Dirac carentes de masa en el
grafeno.
• Efecto Hall Cuántico Anómalo
Constituye la mayor prueba de la existencia de los fermiones Dirac carentes de masa
en el grafeno. El efecto Hall cuántico es utilizado para determinar tanto el signo
como los portadores de carga. Para efectos explicativos conviene que el efecto Hall
cuántico se le relacione con el efecto Hall el cual se establece mediante el siguiente
procedimiento: al material a investigar por el cual se hace pasar una corriente
eléctrica se le aplica perpendicularmente un campo magnético provocándose que los
portadores de carga se acumulen en un determinado sitio, generándose un campo
eléctrico. Midiendo la diferencia de potencial en las dos superficies del material es
posible deducir el signo y la densidad de los portadores de carga, presentándose una
linealidad entre el campo magnético y la resistencia Hall.
El efecto Hall cuántico ofrece, por lo contrario, como característica la no linealidad
entre la resistencia de Hall y el campo magnético, es decir, que el efecto Hall cuántico
se presenta mediante una serie de escalones al aplicársela campos magnéticos altos y
bajas temperaturas. (Figura 4)
Donde f es la velocidad del electrón,
v = 0,1,2... es el número cuántico y el
término con está relacionado con
la quiralidad. El efecto Hall cuántico
llamadas fermiones de Dirac carentes de masa. Estas partículas pueden ser visualizadas
como electrones que han perdido su masa en reposo o como neutrinos que adquirieron
la carga electrónica. El origen de estas partículas se debe a la interacción de los electrones
de carbono con el potencial periódico dado por la estructura de panal del grafeno,
produciendo cuasipartículas que, a bajas energías, se describen exactamente por la
ecuación Dirac, por lo que son llamadas fermiones Dirac carentes de masa, regidas por
la siguiente ecuación para la expresión del espectro de energía:
= ±�2
|
|
ℎ
2
( +
1
2
±
1
2
) (3)
Donde f es la velocidad del electrón, v = 0,1,2... es el número cuántico y el termino con
±
1
2
está relacionado con la quiralidad. El efecto Hall cuántico anómalo es la evidencia
más directa para asegurar la existencia de los fermiones de Dirac carentes de masa en el
grafeno.
• Efecto Hall Cuántico Anómalo
Constituye la mayor prueba de la existencia de los fermiones Dirac carentes de masa
en el grafeno. El efecto Hall cuántico es utilizado para determinar tanto el signo
como los portadores de carga. Para efectos explicativos conviene que el efecto Hall
cuántico se le relacione con el efecto Hall el cual se establece mediante el siguiente
procedimiento: al material a investigar por el cual se hace pasar una corriente
eléctrica se le aplica perpendicularmente un campo magnético provocándose que los
portadores de carga se acumulen en un determinado sitio, generándose un campo
eléctrico. Midiendo la diferencia de potencial en las dos superficies del material es
posible deducir el signo y la densidad de los portadores de carga, presentándose una
linealidad entre el campo magnético y la resistencia Hall.
El efecto Hall cuántico ofrece, por lo contrario, como característica la no linealidad
entre la resistencia de Hall y el campo magnético, es decir, que el efecto Hall cuántico
se presenta mediante una serie de escalones al aplicársela campos magnéticos altos y
bajas temperaturas. (Figura 4)
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anómalo es la evidencia más directa para
asegurar la existencia de los fermiones de
Dirac carentes de masa en el grafeno.
• Efecto Hall cuántico anómalo
Constituye la mayor prueba de la exis-
tencia de los fermiones Dirac carentes de
masa en el grafeno. El efecto Hall cuán-
tico es utilizado para determinar tanto
el signo como los portadores de carga.
Para efectos explicativos conviene que el
efecto Hall cuántico se le relacione con el
efecto Hall el cual se establece mediante
el siguiente procedimiento: al material a
investigar por el cual se hace pasar una
corriente eléctrica se le aplica perpendi-
cularmente un campo magnético provo-
cándose que los portadores de carga se
acumulen en un determinado sitio, ge-
nerándose un campo eléctrico. Midiendo
la diferencia de potencial en las dos su-
percies del material es posible deducir el
signo y la densidad de los portadores de
carga, presentándose una linealidad entre
el campo magnético y la resistencia Hall.
El efecto Hall cuántico ofrece, por lo
contrario, como característica la no li-
nealidad entre la resistencia de Hall y el
campo magnético; es decir, que el efecto
Hall cuántico se presenta mediante una
serie de escalones al aplicársela en cam-
pos magnéticos altos y bajas temperatu-
ras. (Figura 4)
Figura 4. Efecto Hall Cuántico. La línea punteada indica el
comportamiento clásico esperado, la continúa el compor-
tamiento cuántico.
• Paradoja de Klein
De acuerdo con la teoría clásica, una
partícula no puede propagarse a través de
una región donde su energía potencial es
más grande que su energía total. Sin em-
bargo, los electrones obedecen las leyes de
la mecánica cuántica, según las cuales el
electrón rebotará, efectivamente, contra
la barrera, pero además hay una probabi-
lidad nita de que también “atraviese” la
barrera en un proceso denominado efec-
to túnel y de que aparezca del otro lado.
Sorpresivamente, en el caso del grafeno la
probabilidad de transmisión del electrón
es siempre igual a 1 independientemente
de la altura y anchura de la barrera. Esta
conducta en electrodinámica cuántica es
conocida como la paradoja Klein.
• Efecto piezoeléctrico
El grafeno podría unirse al selecto
grupo de materiales piezoeléctricos que
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generan electricidad cuando se exionan
o se les presiona y viceversa. Abriendo
agujeros en una hoja de grafeno dispues-
tos en puntos especícos de la lámina
siguiendo una conguración especial es
factible forzar al grafeno a comportarse
igual que un material piezoeléctrico.
Las substancias piezoeléctricas son un
buen recurso para desarrollos de vanguar-
dia, como por ejemplo la recolección de
energía mecánica en fuentes difícilmente
aprovechables por otros métodos, o los
músculos articules, y también sirven a los
ingenieros para fabricar sensores de muy
alta precisión.
Aplicaciones del grafeno en el campo
energético
La aplicación del grafeno en el campo
energético busca lograr que las fuentes de
energía que, actualmente, son utilizadas,
sean mejoradas en términos principal-
mente de eciencia. Esto se puede con-
seguir haciendo uso de diversas técnicas
y procedimientos que básicamente bus-
can que los componentes como baterías,
celdas solares, supercapacitores y demás
dispositivos que forman parte esencial de
los dispositivos generadores de energía
renovable, logren superar las caracterís-
ticas técnicas actuales de los dispositivos
mencionados. A continuación se detalla
cada dispositivo mencionado.
• Baterías
En esta área, gracias a su conductivi-
dad, el grafeno entra para disminuir los
tiempos de carga y descarga de baterías.
Se ha desarrollado un nuevo ánodo ba-
sado en grafeno que puede ser cargado o
descargado 10 veces más rápido que los
ánodos de grato que se utilizan actual-
mente en las baterías de litio. Para crear
el material del ánodo, los investigadores
tomaron una lámina de óxido de grafe-
no e introdujeron, intencionalmente,
defectos, innumerables grietas, poros y
otras imperfecciones. Los iones de litio
pueden utilizar las grietas en el óxido
de papel de grafeno para atravesar rápi-
damente la hoja entera, lo que signica
cargas y descargas más rápidas de la ba-
tería. Resulta muy interesante también la
implementación del grafeno a las baterías
de níquel-hierro. Inventadas por Edison,
constituyen una alternativa barata y se-
gura de las de ácido y plomo, además que
tanto el níquel como el hierro son dos
materiales muy abundantes.
Figura 5. Esquema de la batería Ni-Fe mejorada con capas de grafeno
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T G P B - L F Z R
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Las principales ventajas de las bate-
rías mejoradas residen en su abilidad
y en su velocidad de carga y descarga.
En general, es útil como respaldo de
otras baterías o de cualquier aparato
eléctrico que pueda requerir de una
gran carga en muy poco tiempo. Su
único problema es que pierden en tor-
no a un 20% de su capacidad tras 800
ciclos de carga y descarga. Esto, que
no es tan grave en otro tipo de baterías
más lentas, puede ser el principal im-
pedimento para que esta nueva tecno-
logía se asiente.
• Celdas solares
Se ha alcanzado una eciencia del 8,6
por ciento con nuevas celdas solares gracias
un tratamiento químico en el que se dopa al
grafeno con silicio amorfo (TFSA). Dopar
con TFSA al grafeno hace que se vuelva me-
jor conductor y eso incrementa el potencial
del campo eléctrico dentro de la célula solar,
volviéndola más eciente en la conversión
de la luz del Sol en electricidad. Además, a
diferencia de otros materiales para dopar al
grafeno que han sido probados en el pasa-
do, la TFSA es más estable; es decir que sus
efectos son mucho más duraderos.
Figura 6. Esquema de celda solar de grafeno dopada con
silicio amorfo (TFSA)
El grafeno gracias a que es transparente
y exible tiene una ventaja para ser un
componente importante en el tipo de cé-
lulas solares instaladas en los exteriores de
edicaciones y en otros medios. Haber
mostrado ahora que sus capacidades de
generar electricidad a partir de la luz solar
pueden ser realzadas por un tratamiento
tan simple y barato, ofrece buenas pers-
pectivas para el uso futuro del grafeno en
células solares. Se estima que si las células
solares con grafeno alcanzaran ecien-
cias de conversión de un 10 por ciento
podrían ser un claro competidor en el
mercado de los paneles solares, siempre
y cuando sus costes de producción sean
mantenidos en un nivel lo bastante bajo.
El prototipo de célula solar creado en el
laboratorio de la Universidad de Florida
fue construido sobre una base rígida de
silicio, un soporte que no se considera
lo bastante rentable para la producción a
gran escala en los términos antedichos de
comercialización barata. Pero es factible
combinar el uso de grafeno dopado con
sustratos más exibles y más baratos.
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• Supercapacitores
Un gran avance en el desempeño de
los capacitores ha sido alcanzado con el
desarrollo de un dispositivo que puede
almacenar tanta energía como una bate-
ría y es capaz de recargarse en segundos.
Figura 7. Curva Potencia/V Vs Capacidad Relavita/Vol del Super-
capacitor de Grafeno
El supercapacitor basado en grafeno
puede almacenar tanta energía por uni-
dad de masa como las baterías de níquel
metal hidruro y podrían ser usadas algún
día para proporcionar energía a aparatos
diversos como teléfonos móviles, cáma-
ras digitales y micro vehículos eléctricos.
Con la gran área de supercie de sus
electrodos y el espacio extremadamente
pequeño que hay entre estos pueden al-
macenar una gran cantidad de carga eléc-
trica en un pequeño volumen.
El nuevo dispositivo tiene electrodos
hechos de grafeno mezclado con un ne-
gro de acetileno llamado Súper P que
actúa como un aditivo conductor y un
aglutinante que mantiene todo unido. La
mezcla resultante se cubre dentro de la
supercie de un colector de corriente y es
ensamblado en forma de capacitores del
tamaño de una moneda.
La energía que puede ser almacena-
da por unidad de peso es de 85.6 Wh/
kg a una temperatura regular de 20 a 30
grados Celsius, mientras que a 80 grados
Celsius el valor medido fue de 136 Wh/
kg, el cual es comparable a las baterías
Ni-mh. La mayor ventaja de esta tecno-
logía es que los supercapacitores pueden
ser recargados en unos cuantos segundos
en lugar de minutos como en el caso de
las baterías, lo que constituye un gran
avance tecnológicamente hablando.
Discusión
La información revisada da cuenta de
los avances de las investigaciones y estu-
dio de las propiedades del grafeno en el
aprovechamiento y mejoramiento de dis-
positivos que almacenan energía. El gra-
feno es el material más delgado y ligero
hasta la fecha conocido, además a partir
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T G P B - L F Z R
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de este material se están modicando
otros materiales para obtener caracterís-
ticas similares o mejores al grafeno. El
siliceno es uno de estos materiales en el
cual los estudios iniciales indican que su
comportamiento y eciencia podría su-
perar al grafeno.
La coincidencia entre ambos materia-
les son los costes de producción a escala
industrial, que se espera a un corto plazo
superar gracias a las investigaciones y es-
tudio cientíco de estos materiales. Una
nueva era tecnológicamente hablando
está muy próxima con este material: la
era de los nanomateriales marcará una
nueva etapa en la vida del ser humano,
como ya lo fue el silicio y el germanio
cuando desplazaron a la válvulas de vacío
gracias al transistor de silicio, esta vez el
grafeno, según las condiciones actuales se
dispone a desplazar al silicio.
Los dispositivos experimentales a base
de grafeno que almacenan energía vienen
obteniendo resultados muy alentadores y
todo indica que su utilización en sistemas
más complejos de gestión energética está
muy próxima.
Conclusiones
• El grafeno es un nanomaterial bidi-
mensional sintetizado inicialmente
en 2004, con propiedades únicas en
su clase, que ha despertado el interés
de investigadores y de empresarios. Se
espera que en un corto plazo gracias al
avance en los estudios y pruebas de los
investigadores, su producción se masi-
que a escala industrial.
• Existen múltiples formas para la ob-
tención de grafeno, todas con resul-
tados aceptables y diversos costes de
producción. Lamentablemente, los
costes presentan el principal inconve-
niente para la producción de grafeno a
escala industrial.
• Las propiedades que presenta el grafe-
no son excepcionales, lo que hace que
este material sea el principal candidato
a iniciar una nueva revolución tecno-
lógica teniendo como base la ecien-
cia energética y el respeto por el me-
dio ambiente. Mientras las pruebas en
laboratorio y las investigaciones van
avanzando se dan nuevos alcances del
aprovechamiento de las propiedades
del grafeno.
• La eciencia energética de los dispo-
sitivos que almacenan energía a base
grafeno ha sido demostrada en labo-
ratorio por los investigadores, lo que
vaticina un futuro promisorio de este
material y el desplazamiento de mu-
chos de los componentes, actualmen-
te, utilizados en áreas relacionadas con
el quehacer tecnológico.
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