miniatura|Representació artística del grafè. El grafè és un al·lòtrop del carboni que té una estructura laminar plana, d'un sol àtom de gruix, composta per àtoms de carboni densament empaquetats en una xarxa cristal·lina bidimensional en forma de rusc d'abella. Els àtoms que formen el grafè es mantenen units mitjançant enllaços covalents que es formen a partir de la superposició dels híbrids sp² dels carbonis enllaçats. Aquest material es caracteritza per posseir una alta conductivitat tèrmica i elèctrica, i per combinar una alta flexibilitat i lleugeresa amb una duresa extrema.
L'any 2010, va ser concedit el premi Nobel de física a Andre Geim i Konstantin Novoselov de la Universitat de Manchester pels experiments i treballs científics que han dut a terme sobre el grafè. D'ençà que el grafè ha esdevingut un dels materials en què més ha treballat i investigat últimament la comunitat científica. El motiu d'aquesta rellevància són les potencials aplicacions que té aquest material en el món de la nanotecnologia, l'electrònica, etc. així com els efectes físics que s'hi poden observar experimentalment.
Descobriment L'origen de les investigacions sobre el grafè sorgeixen de la investigació d'un altre al·lòtrop del carboni, el grafit. La raó és que es pot concebre el grafit com una sèrie de capes de grafè unides entre si gràcies a les forces de Van der Waals.
Històricament s'havia pensat que si es pogués separar una d'aquestes capes del grafit, el material resultant seria termodinàmicament inestable i fondria ràpidament. Nogensmenys, encara que no se n'hagués pogut obtenir experimentalment, diversos científics ja havien descrit l'enllaç químic i l'estructura d'aquest possible material i fins i tot se n'havia calculat l'estructura electrònica de bandes. També s'havien estudiat mostres de fines làmines de grafit, format per poques capes de grafè, i se n'havia obtingut imatges mitjançant microscòpics electrònics. El terme grafè (en anglès Graphene) va aparèixer per primera vegada el 1987 per a descriure capes simples de grafit com un dels constituents de compostos d'intercalació de grafit (graphite intercalation compound, GICs). Es va fer servir en les primeres descripcions de nanotubs de carboni, com també en el grafè epitaxial, i hidrocarburs aromàtics policíclics.
No va ser fins al 2004 que no es va poder aïllar una primera mostra de grafè. Andre Geim i Kostya Novoselov, de la Universitat de Manchester, aconseguiren extreure cristall d'una sola capa d'àtoms. Aquests dos investigadors varen obtenir el Premi Nobel de Física l'any 2010 «pels seus innovadors experiments sobre el material bidimensional grafè». Les primeres mostres d'aquest material es van obtenir fent servir cinta adhesiva. El mètode consistia a agafar làmines fines de grafit i anar enganxant i desenganxant successivament una cinta adhesiva fins a obtenir una única capa d'àtoms de carboni. Aquest procediment es coneix com a exfoliació mecànica. A partir d'aquest moment s'han anat desenvolupant nous mètodes més sofisticats per l'obtenció d'aquest material, dels quals parlarem més endavant.
Estructura i propietats Estructura El grafè és una estructura nanomètrica bidimensional d'àtoms de carboni fortament cohesionats en una superfície uniforme, lleugerament plana, amb ondulacions, d'un àtom de gruix. La seva aparença és semblant a una capa de rusc d'abelles per la seva configuració atòmica hexagonal. D'aquesta disposició peculiar en l'espai es desprenen diverses propietats electròniques, mecàniques i químiques excepcionals del grafè.
El grafè es pot considerar com el bloc constructor a partir del qual es poden formar tota la resta de materials grafítics. Si s'enrotlla sobre ell mateix com una pilota de futbol, s'obtenen els ful·lerens. Si s'enrotlla cilíndricament, s'obtenen els nanotubs de carboni. Si es van superposant tridimensionalment, els uns damunt dels altres, s'obté grafit.
Propietats Propietats mecàniques Les mesures obtingudes el 2009 sobre el grafè indiquen que és el material més dur i fort existent, fins i tot supera la duresa del diamant i és dos cents cops més resistent que l'acer. És altament rígid, de fet, té un mòdul de Young d'1 Tpa. Per tant, suporta grans forces sense quasi deformar-se. Es tracta d'un material lleuger amb una densitat de tan sols 0,77 mil·ligrams per metre quadrat (la densitat s'indica en unitats de superfície com a causa de la seva estructura laminar). També cal destacar que suporta grans forces de flexió, és a dir, es pot doblegar sense que es trenqui.
Per fer-se una idea de la capacitat d'aquestes propietats mecàniques, el premi Nobel va fer una comparació amb una hamaca de grafè d'un metre quadrat de superfície i un sol àtom de gruix. Aquesta hamaca de grafè podria suportar fins a 4 kg abans de trencar-se (equivalent al pes d'un gat). En total aquesta hamaca pesaria el mateix que un dels pèls del bigoti del gat, menys d'un mil·ligram.
Propietats tèrmiques El grafè, amb una conductivitat tèrmica d'aproximadament 5·103 W·m-1·K-1, és un gran conductor tèrmic, molt millor que altres estructures de carboni com el grafit, el diamant o els nanotubs de carboni. També cal destacar que té una conductància isotròpica, és a dir, la calor es propaga per igual en totes direccions.
En el grafè, la conductivitat tèrmica es deu principalment a les vibracions de la xarxa, és a dir, als fonons. El grafè té tres branques fonòniques acústiques: dos en el mateix pla del grafè, una longitudinal (LA) i una transversal (TA), i una altra transversal que es troba fora del pla (ZA); i tres branques fonòniques òptiques: una fora del pla (ZO) i dos al pla (TO i LO).
Propietats òptiques Una capa de grafè és capaç d'absorbir un 2,3% de llum visible, cosa que resulta interessant si considerem que és una capa de gruix monoatòmic. Aquest percentatge té una relació amb la constant d'estructura fina α, constant que caracteritza la intensitat de la interacció electromagnètica. Concretament, I/I0 = 0.023 ≈ πα. La causa d'això són les peculiars propietats electròniques.
Propietats electròniques miniatura|Energia dels electrons del grafè en l'aproximació d'enllaç fort Una de les propietats destacades del grafè és la seva alta conductivitat elèctrica. La causa d'això és l'alta velocitat a la qual els electrons poden desplaçar-se en el grafè (concretament, a una velocitat de l'1% de la velocitat de la llum). Per poder entendre-ho cal estudiar la seva estructura de bandes.
L'estructura de bandes del grafè ha sigut identificada gràcies a la teoria d'aproximació d'enllaç fort. Cada àtom de carboni està enllaçat amb altres tres àtoms mitjançant un enllaç σ i formant així la xarxa hexagonal. Els àtoms de carboni disposen de quatre electrons de valència, tres formen els enllaços esmentats i el quart forma un orbital atòmic p perpendicular al pla del grafè. Aquests orbitals de cada un dels àtoms es combinen entre si per generar estats electrònics deslocalitzats amb un interval d'energies que arriba fins al nivell de Fermi. Aquests estats són els responsables de la conducció elèctrica del grafè. Les bandes de valència i de conducció del grafè coincideixen en certs punts de la zona de Brillouin que reben el nom de punt K (en la imatge corresponen a les puntes dels cons).
Com es pot observar a la figura la relació de dispersió dels electrons propers als punts K i amb energia propera al nivell de Fermi és lineal. Concretament formen uns cons que comunament s'anomenen cons de Dirac. El fet que els electrons tinguin una relació de dispersió lineal en el grafè és el que fa que es comportin com partícules sense massa i puguin moure's a velocitats tan elevades.
Altres propietats Semiconductor. Menor efecte Joule, s'escalfa menys quan condueix electrons. Consumeix menys electricitat per una mateixa tasca que el silici. El grafè pot reaccionar químicament amb altres substàncies per formar compostos amb diferents propietats. Suporta la radiació ionitzant.
Efectes físics Els electrons que es mouen per la superfície del grafè es comporten com quasipartícules relativistes amb una massa efectiva nul·la. És a dir, es mouen com els fotons: a velocitat constant (uns 10^6 m/s) i de manera independent a la seva energia. Els electrons que mostren aquest comportament reben el nom de fermions de Dirac. El grafè permet estudiar experimentalment aquestes partícules que ja havien estat predites teòricament amb anterioritat.
El grafè presenta també un anòmal efecte Hall quàntic, pel qual en presència d'un camp magnètic extern la conductivitat perpendicular al corrent pren valors discrets, cosa que permet mesurar-la amb una alta precisió. Altres semiconductors presenten aquest efecte a temperatures molt baixes, però únicament el grafè el manté a temperatura ambient. Aquesta propietat fa que sigui un semiconductor d'extraordinària qualitat: aquesta quantització implica que la conductivitat del grafè mai pot ser zero.
Mètodes d'obtenció Són diversos els procediments d'obtenció de grafè que s'estan estudiant i intentant desenvolupar. En aquest punt rau uns dels principals esculls que presenta el grafè. Tot i que és possible obtenir petites mostres de grafè sense gaire dificultat en un laboratori, encara no s'ha aconseguit cap mètode de fabricació que permeti obtenir grafè de bona qualitat a grans escales i de manera senzilla i econòmica.
Exfoliació mecànica miniatura|Cinta adhesiva, un tros de grafit i un transistor de grafè. Donats al museu Nobel per Andre Geim i Konstantin Novoselov en 2010. L'exfoliació mecànica és el mètode amb el qual es van obtenir les primeres mostres de grafè. Aquest procediment consisteix a estampar grafit pirolític altament orientat sobre un suport de diòxid de silici (SiO₂). Posteriorment s'enganxa una cinta adhesiva sobre l'estampació i després de successives operacions d'enganxament i desenganxament de la cinta, es pot llevar el grafit restant fins a aconseguir làmines individuals o dobles de grafè. Aquestes tenen un gruix màxim d'uns 3 nm, mesura que es duu a terme amb microscopis de força atòmica (AFM).
El principal inconvenient d'aquest mètode és la baixa quantitat de grafè que s'obté, cosa que impedeix produir-ne a gran escala. A més a més, la falta de precisió a l'hora de col·locar de manera controlada les làmines dificulta implantar-lo en possibles dispositius.
S'han realitzat distintes investigacions per millorar la producció de grafè mitjançant l'exfoliació. Un dels intents que s'ha portat a terme consisteix a separar les capes de grafè que conformen el grafit mitjançant exfoliació en un dissolvent (concretament diclorobenzè) aplicant ultrasons durant un temps de cinc minuts. El principal inconvenient és que l'aplicació d'ultrasons durant tant de temps produeix defectes estructurals en el grafè obtingut i les làmines obtingudes tenen menys superfície de la desitjada. Malgrat aquests problemes, s'ha trobat una possible solució, la idea consisteix a intercalar molècules orgàniques entre les làmines de grafit. Aquest experiment s'ha realitzat utilitzant hidròxid de tetrabutil d'amoni (TBA) que se situa dins l'estructura de grafit i que augmenta així la distància entre làmines adjacents. D'aquesta manera es redueix considerablement el temps d'aplicació i la potència necessària dels ultrasons. I per tant es redueixen els defectes estructurals i s'obtenen mides laminars més satisfactòries. Tot i així, aquesta tècnica no sembla una solució per fabricar grafè en grans quantitats, principalment perquè té un baix rendiment i no es pot controlar l'agregació de les làmines de grafè quan es troben en la suspensió de dissolvent.
Deposició química de vapor