Considerado por muchos como el material más prometedor del futuro, el grafeno sigue siendo una sustancia cara y difícil de fabricar. Investigadores del Instituto de Química Física de la Academia de Ciencias de Polonia en Varsovia, y el Instituto de Investigaciones Interdisciplinarias de Lille desarrollaron un método de bajo costo para fabricar láminas de grafeno multicapa. El nuevo método no requiere ningún equipo especializado y se puede implementar en cualquier laboratorio.

Se ha desarrollado un método de bajo costo para producir láminas de grafeno en cooperación dentro de un proyecto de investigación por equipos del Instituto de Química Física de la Academia de Ciencias de Polonia (IPC PAS) en Varsovia y el Instituto de Investigación Interdisciplinaria (IRI) en Lille. Francia. El método es lo suficientemente simple como para ser proporcionado en casi cualquier laboratorio del mundo.

El grafeno fue descubierto en 2004, despegando las capas de carbono del grafito con una cinta adhesiva ordinaria. "En lo que se había despegado, los investigadores pudieron encontrar láminas de un átomo de espesor. Y eso fue grafeno. Si estamos pensando en aplicaciones industriales del grafeno, tenemos que encontrar métodos mejor controlados para producir este material a gran escala, sin usar un costoso, equipo especializado ", dice Izabela Kamińska, un estudiante de doctorado del IPC PAS, becario de la Fundación para la Ciencia Polaca dentro del Programa Internacional de Proyectos de Doctorado. Kamińska ha llevado a cabo sus experimentos en el Instituto Internacional de Investigación.

Considerando la estructura, el grafeno es un sistema bidimensional compuesto por anillos de carbono de seis miembros. La celosía de grafeno hexagonal se asemeja a un panal, con la diferencia de que la hoja de grafeno tiene el menor espesor posible:de un solo átomo.

Las propiedades inusuales del grafeno están estrechamente relacionadas con la estructura única. El grafeno es casi completamente transparente, más de cien veces más resistente que el acero y muy flexible. Al mismo tiempo, muestra una excelente conductividad térmica y eléctrica, lo que lo convierte en un buen material para aplicaciones en electrónica, p.ej. para fabricar delgados, pantallas flexibles y fuertes o circuitos de procesamiento rápido. También es adecuado como material para varios sensores.

Los métodos existentes para fabricar grafeno, incluida la deposición de la capa epitaxial sobre un sustrato metálico o carburo de silicio, o deposición de vapor físico o químico - requieren costosos, equipos especializados y procedimientos de fabricación complejos. Mientras tanto, el único aparato más complejo utilizado en el método de producción de láminas de grafeno desarrollado en el IPC PAS y el IRI es un limpiador ultrasónico, un equipo común en muchos laboratorios.

El nuevo proceso para producir láminas de grafeno comienza con grafito, uno de carbono alótropo, a nivel molecular se asemeja a un sándwich compuesto por muchos planos de grafeno. Estas hojas son apenas separables. Para debilitar las interacciones entre ellos, el grafito debe estar oxidado, que generalmente se logra con el método Hummers. Posteriormente, se suspende en agua un polvo obtenido de esta forma, el óxido de grafito, y se coloca en un limpiador ultrasónico. Los ultrasonidos exfolian las láminas de grafeno oxidado entre sí y el coloide resultante contiene escamas de óxido de grafeno individuales con un diámetro de aproximadamente 300 nanómetros.

Los investigadores del IPC PAS y del IRI utilizaron óxido de grafeno fabricado en la División de Ciencia de Materiales del Instituto de Ciencia y Tecnología del Nordeste (NEIST) en Dispur. India. "Los coloides de óxido de grafeno de un átomo de espesor fueron un buen material de partida, pero numerosos grupos funcionales que contienen oxígeno se convirtieron en una verdadera dificultad. El problema fue que cambiaron drásticamente las propiedades físico-químicas del material. En lugar de un excelente conductor teníamos ... un aislante ", explica Kamińska.

Para eliminar el oxígeno de las escamas de grafeno, los investigadores del IPC PAS y del IRI decidieron utilizar interacciones de apilamiento pi-pi no covalentes entre los anillos de carbono del óxido de grafeno y los anillos aromáticos de un compuesto llamado tertatiafulvaleno (TTF). Una molécula de TTF se compone de dos anillos que contienen tres átomos de carbono y dos de azufre cada uno. "Prácticamente, fue suficiente mezclar óxido de grafeno con tertiafulvaleno, y luego poner todo en un limpiador ultrasónico. Las interacciones entre los anillos TTF y los anillos de óxido de grafeno dieron como resultado una reducción del óxido de grafeno a grafeno con una oxidación simultánea de las moléculas de TTF ", describe Kamińska.

Como resultado, el compuesto obtenido contenía escamas de grafeno con moléculas TTF intercaladas en ellas. Posteriormente, se depositó una gota de la solución compuesta sobre un electrodo y se secó. Las escamas de grafeno formaron en la superficie una capa suave con un espesor controlable de 100 a 500 nm que se componía de unas pocas docenas a unos pocos cientos de hojas de grafeno y moléculas TTF alternas.

La etapa final en la producción del recubrimiento de grafeno fue expulsar las moléculas de tertiafulvaleno, que se logró mediante una simple reacción química con un compuesto apropiadamente seleccionado.

"Una de nuestras motivaciones para la investigación fue buscar nuevos métodos para detectar sustancias biológicas. Por eso, después de expulsar el TTF del recubrimiento de grafeno, verificamos inmediatamente si podíamos reincorporar el químico a la matriz. Resultó que sí. Por lo tanto, es posible desarrollar un proceso que permita unir un compuesto seleccionado a una molécula de TTF, y luego incorporar todo el complejo en una hoja de grafeno en un electrodo y monitorear el flujo de corriente eléctrica ", resume el Prof. Marcin Opałło (IPC PAS).

Una publicación que describe el nuevo método apareció a principios de este año en la revista. Comunicaciones químicas , con la cubierta que muestra la visualización por computadora de las láminas de grafeno con TTF. En el presente, Los investigadores del IPC PAS y del IRI continúan su trabajo para reducir aún más el espesor de la matriz de grafeno. La etapa final alcanzó también los experimentos que muestran que es posible incorporar en la hoja de grafeno moléculas de TTF con manosa unida (uno de los monosacáridos).