Grafeno

Grafenoa karbono-atomoz osaturik dagoen laminazko egitura laua da, atomo bateko lodiera duena. Karbonoaren alotropoa da, sp² orbital hibridoak gainjartzean sortzen diren lotura kobalenteen bidez abaraska formako sare kristalinoa eratzen duena.

Izena grafito + enotik dator. Izatez, grafitoaren egitura gainjarritako grafenozko lamina ugarik osatutako pilatzat har daiteke. Pilatutako grafeno geruzen arteko loturak Van der Waalsen indarren eta karbono atomoen arteko π orbitalen arteko elkarreraginen ondorio dira.

2010eko Fisikako Nobel Saria Andre Geimek eta Konstantin Novosiolovek jaso zuten grafeno izeneko material bidimentsionalari buruzko euren aurkikuntza iraultzaileengatik.

Ezaugarriak 
Sp² hibridazioa da egitura hexagonalaren lotura angeluak, 120ºkoak, azaltzen dituena. Karbonozko atomoetako bakoitzak egoera hibridatuan lau balentzia elektroi dituenez, elektroi horietatik hiru sp² hibridoetan sartuko dira, egiturako lotura kobalenteen hezurdura eratuz, eta geratzen den elektroia hibridoen planoarekiko elkarzuta den p motako orbital atomiko batean sartuko da. Aipaturiko orbital horien solapazioa izango litzateke π motako orbitalak sorraraziko lituzkeena. Konbinaketa hauetakoren batzuk, beste batzuren artean grafenoko geruza osatzen duten karbonozko atomo guztien artean deslokalizaturiko orbital molekular erraldoi bat sorraraziko luke.

Grafenoan karbono-karbono loturen luzera gutxi gora-behera 1,42  Åekoa da. Gainontzeko elementu grafitiko guztien oinarrizko egitura osagaia da, grafitoa, karbonozko nanohodiak eta fulerenoak barne. Egitura hau espazioko bi norantzetan molekula biziki luzetzat ere har daiteke, hau da, grafeno deituriko hidrokarburo aromatiko polizikliko molekula lau familia baten muturreko kasua izango litzateke.

Aurkikuntza 
2004an, André Geim eta Konstantin Novoselov, Erresuma Batuko Manchesterko Unibertsitateko bi ikerlari, ohartu ziren grafito-geruzak bereiz zitezkeela metodo erraz eta merke bat erabilita: paper itsasgarria. Itsasgarria behin eta berriz itsatsita eta askatuta lortu zuten grafitoaren geruzak bereiztea, harik eta substratu baten gainean finkatutako atomo-geruza bakar bateko azal bat lortu arte. Mikroskopia-teknika batzuk baliaturik egiaztapen esperimental zehatzak egin ondoren,, aukeraz eta aplikazioz beteriko material berria aurkitu zuten

Berehala egiaztatu zuten elektroiak ordura arte inoiz behatu ez bezala higitzen zirela material horretan. Portaera hori ez zen azaltzen modu konbentzional batean, baizik eta energia handiko partikulen fisikatik zuzenean ateratako ekuazioen bidez. Bat-batean, material berri bat aurkitzeaz gain, hura deskribatzeko zientzia ere berria zen. Elektroiak abiadura handian higitzen dira grafenoan, beste materialetan baino azkarrago. Ezaugarri horri esker, bazirudien transistore (gailu elektroniko ororen oinarria, hala nola ordenagailuarena) azkarragoak eta kontsumo txikiagokoak ekoizteko bidea ireki zela.

Aplikazioak 
Gauza asko egin daitezke grafenoarekin, baina oraindik ere ez dira aplikazio horiek guztiak garatu. Denbora beharko du grafenoak benetan zer ahalmen dituen erakusteko, baina hauek dira horietako batzuk:

Elektronikan aplikazioak 
 Abiadura handiko kableak: Cambridgeko Unibertsitateko ikasleek grafenoak argi kantitate handia hartu ahal izatea lortu zuten, eta honela abiadura azkarreko zuntz optikoak sor daitezke, elektroiak oso azkar mugitzen direla aprobetxatuz. Honen bidez grafenozko kableak egin ahalko dira, informazioa normalek baino askoz arinago eramateko gai. Hauek telekomunikazio sektorean erabili ahalko dira, sare azkarragoak lortuz, internet eta mugikorren abiadura handituz, planeta osoko komunikazioa hobetuz.
 Ukimen pantaila malguak: Texaseko eta Hego Koreako zientzialariek, grafenoan elektroiak oso ondo mugitzen direnez, prozesuan ia berotu gabe, grafenozko lamina bat ukipen pantailak egiteko erabil daitekeela aurkitu zuten. Gainera, grafenozko lamina bat guztiz gardena izan ahal da, eta pixelen panel baten gainean arazorik gabe jar daiteke, distira gutxitu gabe. Honetaz gain, lamina hau oso sentikorra da elektrizitatearekiko eta ukitzean oso sentitzeaz gain, oso malgua izan daiteke. Etorkizunean tolestu daitezkeen pantailak egon ahalko lirateke, OLED malgua erabilita.
 Argazki kamera askoz sentikorragoak: Singapurreko zientzialari batzuek kameretarako grafenozko sentsore bat sortu zuten, egungoak baino askoz ere bereizmen handiagoa eskaintzen duena, argazki hobeak egin ahalko dira, eta gainera energia gutxiago kontsumitzen dute
 Prozesagailu hobeak: grafenoa oso gutxi berotzen denez (fenomeno hori Joule efektua deitzen da), prozesagailu azkarragoak (arruntak baino10 aldiz azkarragoak), askoz arinagoak eta eraginkorragoak sor ditzake.

Medikuntzan aplikazioak 
 Biomarkagailua: grafenozko sentsore bat gorputzaren egoerari buruzko datu mordoa emateko erabil daiteke, besteak beste, arterietako presioa, odoleko azukre-maila, eta oxido nitriko kantitatea oxigenoan. Azken hau birika-gaixotasunen zein anemiaren seinale da, beraz, horrelako gaixotasunak lehenago identifikatu ahalko dira.
 Inplanteak eta protesiak: grafenoa, bere propietate mekaniko, kimiko eta elektronikoei esker, material egokia da inplante eta protesietarako. Alemaniako unibertsitate batean begiko retina artifizial bat sortu dute, nerbio-sistemara ezin hobeto konektatzen dena.
 Muskulu bionikoak: grafenoak estimulazio elektriko bat jasanez gero, tentsioa eta uzkurdura kontrola daitezke, muskulu artifizialetarako material egokia eginez. Dagoeneko grafenozko muskulu zein hezur artifizialak egitearekin espekulatzen da, egungo materialek baino propietate egokiagoak ditu eta.
 Nerbio-zelulak ordezkatzea: nerbio-zelulek informazioa bulkada elektronikoz transmititzen dute, beraz, grafenoaren eroankortasuna kontuan izanda, nerbio-zirkuituak ordezkatzeko gai izango da.
 Minbizi-tratamendua: gaixoarentzat hain gogorra izango ez den tratamendu bat garatzen ari dira, minibizia duten zelulak selektiboki eliminatzean datzana. Gorputzean grafenozko partikula batzuk sartuko dira, kimikoki eraldatuak, minibizia-duten zeleulei itsateko prestatuak. Grafenoak argi infragorria xurgatzeko duen gaitasuna aprobetxatuz, tumorea ezabatzeko erabiltzen den erradiazioak zuzenean zelula gaixoei soilik eragingo die, gorputzeko gainontzeko atalei eragin gabe. Oraindik ez da asko sakondu ikerketa honetan, baina zalantzarik gabe tratamendu erradiologikoak hobetuko lituzke.

Energian aplikazioak 
 Eguzki-energia: esperimentu batean, grafenoa argi-iturri batean jarri zenean, korriente elektrikoa sortu zuen, ohikoa ez zen modu batean. Lehenago ere fenomeno hau behatu arren, zientzialariek efektu fotoboltaikoa zela pentsatu zuten eta ez zioten kasurik egin. Hala ere, aurkikuntza honek aparatu fotodetektatzaileetan zein eguzki-plaketan hobekuntzak ekar ditzake: grafenoa fotodetektatzaile bezala erabili ahalko litzateke, energia-tarte zabal baten aurrean erreakzionatu ahalko lukeelako (argi ikusgaitik infragorrietara), eta eguzki-enegia bildu. Beste erabilera bat, oraindik argi ez dagoena, grafenoa energia zuzenean lortzeko izan daiteke.
 Super-bateriak: oraindik garatzen ari dira, baina grafenoz egindako bateriek ioi-litiozko tradizionalek baino autonomia handiagoa eskaintzen dute, eta kargatzeko askoz denbora gutxiago behar dute. Adibide bezala, kotxe elektriko batek ordu batzuk behar ditu kargatzeko ioi-litiozko bateria batekin, baina grafenozko batekin 8 minututan kargatuz 1000 km egin ditzake.

Ingurumenean aplikazioak 
 Kutsagarriak kentzea: grafeno oxidoa ez da toxikoa eta biodegradagarria da. Kobrea, kobaltoa, Kadnioa, Artsenikoa eta beste disolbatzaile organikoak ken ditzake.
 Urari gatza kentzeko teknikak: garapen fasean dago. Teoriaz, grafenozko mintz erdiragazkorra jartzen da, eta aderatzizko osmosiaren bitartez joaten da ura alde batera. Grafenoak eraginkortasun haundiagoa du, beste mintzekin konparatuta, baina bere kostuak oraindik altuak dira, eta suposatzen da, etorkizunean jaitsiko direla.

Bestelako aplikazioak etorkizunean 
 Irrati uhinak xurgatu
 Soinu garraiatzaile onak
 Gailu elektronikoek ura jasan ahal dute
 Katalizadore eran oso erabilgarria, hau da, erreakzio kimikoak bizkortzeko.

Grafenoaren produkzio teknikak 
Grafenoaren prodrodukzio mugatzen duen arrazoia kantitate handietan produzitzeko ezintasuna da. Dauden teknika tradizional desberdinak hauek dira:
Paper itsasgarriaren bitartez, grafenoa kalitate handikoa da, baina oxidazio-erredukzio metodoen bitartez berriz baxua. Adibidez Rice unibertsitateko ikertzaileek grafenoa sintetizatzea lortu dute azukrea 800 °C jartzen, lortutako grafenoa kalitate oso onekoa izanik.

Arazoak 
Grafenoa etorikizuneko materialik miresgarriena izango dela ematen du, baina hainbat ikerketek, ordea, alde txarrak eta efektu kaltegarriak aurkitu dizkiote:

 Grafenoak dituen puntan amaituriko ertzek erraztasunez apur ditzakete zelulen mintzak, izaki bizidunei kalte larriak eragiten

 Rice Unibertsitateko ikerlari batzuek zazpi atomoko eraztunak izan ditzekeela aurkitu dute, hexagono formaren uniformetasuna hautsiz. Hau gertatzen den tarteetan, grafenoaren indarra nabarmen jaisten da. Honek esan nahi du etorkizuneko “supermateriala” izateko, oraindik bere egitura perfekzionatu behar dela.

Fisikako nobel saria grafenoarentzat 
2010. urtean, grafenoa lehen aldiz isolatu zuten zientzialariek jaso zuten Fisikako Nobel saria, Manchesterko Unibertsitateko Andre Geim eta Konstantin Novoselov fisikariek, "grafeno bi dimentsioko materialarekin egindako esperimentuengatik"

Andre Geim eta Konstantin Novoselov Errusian jaioak dira, eta han egin zituzten fisikako ikasketak. Gero, Herbeheretan egin zuten elkarrekin lan; Geim izan zen, hain zuzen, Novoseloven tesiaren zuzendaria, eta hura Ingalaterrara joan zenean, bera ere joan zen. Grafenoaren lana Manchesterko Unibertsitatean egin zuten. Andre Geim ezaguna egin zen, lehenago, 2000. urtean fisikako Ig Nobel saria irabazi zuelako sir Michael Berry fisikariarekin batera. Nobel saria eta Ig Nobel saria irabazten dituen lehen pertsona da.

Erreferentziak

Kanpo estekak 
  Luis HUESO: Grafenoa, material berri bat  Zientzia.net
  Guillermo Roa Zubia: Txango bat karbonozko lautadan barrena Zientzia.net
  Guillermo Roa Zubia: Fisikako Nobel Saria, grafenoaren ikerketarentzat Zientzia.net
  El grafeno en la medicina
  Retina artificial desarrollado utilizando grafeno biocompatible Zenopa.com
  GRAFENO: Aplicaciones en el campo de la medicina… Grafeno.com
  Antonio Rentero: No iba a ser todo ventajas: los potenciales peligros del grafeno Theinquirer.es

Nanoteknologia
Sortzen ari den teknologia