Estudiando las impurezas del grafeno enlace a enlace.

Si miramos una tabla periódica veremos que el silicio (Si) se sitúa justo debajo del carbono (C). Ello quiere decir que las capas electrónicas externas tienen el mismo número de electrones en los mismos tipos de orbitales, por lo que ambos elementos tendrán químicas parecidas. Tanto es así que, en alguna ocasión, se ha especulado incluso con la posibilidad de existencia de vida basada en silicio. Es una especulación, porque la cercanía energética relativa de los orbitales d en el silicio hace que éstos entren en juego a la primera de cambio, modificando las valencias del silicio. Este hecho se ha puesto de manifiesto de la manera más espectacular en una serie de experimentos llevados a cabo en el Laboratorio Nacional Oak Ridge (EE.UU.) por un equipo encabezado por Wu Zhou, de la Universidad Vanderbilt, usando grafeno. Los resultados se publican en Physical Review Letters.

El silicio es una de las impurezas que con mayor facilidad se adsorben (con “d”, se ancla a la superficie, para entendernos) sobre el grafeno que se crea por deposición de vapor y afecta de forma notable a las características conductoras del mismo. Por tanto, si se pretende algún día integrar el grafeno con la microelectrónica basada en chips de silicio, es importante conocer cómo se comportan estas impurezas. El equipo de investigadores ha deducido la naturaleza de los enlaces de carbono y silicio en el grafeno, hasta ahora desconocida, a las bravas: usando una combinación de técnicas de microscopía electrónica para ver la conformación estructural y, a partir de ahí, calcular los tipos de enlaces implicados.

Simplificando, los investigadores lo que hicieron fue, por una parte, lanzar electrones a la superficie del grafeno con impurezas de silicio con un microscopio electrónico de transmisión y medir la pérdida de energía de estos electrones y, por otra, generaron imágenes de campo oscuro anular, un método que excluye el haz de electrones no dispersados por el grafeno. La combinación de ambas observaciones permite obtener las imágenes que ilustran este texto, en las que se distinguen los átomos claramente y las intensidades dan información sobre los enlaces químicos.

Átomo de Si (blanco) unido a tres átomos de C (azul) 

Átomo de Si (blanco) unido a cuatro átomos de C (naranja)

Comparando estos datos espectroscópicos con cálculos usando la teoría del funcional de la densidad se puede establecer con facilidad (relativa) la diferencia entre un átomo de silicio unido a cuatro o a tres átomos de carbono en el grafeno. En éste los átomos de carbono tienen una hibridación de orbitales sp² y se unen a otros tres átomos en un plano. En los casos en los que el silicio se une a cuatro átomos ocupa el hueco correspondiente a dos carbonos, con los orbitales d contribuyendo significativamente al enlace, lo que resulta en una hibridación exótica sp²d, también plana. Sin embargo, cuando el silicio se une a tres átomos de carbono la hibridación es sp³, esto es, tetragonal, y el silicio queda fuera del plano del grafeno. Estas conclusiones fueron recomprobadas a partir de cálculos de primeros principios.

Por si lo anterior no fuese demasiado claro: estos métodos permiten estudiar las impurezas y sus enlaces a nivel de átomos individuales. Si Linus Pauling levantara la cabeza...

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la XIX Edición del Carnaval deQuímica que organiza Leet mi explain 

Referencia:

Zhou, W., Kapetanakis, M., Prange, M., Pantelides, S., Pennycook, S., & Idrobo, J. (2012). Direct Determination of the Chemical Bonding of Individual Impurities in Graphene Physical Review Letters, 109 (20) DOI: 10.1103/PhysRevLett.109.206803