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-Nuevas propiedades y aplicaciones del grafeno. -Grafeno el material del futuro.TRANSCRIPT
Unidad Educativa "Kasama"
1BGU “C” CRISTIAN NAVARRETE
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UNIDAD EDUATIVA “KASAMA”
Tema: “Nuevas propiedades y aplicaciones del grafeno.”
Estudiante: Cristian Fernando Navarrete Navarrete.
Curso: 1 Bachillerato General Unificado “C”
Lcdo.: Ing. Stalin Anzules
Asignatura: TICS
Año Lectivo: 2013 - 2014
Santo Domingo, 27 de enero de 2014
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Introducción.
El grafeno es una forma alotrópica del carbono, es decir, una forma en la
que se presenta el carbono. Otras formas alotrópicas del carbono son el
grafito o el diamante. Es una sustancia cuya importancia en tecnología es
cada vez mayor por lo que me parece interesante comentar algo sobre
sus propiedades y aplicaciones.
Está formado por anillos hexagonales de átomos de carbono, uno de los
elementos más importantes y abundantes en la naturaleza. Es sabido que
el carbono es esencial para la vida tal y como la conocemos y es también
el componente de muchos minerales y de muchos combustibles (petróleo,
carbón, gases como el butano y el propano, etc.).
Cuerpo.
GRAFENO
GRAFITO
El grafito es un material de carbono que se puede encontrar en la mina de
los lápices que utilizamos a diario.
Como ya comentamos, cada capa de anillos hexagonales del grafeno
tiene una altura de aproximadamente de un sólo átomo de carbono y esta
característica, junto a la aplicación de técnicas muy especializadas,
permiten obtener capas de grafeno extraordinariamente delgadas. Esta
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posibilidad y otras
características del grafeno
que veremos a
continuación hacen que
este material sea cada vez
más utilizado en muchos
campos tecnológicos con
muchas expectativas.
El grafeno perfecto contendría únicamente anillos hexagonales aunque en
la realidad pueden aparecer anillos pentagonales y heptagonales que se
consideran irregularidades e imperfecciones en la estructura del grafeno.
Esta estructura es la base de otras sustancias grafíticas como los
fullerenos, los nanotubos de fibra de carbono o el propio grafito.
El grafeno es la unidad
elemental básica en 2D
para construir todos los
materiales grafíticos de
las demás dimensiones.
Por ejemplo, se puede
arquear en estructuras
de cero dimensiones
(0D), como es el caso de
los fulerenos, se puede enrollar en estructuras 1D, dando lugar a los
nanotubos de carbono y, finalmente, se puede apilar sucesivamente
dando lugar al grafito tridimensional (3D).
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Según la IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) el término
grafeno debe ser utilizado cuándo se hable “de las reacciones, las relaciones
estructurales u otras propiedades de capas individuales” de carbono. Teniendo
esto cuenta no es correcto describir el grafeno como “capas de grafito” (el grafito
implica 3 dimensiones mientras que el grafeno implica uniones de carbono en
dos direcciones), “hojas de carbono” y conceptos similares. Así el grafeno se
puede definir como un hidrocarburo aromático policíclico infinitamente
alternante de anillos de seis átomos de carbono, es decir, sería una
molécula plana compuesta por átomos de carbono que forman un
patrón de anillos hexagonales.
Propiedades y características más destacadas del grafeno
El grafeno es una sustancia con unas características muy interesantes,
algunas asombrosas. Estas propiedades junto a la abundancia de
carbono en la naturaleza han hecho al grafeno ganarse el adjetivo de
“material del futuro”. Algunas de las características más destacadas del
grafeno son:
• Alta conductividad términa.
• Alta conductividad eléctrica.
• Alta elasticidad (deformable).
• Alta dureza (resistencia a ser rayado).
• Alta resistencia. El grafeno es aproximadamente 200 veces más
resistente que el acero, similar a la resistencia del diamante, pero es
muchísimo más ligero.
• Es más flexible que la fibra de carbono pero igual de ligero.
• La radiación ionizante no le afecta.
• Presenta un bajo efecto Joule (calentamiento al conducir electrones).
• Para una misma tarea el grafeno consume menos electricidad que el
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silicio.
• Es capaz de generar electricidad por exposición a la luz solar.
• El grafeno es un material prácticamente transparente.
• Es muy denso y no deja pasar al helio en forma gaseosa, sin embargo si
deja pasar al agua, la cual, encerrada en un recipiente de grafeno,
muestra una velocidad de evaporación similar a la que muestra en un
recipiente abierto.
Otras características aún en discusión son la capacidad de
autoenfriamiento descrita por investigadores de la Universidad de Illinois o
su capacidad de auto-reparación. Si una capa de grafeno pierde algunos
átomos de carbono por cualquier motivo, los átomos cercanos al hueco
dejado se acercan y cierran dicho hueco, esta capacidad de auto-
reparación podría aumentar la longevidad de los materiales fabricados
con grafeno, aunque de forma limitada.
Aplicaciones más destacadas
Las propiedades del grafeno lo hacen un material idóneo para múltiples aplicaciones
en tecnología, sobre todo en electrónica en la fabricación de circuitos integrados. Se
supone que las características del grafeno pueden hacer posible construir
procesadores mucho más rápidos que los actuales.
Esta rapidez se ha puesto ya en práctica en la fabricación de transistores de efecto
de campo construidos con grafeno. Estos transistores además aprovechan la alta
movilidad de portadores con bajo nivel de ruido que presenta el grafeno.
Entre las aplicaciones potenciales del grafeno se pueden citar como las más
interesantes:
• Destilación de etanol a temperatura ambiente para combustible y
consumo humano.
• Detectores ultrasensibles de gas.
• Moduladores ópticos.
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• Transistores de grafeno.
• Circuitos integrados más rápidos y eficientes.
• Electrodos transparentes.
• Dispositivos electrocrómicos.
• Células solares.
• Desalinazación.
• Aplicaciones antibacterianas.
El principal problema actual en la aplicación del grafeno es su producción.
Actualmente las investigaciones en la producción del grafeno van por la
exfoliación del grafito transfiriendo hojas de grafeno desde el grafito y por
crecimiento epitaxial.
A parte del problema de la producción de grafeno en cantidades y coste
asumibles para su uso, existen otros argumentos para asegurar que el
grafeno no reemplazará al siliceo en los dispositivos electrónicos ni es la
panacea tecnológica con la que a menudo se presenta. Por ejemplo, el
grafeno no presenta resistividad (resistencia eléctrica) con la que sí
cuenta el siliceo. Esta falta de resistencia eléctrica hace que el grafeno no
pueda dejar de conducir electricidad, lo que puede ser un gran
inconveniente.
Científicos famosos en el campo de la tecnología, como el físico Walt De
Heer, apoyan el uso del grafeno como un nuevo material con el que se
podrán hacer cosas que el siliceo no puede hacer pero que en ningún
caso será sustituto, de hecho De Heer afirma “Nadie que conozca el
mundillo puede decir esto seriamente”.
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Historia
El grafeno fue presentado en el 2004 por Andre Geim, profesor de Física de la Universidad de Manchester en Inglaterra y se obtiene por medio del “Método de la cinta adhesiva”, que consiste en aplicar una “cinta adhesiva” doblada a los dos extremos de la pieza de grafito, y después es separada. Repitiendo el proceso varias veces se obtiene una única capa de grafeno; y todo a escala nanométrica (4), (6). Otra forma de obtención es colocando nanotubos de carbono en una superficie de metil metacrilato para después abrirlos con plasma y así formar láminas de grafeno (11). Hasta ahora, la resistencia, la elasticidad y el punto de ruptura estimados del grafeno estaban basados sobre complejas teorías modeladas por computadora, debido a las complejidades para sujetar las muestras de grafeno. Pero gracias a los trabajos dirigidos por Changgu Lee y Xiaoding Wei, en los grupos de investigación de los profesores de ingeniería mecánica Jeffrey Kysar y James Hone se ha establecido al grafeno como el material más fuerte que haya sido medido, esto es el equivalente a 200 veces más fuerte que el acero estructural, además de poseer gran conductividad térmica (1). Para medir la resistencia del grafeno se hicieron agujeros de un micrómetro de ancho sobre una lámina de silicio y se puso en cada uno de estos una muestra perfecta de grafeno; a continuación rompió el grafeno con un instrumento puntiagudo hecho de diamante. La tensión que alcanzó el grafeno antes de romperse fue de 130 GPa esto es 264 veces mayor a la que soporta la tela de araña (9). Para darnos una mejor idea de la magnitud de estas propiedades imaginemos que si se tuviera un hilo de tela de araña del grueso de un lápiz se podría detener un avión Boeing 747 en pleno vuelo (3). Esto coloca al grafeno como el material más fuerte del mundo. Para dar otra idea de la dureza del grafeno, Hone comparó las pruebas realizadas por él y Kysar con poner una cubierta de plástico sobre una taza de café y medir la fuerza que requeriría pinchar esa cubierta con un lápiz. “Pues bien, según explicó Hone, si en lugar de plástico lo que se pusiera sobre la taza de café fuese una lámina de grafeno, después situáramos
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encima el lápiz, y en lo alto de éste colocáramos un elefante en equilibrio sobre él, la lámina de grafeno ni se inmutaría” (7).
. Representación gráfica donde al formar una esfera con grafeno se obtiene un Fullereno y al enrollar la lámina se obtiene un nanotubo de carbono.
El grafeno y sus propiedades.
El grafeno es un material transparente y de alta conductividad, lo cual se
puede aprovechar en electrodos en pantallas planas (figura 3)y celdas
solares, además se ha
demostrado que los filmes
delgados de grafeno son una
buena opción para ser usados
como electrodos debido a sus
propiedades de conductividad
(9).
En cualquier material la energía asociada con la temperatura produce que
sus átomos vibren en su lugar. Cuando los electrones viajan a través del
material, pueden chocar con estos átomos vibrantes, dando lugar a la
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resistencia eléctrica. Es por esto que los materiales son mejores
conductores en el cero absoluto.
. Ahora los científicos han confirmado lo que también sospechaban
hace ya tiempo: el grafeno mas fuerte que el diamante.
En el grafeno, los átomos que vibran a la temperatura ambiente producen
una baja resistividad (10) lo que hace que el grafeno sea muy prometedor
en aplicaciones de transistores y en el caso de chips y ordenadores de
gran velocidad (11).
Los científicos observaron que, en el óxido de grafeno obtenido mediante
la oxidación de grafito, al ser superpuesto en delgadas láminas permite
distribuir el peso que soportan a través de toda su estructura. Esta
característica le confiere una dureza mayor a la de otra famosa estructura
basada en el carbono: el diamante. Todas estas características lo hacen
ideal para la construcción de elementos de protección del cuerpo humano
frente a ataques externos.
Figura 4. Con el óxido de grafeno es posible crear láminas tan resistentes como el acero.
El grafeno en el futuro
Una gran aplicación que tendrá el grafeno en poco tiempo será en
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aplicaciones en materiales compuestos, además de dar un gran impacto en la industria debido a su bajo costo de producción en masa. Otra posible aplicación del grafeno es en baterías eléctricas, gracias debido a su forma y alta conductividad.
En resumen
El grafeno es un semiconductor que puede operar a escala nanométrica y a temperatura ambiente, con propiedades que ningún otro semiconductor ofrece. Todo apunta a que se podrán crear nuevos dispositivos electrónicos en miniatura con este material. Aunque la realidad de sus aplicaciones no se evidenciará hasta que aparezcan los primeros productos comerciales.
El grafeno podría ser utilizado en un futuro cercano para la fabricación de pantallas táctiles en una vida útil casi ilimitada.
Aplicaciones en energía solar.
Aunque ya era conocida la capacidad del grafeno para absorber un
amplio espectro de luz, ahora se ha comprobado su gran capacidad
para transformarla en energía. El siguiente paso será descubrir cómo
extraer esa energía en forma de corriente eléctrica. De esta manera se
podrán diseñar componentes que generen energía solar de manera
eficiente.
La última novedad sobre este material llega del Instituto de Ciencias
Fotónicas (IFCO), en Barcelona. Allí, los científicos han demostrado que
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el grafeno se convierte en una importante alternativa a
semiconductores convencionales como el silicio. España vive un
momento de esplendor en investigación de nuevos materiales.
En la mayoría de los materiales, un fotón absorbido genera un solo
electrón. Pero, en el caso del grafeno, un fotón absorbido es capaz de
producir muchos electrones excitados y, por lo tanto, una señal
eléctrica mayor. Esto hace del grafeno el ladrillo ideal para la construcción
de cualquier dispositivo que quiera convertir luz en electricidad, como, por
ejemplo, células solares, que absorban la energía del sol con pérdidas
mucho menores.
Los resultados de la investigación del IFCO se han presentado en la
revista Nature Physics y en ella han colaborado expertos del Instituto de
Tecnología de Massachussets (EEUU), del Instituto Max
Planck(Alemania) y de la empresa Graphenea S.L.
Almacenamiento de energía en baterías
Los avances también se dan en el almacenamiento de energía. La
batería de níquel-hierro, que inventó Edison, fue muy valorada en su
momento por su fácil fabricación y por lo abundantes y económicos que
eran sus componentes. Sin embargo, tardaba varias horas en cargarse y
la descarga también era muy lenta. El grafeno y los nanotubos de
carbono han permitido recuperarla consiguiendo una batería ultrarrápida
que se recarga en dos minutos y se descarga en sólo 30 segundos.
No es el único ejemplo, sustituir el cátodo de azufre en las baterías
convencionales de litio supone el mismo efecto. ¿Te imaginas recargar el
móvil en dos minutos?
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Hasta ahora, se creía que el grafeno tenía un gran potencial para
convertir luz en electricidad, pero esta investigación ha demostrado que
sus aplicaciones superan las expectativas. En los próximos años se va a
producir un cambio revolucionario comparable al que supuso la creación
de los plásticos en el siglo pasado.
Conclusiones
El carbono no solo es el elemento primordial de la tabla periódica, es
simplemente el elemento culpable de que exista la vida en la tierra. Solo
este hecho lo convierte en un elemento asombroso, aun así es de suma
importancia que se conozcan las muchas otras contribuciones que puede
darle a los seres humanos. Dependiendo de la forma en cómo se
distribuyan sus átomos y estructuras, se obtienen resultados
extraordinarios, si se expone a temperaturas muy altas, se consiguen
diamantes, así mismo si los átomos se unen en láminas planas, con forma
hexagonal y se sobreponen paneles encima unos de otros, se obtiene el
grafito, material contenido en los lápices.
La juventud del descubrimiento del grafeno es impactante, hace apenas
5 años se publicaron los primeros descubrimientos por parte de un grupo
estadounidense y otro ruso. En el año 2005, Philip Kim, miembro de la
Universidad de Columbia, junto con un grupo de holandeses, exploró
algunas de las propiedades electrónicas del grafeno. Por otra parte, de
forma más reciente se ha publicado en la revista Nature Material, un
estudio muy valioso en el cual se explican cómo se obtiene el grafeno de
forma más práctica, además de describir sus aplicaciones, las cuales son
muy diversas.
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Recomendaciones.
No me atrevo a intentar predecir el futuro, pero si la velocidad de
desarrollo de los últimos 10 años es alguna guía, podemos esperar ver al
grafeno en todo muy pronto. Normalmente tarda 40 años que un material
nuevo pase de un laboratorio académico a un producto de consumo, pero
en menos de 10 años el grafeno saltó de nuestro laboratorio a un
laboratorio industrial y ahora hay productos piloto en todo el mundo. Los
gobiernos en todo el mundo y probablemente más de 100 empresas
gastan miles de millones de dólares en la investigación de estos
materiales. Así que, probablemente también merece el superlativo del
material de más rápido desarrollo.
Anexos.
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Linkografia.
5. Balandin, Alexander A., Department of Electrical Engineering,
UniVersity of California, Superior Thermal Conductivity of Single-Layer
Graphene, USA, 2008, Nano Letters, Vol., 8, 3, pp., 902-907.
9. Cheng, Hui-Ming, Shenyang National Laboratory for Materials Science,
Efficient Synthesis of Graphene Nanoribbons Sonochemically Cut from
Graphene Sheets, China 2010, Nano Research, Vol., 3, pp., 16-22.
7. Favret Eduardo A., Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria , La
Biología Inspira Nuevos Desarrollos Tecnológicos en el Campo de los
Materiales y la Ingeniería, Argentina 2008, Asociación Argentina de
Materiales, vol. 5, 1, pp. 1-12.
2. Geim, A. K., University of Manchester, United Kingdom, The rise of
graphene, Physical Review., U. K., 2010.
10. Heer, Walt A. de, School of Physics, Georgia Institute of Technology,
Epitaxial graphene, USA, 2007, lectra. Physics, Gatech, pp., 1-19.
3. Hersam, Mark C., Department of Materials Science and Engineering,
Illinois. Emerging Methods for Producing Monodisperse Graphene
Dispersions, The Journal of Physical Chemistry, Vol., 1, pp., 544-549,
USA, 2010.
8. http://news.columbia.edu/pressroom/1080
6. Pérez Rigueiro J., Departamento de Ciencia de Materiales, Universidad
Politécnica de Madrid. Resistencia Mecánica de la Seda Víscida de
Araña, España 2002, Ministerio de Ciencia y Tecnología, pp. 1-6.
2009, Nano Letters, Vol., 9, 9, pp., 3100-3105.
4. Zhang, Li, Department of Chemistry and Laboratory for Advanced
Materials, Stanford University, Narrow Graphene Nanoribbons from
Carbon Nanotubes, USA 2009, Nature, Vol. 458, pp., 877-881.
http://www.seas.es/blog/automatizacion/el-grafeno-propiedades-
caracteristicas-y-aplicaciones/
http://www.slideshare.net/HectorMamani/grafeno-sus-propiedades-y-
aplicaciones
http://twenergy.com/energia-curiosidades/las-aplicaciones-del-grafeno-
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Índice
1_____Introduccion, Grafeno y Grafito.
2_____¿Qué es el grafito?.
3_____Propiedades y características más destacadas del grafeno.
4_____Aplicaciones más destacadas.
5_____Aplicaciones.
6_____Historia.
7_____Grafeno y sus propiedades.
8_____El grafeno en el futuro.
9_____En resumen y aplicaciones en energía solar.
10_____Almacenimiento de energía en baterías.
11_____Conclusiones.
12_____Anexos y Recomendaciones.
13_____Linkografía.