El Grafeno, Una Puerta Al Futuro

El grafeno, una puerta al futuro

IES Luis Buuel

EL GRAFENO, UNA PUERTA AL FUTURO

Miembros del equipo: Pablo Lanaspa Ferrer y Daniel Salvador Urgel Profesora coordinadora: Pilar Alvarez Amada IES Luis Buuel (Zaragoza)

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INDICE 1. INTRODUCCIN 2. QU ES EL GRAFENO? 3. HISTORIA DEL GRAFENO Y SU DESCUBRIMIENTO CAPAS DE GRAFENO. 1930 FULLERENOS MUY SIMILAR AL GRAFENO, 1986 NOBEL QUMICO NANOTUBOS DE CARBONO GRAFENO NOBEL 2010 4. PROPIEDADES DEL GRAFENO MTODO DE EXTRACCIN 5. APLICACIONES DEL GRAFENO: TECNOLOGA ELECTRNICA: POSIBILIDAD NUEVOS TRANSISTORES BATERIAS TECNOLOGA BIOMDICA; BIOSENSORES PANELES SOLARES COMPUTACIN CUNTICA CARBURANTE PARA AVIONES CONTROL DE LA CONTAMINACIN ELIMINACIN DE LA FUNCIN DEL LIMPIAPARABRISAS APLICACIONES MILITARES 6. UTILIZACIN DEL GRAFENO EN LA VIDA COTIDIANA: ESPADAS SKIES 7. INVESTIGACIN GRAFENO EN ARAGN Y ESPAA: IMPORTANCIA EN ZARAGOZA E INVESTIGACION NIVEL NACIONAL NIVEL EUROPEO E INTERNACIONAL 8. CONCLUSIONES: ALTERNATIVAS AL GRAFENO FUTURO DEL GRAFENO 9. BIBLIOGRAFA2

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1. INTRODUCCION Te imaginas tener una televisin doblada en tu bolsillo como si fuera un pauelo? O tener una tienda de campaa que pueda generar suficiente energa para ella misma utilizando paneles solares a modo de estructura? Muchas de las capacidades que actualmente estn disponibles en telfonos mviles y agendas electrnicas de mano estn infrautilizadas, precisamente, por la incomodidad de una pantalla de reducidas dimensiones, por lo que la incorporacin de este material en la fabricacin de pantallas, por fuerza, tiene que cambiar radicalmente el diseo y funcionalidades de este tipo de dispositivos. La generacin de dispositivos mviles de grafeno dispondr de una pantalla mucho ms grande que las actuales sin que los aparatos dejen de ser compactos, cmodos y ligeros. Algunas maquetas y prototipos ya presentados plantean mviles actuales con un rea de visualizacin de tamao similar a la que se puede encontrar hoy en un netbook. La pantalla se recoge sobre el mismo telfono, con lo que se puede transportar cmodamente en el mismo espacio que ocupa un telfono con pantalla convencional. Todo esto puede provocar una revolucin del mundo de la electrnica actual. El mundo del silicio es en estos momentos inamovible pero ha llegado a un punto en el que los dispositivos no se pueden hacer de dimensiones ms pequeas y aqu entra el grafeno que podra ser el complemento ideal ya que permitira reducir a dimensiones pequesimas cualquier tipo de dispositivo electrnico. 2. QU ES EL GRAFENO? Empezaremos hablando del elemento de donde proviene este material, que no es otro que el carbono, a partir de este obtendremos el grafito el cual se podra decir que es un conjunto de capas de grafeno. El carbono es el ms fascinante de los elementos de la tabla peridica, es la base para el ADN y toda la vida sobre la Tierra. Este singular elemento es conocido por su gran capacidad para formar redes complejas donde el tomo de carbono opta por compartir sus cuatro electrones externos (electrones de valencia) con otros tomos mediante enlaces covalentes. Esta tetravalencia, ha sido la base de la qumica orgnica y de la existencia de vida en nuestro planeta.3


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Los distintos compuestos que puede formar el carbono se deben a las distintas posibilidades que presente a la hora de formar enlaces con tomos vecinos. Los electrones de un tomo de carbono, se encuentran situados del siguiente modo seis electrones: dos 1s (1s), dos en el 2s (2s) y los otros dos en el orbital 2p (2p). Sin embargo, para obtener situaciones energticas ms favorables, se redistribuyen los electrones, formando lo que llaman orbitales hbrido o hibridaciones. Esto es un dato fundamental para entender la versatilidad del carbono, su papel vital ya no slo en la qumica orgnica, sino tambin en todos los compuestos de carbono que vamos a ver en este trabajo. El grafito se forma con tomos de carbono que muestran la hibridacin de tipo sp2. Esto le permite la formacin de grandes hojas bidimensionales de tomos de carbono que se ordenan formando un patrn hexagonal. Uno de estos planos atmicos es el grafeno. Asimismo, el carbono elemental forma una variedad de estructuras altropas (estructuras cristalinas diferentes de un mismo material) desde las ms estables como el diamante, al grafito, los fullerenos, los nanotubos y el grafeno. Por qu se le ha denominado grafeno? Su nombre proviene de la palabra grafito la cual a su vez viene del griego grafein, que significa escribir. (Revista Investigacin y Ciencia, n 381, pg. 54). Una capa de este material es muy estable, fuerte y flexible y muchas otras propiedades e implicaciones que van desde la fsica cuntica a la electrnica de consumo. 3. HISTORIA DEL GRAFENO Y SU DESCUBRIMIENTO CAPAS DE GRAFENO. 1930 El compuesto ya fue estudiado hace ms de medio siglo, y lo que es ms sorprendente, se lleg incluso a observar en 1948 con un microscopio electrnico de transmisin. El enlace qumico y su estructura se describieron durante la dcada de 1930, mientras la estructura de bandas electrnica fue calculada por primera vez por Wallace en 1949. Wallace, mediante clculos de la fsica del estado slido, predijo la estructura de bandas del grafito, lo que explicara la capacidad de conduccin de electrones a travs de las distintas capas de este material, que est formado por capas de tomos de carbono unidos entre s. El que nadie tomara inters ni en su sntesis ni4


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en el mismo, se debe a que Peierls en 1934 y 1935 junto con Landau en 1937 haban demostrado tericamente que este material era termodinmicamente inestable sobre todo a temperatura ambiente. (La nanotecnologa de Pedro A. Serena Domingo, CSIC y Catarata pg 30) FULLERENOS MUY SIMILAR AL GRAFENO, 1996 NOBEL QUMICO Si a partir de una lmina grafeno (recordemos que son hexgonos) intentamos formar un objeto que se parezca a un baln, podemos comprobar que no es posible. Si hacemos una pequea trampa, cambiando algunos hexgonos por pentgonos, veremos que en ciertas ocasiones s es posible formar una estructura de este tipo. Estas estructuras se conocen con el nombre de fullerenos. Su nombre, se debe a la similitud que presentan con las cpulas geodsicas diseadas por R. Buckminster Fuller. Los ms comunes son: C20, C60, C7o, C76, etc. (dependiendo del nmero de tomos de carbono). El ms estudiado es el C6o con 20 hexgonos y 12 pentgonos. Sin embargo, su compleja sintetizacin y manipulacin ha limitado su uso. En la visita realizada al Instituto de Carboqumica, tuvimos la posibilidad con unas piezas plsticas que tienen all, intentar construir un fullereno nicamente con hxagos, y tras desistir, construir uno con hexgonos y pentgonos. Los investigadores H. Kroto, R. E Curl y R. Smalley obtuvieron el Premio Nobel de Qumica en 1996 por el descubrimiento de estas nuevas formas de carbono en 1985. NANOTUBOS DE CARBONO De nuevo, partimos de una lmina de grafeno, en este caso rectangular y lo enrollamos hasta que los bordes se tocan y se enlazan dando lugar a una estructura tubular (en este caso no son necesarios pentgonos) que puede llegar a ser bastante larga, de varios centmetros de longitud, frente a un dimetro del orden de nanmetros. Los nanotubos pueden mostrar carcter metlico o semiconductor en funcin de su geometra (donde la mecnica cuntica entra en accin), por lo que tienen prometedoras aplicaciones en el mbito de la electrnica. Adems, poseen unas increbles propiedades mecnicas, siendo los materiales que presentan una mayor resistencia a fracturarse mediante traccin (estiramiento).5


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Por ejemplo, un hilo de 1 mm2 de seccin, fabricado a base de hilar nanotubos de carbono, podra llegar a soportar un peso de ms de cinco toneladas. Un solo nanotubo perfecto es de 10 a 100 veces ms fuerte que el acero por peso de unidad. (cita.Revista Ingenieras, Enero-Marzo 2008, Vol. XI, NO.38, 17-23) Los nanotubos de carbono pueden formar estructuras en las que unos encierran a otros, multicapa o pueden formar ramilletes a partir de los que construir fibras o hilos, facilitando as su uso para diversas aplicaciones. Hay numerosas tcnicas de sintetizado, usando tcnicas de ablacin lser, mediante descargas de arco voltaico o por deposicin qumica en fase vapor CVD (Chemical Vapor Deposition). La empresa francesa Arkema pondr en funcionamiento, en el ao 2011, una planta capaz de producir ms de 400 toneladas anuales usando tcnicas CVD .La produccin masiva de nanotubos de carbono ha permitido su uso en aplicaciones estructurales, como material de refuerzo en vigas y columnas, parachoques, raquetas de tenis, bastones de esqu, cuadros de bicicleta, etc, adems de abaratar su coste enormemente. Tuvimos tambin ocasin de construir un nanotubo en la visita al ICB nicamente con hexgonos. Los productos basados en nanotubos no han hecho ms que empezar y en un futuro sern elementos fundamentales para la construccin de vehculos, aviones y edificios. (La nanotecnologa Serena, 33) GRAFENO NOBEL 2010 La situacin de este material perdur hasta el 22 de octubre de 2004 cuando Geim y Novoselov, junto con varios colaboradores, publicaron en la revista Science su ahora clebre artculo titulado: Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films (Revista investigacin y ciencia, septiembre 2010, 42-49). Las primeras lneas del Abstract (resumen de su artculo) dicen textualmente: Describimos pelculas monocristalinas de grafito que tienen espesor de unos pocos tomos, pero aun as son estables en las condiciones ambientales normales, son metlicas y de notable alta calidad. Estos investigadores, lo que cuentan es que los viernes por la tarde, siempre hacen experimentos como un poco locos, es decir, que s sale algo de provecho, bien, pero que si no, pues bueno, han estado all unas horas trabajando y tampoco le6


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dan ms importancia. Uno de esos experimentos fue ver si podan conseguir una monocapa de este material. Se dieron una serie de circunstancias como es el que lo colocaron sobre un sustrato que luego les permiti observarlo, entonces como ya exista la teora desde hace bastantes aos, y como adems son buenos fsicos y tienen un conocimiento muy profundo del tema, esto les permiti explotar y estudiar las propiedades de este material. (Esta ancdota nos la refiri Jos M de Teresa en su entrevista). De nuevo, en el ICB, tuvimos la posibilidad de construir una capa de grafeno. Despus de numerosos intentos fallidos y distintas tcnicas de obtencin, finalmente en el ao 2004 en la Universidad de Manchester se logro sintetizar este maravilloso material. 4. PROPIEDADES DEL GRAFENO Para poder determinar y apreciar sus propiedades debemos atender en primer lugar a su estructura. Est compuesto por una red cristalina de tomos de carbono puro formando una red cristalina hexagonal y de una nica capa. Se trata de lminas muy finas del orden de 1.54 angstroms, (1 =1.0 10-10 m), este tamao tan pequeo lo hace imposible de imaginar a nuestras mentes ya que es el material ms pequeo jams conocido y es por eso por lo que se le considera un material bidimensional. Entre las propiedades ms destacadas se encuentran: Alta conductividad trmica y elctrica. Los electrones se

desplazan por el material sin ser desviados por imperfecciones en la sustancia ni por tomos extraos, ni siquiera son importantes las perturbaciones que sufren los electrones a temperatura ambiente. Utilizando un ejemplo ms grfico: si tuvisemos una hamaca de un metro cuadrado de grafeno, su resistencia elctrica sera de 21 Ohmios. Tendramos una conductividad elctrica algo mayor que la del cobre y el calor sera conducido 10 veces mejor. Alta elasticidad y dureza. Los enlaces que forma el carbono en la capa son muy fuertes y proporcionan enorme solidez, unido a una gran flexibilidad. De esta manera se crea una sustancia con una dureza mayor que la del

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diamante pero a la vez con gran capacidad de curvatura cundo se le aplica un esfuerzo mecnico. Resistencia que es hasta 200 veces mayor que la del acero. De acuerdo con la misma hamaca anterior, si ahora la colocamos entre dos rboles, podra resistir un peso de 4 Kg., un pequeo gato por ejemplo, siendo el peso de la hamaca mucho menor que uno de sus bigotes. (Los ejemplos grficos que utilizamos de la hamaca, son tomados de Grafeno: un paso hacia el futuro R. Revista Mundo Nano, Vol.1, No.2, Octubre 2009, 15-23) El grafeno puede reaccionar qumicamente con otras sustancias para formar compuestos con diferentes propiedades, lo que dota a este material de gran potencial de desarrollo. En la entrevista en el Instituto de Carboqumica, nos abrieron esta posibilidad, mediante la formacin de grafeno oxidado y grafeno reducido (Ver anexo) Menor efecto Joule. Se conoce como Efecto Joule al fenmeno por el cual en un conductor por el que circula corriente elctrica, parte de la energa cintica de los electrones se transforma en calor, debido a los choques que sufren con los tomos del material conductor por el que circulan, elevando la temperatura del mismo. El nombre es en honor a su descubridor el fsico britnico J. P. Joule. Al tener los electrones una mayor facilidad de paso, los roces son menores con otros tomos y por lo tanto este calor producido por el roce es menor. Spintrnica. Como consecuencia de la bsqueda de nuevos y cada vez ms pequeos dispositivos electrnicos, los fsicos e ingenieros dedicados a la investigacin en el campo de la nanotecnologa se encuentran con nuevas propiedades y comportamientos extraos. La mecnica cuntica es de fundamental importancia para de explicar estos fenmenos a escala atmica. A estos tamaos, la propiedad cuntica de los electrones llamada Spin toma un rol muy importante en las propiedades del nanosistema. Los dispositivos que usan esta propiedad del electrn para realizar sus funciones forman lo que se denomina Spintrnica o Magnetoelectrnica por analoga con la palabra Electrnica.8


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Existen otras propiedades desde el punto de vista terico que son interesantes, para ello, veremos como se encuentra la fsica contempornea y entender los novedosos avances que el grafeno podra aportar en estos temas. A lo largo del siglo XX se elaboraron dos teoras que revolucionaron la fsica: la teora de la relatividad (que incluye dos teoras: la de la relatividad especial y la de la relatividad general, ambas formuladas por Albert Einstein) que pretenda resolver la incompatibilidad existente entre la mecnica newtoniana o mecnica vectorial (formulacin especfica de la mecnica clsica que estudia el movimiento de partculas y slidos en un espacio eucldeo tridimensional), el electromagnetismo ( rama de la Fsica que estudia y unifica los fenmenos elctricos y magnticos en una sola teora, cuyos fundamentos fueron sentados por M. Faraday y formulados por primera vez de modo completo por J. C. Maxwell) y la mecnica cuntica. La teora de la relatividad, enunciada en 1905, pone de manifiesto fenmenos difcilmente explicables con la teora vigente de aquel momento, la mecnica clsica. Por otro lado, aparece la mecnica cuntica tambin conocida como mecnica ondulatoria, rama de la fsica que estudia el comportamiento de la materia cuando las dimensiones de sta son muy pequeas, en torno a 1.000 tomos, donde empiezan a notarse efectos como la imposibilidad de conocer con exactitud la posicin de una partcula, o su energa, o conocer simultneamente su posicin y velocidad, sin afectar a la propia partcula y nos presenta la naturaleza dual (onda-corpsculo) de la materia. Actualmente el estudio de fenmenos en donde aparezcan simultneamente fenmenos cunticos (partculas que presenten dualidad onda-corpsculo por ejemplo) y fenmenos relativistas (velocidades muy elevadas) son complicadas. El grafeno nos permite realizar un estudio sobre los electrones que van a velocidad cien veces menor que la de la luz sobre su superficie, con lo que se ponen de manifiesto los fenmenos relativistas y, debido a su pequeo tamao y masa (masa efectiva muy cercana a 0), los fenmenos cunticos. Por todo ello, resulta un campo de investigacin que abre nuevas puertas para lograr una teora cuntico-relativista completa.

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MTODO DE EXTRACCIN A menudo las cosas ms simples y evidentes estn ocultas a nuestra vida. Ya hemos visto, que el grafeno, estaba ah, lo crucial fue detectarlo. Muchos cientficos pensaban que sera imposible aislar materiales tan finos, ya que se arrugaran a temperatura ambiente o simplemente desapareceran al ser inestables. Hasta el ao 2004, cuando se acert con el mtodo para aislarlo gracias a la intuicin de Noselov que consigui obtenerlo mediante un ingenioso procedimiento. Pint con un lpiz un papel; aplic con un trozo de celo al sombreado y transfiri las adherencias a una superficie limpia. Este procedimiento recibe el nombre de exfoliacin micromecnica. Este mtodo perfeccionado sigue siendo actualmente el mtodo ms eficaz para la obtencin de una monocapa de grafeno pura. Pero el azar llev a Geim y sus colaboradores a tratar los residuos de grafito exfoliado por medio de la fuerza bruta. Un meticuloso examen de las laminillas revel que algunas slo tenan un tomo de espesor. (Revista Investigacin y Ciencia, n 381) Desde entonces se han encontrado distintas maneras de extraccin del grafeno: Se ha intentado aislar este elemento intercalando tomos en la masa del grafito separando las partculas de grafito adheridas a los tomos insertados, mediante reacciones qumicas. Se introducen sustancias qumicas entre las capas de tomos con el fin de debilitar el enlace entre ellas y lograr la separacin de las lminas. Se est explorando con ms inters el cultivo de grafeno, alternativa que ya se hace con otros compuestos del carbono. El grafeno cultivado por deposicin qumica y descomposicin trmica no supera los resultados de la exfoliacin micromecnica. A altas temperaturas se consiguen finas lminas de carbono.

5. APLICACIONES DEL GRAFENO: TECNOLOGA ELECTRNICA: POSIBILIDAD NUEVOS TRANSISTORES Los transistores estn compuestos por dos electrodos que transportan una corriente, de esta manera aplicando un voltaje puerta, se modula el recorrido de los10


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electrones. En el momento en que disponemos de una alta movilidad y que podemos modular la densidad de esos portadores de la carga, podemos variar la conductividad entre esos electrodos. Ese es el principio en el que se fundamentan los transistores y es lo que se usa hoy en da para procesar la informacin en los circuitos integrados. El grafeno posee una alta movilidad electrnica y tiene la posibilidad de modular la densidad de portadores con este voltaje puerta, de esta manera podramos tener transistores de hasta 100 gigaherzios en comparacin con los actuales de silicio que trabajan a tan slo 1 gigaherzio. BATERAS ELCTRICAS Otra aplicacin es mezclar polvo de grafeno obtenido de cristalitos micromtricos no coagulados con plstico produciendo materiales conductores de electricidad a bajo costo y con una variedad muy grande de usos; o el uso del polvo de grafeno en bateras elctricas, derivado de su alta conductividad, y una relacin grande superficie-volumen que conduce a una mejor eficacia de las bateras. Esto abre un camino nuevo para obtener nuevas bateras ms ligeras, compactas y de mayor duracin que repercutir directamente en el tamao, peso y autonoma de todos los dispositivos mviles de la actualidad. Estas bateras adems, tendran un menor impacto medioambiental, ya que las actuales al terminar su vida til, su eliminacin supone un verdadero inconveniente debido a su gran toxicidad. TECNOLOGA BIOMDICA, BIOSENSORES Las personas que acuden a los hospitales en busca de remedio para sus dolencias saben que cualificados equipos mdicos utilizan herramientas complejas y costosas que permiten analizar nuestro interior para detectar la causa y la evolucin de las enfermedades. En muchas ocasiones los tejidos de los pacientes se analizan para buscar determinados indicadores de su estado de salud: los niveles de glbulos rojos, de glucosa, de triglicridos, de hormonas de diverso tipo, la presencia de clulas tumorales, etc. Estos anlisis, por lo general, requieren varias horas o das de angustiosa espera. Uno de los objetivos de la nanotecnologa es el desarrollo de sistemas de diagnsticos sencillos, rpidos y precisos mediante anlisis in vitro, en los que la muestra se extrae del paciente para ser analizada en un laboratorio.

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Estos sistemas podrn determinar mltiples indicadores a partir de pequeas cantidades de la muestra, facilitando as la rpida toma de decisiones. Cuando hablamos de pequeas cantidades nos referimos a unas cuantas molculas o clulas, por lo que estos mtodos de diagnstico sern muy poco invasivos. Muchos de estos anlisis se llevarn a cabo usando pequeos biosensores desarrollados mediante tcnicas de nanofabricacin. Estos biosensores podrn detectar fragmentos de cadenas de cidos nucleicos, enzimas, anticuerpos, protenas, virus, bacterias, etc., por lo que se podrn utilizar en biologa, medicina, ciencias medioambientales, agricultura, alimentacin y seguridad. PANELES SOLARES En el caso de la fabricacin de clulas fotovoltaicas, el procedimiento consiste en prensar laminas flexibles de Grafeno, empleando bobinas de plstico flexible y aadiendo una capa de grafeno, obteniendo unas laminas de grafeno de aproximadamente treinta pulgadas. La utilizacin de este material en paneles solares ya se puede ver como una realidad, adems, la flexibilidad y el bajo peso de las clulas solares orgnicas con electrodos de grafeno podran abrir una variedad de diferentes aplicaciones que no seran posibles con paneles solares basados en silicio convencionales de hoy. Por ejemplo, debido a su transparencia podran aplicarse directamente a ventanas sin bloquear la vista, y podran aplicarse a las superficies irregulares de la pared o techo. Adems, podran ser apilados encima de otros paneles solares, aumentando la cantidad de energa generada de una zona determinada. Y hasta podra ser doblado o enrollado para facilitar su transporte. COMPUTACIN CUNTICA Tambin merece sealarse que el grafeno, por ser un material ideal para producir spin qubits, ofrece grandes expectativas en computacin cuntica, adems de que puede utilizarse como almacn de hidrgeno dada su gran capacidad de absorber grandes cantidades de este gas. Asimismo, para producir hojas conductivas, en las cuales varias estructuras nanomtricas pueden ser curvadas para hacer un circuito de transistores de electrn simple, aprovechando la ventaja de que los canales de

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conduccin, puntos cunticos, barreras e intercomunicadores pueden ser trazados en una hoja de grafeno. CARBURANTE PARA AVIONES Se ha comprobado que nanopartculas compuestas por fragmentos de grafeno de escasos angstroms de espesor son capaces de mejorar la efectividad en el encendido y la combustin. Los aditivos de combustible junto con partculas de grafeno podran lograr que los motores cuenten con mejores rendimientos y de eficiencia por tanto mejore la sostenibilidad ambiental. (La nanotecnologa, Domingo Serena). CONTROL DE LA CONTAMINACIN El grafeno, formado por dos capas, posee la propiedad de absorber gases y molculas de gas de la atmsfera. As se modificara la resistividad de esta monocapa, que dependera de la cantidad de gas absorbido y del tipo de gas. Por tanto, realizando medidas de la resistividad, podramos calcular la concentracin de determinados gases. ELIMINACIN DE LA FUNCIN DEL LIMPIAPARABRISAS J. Dickerson, profesor de fsica en la Universidad de Vanderbilt ha llegado con sus investigaciones a nuevas aplicaciones del grafeno, en concreto parabrisas que arrojan agua con tanta eficacia que no necesitan limpiaparabrisas o cascos de barco tan resbaladizos que deslizan a travs del agua ms eficientemente que los cascos ordinarios. Dickerson y su grupo de investigacin han descubierto la manera de crear una pelcula independiente de xido de grafeno y alterar la rugosidad de su superficie para que haga que el agua se acumule y se escape o haga que se extienda a una capa delgada. APLICACIONES MILITARES La dureza de este material ha llamado la atencin para la fabricacin de corazas de seguridad personal extremadamente eficaces. La fibra de Kevlar, el material con el que se confeccionan ahora los chalecos antibala, nada puede frente a un material mucho ms resistente, flexible y tan fino como una hoja de papel.13


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6. UTILIZACIN DEL GRAFENO EN LA VIDA COTIDIANA: ESPADAS Un ejemplo del uso de la nanotecnologa accidental es el de las legendarias espadas fabricadas en Damasco, utilizando antiqusimos mtodos de forja importados de la India. Estas espadas eran reconocidas desde la Edad Media por su gran tenacidad y por su filo indestructible, capaz de cortar un pauelo de seda en el aire. Hace apenas cuatro aos un grupo de investigadores desvel que las propiedades de estas espadas estn relacionadas con la presencia de nanotubos de carbono y de carburo de hierro que aparecen como consecuencia de los mtodos de forja empleados. (La nanotecnologa, Domingo Serena, Catarata, 83) SKIES En Diciembre de 2010, uno de los dos integrantes del grupo fue a comprarse unos skies nuevos a una tienda especializada y all le hablaron sobre la importancia del grafito en la suela del esqu y como mejoraba sus propiedades. Sabemos que la suela de un buen esqu debe contener una cierta cantidad de grafito, sabemos tambin que la proporcin debe variar en funcin de las caractersticas del esqu, pero qu pinta el grafito en nuestros esques? cul es su funcin? Tanto en la literatura consultada, como en las charlas con los especialistas, una de las caractersticas que se indicaba en primer lugar es la facilidad de exfoliacin del grafito. De modo que al deslizar una capa sobre otra, dan a este material la propiedad de autolubricacin, que facilitar el deslizamiento de la suela sobre la nieve (el grafito es un lubricante slido, muy usado en la industria, fuente wikipedia). Otra caracterstica importante del grafito en lo que se refiere al esqu es su alta conductividad elctrica. Esto nos ayudar a combatir la acumulacin indeseada de electricidad esttica (que tiene la incmoda costumbre de hacer que las cosas ligeras y pequeas se peguen a las superficies cargadas) en la suela de nuestros esques, esto supone, como podis imaginar, que toda la suciedad que vayamos encontrando en la huella se va a ir pegando a la suela del esqu. Mal asunto, ya que esto comprometer el deslizamiento (y tambin el agarre).

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7. INVESTIGACIN GRAFENO EN ARAGN Y ESPAA: IMPORTANCIA EN ZARAGOZA E INVESTIGACION En Zaragoza, se estudia y existen lneas de investigacin fundamentalmente en dos sitios. El grupo de investigacin del CSIC con Jose Mara de Teresa, en el Instituto de Nanociencia de Aragn (INA), cuya finalidad es el estudio del transporte del espn del electrn en el grafeno. La razn de este estudio es poder obtener dispositivos en los se puede obtener un gran cambio de resistencia con el campo magntico, lo que llamamos el fenmeno magnetorresistencia. En este tipo de materiales es preciso que el espn del electrn se conserve en la misma direccin una distancia muy larga. En el grafeno, sucede este fenmeno y es muy adecuado para el transporte del espn a largas distancias. En el proyecto actual, un primer paso era obtener grafeno mediante exfoliacin y un segundo paso, realizar los contactos elctricos. Hay que tener en cuenta que el tamao es de unas cinco o diez micras cuadradas, y hay que realizar varios contactos elctricos de material magntico que inyecte el electrn con una direccin determinada del espn y en tercer lugar, ser capaces de medir que distancia puede viajar. Por ltimo quedara la posibilidad de fabricar dispositivos que presenten cambio de resistencia elctrica frente a las variaciones del campo magntico. Ahora estn en la fase en la que han conseguido preparar el material y los contactos metlicos de material magntico y van a proceder a estudiar las propiedades electrnicas del transporte del espn. En paralelo con esto estn surgiendo otros proyectos porque se acercan empresas del entorno para poder aplicar este material. En concreto, este grupo de investigacin va a firmar un contrato de investigacin con una empresa de energa. Se est empezando por la realizacin de unos materiales compuestos de polmeros y grafeno, para luego estudiar sus propiedades y ver si es aplicable a placas solares. Se trata de un campo en expansin, y estn surgiendo varios consorcios a nivel europeo bastante grandes, claro si se quiere competir con empresas grandes a nivel mundial es preciso montar consorcios de empresas y centros. Este grupo est posicionado e intentando entrar en este tipo de asociaciones y consorcios.15


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Por otro lado tenemos el grupo de investigacin del CSIC que trabaja en el Instituto de Carboqumica (ICB). Este grupo no se dedica tanto al estudio y medicin de las propiedades del grafeno ya que para esto colaboran con otros centros, sino que enfoca su trabajo a la aplicacin y fabricacin de materiales (composites) con grafeno. En los laboratorios realizan la sntesis de grafeno por mtodos qumicos y tras conseguirla, la utilizan para combinarla con otros materiales, como polmeros conductores como la polianilina, polipirrol Tambin realizan la sntesis de composites con termoplsticos, y se estudian aplicaciones en el campo de los supercondensadores, bateras Otras de las aplicaciones llevadas a cabo son recubrimientos, fibras y membranas. Y como producto destacado cabe mencionar el estudio para la sntesis de tintas conductoras. Adems, se intenta agregarles propiedades pticas, fluorescentes NIVEL NACIONAL Centros y universidades donde trabajan con este material son el Instituto Cataln de Nanotecnologa (ICN) en Barcelona donde se trabaja con nanomotores y tambin hay muchos estudios del material a nivel terico, el CIN2 tambin en Barcelona, el ICMM en Madrid, centros del Pas Vasco, el Instituto del Carbn (INCAR) de Oviedo, etc. En estos lugares las investigaciones que se realizan son a nivel del grupo como por ejemplo en la Universidad de Alicante donde el grupo de Nanofsica trabaja en este campo y se han centrado en el estudio de las propiedades magnticas del grafeno desde un punto de vista terico con el fin de aproximarse a sus posibles aplicaciones en el terreno de la nanoelectrnica. (Revista Paraninfo, de la Universidad de Alicante, Junio 2009, 1-3) A partir de estos grupos de investigacin, se han creado empresas espinoff que intentan fabricar algn dispositivo para proceder a su comercializacin y puesta en el mercado. Estn localizadas en Madrid, San Sebastin y La Rioja (donde fabrican composites basados en grafeno). Cabe mencionar a un importante investigador y fsico terico Francisco Guinea. Es investigador del CSIC (Instituto de ciencia de materiales de Madrid y asisti como invitado a la gala de los ltimos premios nobel debido a su colaboracin en el desarrollo de la teora para explicar las propiedades fsicas del grafeno. (entrevista con Jos M de Teresa)16


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Terminando, podemos decir que en Espaa los grupos de investigacin del grafeno estn bastante bien posicionados e interesa llegar a aplicaciones porque la sociedad es lo que ms demanda. NIVEL EUROPEO E INTERNACIONAL El problema a nivel europeo en investigacin, es que muchos de los descubrimientos bsicos (como el del grafeno en la universidad de Manchester) se realizan aqu pero luego las aplicaciones se hacen en EEUU, Japn o Corea. Como ha sucedido en tantas ocasiones parece haber una mayor sensibilidad y se intenta apoyar este tipo de iniciativas a travs de la comisin europea, creacin de consorcios. Esto implica una fuerte colaboracin e intercambio de ideas entre los distintos centros e investigadores. 8. CONCLUSIONES: ALTERNATIVAS AL GRAFENO Como alternativas al grafeno, est surgiendo la preparacin de monocapas de materiales, (distintos al grafeno), pero con el mismo mtodo de obtencin. Se lleg a preparar un material de nitruro de boro, que tiene tambin un red hexagonal y sulfuro de molibdeno. Desde hace un par de aos, se est investigando en lo que se llaman aislantes topolgicos, materiales que en su parte interna no conducen la electricidad pero en su superficie s. De esta manera, en la superficie aparecen portadores de alta movilidad, que nos permitira usarlos en nanoelectrnica. Suelen estar basados en Seleniuro de Bismuto, teluro de bismuto o Mercurio-Cadmio. Son materiales que tambin presentan un amplio abanico de posibilidades, y desde el punto de vista fsico presentan tambin unas propiedades muy especiales e interesantes. (Entrevista con Jos M de Teresa, ver anexo) FUTURO DEL GRAFENO Si el grafeno llegase a desbancar o complementar al silicio, podramos tener un descenso en los precios de los productos electrnicos. En la industria, cuando se impone un material sobre otro, se debe al abaratamiento de los costes. La ventaja que presenta este material frente a otros, es que su mtodo de fabricacin es bastante sencillo, lo que nos indica que un pas no tiene por qu tener una tecnologa y una17


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industria demasiado avanzada para poder trabajar con grafeno. Este es el punto que diferencia la industria del grafeno de la industria de semiconductores, ya que el trabajo con Silicio, por ejemplo, es muy caro, y se necesitan lugares especficos, con condiciones muy determinadas. Si se consiguiera trabajar con grafeno, por lo tanto con unos equipos mucho ms baratos y un mtodo de fabricacin ms sencillo, esta tecnologa se encontrara ms distribuida, con lo que la competencia sera mayor y sera ms barato. Al final, el tema del coste siempre va a depender de la existencia de monopolios, si existen varias empresas que compitan, etc. Un abaratamiento de los costes al que tambin podra contribuir la abundancia de este material como materia prima, y su amplia distribucin por el plantea y por tanto, quedar fuera de las fluctuaciones de los mercados de materia prima, tal y como ocurre hoy en da. En resumen, la sintetizacin de este material conocido hasta ahora slo a nivel terico ha creado un enorme inters debido a sus excepcionales caractersticas y propiedades que superan al silicio y que tienen un sinfn de aplicaciones en mbitos muy diversos. Ha creado unas expectativas que van a revolucionar la electrnica que ahora se conoce. Sin embargo, aunque el avance en el conocimiento de este nuevo material es muy rpido, quiz an sea demasiado pronto para creer que todas esas expectativas se cumplirn y que sern una realidad en poco tiempo. Por todo ello el futuro del grafeno es toda una incgnita ya que hay que esperar a ver como se desarrolla y por lo tanto nos podemos hacer unas preguntas que tarde o temprano podremos conocer: Llegar el grafeno a la altura del silicio como material o se quedar en lo que es en estos momentos, un material nuevo y prometedor? Aparecer otro nuevo material mejor que el grafeno, que dejar a un lado todas sus investigaciones? Cundo disfrutaremos de las mejoras que nos proporcionar el grafeno? Cumplir las expectativas y llegar a revolucionar el mundo actual?

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