TRABAJO DE INVESTIGACIÓN

2º Bachiller Investigación Ciencias

IES RUIZ DE ALDA

2019/2020

TITULO: GRAFENO

AUTORA: DULCE MARÍA PEDREÑO CALDERÓN

TUTOR: MIGUEL GARCÍA CARRASCO

RESUMEN:

El grafeno es un nanomaterial extraordinario formado por una lámina de

átomos de carbono con hibridación sp2 que tiene unas propiedades que van a

despertar un fuerte interés en el mundo tecnológico, biomédico, etc. Un ejemplo en el

mundo biomédico sería que puede dirigirse a células donde debe ejercer su acción,

además de eliminarse de manera rápida en el organismo.

El objetivo práctico de este estudio es sintetizar grafeno en el laboratorio y

comprobar su gran conductividad térmica. La síntesis se realizó con dos métodos

distintos y usando minas de grafito de distinto grosor. El primer método fue el físico,

usando una lámina adhesiva y deslizando una mina de grafito sobre ella; y el segundo

fue por electrólisis, donde al transformar agua en los elementos que la componen por

aplicación de una diferencia de potencial, los electrodos de grafito usados, se van

descomponiendo en óxido de grafeno. Para poder comprobar esta propiedad del

grafeno sintetizado, se procedió a medir la profundidad de corte de un trozo de hielo

con un metal recubierto de una lámina de grafeno y comparando a tiempo fijo, la

relación de aumento de profundidad respecto a la lámina de metal sin nada adherido.

Los resultados mostraron que se conseguían aumentos hasta el doble de profundidad

de corte en algunos casos, como cuando el grafeno usado era el procedente de la

electrólisis con barras gruesas de grafito, demostrando así que con ese método, se

obtiene un grafeno de más calidad.

Los resultados demuestran que aprovechando la gran conductividad térmica

del grafeno, este se podría utilizar en revestimiento de materiales que estén implicados

en intercambios de calor a nivel industrial, consiguiendo de esta manera ahorrar

energía por un aumento significativo del rendimiento en la transferencia térmica.

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ÍNDICE:

- INTRODUCCIÓN

- DEFINICIÓN Y DESCUBRIMIENTO

- ALGUNAS PROPIEDADES DEL GRAFENO

- APLICACIONES DEL GRAFENO

- TÉCNICAS DE PRODUCCIÓN DE GRAFENO

- COMERCIALIZACIÓN

- UN CASO PRÁCTICO: PRODUCCIÓN DE GRAFENO CASERO Y

COMPROBACIÓN DE ALGUNA DE SUS PROPIEDADES

- CONCLUSIONES

- RELACIÓN DE FUENTES

Bibliografía

Videografía

Relación de imágenes

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- INTRODUCCIÓN

Objetivos del trabajo.

El objetivo principal de este trabajo es informar a los receptores de la

importancia futura del grafeno, ya que es un tema poco conocido en la vida cotidiana.

Además, se enumeran algunas de las propiedades.

Finalmente, de forma práctica, el objetivo era fabricar grafeno casero de dos maneras

sencillas y después observar sus propiedades para ver las coincidencias. Asimismo se

ha cortado hielo por medio de una lámina de metal y con el grafeno obtenido,

probando sus características térmicas.

Metodología.

Para un mejor entendimiento y progreso del trabajo se usaron diversas fuentes:

webs, periódicos y revistas digitales, blogs, imágenes ilustrativas y vídeos, y una hoja

de cálculo Excel. Una de las principales referencias de mi proyecto ha sido el libro

Graphenano, 2017 / [16/09/2019], El grafeno: propiedades y aplicaciones; [en

línea], Yecla, 18 pp.; <https://www.graphenano.com/uploads/2017/11/Que-es-el-

grafeno.pdf>, docx, que me ha resultado muy útil para la correcta realización.

Para la parte práctica se usaron diversos materiales como barras de grafito de

tres tamaños, láminas de metal y adhesivo, entre otros materiales.

- DEFINICIÓN Y DESCUBRIMIENTO.

El grafeno es un nanomaterial bidimensional formado por átomos de carbono

en un patrón hexagonal con una estructura parecida al panel de abeja. Decimos que

es un nanomaterial, ya que esta palabra se refiere a las partículas cuya dimensión es

menor o igual a una millonésima de milímetro en una de sus dimensiones, y puede

obtenerse a partir de diferentes elementos o compuestos químicos. Por lo que el

grafeno es un nanomaterial, ya que tiene un tamaño de 50 nanómetros. Por otra parte,

es bidimensional, puesto que es pequeño y parece no existir. Además es el único

material bidimensional que es capaz de mantenerse estable hasta con el grosor de un

átomo (monocapa), lo que significa que es extremadamente fino (0.0000001

milímetros). Pero según las capas que lo conformen, el grafeno puede ser clasificado

en tres tipologías: monocapa (una capa), bicapa (dos capas), pocas capas (de tres a

cuatro capas) y multicapa (entre cinco y diez capas).

Asimismo, el grafeno es la unidad elemental básica en 2D para construir todos

los materiales grafíticos de las demás dimensiones. Al envolver las capas de átomos

de carbono como si fuésemos a forrar un balón en estructuras de cero dimensiones

(0D), obtendremos fullerenos; si las enrollamos cilindricamente en estructuras 1D,

nanotubos; y si superponemos más de 10 capas tridimensionalmente (3D),

obtendremos el grafito.

El grafeno fue conocido por científicos desde 1930 cuando se pusieron a

estudiarlo teóricamente, pero fue abandonado por considerarlo demasiado inestable.

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En 2004, los doctores Konstantin Novoselov y Andre Geim consiguieron aislarlo a

temperatura ambiente en el laboratorio por el método de la cinta Scotch, es decir,

usando cinta adhesiva para pelar un trozo de grafito en hojas cada vez más delgadas.

Gracias a este descubrimiento consiguieron el Premio Nobel de Física en 2010.

El grafito puede considerarse el progenitor del grafeno puesto que, en 1986,

Boehm y sus colaboradores recomendaron usar la palabra grafeno para nombrar a

cada una de las láminas individuales de carbono que componen el grafito. Al proceder

del grafito, tiene menor riesgo ambiental que los materiales inorgánicos.

En el grafito, las láminas de carbono están unidas por las fuerzas de Van der

Waals (fuerzas atractivas entre moléculas), que son fuerzas más débiles que las

uniones covalentes entre los carbonos que conforman una lámina de grafeno, por lo

que una lámina (grafeno) es más dura y resistente que la superposición de muchas

(grafito).

Toda la información de este capítulo está extraída de Graphenano, 2017.

- ALGUNAS PROPIEDADES DEL GRAFENO.

- Flexible.

Este material tiene una constante elástica gigante, ya que una lámina de este puede

estirarse un 10% de su tamaño normal de forma reversible. Además, puede doblarse

hasta un 20% sin sufrir ningún daño y puede enrollarse sobre sobre sí misma para

crear nanotubos o adoptar cualquier otra forma.

Por todo esto se dice que va a revolucionar la industria y la tecnología, ya que las

superficies de los materiales en los que se aplica el grafeno tienen menos

posibilidades de quebrarse y más durabilidad.

- Ligero.

Una lámina de grafeno de 1 metro cuadrado tiene una masa de 0,77 miligramos y

tiene una superficie específica de 2600 m² /g. Esto le otorga una capacidad de

autoenfriamiento para ser extremadamente ligero y flexible.

- Duro y resistente.

El grafeno es un material más duro que el diamante, y más fuerte y resistente que el

acero con su mismo espesor.

Además es rígido, así que soporta grandes fuerzas sin apenas deformarse. Por otra

parte, tiene una resistencia mecánica de 42 N/m (tensión de rotura), mientras que una

lámina de acero del mismo espesor tendría aproximadamente una resistencia de 0,40

N/m. Se estima que para atravesar una lámina de grafeno con un objeto afilado sería

necesario realizar un peso sobre él de aproximadamente cuatro toneladas.

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- Transparente.

Este nanomaterial es parecido al vidrio por su poco espesor. Una mono lámina de este

material absorbe un ~2,3 % de luz blanca incidente que llega a su superficie. La

absorción de luz se incrementa cada vez que aumenta el número de láminas de

grafeno que se superponen, por lo que cuantas más láminas compongan el grafeno,

menos transparente es.

- Conductor eléctrico y térmico.

Su conductividad térmica es de 5,000 W/m.K, esto quiere decir que le permite disipar

el calor y soportar intensas corrientes eléctricas sin calentarse.

Por otro lado, la conductividad eléctrica del grafeno es de 0,96 · 10⁸ (Ω /m).

- Multiplicador de frecuencias.

Esta propiedad permite aumentar la velocidad y el intercambio de información de los

procesadores, ya que al aplicarle una señal eléctrica de cierta frecuencia al grafeno,

este genera otra onda del doble o triple de frecuencia.

Toda la información de este capítulo está extraída de Graphenano, 2017.

- UN CASO PRÁCTICO: PRODUCCIÓN DE GRAFENO CASERO Y

COMPROBACIÓN DE ALGUNA DE SUS PROPIEDADES.

El objetivo de esta parte práctica era, aparte de fabricar grafeno casero,

comprobar una de sus propiedades, como es la alta conductividad térmica, y cortar el

hielo con láminas de metal con grafeno, para ver cómo se cortaba más rápido con este

material que sin el material. Para ello se realizó el siguiente experimento.

Los materiales usados fueron: barras de grafito de tres tamaños, un vaso de

precipitados, agua del grifo, sal, una fuente de alimentación (batería), una cuchara

para remover el agua y la sal, unas tijeras, una lámina de aluminio, una lámina de

cobre, adhesivo, un calibrador, y por último, envases de plástico para fabricar el hielo.

Este experimento consta de dos partes. La primera parte basada en la

fabricación de grafeno y la segunda en cortar el hielo con ambas láminas: aluminio y

cobre, para probar sus características térmicas. Esta primera parte se divide a su vez

en dos: una síntesis de grafeno de forma casera, y una síntesis de grafeno por

electrólisis.

Para la síntesis de grafeno por método físico, es decir, por el método de la

cinta Scotch, se corta el adhesivo con el mismo tamaño de las láminas de aluminio y

cobre, y tres de cada lámina para comprobar con los tres tamaños de grafito. Una vez

ya cortados los adhesivos, se obtiene grafeno a base de deshojar el grafito con cinta

adhesiva. Se le dan varias pasadas hasta que el grafito se va eliminando y se obtienen

capas de grafeno de pequeño espesor.

Posteriormente pasé a fabricar grafeno por electrólisis.

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El procedimiento es el siguiente. Primero se corta el adhesivo con el mismo tamaño de

las láminas de aluminio y cobre, y tres de cada lámina para comprobar con los tres

tamaños de grafito. Después de esto, en un vaso de precipitados se echa agua y sal, y

se mezcla con una cuchara para que quede diluido. Cojo dos barras de grafito y las

meto en el vaso de precipitados sujetas pegándolas con fiso al vaso de precipitados

sin que el agua toque los conectores que se conectan a la fuente de alimentación a un

potencial positivo de 11´25V. Espero un tiempo hasta que se haya formado algo de

óxido de grafito (“grafeno”), y cuando ya lo tengo, extiendo lo obtenido en las cintas

adhesivas. Este procedimiento da lugar a que los radicales hidroxilo y oxígeno

producidos por la oxidación anódica del agua empiecen con la oxidación de grafito de

manera escalonada.

El tiempo que esperé antes de extender el adhesivo a este óxido fue: en minas finas

media hora (30 minutos), en minas medianas un cuarto de hora (15 minutos) y en las

minas anchas otro cuarto de hora. Así observé que las minas finas tardaban mucho

más en descomponerse que las otras dos.

Imagen 1. Minas finas Imagen 2. Minas medianas Imagen 3. Minas anchas

A continuación pasé al procedimiento de cortar hielo.

Para esto, los adhesivos ya untados por grafeno se envuelven

en las láminas de aluminio y cobre. Con estas láminas voy

cortando el hielo sin ejercer presión y a temperatura ambiente,

gracias a la presencia del calor de mis manos que se transmite

al grafeno consiguiendo partir el hielo.

Imagen 4

Para obtener una conclusión, realicé el experimento de cortar hielo dos veces

con cada tipo de lámina, a la vez que también con grafeno y sin grafeno.

En esta parte se trata de comprobar si una lámina adhesiva con grafeno

adherido, sintetizado en el laboratorio de distintas maneras, aumenta la rapidez de

corte de un bloque de hielo con una lámina de metal, a la cual le proporcionamos calor

corporal mediante nuestras manos. Para ello, vamos a comparar la profundidad de

corte para todas las láminas de grafeno sintetizado a un tiempo fijo, con un control que

va a ser el metal sin nada adherido. De igual manera y para descartar el posible efecto

del grafito, también se realizaron cortes con minas de grafito adheridas al metal.

A continuación se muestra una tabla con los datos de la primera realización del

experimento:

7

Metal Minas

para

obtener

grafeno

Con

adhesivo

Grafeno

por

electrólisis/

forma

casera

Tiempo

(cortar

hielo)

Profundidad

de corte

(cm)

Relación

aumento

profundidad de

corte (sin

adhesivo & con

adhesivo-

grafeno)

Aluminio - No - 7

minutos

0.8 -

Aluminio - Si - 7

minutos

0.67 -

Aluminio Minas

medianas

No - 7

minutos

0.77 0,96

Aluminio Minas

finas

Si Electrólisis 7

minutos

1.9 2.38

Aluminio Minas

medianas

Si Electrólisis 7

minutos

2. 09 2.61

Aluminio Minas

anchas

Si Electrólisis 7

minutos

2.28 2.85

Aluminio Minas

finas

Si Forma

casera

7

minutos

1.58 1.98

Aluminio Minas

medianas

Si Forma

casera

7

minutos

1.66 2.08

Aluminio Minas

anchas

Si Forma

casera

7

minutos

1.72 2.15

Cobre - No - 7

minutos

3.29 -

Cobre - Si - 7

minutos

3.05 -

Cobre Minas

medianas

No - 7

minutos

3.3 1

Cobre Minas

finas

Si Electrólisis 7

minutos

3.59 1.09

Cobre Minas

medianas

Si Electrólisis 7

minutos

3.63 1.1

8

Cobre Minas

anchas

Si Electrólisis 7

minutos

3.81 1.16

Cobre Minas

finas

Si Forma

casera

7

minutos

3.33 1.01

Cobre Minas

medianas

Si Forma

casera

7

minutos

3.42 1.04

Cobre Minas

anchas

Si Forma

casera

7

minutos

3.51 1.07

Esta parte del experimento me hizo concluir que el corte más profundo era el

de la lámina de cobre con grafeno, realizado por electrólisis y con la mina de grafito

más ancha. Seguidamente, el corte más profundo iba descendiendo según el tipo de

minas realizadas por electrólisis. Asimismo, después de las minas realizadas por

electrólisis, venían las realizadas de forma casera, pero siguiendo el mismo orden de

tamaño que por electrólisis.

Por otra parte, pasamos al de la lámina de cobre sin grafeno y coincidía otra

vez con el grosor del grafito utilizado, a la vez que si lo realizamos por electrólisis o por

la forma casera. Finalmente, al ver que este corte era más profundo que el de la

lámina de aluminio tanto con, como sin grafeno, pensé que se debía a que el cobre es

un metal de mayor conductividad térmica.

En el siguiente gráfico se puede observar mejor el dato de la última columna de

la tabla, es decir, la relación con el aumento de profundidad de corte:

Imagen 5

9

Para comprobar estos resultados, realicé otra vez el mismo experimento, pero

esta vez estuve menos tiempo con cada lámina.

En esta tabla podemos observar la segunda realización del experimento:

Metal Minas

para

obtener

grafeno

Con

adhesivo

Grafeno

por

electrólisis/

forma

casera

Tiempo

(cortar

hielo)

Profundidad

de corte

(cm)

Relación

aumento

profundidad de

corte (sin

adhesivo & con

adhesivo-

grafeno)

Aluminio - No - 2

minutos

0.43 -

Aluminio - Si - 2

minutos

0.31 -

Aluminio Minas

medianas

No - 2

minutos

0.42 0.98

Aluminio Minas

finas

Si Electrólisis 2

minutos

0.75 1.74

Aluminio Minas

medianas

Si Electrólisis 2

minutos

0.84 1.95

Aluminio Minas

anchas

Si Electrólisis 2

minutos

0.93 2.16

Aluminio Minas

finas

Si Forma

casera

2

minutos

0.59 1.37

Aluminio Minas

medianas

Si Forma

casera

2

minutos

0.77 1.79

Aluminio Minas

anchas

Si Forma

casera

2

minutos

0.89 2.07

Cobre - No - 2

minutos

1.33 -

Cobre - Si - 2

minutos

1.07 -

Cobre Minas

medianas

No - 2

minutos

1.35 1.02

Cobre Minas

finas

Si Electrólisis 2

minutos

1.53 1.15

10

Cobre Minas

medianas

Si Electrólisis 2

minutos

1.61 1.21

Cobre Minas

anchas

Si Electrólisis 2

minutos

1.72 1.29

Cobre Minas

finas

Si Forma

casera

2

minutos

1.44 1.08

Cobre Minas

medianas

Si Forma

casera

2

minutos

1.47 1.11

Cobre Minas

anchas

Si Forma

casera

2

minutos

1.51 1.14

Imagen 6

Como conclusión puede decirse que he conseguido confirmar mi hipótesis que

desde un principio quería experimentar. Esta meta era sintetizar grafeno y comprobar

su gran conductividad térmica, aparte de conseguir una mayor profundidad al cortar el

hielo cuando la lámina de metal, en este caso de aluminio y de cobre, llevaba grafeno

adherido. Esto se debe a que es un gran conductor térmico, como he comentado

anteriormente en el apartado de las propiedades de este. Además, no afecta el tiempo

que estés cortándolo, ya que se obtienen los mismos resultados.

Asimismo, hice el experimento de cortar el hielo tan solo con las láminas de los

metales, y luego poniéndoles a estas un adhesivo pero sin ninguna sustancia. De esta

forma no se pudo observar ninguna diferencia muy brusca. La profundidad de las

láminas que no tenían adhesivo era mayor, debido a que el plástico es aislante y hace

que corte menos.

Por otro lado, se observa como las minas anchas utilizadas en electrólisis son

las que mejores resultados dan, debido al supuesto de que se produce una mayor

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descomposición de óxido de grafito, ya que posiblemente en este tipo de minas es

más fácil separar y oxidar las láminas de grafeno. En la lámina de cobre con una

profundidad de corte de 1.29 cm, y en la lámina de aluminio de 0.93 cm. Ambos

resultados en un tiempo de 2 minutos. Al estar 7 minutos con estas se obtienen los

resultados de: en la de cobre 3.81 cm y en la de aluminio 2.28 cm.

Por último, se puede distinguir que el método que mejor ha funcionado es el de

las minas de grafeno anchas por electrólisis. No obstante, un problema es que, al no

disponer de un baño de ultrasonidos, no se terminó la obtención por completo de las

minas al fabricar grafeno, y aunque se produjo óxido de grafito, puede ser que no se

descompusiera totalmente y quedara restos de grafito.

Para realizar esta parte práctica y para hacerme una idea de lo que quería

hacer con este grafeno, usé diferentes vídeos. Algunos de ellos son: (Charly Labs,

2013); (Marron. El Hormiguero, 2014) ; (Murray-Smith, R. , 2017).

- CONCLUSIONES.

El grafeno es el material del futuro que va a aparecer en nuestra tecnología y,

en general, en nuestra vida cotidiana. Un ejemplo de ello se da en las empresas de

telefonía como Samsung, que está empezando a fabricar baterías con grafeno para

una mayor durabilidad de sus teléfonos móviles.

La parte práctica comenzó con la simple idea de fabricar grafeno casero solo

con las minas de diferentes tamaños de grafito y el adhesivo, pero a partir de ahí se

pudo conseguir también por electrólisis. Posteriormente, se cortó el hielo y se alcanzó

el objetivo final: saber que el grafeno hace que se corte más rápido el hielo por su

propiedad de conductor térmico. Además, se usaron dos láminas diferentes tanto de

aluminio como de cobre para así ver que el cobre también hace que se corte más

rápido por esta misma propiedad. Para asegurarme de esta conclusión, se llevó a

cabo el experimento dos veces. Y así fue como se pudo observar que todo lo

comentado anteriormente era cierto.

Tras mi trabajo, he podido llegar a la conclusión de que se podría usar en

recubrimientos donde se necesite aumentar el rendimiento de la transferencia de calor,

como en intercambiadores de calor.

Por último, me gustaría destacar del trabajo las imágenes de realización propia

que he añadido en mi parte práctica. Éstas son el proceso de fabricación del grafeno

(imágenes 4,5 y 6) y las del corte del hielo con las diferentes láminas (imagen 7).

Además, también me gustaría destacar las tablas presentes en la parte práctica

donde se puede observar la relación entre la profundidad de los diferentes cortes del

hielo de las que contenían grafeno y de las que no lo contenían, comparando el cobre

con el aluminio (imágenes 8 y 9).

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- RELACIÓN DE FUENTES.

Bibliografía.

Aguilar, N. , Duarte, G. & González, A. 9/11/2011 / [26/09/2019]; El Grafeno; [en

línea]; 33 pp; <https://es.slideshare.net/dan-adr-nes/el-grafeno-pdf>; pdf

Graphenano; 2017 / [16/09/2019]; El grafeno: propiedades y aplicaciones; [en línea];

Yecla; 18 pp; <https://www.graphenano.com/uploads/2017/11/Que-es-el-grafeno.pdf>;

docx

Rodríguez, A. 2016; Grafeno: sintesis, propiedades y aplicaciones; Dirección: Isabel

Izquierdo Barba, Facultad de farmacia; Universidad complutense, [16/09/2019]; pdf;

<http://147.96.70.122/Web/TFG/TFG/Memoria/ALBA%20RODRIGUEZ%20VILLALON.

pdf>

Videografía.

Marron. El Hormiguero 3.0, 2014 / [26/11/2019]; - Grafeno, el material del futuro; [en

línea]; youtube.com; Antena 3; 9:48;

<https://www.youtube.com/watch?v=TzB2N8wWa5E>

Martínez, M. 2014/ [26/11/2019]; APLICACIONES PRÁCTICAS DEL GRAFENO.

NUEVOS MATERIALES PARA CONSTRUIR EL PRESENTE.; [en línea];

youtube.com; Universidad Miguel Hernández de Elche; 51:11;

<https://www.youtube.com/watch?v=QDdgJrRtuIA>

The Thought Emporium; 2017/ [25/11/2019]; Easy Graphene Made in Bulk -

Electrochemical Exfoliation; [en línea]; youtube.com; 8:19;

<https://www.youtube.com/watch?v=s51l6KySFU8>

Relación de imágenes.

Imágenes de realización propia:

Imagen 1 Imagen 2 Imagen 3 Imagen 4 Imagen 5 Imagen 6