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.