Grafeno Stalyn F. Banegas, Santiago Santiago I. Bautista, Christian Christian I. Merchán, Marcelo S. Tenesaca Resumen — El grafeno en términos muy generales, es un residuo del grafito. En términos más específicos, es una sustancia de carbono puro (como el carbón o el diamante), cuyos átomos están dispuestos en un patrón regular hexagonal, muy similar al grafito de las minas de los lapiceros, pero de una hoja de un átomo de espesor.
Palabras Claves — Grafeno, Grafeno, Grafito, Carbono
I. OBJETIVOS A. Objetivo General:
-
Aprender las características, aplicaciones del Grafeno.
propiedades
y
B. Objetivos Específicos:
-
Conocer la estructura atómica del Grafeno. Determinar los campos donde es grafeno es utilizado o podrá ser utilizado.
II. INTRODUCCIÓN El grafeno es una sustancia compuesta exclusivamente por carbono, igual que la mina de un lápiz (grafito) o el diamante. Sin embargo, tanto su aspecto como sus propiedades son completamente diferentes.
III. MARCO TEÓRICO Grafeno El carbono es un elemento químico muy importantes en la naturaleza. Se encuentra en todos los seres vivos y, según se distribuyan sus átomos, puede formar sustancias con distintas características. A partir del carbono se consigue el grafeno. Este material surge cuando pequeñísimas partículas de carbono se agrupan de forma muy densa en láminas de dos dimensiones muy finas (tienen el tamaño de un átomo), y en celdas hexagonales. Su estructura es similar a la que resulta de dibujar un panal de abejas. Lo que realmente define las propiedades del grafeno es la disposición de sus electrones, es decir, la forma en la que los átomos de carbono se unen entre sí. En el grafeno, cada átomo de carbono contiene cuatro electrones con los que interacciona con el resto de átomos adyacentes (electrones de valencia). Tres de estos electrones se unen con electrones de tres átomos de carbono adyacentes. Estos enlaces se forman en ángulos de 120º sobre un mismo plano en lo que se conoce como enlaces covalentes. Se forma así una red (un cristal) en dos dimensiones de átomos fuertemente unidos.
Pese a que el grafeno se conoce desde la década de 1930, fue abandonado por considerarlo demasiado inestable. No fue hasta el 2004, cuando los científicos de origen ruso Novoselov y Geim consiguieron aislarlo a temperatura ambiente. Este descubrimiento no fue en vano, pues gracias a él obtuvieron el Premio Nobel en 2010. Para hacernos una idea de en cuántos campos distintos puede aplicarse aplicarse el grafeno, es necesario necesario ver todo lo que nos rodea. Ordenadores, coches, teléfonos móviles y equipos de música son sólo algunas cosas que encontramos frecuentemente en nuestra vida cotidiana en las que el grafeno se podría llegar a aplicar. S. Banegas, Universidad de Cuenca. Laboratorio Electrónica Analógica (
[email protected]). S. Bautista,Universidad de Cuenca. Laboratorio Electrónica Analógica (
[email protected]). C. Merchán. Universidad de Cuenca. Laboratorio Electrónica Analógica (
[email protected]). M. Bautista, Universidad de Cuenca. Laboratorio Electrónica Analógica (
[email protected]).
Figura 1. Estructura de una lámina lámina de grafeno. grafeno.
El cuarto electrón de los átomos de carbono se encuentra libre, perpendicular a la placa de grafeno (por encima o por debajo de ella).
En el caso del grafeno, los electrones libres tienden a unirse con los electrones libres de átomos adyacentes. Ésta formación se conoce como orbitales tipo π. La formación de orbitales tipo π es un poco forzosa y se da cuando los electrones libres no encuentran nada más a lo que unirse. Es por ello que, en caso de tener otras sustancias cerca, los electrones libres se unirán a ellas. Cuando hay otras láminas de grafeno cerca, sus electrones libres se unen formando grafito. El grafito forma parte de nuestra vida cotidiana, ya que se emplea para fabricar muy variados objetos, desde la mina de los lápices hasta algunos ladrillos. Los expertos consideran que la utilidad del grafeno es prácticamente ilimitada y que las barreras a su aplicación únicamente son las de la imaginación humana. El grafeno es, además, el material más fuerte que existe. Lo han confirmado científicos en la universidad de Columbia y publicando el hallazgo en la revista 'Science'.
desgastan muy pronto, lo que se traduce en ahorro económico, al no tener que sustituir tan rápido y tantas veces los aparatos.
Su alta densidad: esto
Posee un efecto antibacteriano , ya que en él no crecen las bacterias.
Si el grafeno está oxidado , absorbe residuos radiactivos , una gran propiedad para las catástrofes nucleares, que desgraciadamente se producen.
átomos de carbono son tan pequeños y están tan fuertemente unidos que casi nada puede atravesar una lámina de grafeno (ni el helio, que es una de las moléculas más pequeñas que conocemos). Sin embargo, con el agua el grafeno hace una excepción, lo atraviesa como si no hubiera nada.
Presenta un bajo efecto Joule (calentamiento al conducir electrones).
Propiedades y Características. El grafeno es un material que combina una gran cantidad de propiedades y características que no se dan juntas en cualquier otro compuesto. ¿Qué significa esto? Que es capaz de mejorar por completo las condiciones de cualquier superficie donde se aplique.
Peso: con
el grafeno se puede producir aerogel de grafeno, un material unas 6 veces menos pesado que el aire que se comporta como una súper esponja. El aerogel de grafeno puede absorber 900 veces su peso.
Dureza: posee
una dureza similar a la del diamante, que es 200 veces mayor a la del acero. Se estima que para atravesar una lámina de grafeno con un objeto afilado sería necesario un peso de unas 4 toneladas.
Elasticidad y flexibilidad: es
El calor: Es
La
Proceso de fabricación del grafeno En efecto, el grafeno no es fácil de producir a nivel industrial. Esto se debe a que, para su utilización en aplicaciones 2D, es necesario conseguir láminas extensas, muy finas y de una alta pureza. La configuración electrónica del grafeno no es la forma habitual en la que se enlazan los átomos de carbono, por lo que no es un material que simplemente se obtenga de una mina de grafeno. Resulta necesario realizar procesos que, generalmente partiendo del grafito, permitan obtener grafeno.
un excelente conductor del calor. Por lo general, en los metales la conducción es elevada y en el resto de los materiales es escasa. electricidad : Éste conduce mucho mejor la electricidad que el cobre, y necesita menos electricidad para transportar energía. Si en un futuro se realizan baterías con grafeno, durarán muchísimo más que las que utilizamos habitualmente, y no solo en las baterías, ya que es un gran conductor.
El grafeno es "transparente”, unido a sus otras muchas propiedades podría dar lugar a la creación de pantallas flexibles, transparentes y que casi no pesan.
Transparente y ligero:
Soporta bien la radiación ionizante: esto
quiere decir que ofrece gran resistencia a ser modificado por esta radiación, lo que quiere decir que se puede utilizar para los aparatos que se encuentran en las salas donde se usa esta radiación, ya que los aparatos actuales se
Atraviesa el agua: Los
Otras características aún en discusión son la capacidad de auto enfriamiento descrita por investigadores de la Universidad de Illinois o su capacidad de auto-reparación. Si una capa de grafeno pierde algunos átomos de carbono, 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.
elevadamente elástico y flexible; gracias a esto aumenta su durabilidad y maleabilidad, es decir, es mucho más resistente que otros materiales a romperse y lo podemos moldear de diversas maneras.
implica que ni los átomos de helio (los más pequeños conocidos), son capaces de atravesarlo, mientras que permite el paso de agua, ya que encontrándose en un recipiente cerrado de grafeno, se evapora igual que si estuviera en un recipiente común abierto.
Los 4 métodos principales de obtención del grafeno
Exfoliación de grafito: Éste método consiste básicamente en arrancar de forma mecánica (mediante algún tipo de material adherente) láminas de un trozo de grafito. Éste proceso de obtención del grafeno es realmente simple (se puede hacer en casa) y se consigue un grafeno bastante puro. El problema es que las cantidades resultantes suelen ser bajas y, además, no siempre se consiguen monocapas de grafeno.
Aquí la idea es calentar el carbono lo suficiente como para tenerlo suspendido en “el aire” y después dejar que se enfríe para que, al depositarse sobre un sustrato, se formen láminas de grafeno bastante homogéneas. Utilizando este proceso de fabricación de grafeno se pueden Deposición de átomos de carbono:
conseguir mayores cantidades de material. Sin embargo, los costes de producción son relativamente altos.
Oxidación-Reducción de óxido de grafeno: Utilizando
reacciones redox se puede conseguir que el óxido de grafeno (que es un material bastante más fácil de conseguir en grandes cantidades) sea purificado hasta convertirse en grafeno. Para ello, se oxida el grafeno con sustancias químicas, por ejemplo, que contengan hidrógeno (que, junto al oxígeno, formará agua) y posteriormente se reduce con elementos compuestos de carbono para “rellenar los huecos” formados en el proceso anterior.
de los procesos anteriores, se puede operar sobre el grafeno manipulando moléculas de óxido de grafeno hasta conseguir el resultado deseado. Evidentemente se trata de un proceso mucho más costoso, pero permite manipular el grafeno hasta dotarlo de las características mecánicas y eléctricas que se deseen. Se trata, sin duda, de uno de los métodos que más está destacando para obtener grafeno.
Calificado como el 'material de dios' el grafeno está considerado el material del futuro y se aplica en múltiples campos distintos:
Obtención de grafeno de forma artificial: Además
Figura 5. Supuestas baterías de polímero de grafeno presentadas en España en 2016.
Tipos de Grafeno
de grafeno: Una de las principales aplicaciones del grafeno se encuentra en las baterías. Con este material se pueden fabricar baterías más duraderas, de mayor capacidad, con mayor tasa de carga y más resistentes.
Baterías
Se utiliza un reactor CVD en el cual se introduce gas con carbono y se aplica una cierta cantidad de energía, por tanto los átomos de carbono se depositan sobre un substrato metálico, donde posteriormente se transfiere las láminas de grafeno al sustrato final CVD (Chemical Vapor Deposition). Grafeno en lámina:
Grafeno en polvo: Este
tipo de grafeno utiliza un limpiador ultrasónico. Este método busca debilitar las interacciones moleculares del grafito y el grafeno mediante la oxidación del grafito, después el óxido de grafito se suspende en agua y se coloca un limpiador ultrasónico provocando que los ultrasonidos separen las láminas oxidadas de grafeno unas de otras obteniendo así escamas de óxido de grafeno con un espesor de 300 nanómetros aproximadamente. Sus propiedades no son tan buenas como el grafeno en lámina pues no conduce tan bien la electricidad como el primer tipo de grafeno. Grafeno Artificial: Este
tipo de grafeno se fabrica colocando y moviendo moléculas de óxido de carbono sobre una superficie de cobre. La ventaja es que tiene mayor pureza que el grafeno original y por tanto se puede manipular sus propiedades con mayor precisión y por defecto su desventaja es el costo de producción de este material.
Aplicaciones Todavía no hay aplicaciones prácticas de este material, pero los expertos creen que se lo puede emplear en múltiples aplicaciones.
Cableado: Debido a la gran conductividad y resistencia
del grafeno, es un material idóneo para la transmisión de información y energía. La tasa de datos que se puede conseguir con cables con grafeno es incluso superior a la de la fibra óptica a la que estamos acostumbrados. Pantallas y displays flexibles: Las
láminas de grafeno son transparentes, flexibles, altamente conductivas y se ven afectadas por efectos capacitivos al acercar los dedos. Todos estos factores lo convierten en un elemento ideal para el desarrollo de pantallas táctiles flexibles.
Estados Unidos se logró fabricar una lámina cuya diagonal mide 76 centímetros y que, gracias a las propiedades conductivas del grafeno, puede ser utilizada como pantalla táctil. Por su parte los investigadores de Corea del Sur han logrado fabricar láminas de mayor dimensión que sus pares de Texas, con la finalidad de que sean utilizadas como reemplazo de las actuales pantallas. El objetivo principal de estos investigadores busca encontrar un material menos contaminante que los que, en la actualidad, se utilizan en la fabricación de las pantallas. Actualmente LG y Samsung están en lucha para lanzar las primeras pantallas táctiles de grafeno.
Figura 6. Posible pantalla de grafeno.
Los altavoces actuales producen sonido moviendo grandes volúmenes de aire con membranas muy finas. En el caso de algunos sonidos (principalmente los más graves) esto supone un verdadero quebradero de cabeza. Las membranas sufren grietas con el uso continuado. En éste sentido, el grafeno presenta la dureza y flexibilidad perfectas, al mismo tiempo que resulta simple generar vibraciones en las láminas de grafeno que, además, pesan mucho menos que las actuales.
equipos médicos afinar mucho en lo relativo a la microcirugía. Además, el grafeno ya está demostrando ser muy eficiente a la hora de detectar células cancerígenas, permitiendo eliminar de nuestro organismo exclusivamente las células cancerosas. Concretamente, en el campo de la Física Médica se intenta desarrollar un método basado en inyectar al paciente partículas de grafeno, modificadas químicamente para que se adhieran a las células cancerosas. Aprovechando la propiedad que tiene este material para absorber la luz infrarroja, las irradiaciones con las que se trata el tumor actuarían directamente sobre las células dañadas, sin afectar al resto del cuerpo.
Equipos de audio:
Investigadores de la universidad americana de Brown han conseguido el cultivo de células utilizando hojas especiales texturizadas, arrugadas, de grafeno que imitan bien el complejo entorno 3-D corporal. Para obtenerlas utilizaron óxido de grafeno dispersado en una solución y se secó sobre un sustrato hecho de un material de silicio gomoso. Antes de aplicar el grafeno, se aplica tensión al sustrato para estirarlo como si fuera una banda de goma. Cuando el grafeno se seca, la tensión se libera y el sustrato vuelve a su tamaño normal y aparecen diminutas arrugas de unos pocos micrones de alto y espaciadas unas pocas micras entre sí.
Figura 7. Grafeno en membrana de altavoces o auriculares.
La técnica de captación de imágenes lleva bastante tiempo estancada. Las cámaras actuales se centran en aumentar el número de sensores para compensar las carencias de las tecnologías CCD y CMOS. El grafeno puede adaptarse para ser tremendamente sensible a factores de luminancia y crominancia. Las mejoras serán tales que, cuando se imponga esta tecnología, tendremos que mejorar las pantallas actuales para apreciar el verdadero potencial del grafeno en este campo. Sensores fotográficos:
el grafeno para que se modifique su comportamiento eléctrico con la luz incidente también tiene aplicaciones directas sobre la generación de energía. Las placas solares de grafeno serán capaces de proporcionarnos energía limpia de forma mucho más eficiente que las de silicio (que, por otra parte, tiene una eficiencia media del 20% con un peso muy superior).
Piezas mecánicas:
Pinturas: El
Placas fotovoltaicas: Adaptar
Generadores eléctricos : Sobre todo en el campo de los
pequeños dispositivos, una de las aplicaciones del grafeno más llamativas es su capacidad de comportarse como un material piezoeléctrico, produciendo corriente eléctrica al ser comprimido. Se pueden crear así dispositivos que se alimenten, por ejemplo, con las pisadas de una persona caminando. Procesadores a THz:
Menor tamaño, consumo, disipación de calor y auto enfriamiento componen la carta de presentación del grafeno para los circuitos integrados. Al poder someter este material a condiciones más exigentes de funcionamiento que el silicio se consiguen rendimientos increíblemente altos. Podemos así evitar el uso de procesadores en paralelo y, por tanto, los tiempos de espera en el envío de información de unos a otros.
Ingeniería biológica: Las
aplicaciones del grafeno en la ingeniería biológica y los nano sensores conforman un campo de estudio apasionante. El tamaño y la sensibilidad de los sensores de grafeno permite a los
Hasta ahora hemos visto cómo la fibra de carbono le ganaba terreno a los materiales de fabricación tradicionales. Con la fabricación de grafeno a gran escala tendremos un nuevo competidor. Uno que pesa menos, es más flexible, más duro y se autorrepara. Sin duda toda una revolución para el sector industrial.
grafeno puede agregarse a las pinturas tradicionales para dotarlas de mayor resistencia (haciendo que no se agrieten a causa de los factores climáticos). También puede utilizarse para aislar eléctricamente los elementos pintados.
¿Por qué no se ha usado hasta ahora? A parte del problema de la producción de grafeno en cantidades y costo, el grafeno no reemplazará al silicio en los dispositivos electrónicos Por ejemplo, el grafeno no presenta resistividad (resistencia eléctrica) con la que sí cuenta el silíceo. Esta falta de resistencia eléctrica hace que el grafeno no pueda dejar de conducir electricidad, lo que puede ser un gran inconveniente. Lo que parecen ventajas a todas luces se han encontrado sólo con un inconveniente: nadie en el planeta ha dado con la tecla para fabricarlo de manera masiva a un precio razonable. Hasta la fecha, todos los esfuerzos por fabricar grafeno han resultado en un material con impurezas que eliminan parte de sus ventajas. La universidad de Glasgow anunció el año pasado que habían encontrado con una técnica que abarataba hasta cien veces la producción. Que doce años después el grafeno no haya saltado a la electrónica de consumo de manera masiva es la mejor prueba de que la tecnología tiene más problemas de los previstos para llegar a todos los públicos.
IV. CONCLUSIONES
Al desarrollar este trabajo podríamos decir que el grafeno va a ser uno de los materiales más útiles en los próximos años. Todo nos lleva a pensar que el grafeno será muy codiciado.
Santiago I. Bautista nacido el 14 de agosto de 1995 en Loja, Ecuador. sus estudios secundarios los concluyó en el Instituto Superior Tecnológico” Daniel Álvarez Burneo” obteniendo su título de Bachiller en la especialidad de Físico-Matemáticas. En la actualidad se encuentra cursando el 5to ciclo de la carrera de Ingeniería Eléctrica en la Universidad de Cuenca. .
El grafeno a pesar de ser un material que está en investigación, y que aún no es puesto en práctica ya que no ha sido desarrollado al 100%, es nos dice que cuando las investigaciones terminen el grafeno será de gran aporte en diferentes campos de la ciencia, además de facilitarnos varios aspectos de nuestra vida.
Debido a las propiedades singulares del grafeno como: flexibilidad, transparencia, conducción de la electricidad, altamente resistente, lo convierten en un material único el cual puede ser tomado en consideración para diferentes proyectos.
El uso de esta nanotecnología nos ayuda mucho al empleo de menos hardware para la construcción de aparatos electrónicos ya que al ser materiales tan pequeños el espacio y volumen ocupados son mínimos, aumentando la versatilidad y la velocidad de respuesta de dichos aparatos electrónicos.
Es precisamente su estructura la que da la mayoría de sus propiedades al grafeno, En consecuencia, tal vez el grafeno traiga consigo nuevos y fascinantes materiales que no sospechábamos que podían existir.
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BIOGRAFÍAS Stalin F. Banegas estudió en la Unidad Educativa Particular Fe y Alegría Cuenca, graduado en el año 2013, actual estudiante de Ingeniería Eléctrica en la Universidad de Cuenca.
Christian I. Merchán terminó sus estudios secundarios en la Unidad Educativa Remigio Romero y Cordero en el año 2013, actualmente estudia la carrera de Ingeniería Eléctrica en la Universidad de Cuenca.
Marcelo S. Tenesaca Nació el 1 de marzo de 1996 en Cuenca, estudió en el colegio Técnico Daniel Córdova Toral de la ciudad de Cuenca y culminó sus estudios en el año 2013 en la especialidad de Instalaciones Equipos y Maquinas Eléctricas. Actualmente estudia en la Facultad de Ingeniería Eléctrica, cursando quinto ciclo.
