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EL GRAFENO.
Brayan Steven León Martinez.
Grado:77
Codigo:22
Melisa Isabel Tamara Urruita.
Colegio Técnico Industrial José Elías
Puyana.
INTRODUCCIÓN
• 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".
QUE ES EL GRAFENO.
• El grafeno es una sustancia formada de carbono
puro, con átomos dispuestos en patrón regular
hexagonal, similar al grafito, pero en una hoja de
un átomo de espesor. Es muy ligero, una lámina
de 1 metro cuadrado pesa tan sólo 0,77
miligramos. Se considera 200 veces más fuerte
que el acero y 200 veces menos pesado.
• Es un alótropo del carbono,
un teselado hexagonal plano (como panal de
abeja) formado por átomos de carbono y alances
covalentes que se generan a partir de la
superposición de los híbridos sp2 de los carbonos
enlazados.
ALGUNAS DE LAS CARACTERÍSTICAS
MÁS DESTACADA DEL GRAFENO
• • Alta conductividad térmica.
• Alta conductividad eléctrica.
• Alta elasticidad (deformable).
• Alta dureza (resistencia a ser rayado).
• Alta resistencia. El grafeno es aproximadamente 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 silicio.
• Es capaz de generar electricidad
•
DESCRIPCIÓN.
• Anteriormente, se han utilizado para el término grafeno
descripciones como capas de grafito, capas de carbono u hojas de
carbono. [...] No es correcto utilizar, para una sola capa, un término
que incluya el término grafito, que implica una estructura
tridimensional. El término grafeno debe ser usado sólo cuando se
trata de las reacciones, las relaciones estructurales u otras
propiedades de capas individuales.
• El grafeno perfecto se constituye exclusivamente de celdas
hexagonales; las celdas pentagonales o heptagonales son defectos.
Ante la presencia de una celda pentagonal aislada, el plano se
arruga en forma cónica; la presencia de 12 pentágonos crearía
un fulereno. De la misma forma, la inserción de un heptágono le
daría forma de silla. Los nanotubos de carbono de pared única son
cilindros de grafeno.
PROPIEDADES DEL GRAFENO.
• Entre las propiedades más destacadas de este material se incluyen:
• Algunos científicos de la Universidad de Ilinois en Michigan
aseguran que tiene porpiedade de autoenfriamiento.
• Alta conductividad térmica y eléctrica.
• Alta elasticidad y dureza.
• Resistencia (200 veces mayor que la del acero)
• El grafeno puede reaccionar químicamente con otras sustancias
para formar compuestos con diferentes propiedades, lo que dota a
este material de gran potencial de desarrollo.
• Soporta la radiación ionizante.
• Es muy ligero, como la fibra de carbono, pero más flexible.
• Menor efecto Joule; se calienta menos al conducir los electrones.
• Consume menos electricidad para una misma tarea que el silicio.
APLICACIONÓN EN ELECTRÓNICA.
• El grafeno tiene propiedades ideales para ser utilizado como
componente en circuitos integrados. El grafeno tiene una alta
movilidad de portadores, así como un bajo nivel de ruido, lo
que permite que sea utilizado como canal en transistores de
efecto de campo (FET). La dificultad de utilizar grafeno
estriba en la producción del mismo material, en el substrato
adecuado. Los investigadores están buscando métodos como
la transferencia de hojas de grafeno desde el grafito
(exfoliación) o el crecimiento epitaxial (como la grafitización
térmica de la superficie del carburo de silicio). En diciembre
de 2008, IBM anunció que habían fabricado y caracterizado
transistores operando a frecuencias de 26GHz. En febrero del
2010, la misma IBM anunció que la velocidad de estos
nuevos transistores alcanzaba los 100 GHz.
APLICACIÓN EN ELECTRÓNICA
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Cables de alta velocidad
Investigadores de la universidad de cambridge lograron que el grafeno
fuera capaz de captar una gran cantidad de luz, lo que se puede utilizar en
la creación de cables de fibra óptica muy veloces que se benefician de otra
de las propiedades del material: los electrones se desplazan rápidamente
en él. así, se prometen cables de grafeno que podrían mover información
cientos de veces más rápido que uno actual, lo que podría implementarse
en el área de las telecomunicaciones para la instalación de redes más
veloces, aumentando así la capacidad y rapidez de internet, la telefonía
móvil y en definitiva, todas las comunicaciones que se llevan a cabo sobre
nuestro planeta.
Súper-baterías
Quizás uno de los descubrimientos más emocionantes es el relacionado al
campo de las baterías, donde hoy en día la tecnología permite dispositivos
que funcionan durante pocas horas hasta requerir de una carga eléctrica
que puede durar otras varias horas, degradando la experiencia de uso en
teléfonos móviles, tabletas y computadoras portátiles.
APLICACIÓN EN ELECTRÓNICA.
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Pantallas táctiles flexibles
Al ser capaz de conducir electrones de muy buena forma casi sin calentarse en
el proceso, investigadores de la Universidad de Texas y la Universidad de
Corea del Sur descubrieron que una lámina de grafeno puede usarse en el
desarrollo de pantallas táctiles, aprovechando el hecho de que una lámina de
grafeno puede ser totalmente transparente, ideal para colocar por sobre un
panel de pixeles sin disminuir el brillo de su retroiluminado. Además, esa
delgada lámina de grafeno sensible a la conducción eléctrica y que captaría
nuestros toques puede ser muy flexible, aportando a lo que podrían ser futuras
pantallas táctiles flexibles, lo que bien podría acompañarse de la tecnología
OLED flexible para el desarrollo de esta clase de tecnología.
Audífonos y parlantes más que profesionales
Qin Zhou y Alex Zettl son dos científicos de la Universidad de California que
quieren revolucionar el mercado del audio gracias a sus audífonos y parlantes
de grafeno. La idea es crear un diafragma hecho de grafeno que se coloque en
medio de dos electrodos para crear un campo magnético, tras lo cual el grafeno
vibra y produce sonido. Según los investigadores, sin mucho trabajo posterior
para "afinar" los audífonos y darles un tratamiento especial, se consiguió un
sonido a la par de productos actuales de alta calidad. Y como el diafragma de
grafeno utiliza una lámina que es muy delgada, el tamaño y peso del producto
también puede ser muy reducido, por lo que podrían crearse audífonos de alta
calidad que al mismo tiempo sean muy pequeños y livianos.
APLICACIÓN EN ELECTRÓNICA.
• Cámaras fotográficas mil veces más sensibles
• Una cámara fotográfica actual está compuesta, básicamente, de un
lente por el que pasa la luz y que luego llega a un sensor,
captándola y transformándola en información digital. Lo que
investigadores de la Nanyang Technological University en Singapur
lograron fue crear un sensor hecho de grafeno, aumentando la
sensibilidad del dispositivo unas mil veces en relación a las
tecnologías actuales CMOS o CCD. Estamos hablando de una
mejora escandalosamente alta para lo que son sensores utilizados
en cámaras profesionales y compactas, permitiendo mejores
capturas en condiciones de poca luz y en general para cualquier
ocasión. Además, estos nuevos sensores de grafeno consumen
diez veces menos energía y son cinco veces más económicos de
producir en masa que los convencionales, por lo que más que
interesante, su llegada al mercado se nos hace casi necesaria.
DESCUBRIMIENTO DEL GRAFENO.
• El repentino aumento del interés científico por el grafeno puede dar
la impresión de que se trata de un material nuevo. En realidad se
conoce y se ha descrito desde hace más de medio siglo. El enlace
químico y su estructura se describieron durante el decenio de 1930.
P. R. (Philip Russell) Wallace calculó por primera vez (en 1949) la
estructura electrónica de bandas. Al grafeno se le prestó poca
atención durante décadas al pensarse que era un material inestable
termodinámicamente ya que se pensaba que las fluctuaciones
térmicas destruirían el orden del cristal dando lugar a que el cristal
2D se fundiese. Bajo este prisma se entiende la revolución que
significó que Geim y Novoselov consiguiesen aislar el grafeno a
temperatura ambiente. La palabra grafeno se adoptó oficialmente
en1994, después de haber sido designada de manera indistinta –en
el campo de la ciencia de superficies– « monocapa de grafito».
DESCUBRIMIENTO DEL GRAFENO.
• Además, muchas nanoestructuras recientemente
descubiertas, como los nanotubos de carbono,
están relacionadas con el grafeno.
Tradicionalmente, a estos nanotubos se les ha
descrito como «hojas de grafeno enrolladas sobre
sí mismas». De hecho las propiedades de los
nanotubos de carbono se explican y entienden
fácilmente a partir de las inherentes al
grafeno. Se ha descrito también la preparación
de nanotiras de grafeno mediante nanolitografía,
haciendo uso de un microscopio de efecto túnel.1
APLICACIÓN EN DESALINIZACIÓN DEL
AGUA.
• Está en fase de investigación el uso de una lámina
de grafeno con poros de 1,8 nm para sustituir las
membranas en el proceso de osmosis invertida
para la desalinización del agua. Según las
investigaciones actuales se obtendrían eficiencias
mucho mayores que con las membranas actuales,
y se tendrían requerimientos menores de
energía. En el estado actual, el inconveniente es
el costo de las membranas de grafeno, pero se
espera que en el futuro estos costos podrán ser
reducidos
TÉCNICAS DE PRODUCCIÓN DEL
GRAFENO.
• El problema principal que impide la explotación del grafeno es que
la producción de grandes muestras es limitada. Las diferentes
técnicas tradicionales de fabricación por orden ascendente de
escalabilidad son:
• Exfoliación con cinta adhesiva: "Scotch Tape"
• Deposición desde la fase vapor: "CVD (Chemical Vapor Deposition)"
• Exfoliación con disolventes: "Liquid Phase Exfoliation"
• Mediante descarga de arco eléctrico y generación de plasma
• Oxidación-Reducción
• La calidad de las muestras va en sentido contrario al de la
escalabilidad: a más escalabilidad del proceso menor calidad de las
muestras.
TÉCNICAS DE PRODUCCIÓN DEL
GRAFENO
• Recientemente, investigadores de la Universidad de
Rice han conseguido sintetizar grafeno a partir del
azúcar común a 800 ºC siendo el grafeno resultante de
alta calidad. Otra nueva técnica procede del IPCPASInstituto de Química Física de la Academia Polaca de
Ciencias conjuntamente con el IRI-Instituto de
Investigación Interdisciplinaria de Lille. La técnica de
fabricación que utilizaron fue la oxidación del grafito
obteniéndose un polvo llamado óxido de grafito.
Posteriormente se suspende en agua y se coloca en un
limpiador ultrasónico. Los ultrasonidos separan las
láminas oxidadas de grafeno y permiten la obtención
de escamas de grafeno de 300 nm de espesor
7 USOS PARA EL GRAFENO.
• Auriculares de alta calidad
• Aunque podría parecer que los usos del grafeno no tendrían que ver, a
primera vista, con su aplicación en la industria de la música, lo cierto es
que estamos ante un tremendo error. Puede, y de hecho, lo hace. Por lo
menos desde que hace un tiempo investigadores de la Universidad de
Berkeley en California, crearan los primerosa uriculares basados en
grafeno, donde la mejora en cuanto a la calidad de sonido era más que
evidente.
• El hecho de que la membrana esté fabricada con grafeno, mejora la
percepción y la experiencia de los usuarios. Una señal evidente de que el
grafeno puede ser utilizado en muy diversos sectores.
• Tejidos humanos basados en grafeno
• Otro de los avances en los que podría utilizarse el grafeno es en el
desarrollo de implantes artificiales. En particular, la adaptabilidad de este
material, unido a su resistencia y estabilidad, permitirían que fuera
utilizado en la creación de implantes para tejidos neuronales.
7 USOS PARA EL GRAFENO.
• Los resultados de este tipo de trabajo (en particular el equipo de la
Universidad Técnica de Múnich realizó pruebas en células
ganglionares de la retina) serían una clara muestra de que el
grafeno también puede ser usado en medicina con un alto
porcentaje de éxito. Procesadores de alta velocidad basados en
grafeno
• Si la medicina y la música iban a ser grandes beneficiadas por los
avances tecnológicos en el desarrollo del grafeno, ¿acaso no iba a
serlo también la electrónica? La construcción de un circuito
integrado que funcionaba a 1,28 GHz por parte de científicos del
Politecnico di Milano y la Universidad de Illinois parece confirmar
que avanzamos en esa dirección.
• Los circuitos integrados, que forman parte de cualquier dispositivo
electrónico, podrían mejorarse con grafeno, ya que podríamos
contar en los próximos años con microprocesadores más veloces,
flexibles o incluso más pequeños.
7 USOS PARA EL GRAFENO.
• Procesadores de alta velocidad basados en grafeno
• Si la medicina y la música iban a ser grandes beneficiadas
por los avances tecnológicos en el desarrollo del grafeno,
¿acaso no iba a serlo también la electrónica?
La construcción de un circuito integrado que funcionaba a
1,28 GHz por parte de científicos del Politecnico di Milano y
la Universidad de Illinois parece confirmar que avanzamos
en esa dirección.
• Los circuitos integrados, que forman parte de
cualquier dispositivo electrónico, podrían mejorarse con
grafeno, ya que podríamos contar en los próximos años con
microprocesadores más veloces, flexibles o incluso más
pequeños.
7 USOS PARA EL GRAFENO.
• Mejores fotografías, gracias al grafeno
• Haciendo este repaso sobre utilidades y aplicaciones
asombrosas de este material, también nos encontramos con
nuevos avances que pueden mejorar nuestra experiencia
como fotógrafos. ¿Se imaginan un sensor fotográfico, mil
veces más sensible que los tradicionales CCD y CMOS? Con el
grafeno, esto ya sería posible. Debido a su alta conductividad
eléctrica, el sensor de grafeno podría captar las señales
eléctricas de manera más prolongada, lo que mejoraría la
nitidez de las imágenes tomadas, y también el precio asociado
a los sensores convencionales. ¿Podría ser usado el grafeno,
por ejemplo, en las nuevas cámaras de los smartphones, para
que estos pudieran hacer fotos de noche mucho más nítidas?
En los próximos años resolveremos esta cuestión.
7 USOS PARA EL GRAFENO.
• El grafeno posibilitaría contar con baterías de mayor duración
• El gran sueño de cualquier fabricante que realice dispositivos electrónicos
está en contar con baterías que duren más. Científicos de la Universidad
de Northwestern en Estados Unidos han utilizado, en lugar del
convencional litio, grafeno para realizar estas baterías que duran una
semana y se cargan en solo 15 minutos.
• Un nuevo trabajo que se une a los anteriormente reseñados, y que
demuestra lo mucho que puede aportar este material a las investigaciones
y desarrollos tecnológicos en áreas muy diversas y casi diametralmente
opuestas.
• Desalinización: filtrar agua de mar con grafeno nanoporoso
• Con los problemas asociados al cambio climático y la sequía que
avanza cada vez más rápido, necesitamos fuentes de agua que
pudiera ser potable. Una de las iniciativas que se considera desde
hace años es la posibilidad de desalar agua de mar, con el
inconveniente de que estos proyectos son muy caros y complejos.
7 USOS PARA EL GRAFENO.
• Sin embargo, el aporte de científicos del MIT, que ha
permitido crear filtros en las desaladoras basados en
grafeno monoporoso, un material que permite ejercer
una menor presión y un aumento asociado de
la velocidad de los propios procesos de desalinización.
• Aunque por ahora los exitosos resultados solo han sido
comprobados por simulación computacional, y faltaría
realizar pruebas “de campo”, lo cierto es que el grafeno
presenta una larga lista de usos asombrosos, de los que
sin duda nos beneficiaremos en el futuro.
OBJETOS DE GRAFENO.
OBJETOS DE GRAFENO.