El grafeno

EL GRAFENO: NANOMATERIAL DEL FUTURO

FACULTAD: ING. QUIMICA

CURSO: DHTIC

DESARROLLO DE HABILIDADES EN EL

USO DE LAS TECNOLOGIAS DE LA

INFORMACION YLA COMUNICACION

FACILITADOR: YARED ELSA RUIZ

MORALES

ENSAYO FINAL

“EL NANOMATERIAL DEL

FUTURO”


EL GRAFENO: NANOMATERIAL

DEL FUTURO

2012

13/07/2012

Alfonso Pérez Huerta

Bertha Elena Sánchez López

Cristian Núñez Delgado

Flor Marcela Jiménez Toledo BENEMERITA UNIVERSIDAD AUTONOMA DE PUEBLA

El Grafeno es el material que va a revolucionar completamente la

forma de vida actual. En el 2004 se dio a conocer como el material

más fuerte del mundo; no siendo esta su única cualidad. Sus diversas

propiedades lo colocan entre los materiales más asombrosos del

momento y sus aplicaciones prometen dar un cambio drástico a todo lo

que conocemos actualmente, éstas van desde la electrónica a la

medicina.


GRAFENO: EL NANOMATERIAL DEL FUTURO

INDICE

1. Introducción

2. Historia del Grafeno

3. Descripción del Grafeno

4. Extracción del Grafeno

5. Propiedades

5.1. Extrínsecas

5.2. Electrónicas

5.3. Físicas

6. Aplicaciones

6.1. Electrónica

6.1.1 Velocidad de proceso

6.1.2. Pantallas

6.1.3. Memorias flash

6.1.4. Celdas solares

6.2. Aeronáutica

6.3. Blindaje

7. Costos

8. Conclusión

9. Bibliografía

10. Citas textuales


INTRODUCCION

La nanociencia es una rama de la ciencia que estudia los procesos fundamentales

que suceden en las estructuras de tamaño muy pequeño, entre 1 y 100

nanómetros, (1nm = 1x1 m) las cuales se conocen como nanoestructuras.

Dentro de esta encontramos a la nanotecnología, que es el área de investigación

que estudia, diseña y fabrica materiales o sistemas a escalas nanoscopicas y les

da alguna aplicación práctica.

El carbono es un elemento muy abundante e importante en la naturaleza.

Presenta una gran facilidad para unirse consigo mismo y con otros átomos

pequeños a punto de formar más de 10 millones de moléculas diferentes y con

características específicas. Dentro de estas estructuras del carbono encontramos

al Grafeno, una lámina de carbono cuyo espesor puede ser de un solo átomo, que

muestra propiedades electrónicas, físicas y químicas exóticas revistiendo un gran

interés para la investigación fundamental y el desarrollo de nuevos materiales. En

consecuencia estas características, que lo hacen único, abre un amplio panorama

de usos y aplicaciones al quehacer científico que toca diversas áreas de desarrollo

tecnológico, lo que pone de manifiesto que con este material podríamos

revolucionar el mundo de la tecnología y si las investigaciones actuales generan

los resultados esperados, se podría llegar a mejorar la calidad de vida de las

personas, obteniendo provechosos beneficios que jamás se llegarían a alcanzar

con otro tipo de material, de aquí la importancia de nuestro trabajo que pretende

divulgar un poco de lo que es el asombroso mundo de la nanociencia, e interesar

a los jóvenes estudiantes en estas áreas de investigación, básica y aplicada. Con

el propósito de lograr que nuestro país no se quede a orillas del desarrollo

tecnológico, como ha sucedido en generaciones anteriores, sino ir cada vez más a

la par del progreso de estas innovaciones, ya que nos encontramos en un mundo

en continua globalización y crecimiento tecnológico.


HISTORIA

Con los nuevos artículos y demás información publicada acerca del Grafeno se

podría pensar que es un descubrimiento reciente, pero fue conocido desde

mediados del siglo XX. Su estructura y enlace fueron descritas en 1930, la

estructura de bandas electrónica fue calculada por primera vez por Wallace en

1949, lo que explicaría la capacidad de conducción de electrones a través de las

distintas capas de este material, que consiste en capas de átomos de carbono

unidos entre sí. Pero estos descubrimientos e investigaciones no fueron tomados

en cuenta, debido a que Peierls en 1934 y 1935 junto con Landau en 1937

demostraron teóricamente que este material era termodinámicamente inestable

sobre todo a temperatura ambiente. Fue en el año de 1994 donde se adoptó el

nombre de Grafeno después de usarse indistintamente con monocapa de grafito,

en el campo de la ciencia de superficies.

Fue hasta el año de 2004 que se obtuvo por primera vez el grafeno, a través del

grafito, fueron los investigadores, Andre Geim y Kostantin Novoselov de la

Universidad de Manchester, los que sintetizaron este material. Éstos recibieron el

premio nobel de Física en el 2010 por sus revolucionarios descubrimientos sobre

este material bidimensional. Desde entonces este material ha creado gran interés

para muchos científicos, por sus múltiples aplicaciones.

DESCRIPCION DEL GRAFENO

El Grafeno es una alotropía1 de carbono,

tiene la forma de un hexaedro (panal de

abeja), posee átomos de carbono y enlaces

covalentes, formados por la superposición de

los híbridos sp2 de los carbonos enlazados.

1 Alotropía: Propiedad que poseen determinado elementos químicos; se presenta cuando tienen una misma

composición pero aspectos diferentes en un mismo estado de agregación de la materia, generalmente en el estado solido. En el caso del carbono se presenta en forma de grafito, diamante, grafeno y fulereno.

http://es.wikipedia.org/wiki/Grafito

http://es.wikipedia.org/wiki/Diamante

http://es.wikipedia.org/wiki/Grafeno

http://es.wikipedia.org/wiki/Fulereno


Su nombre proviene de la palabra grafito la cual a su vez viene del griego grafein,

que significa “escribir”. (Revista Investigación y Ciencia, nº 381, pág. 54). El grafito

es una composición de muchas capas de Grafeno superpuestas.

Los enlaces entre las distintas capas de Grafeno, se debe a las fuerzas de Van

der Walls e interacciones entre los orbitales π de los átomos de carbono, lo más

impresionante es que una capa de Grafeno es muy estable, fuerte, flexible y

posee otras propiedades e implicaciones que van desde la física cuántica a la

electrónica de consumo.

EXTRACCIÓN DEL GRAFENO

Fue en el 2004 en el año en que el los investigadores Andre Geim y Kostantin

Novoselov, obtuvieron el Grafeno a través del procedimiento llamado exfoliación

micro mecánica, el cual consistió en pintar con un lápiz un papel; aplicar con un

trozo de celo al sombreado y transferir las adherencias a una superficie limpia.

Este procedimiento perfeccionado,

actualmente es el más utilizado para

obtener una monocapa de grafeno,

(Revista Investigación y Ciencia, nº

381). Aunque se han encontrado

diferentes maneras de extracción

tales como: aislar este elemento

intercalando átomos en la masa del

grafito separando las partículas

adheridas a los átomos insertados

mediante reacciones químicas, o

bien; la que consiste en agregar sustancias químicas entre las capas de átomos

que permite debilitar los enlaces entre ellas y así lograr la separación de las

láminas.


Se está investigando la posibilidad de obtener el Grafeno de una forma “cultivo”,

como se hace con otros compuestos del carbono. Solo que el Grafeno de “cultivo”

por deposición química y descomposición térmica no supera los resultados de la

exfoliación micro mecánica.

Este es un material prometedor por su amplio abanico de la ciencia y tecnología

por lo que se encuentra en un proceso de investigación para lograr resultados que

nos beneficien a la sociedad en general. Pero ¿Qué hay detrás de este gran

material?

PROPIEDADES

Propiedades Fisicoquímicas

El Grafeno se encuentra más expuesto a influencias externas que otros

materiales, los procesos de síntesis y crecimiento a presión atmosférica y

temperatura ambiente no permiten un control preciso del entorno.

Los electrones se desplazan por el material sin ser desviados por imperfecciones

en la sustancia ni por átomos extraños, ni siquiera son importantes las

perturbaciones que sufren los electrones a temperatura ambiente. De esta manera

las propiedades de conducción del Grafeno no llegan todavía a igualar las de los

semiconductores más utilizados en la fabricación de circuitos integrados. A pesar

de la limitada calidad de las primeras muestras, su especial estructura electrónica

ya ha permitido observar procesos como el efecto Hall cuántico fraccional.

“Las propiedades de conducción del Grafeno no llegan todavía a igualar las de los

semiconductores más utilizados en la fabricación de circuitos integrados,

obtenidos en salas blancas mediante un proceso finamente controlado.” (González

Carmona, J., Hernández Vozmedio, M. A., Guinea, F. (2010).


Propiedades electrónicas

Ahora sabemos que el Grafeno es un material fuera de

lo común puesto que sus propiedades electrónicas lo

sitúan en primer lugar entre el conjunto de los metales y

el de los semiconductores; ya que gracias a la forma de

las bandas del Grafeno sabemos que puede existir una

situación intermedia entre tener o no el nivel de Fermi2

en la brecha que separa las bandas de energía; ya que

el valle de la banda que esta desocupada con menor energía (banda de

conducción) lo encontramos pegado en un solo punto a la cima de la banda

ocupada que tiene la mayor energía (banda de valencia).

Spin trónica. Como consecuencia de la búsqueda de nuevos y cada vez más

pequeños dispositivos electrónicos, los físicos e ingenieros dedicados a la

investigación en el campo de la nanotecnología se encuentran con nuevas

propiedades y comportamientos extraños. A estos tamaños, la propiedad cuántica

de los electrones llamada Spin toma un rol muy importante en las propiedades del

nano sistema, como en el caso del Grafeno. Los dispositivos que usan esta

propiedad del electrón para realizar sus funciones forman lo que se denomina Spin

trónica o Magneto electrónica por analogía con la palabra Electrónica.

Propiedades físicas

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 vez con gran capacidad de curvatura cundo se

le aplica un esfuerzo mecánico. Resistencia que es

hasta 200 veces mayor que la del acero.

2 Nivel Fermi: Nivel energético más alto ocupado por un electrón a 0ºK.


La tecnología día con día avanza, por ello es necesario estar informado de todos

aquellos nuevos productos que nos ayudan a tener una mejor calidad de vida, en

este ensayo, hemos estado hablando del Grafeno un nanomaterial que se ha

convertido en uno de los mas investigados en los últimos años, al cual gracias a

sus diferentes propiedades y características, es ahora un boom para la creación

de nuevas tecnologías.

Gracias a lo anterior, podemos ver que las vastas propiedades del Grafeno

prometen dejar una nueva generación de dispositivos electrónicos decenas de

veces más rápidos, pequeños e incluso plegables.

APLICACIONES:

Aquí van las diferentes aplicaciones, desde las primeras, pantallas o radares,

hasta las que se vendrán después, complejísimos circuitos eléctricos. Como

declaraba uno de los expertos consultados, cualquier objeto, ropa, papel, ventanas

o nuestro propio cuerpo, será electrónico.

En los avances de la tecnología electrónica este material proporciona una

alternativa al silicio, diversos investigadores se han encargado de profundizar el

estudio para aprovechar al máximo la propiedad de conductividad tan

extraordinaria que presenta; gracias a estos estudios en la actualidad existen

nuevos transistores que aunque en un principio presentaron algunos problemas de

estabilidad hoy en día son bastante funcionales para la creación de circuitos

electrónicos, además de que al ser extremadamente pequeños y no oxidarse

prometen un futuro revolucionario en las pantallas, tablets ,entre otros dispositivos

electrónicos. Al mismo tiempo, se están creando memorias flash las cuales utilizan

la propiedad antes mencionada permitiendo una mayor capacidad de almacenaje

de información e incrementando la velocidad de proceso hasta 155GHz, éste

remplazo no solo se enfoca en las memorias sino que toma en cuenta una gran

variedad de dispositivos electrónicos.


Por otro lado, aprovechando la gran conductividad de este material se ha

promovido la creación de baterías que prometen dejar atrás a las existentes,

“Científicos de la Universidad de Northwestern en Estados Unidos han modificado

los materiales que componen las baterías hechas de ion de litio para aumentar su

potencia y su vida.”Ansuini C. (s.f.). Es así como podemos darnos cuenta que en

un futuro los dispositivos electrónicos tales como los celulares, computadoras

portátiles, los reproductores de música, tablets, y todo aquello que utilice este tipo

de baterías nos brindaran un

servicio a un mas eficaz ya

que una gran particularidad de

estas nuevas creaciones es

que almacenan por mas

tiempo la energía y son mas

duraderas, aunque como todo

con el paso del tiempo va

disminuyendo su capacidad

de estima que aun serán

mejores que las baterías que

estos dispositivos utilizan

actualmente.

Sin duda alguna las empresas

líderes en tecnología no dejan de estar al tanto de este prometedor material, y

algunas de ellas como Samsung, se han ayudado de la Universidad

Sungkyunkwa, de Corea del Norte, para fabricar en un futuro no muy lejano las

primeras pantallas enrollables (flexibles) táctiles y con circuitos invisibles que

serán tan fuertes como el acero. Martín A. (26/10/11).

http://www.northwestern.edu/


Celdas Solares:

El uso del Grafeno para la creación de celdas

fotovoltaicas ya es una realidad, por su

capacidad para almacenar y conducir la energía,

ser transparente, rígido, ligero y flexible, se tiene

pensado aplicarlo a superficies irregulares o

directamente como ventanas, generando una

alternativa bastante económica y amigable con

la naturaleza. Paneles solares en base a

Grafeno (17/01/11).

Por otro lado, los avances de este peculiar nanomaterial se enfocan en otras áreas

(aeronáutica y blindaje).

Aeronáutica

Carburante para Aviones: Se ha comprobado que nano partículas compuestas

por fragmentos de Grafeno de escasos angstroms de espesor son capaces de

mejorar la efectividad en el encendido y la combustión. Los aditivos de

combustible junto con partículas de Grafeno podrían lograr que los motores

cuenten con mejores rendimientos y de eficiencia por tanto mejore la

sostenibilidad ambiental. Piacente P.J.(22/07/09)

Blindaje

Aplicaciones militares: Para el uso militar tampoco ha pasado desapercibido

este material, como ya se menciono este se ha catalogado como el mas fuerte del

mundo además de ser extremadamente ligero, delgado, es por ello que se ha

procurado su uso para la confección de chalecos antibalas, lo cual permite que

estos a su vez sean mas cómodos mas estéticos y pasen casi desapercibidos.

Sin dejar de lado su uso en los vehículos, cajas fuertes, y otros dispositivos de

seguridad.


CONCLUSION

El Grafeno es un material prometedor del que se esperan muchas aportaciones,

algunas de ellas se han expuesto claramente a lo largo del texto y muchas otras

aún no se conocen, sin embargo se sigue trabajando en ello para poder llegar a

mejores resultados que no solo nos brinden lo que necesitamos como sociedad en

general sino que este desarrollo se desenvuelva amigablemente con el medio

ambiente y sea accesible para un mayor número de personas.

Finalmente, podemos resaltar que el estudio de las propiedades exóticas del

Grafeno, ha puesto de manifiesto interesantes relaciones entre los modelos

usados desde ciencia e ingeniería química de materiales, como en física,

electrónica, hasta aplicaciones en el área de salud, todo esto gracias a la extensa

gama de propiedades y usos que nos ofrece, remarcando el esfuerzo y

colaboración de cientos de investigadores de todo el mundo. En este contexto

nuestra intención es adentrarlos para seguir las huellas de estas nuevas y

asombrosas investigaciones, ya que se vuelve una tarea para la sociedad buscar

un desarrollo sustentable cuando cada vez más el avance científico-tecnológico

impacta en nuestra vida cotidiana. Como lo menciono el científico espacial ruso

Konstantin Tsiolokovsky “los imposibles de hoy serán posibles mañana”.


Bibliografía:

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mundo mejor átomo por átomo (1 Edición) México: Secretaría de Educación

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