martes, 17 de enero de 2017

EL GRAFENO

TERTULIA DEL 18/1/17. Juan Vázquez Mateos. Ingeniero de Telecomunicación


1.- El grafeno

            El grafeno es una sustancia compuesta exclusivamente por carbono, como el diamante o el grafito.

            Su nombre proviene de la combinación de la palabra grafito y el sufijo ‘-eno’ que se utiliza para definir alquenos en química orgánica (los alquenos son hidrocarburos -moléculas compuestas por hidrógeno y carbono- insaturados - hidrocarburo en el que algún átomo de carbono está unido a otro a partir de un enlace doble o triple- que tienen uno o varios enlaces carbono-carbono en su molécula. Se puede decir que un alqueno es un alcano que ha perdido dos átomos de hidrógeno produciendo como resultado un enlace doble entre dos carbonos).

            Lo que realmente define sus propiedades y características, es la unión de los distintos átomos de carbono entre sí. En el caso del grafeno, cada átomo de carbono dispone de cuatro electrones con los que interacciona, (electrones de valencia). Tres de estos electrones se unen con sendos electrones de otros tres átomos de carbono adyacentes. Estos enlaces se forman en ángulos de 120º sobre un mismo plano, formando enlaces covalentes *1, en una red cristalina de dos dimensiones.

            El cuarto electrón se encuentra libre, perpendicular a la estructura cristalina anterior, y se une a otro electrón libre de un átomo adyacente, formando un orbital en pi. Si los electrones libres de los átomos de una lámina de grafeno se unen con los electrones libres de los átomos de otra lámina adyacente, forman grafito.

            Así el grafeno es una estructura laminar plana, bidimensional del espesor del orden de un átomo.


2.- Un poco de historia

            En 1907 se realizó la primera descripción de este nuevo material de carbono. Este trabajo fue publicado por Acheosn, E. G. en la revista de Journal of the Franklin Institute.

            En 1947 Wallce P. R., publica un artículo en la revista Phyical Review, en el que describe que el grafito es un semimetal, esto es, que no existen electrones libres a una temperatura igual a 0 grados Kelvin, pero que si es posible pasar electrones de la banda de de valencia a la banda de conducción, cuando la temperatura sube de 0 grados Kelvin

            En 1962 se usa por primera vez el término ‘grafeno’ para referirse al grafito exfoliado químicamente, proceso en el que por medio de ácidos fuertes y otros químicos, el grafito se separa (exfolia) produciendo hojas de carbono individuales. Estas hojas constituyen el material más delgado que existe. Este trabajo fue publicado por Boehm, H. P.; Clauss, A; Fisher, G; Hofman, U; Fischer, G. O; en la revista alemana Z Naturforsch.

            En 1975 se produce por primera vez grafeno mediante un tratamiento térmico en el cual es sometido el carburo de silicio a 800 grados centígrados. A través de este proceso, una monocapa de átomos de carbono es expulsada del carburo de silicio formando grafeno. Los resultados de este trabajo fueron publicados en la revista Surface Science.

            En 2004 se realizó la producción y descripción de las propiedades electrónicas del grafeno formado de varias capas (grafeno multicapa). El material fue producido mediante la técnica de crecimiento epitaxial (proceso por el que se hace crecer, mediante deposición, sobre una capa cristalina de material semiconductor, otra capa uniforme y de poco espesor con la misma estructura cristalina que éste), generando grafeno de 3 capas. El trabajo de Berger, C; Song, Z; Li, T; Li, X; Ogbazghi, A. Y; Freng, R.; Dai, Z; Marchenkov, A. N.; Conrad, E. H.; First, P. N. y Heer, W. fue publicado en la revista J. Phys. Chem

            En este mismo año, se describen experimentalmente las propiedades electrónicas del grafeno colocado sobre un soporte. En el artículo se describen las propiedades de una película de grafeno monocristalina de pocos átomos de espesor, pero estable en condiciones normales de temperatura y humedad y que se comporta como un metal. El trabajo fue publicado por Novoselov, K. S.; Geim, A. K.; Morozov, S. V.; Jiang, D.; Zhang, Y.; Dubonos, S. V.; Gigorieva, I. V.; y Firsov, A. A. en la revista Science.

            En 2005 Novoselov, K. S., Jiang, D., Schedin, F., Booth, T. J., Khotkevich, V. V., Morozov, S. V. y Geim, A. K. utilizaron un método simple para producir grafeno a partir de grafito utilizando una cinta adhesiva (una simple cinta adhesiva pegada sobre una superficie de grafito). Este proceso genera hojas de carbono de un solo átomo de espesor (grafeno), con una alta cristalinidad, que además son estables en condiciones normales y sin sustrato alguno. El trabajo se publicó en la revista Proc. Natl. Acad. Sci.
             
            En 2009 comenzaron a producirse hojas de grafeno de gran tamaño mediante la técnica de de deposición química de vapores (similar al crecimiento epitaxial, donde el sustrato (oblea) se expone a uno o más precursores volátiles, que reaccionan o se descomponen en la superficie del sustrato para producir el depósito deseado), utilizando una hoja de níquel como sustrato. El material resultante se utilizó para fabricar electrodos con muy baja resistencia eléctrica, transparentes y flexibles. Los resultados se publicaron en la revista Nature.

             Los experimentos llevados a cabo por Geim, A; y Novoselov, K; les valieron el Premio Nobel de Física en 2010.
3.- Propiedades del grafeno

1.- Dureza: El grafeno es más duro que el diamante. Una lámina de grafeno es 100 veces más dura que una lámina del mismo grosor de acero

2.- Es transparente, aunque al poseer interacciones con otras moléculas, similares a las del grafito, a simple vista posee un color grisáceo

3.- Es elástico: la rigidez (resistencia del material a doblarse por acción de fuerzas externas) es muy baja, menor incluso que la de la fibra de carbono

4.- Poco pesado: es posible fabricar aerogel de grafeno (material coloidal similar al gel, en el cual el componente líquido es cambiado por un gas, obteniendo como resultado un sólido de muy baja densidad (3 mg/cm3 ó 3 kg/m3) y altamente poroso. Un material coloidal es un sistema formado por dos o más fases, normalmente una fluida (líquido) y otra dispersa en forma de partículas generalmente lidas muy finas, de diámetro comprendido entre 10-9 y 10-5 m.1 La fase dispersa es la que se halla en menor proporción. )

            El aerogel de grafeno es un material unas 6 veces menos pesado que el aire y se comporta como una super esponja, capaz de absorber 900 veces su peso

5.- Posee gran conductividad térmica, especialmente indicada para disipadores; así como posee una gran capacidad para autoenfriarse.

6.- Es un buen conductor eléctrico, capaz de generar corriente al ser excitado con una fuente luminosa. Es el conocido efecto fotoeléctrico empleado en las placas solares.

7.- En caso de conseguir romperlo, posee la capacidad de auto-reparación al atraer el electrón libre a otro átomo de carbono

8.- El agua es capaz de atravesarlo como si no existiese nada.

9.- Gracias a su excelente conductividad eléctrica, para la misma tarea, consume menos electricidad que el silicio.

4.- Proceso de fabricación del grafeno

            El grafeno no es fácil de producir a nivel industrial. Ésto se debe a que, para su utilización en aplicaciones 2D (2 dimensiones, esto es, superficies bien sean planas o curvas), es necesario conseguir láminas extensas, muy finas y de una alta pureza.

            Los procesos de fabricación del grafeno no son especialmente simples, por lo que se requiere todo un entramado industrial que permita su producción.

            Las 4 formas más comunes de fabricar grafeno que se utilizan hoy en día son:

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 ínfimas y, además, no siempre se consiguen monocapas de grafeno.

Deposición de átomos de carbono.

            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 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 oxido 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.

Obtención de grafeno de forma artificial.

            Además de los procesos anteriores, se puede operar sobre el grafeno cual cirujano, 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.

5.- Utilidades del grafeno

Baterías 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.

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 monomodo (el modo es la forma de propagación de la señal dentro de la fibra óptica, dependiendo de la arquitectura física de la fibra, permitirá que la energía, propagada mediante campos eléctricos, magnéticos o electromagnéticos, siga una configuración determinada).

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.

Equipos de audio

            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.

Sensores fotográficos

            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 (relación entre la intensidad luminosa de la superficie y el área aparente para un observador alejado de ella. Se emplea para determinar el brillo y la luminosidad de una imagen), y crominancia (señal que transporta la información sobre el color de la imagen)
           
            En dispositivos fotográficos, los sensores se disponen en forma de matriz, donde cada celda es denominada pixel. La cantidad de energía almacenada en cada pixel dependerá de la cantidad de luz que incida sobre el mismo

            La diferencia esencial entre un sensor implementado con tecnología CCD y uno implementado con tecnología CMOS, es que en el sensor CCD, la cámara interpreta la señal analógica ofrecida por cada sensor, y la convierte a formato digital; en el sensor CMOS, la señal se ofrece directamente en formato digital, por lo que la cámara no tiene que realizar la conversión de la señal para poder interpretarla

            Los sensores CMOS son más rápidos (no necesitan el paso intermedio de conversión analógica-digital, más baratos de construir, más sensibles a la luz; por contra presentan un peor comportamiento frente al ruido y un rango dinámico peor (relación entre la saturación del píxel y el umbral bajo el cual no captan señal)


Placas fotovoltaicas

            Adaptar el grafeno para que se modifique su comportamiento eléctrico con la luz incidente también tiene aplicaciones directas sobre la generación de energía. Investigadores de la Universidad de Manchester han creado un material basado en el grafeno capaz de absorber la energía emitida por el sol para transformarla en energía a utilizar en el hogar. De este modo la pintura aplicada a la fachada puede servir de placa fotovoltaica para el consumo del hogar

Generadores eléctricos

            Sobre todo en el campo de los pequeños dispositivos (relojes, teléfonos, etc;  e Internet de las Cosas), una de las aplicaciones del grafeno más llamativas es su capacidad de comportarse como un material piezoeléctrico (efecto de transformación de la energía mecánica en energía eléctrica mediante compresión), produciendo corriente eléctrica al ser comprimido.



Procesadores a THz

            Menor tamaño, consumo, disipación de calor y autoenfriamiento 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.

            El grafeno se emplea en la fabricación de transistores de efecto de campo que aprovechan la alta movilidad de portadores con bajo nivel de ruido (el ruido está asociado al movimiento desordenado de los portadores que les lleva a emplear un tiempo desigual en su recorrido, esto provoca que la señal proporcionada no sea limpia, sino que esté ‘alterada’ respecto al valor esperado, pudiendo llegar a ocasionar errores). Estos transistores componen la base tecnológica de los procesadores.  Su elevada rapidez, comparada con los construidos con silicio, permiten 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

            El tamaño y la sensibilidad de los sensores de grafeno permite a los 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.

Piezas mecánicas

            Con la fabricación de grafeno a gran escala tendremos un material que pesa menos, es más flexible, más duro y se autorrepara. Sin duda toda una revolución para el sector industrial.

Filtros semipermeables

            Una cualidad bastante peculiar del grafeno es que es prácticamente transparente frente al agua y, sin embargo, impide el paso del resto de sustancias. Con estas características,es posible aplicar el grafeno en filtros de agua potable, desalinizadoras…

Pinturas

            El 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.

Tejidos de poliester grafenizados para plantillas

            Consiste en la modificación de la superficie del grafeno con platino para su uso en textiles modificados como membranas. Estos tejidos pueden emplearse para la fabricación de vendas y plantillas antibacterianas de grafeno.

Anexo I: El enlace covalente en el grafeno


El átomo de carbono tiene dos propiedades muy interesantes:

       Tiene una gran facilidad para “hacerse amigo” de otros átomos de carbono.

       Tiene en su última capa cuatro electrones.

            Hay una regla en química según la cual un átomo está “totalmente realizado” si cuenta con ocho electrones en su última capa. Los átomos forman moléculas siempre con la tendencia de completarse entre ellos.

            Un enlace covalente es la unión de varios átomos, mediante ‘el préstamo’ de electrones de la última capa. En el caso del grafeno, la unión entre átomos forma una estructura hexagonal, parecida a la del benceno. Sus enlaces, para que se consigan los ocho electrones en la última capa poseen un sólo enlace en tres lados alternativos del hexágono; y otros tres lados alternativos con dos enlaces.


Bibliografía

            www.grafeno.com

            www.seas.es/blog/

            www.flayerwayer.com

            www.americaeconomia.com

            www.carbonalfa.com
           
            ‘Química general’, Wendell, S; ed. Limusa; 1968

            ‘Química ambiental de sistemas terrestres’; Doménech X., Peral J.; ed Reverté

            ‘Usos y aplicaciones del grafeno’; Martínez Palacios E., Concha Ruíz D., Rosales Martínez A.; Benemérita Universidad Autónoma de Puebla

Agradecimiento


            A D. Francisco Quintana López, Perito Industrial por la Escuela Técnica de Peritos Industriales de Sevilla, sin cuyo asesoramiento y paciencia no hubiese sido posible la elaboración de esta presentación

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