Grafeno: Material de Futuro
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El documento proporciona información sobre el grafeno, un material bidimensional de carbono. Explica que el grafeno consiste en un teselado hexagonal de átomos de carbono unidos por enlaces covalentes. También describe algunas de sus propiedades notables como su alta conductividad térmica y eléctrica, resistencia mecánica y transparencia, así como algunas de sus potenciales aplicaciones en energía, electrónica, aeronáutica y otros campos. Finalmente, menciona algunos avances recientes en el desarrollo
Grafeno: Material de Futuro
- 1. Grafeno: Material del Futuro Presenta: Fontes Cantúa Oscar LISC 24091020 Seminario de Sistemas Computacionales
- 2. Que? El grafeno es una alotropía del carbono; la cual consiste en un teselado hexagonal plano (como un panal de abeja) formado por átomos de carbono y enlaces covalentes que se formarían a partir de la superposición de los híbridos sp2 de los carbonos enlazados. El nombre proviene de GRAFITO + ENO. En realidad, la estructura del grafito puede considerarse como una pila de un gran número de láminas de grafeno superpuestas. Los enlaces entre las distintas capas de grafeno apiladas se debe a fuerzas de Van der Waals e interacciones entre los orbitales π de los átomos de carbono.
- 3. En el grafeno, la longitud de los enlaces carbono-carbono es de aproximadamente 1,42 Å. (amstrong) 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. el grafeno ha sido definido como un hidrocarburo aromático policíclico infinitamente alternante de anillos de sólo seis átomos de carbono. La molécula más grande de este tipo se constituye de 222 átomos; 10 anillos de benceno.
- 4. Quien? El Premio Nobel de Física de 2010 fue otorgado a Andre Geim y Konstantin Novoselov por obtener grafeno de la punta de un lápiz, y sus revolucionarios descubrimientos sobre el material bidimensional grafeno. El repentino aumento del interés científico por el grafeno puede dar la impresión de que se trata de un nuevo material. La realidad, sin embargo, es que el grafeno ha sido conocido y descrito desde hace al menos medio siglo. El enlace químico y su estructura se describieron durante la década de 1930, mientras la estructura de bandas electrónica fue calculada por primera vez por Wallace en 1949.La palabra grafeno fue oficialmente adoptada en 1994, después de haber sido usada de forma indistinta con monocapa de grafito, en el campo de la ciencia de superficies.
- 5. Utilidad 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 como la grafitización térmica de la superficie del carburo de silicio (el crecimiento epitaxial). 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. En septiembre del 2010 se alcanzaron los 300 GHz.
- 6. Propiedades •Algunos científicos de la Universidad de Ilinois en Michigan aseguran que el grafeno tiene propiedades de autoenfriamiento. •Alta conductividad térmica y eléctrica. •Alta elasticidad y dureza. •Resistencia (200 veces mayor que la del acero). •Soporta la radiación ionizante. •Es capaz de lograr adherencia de otras partículas. •Es muy ligero, como la fibra de carbono, pero más flexible. (Se puede enrollar) •Menor efecto Joule; se calienta menos al conducir los electrones. •Consume menos electricidad para una misma tarea que el silicio. •Genera electricidad al ser alcanzado por la luz.
- 7. Otras Propiedades de Interés •Los electrones que se trasladan sobre el Grafeno se comportan como cuasipartículas sin masa. Son los llamados fermiones de Dirac. Dichos fermiones se mueven a una velocidad constante independientemente de su energía (como ocurre con la luz), en este caso a unos 106 m/s. La importancia del grafeno, en este aspecto, consiste en estudiar experimentalmente este comportamiento que había sido predicho teóricamente hace más de 50 años. •El grafeno presenta un efecto llamado efecto Hall cuántico, por el cual la conductividad perpendicular a la corriente toma valores discretos, o cuantizados, permitiendo esto medirla con una precisión increíble. La cuantización implica que la conductividad del grafeno nunca puede ser cero.
- 8. Otras Propiedades de Interés Es casi completamente transparente y tan denso que ni siquiera el átomo de helio puede atravesarlo.
- 9. Grafeno Bicapa El grafeno es un novedoso material bidimensional que puede ser visto como una monocapa de átomos de carbono dispuestos en una retícula hexagonal. Cuando dos capas de grafeno se unen de una manera determinada, forman grafeno bicapa, un material muy interesante y poco usual. Tanto el grafeno como el grafeno bicapa poseen una serie de características únicas, tales como una conductividad extremadamente alta termal y de electrones debido a la velocidad de los electrones y a la alta calidad de los cristales; así como resistencia mecánica. En palabras de Novoselov, “la tecnología de la producción de grafeno madura día a día, lo cual tiene un impacto inmediato tanto en el tipo de características físicas que encontramos en este material, como en la viabilidad y la gama de posibles aplicaciones”. El profesor Geim agregó que “la alta calidad del grafeno bicapa lo convierte en un material interesante por derecho propio y. sin duda. tiene su propio nicho en múltiples aplicaciones”.
- 10. Ubicuidad Si ya nos parecía que la tecnología había invadido cada rincón de nuestras vidas, el profesor Tomás Palacios Palacios quien recibió el premio PECASE, tiene una visión: La apuesta del futuro es por la electrónica ubicua: estar conectados a internet y con los demás en todo momento. Queremos que la libreta de notas tenga un componente electrónico que le permita comunicarse con nuestro teléfono móvil y transmitir automáticamente la información que escribamos. O cuando miremos por la ventana, que el cristal tenga electrónica transparente que nos permita saber qué temperatura hay afuera, cuál es el pronóstico del clima o si estamos recibiendo una llamada telefónica. O que el vaso de papel en el que nos sirven el café en la cafetería, tenga electrónica que nos dé las noticias del día. Palacios también visualiza anteojos con sensores médicos que nos avisen si tenemos fiebre o si nos va a dar gripe.
- 11. Elegido por CE La Comisión Europea ha elegido a el Grafeno como uno de los seis proyectos Flagship que optan a estar entre los dos que serán financiados por la Unión Europea en el campo de las tecnologías de la información en la próxima década. Una veintena de grandes empresas multinacionales -del calibre de IBM, Nokia o Texas Instruments- se han reunido en la sede del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), para dar a conocer sus infinitas posibilidades y determinar su 'hoja de ruta' en relación con conseguir esos 1.000 millones de euros que la Comisión destinaría a su investigación en los próximos 10 años. "El grafeno será como el plástico. Estará en todas las partes, porque la amplitud de sus usos es enorme, mucho más allá del ámbito electrónico"
- 12. Productores La empresa española Avanzare es ya la primera exportadora de grafeno de Europa, asegura el científico, especialmente hacia el continente asiático. Ahora el grafeno es más barato, pero cuando se comenzó a investigar, un gramo de grafeno costaba más que el PIB de toda la Unión Europea, así que trabajaba sólo con milésimas de milímetros. Pero en pocos años, la situación ha cambiado mucho. Ahora existen unos cuatro o cinco métodos de producción, de diferentes calidades, y la demanda ha hecho bajar los precios, aunque aún quedan muchas posibilidades por explorar.
- 13. Aplicaciones y Usos: Energía Científicos de la Universidad de Northwestern en Estados Unido han creado un electrodo para las baterías de ión de litio que permite que las baterías conserven la carga hasta diez veces más que la tecnología actual. Las baterías con el nuevo electrodo también se pueden cargar diez veces más rápido que las actuales. Uno de los cambios clave está relacionado con la perforación de orificios minúsculos en la batería. Las pilas que usan la novedosa tecnología podrían estar en las tiendas en los próximos tres o cinco años, estiman los investigadores. Una batería de un teléfono celular fabricada con las técnicas que han desarrollado en la universidad estadounidense se cargaría en 15 minutos y duraría una semana. La desventaja de la nueva tecnología es que, después de que la batería ha sido cargada alrededor de 150 veces, pierde potencia.
- 14. Blindaje Para que podamos hacernos una idea de la dureza del grafeno, Jaffrey Kysar y James Hone, propusieron una curiosa analogía. Comparó las pruebas realizadas por su equipo con poner una cubierta de plástico sobre una taza de café y medir la fuerza que requeriría pinchar esa cubierta con un lapicero. Pues bien, según explicó Hone, si en lugar de plástico lo que se pusiera sobre la taza de café fuera una lámina de grafeno, después situáramos encima un lápiz, y en lo alto de éste colocáramos un automóvil que se sostuviera en equilibrio sobre él, la lámina de grafeno ni se inmutaría. Se puede decir, sin duda, que el grafeno es el material más duro del mundo.
- 15. Electrónica Una startup en Jessup, Maryland, espera poder lanzar al mercado este año uno de los primeros productos basado en el grafeno. Vorbeck Materials está fabricando tintas conductoras basadas en el grafeno y que pueden ser utilizadas para imprimir antenas RFID (identificación por radiofrecuencia, por sus siglas en inglés) y contactos eléctricos para pantallas flexibles. La compañía, que se aprovecha del bajo coste de las tintas de grafeno, posee un acuerdo con el gigante de productos químicos alemán BASF para lanzar al mercado este producto en breve. Será la prueba definitiva de que el grafeno es un material del presente. Aeronáutica El Pentágono ha asignado tres millones de dólares a la Universidad de Princeton para que desarrolle diminutas hojas de grafeno que, añadidas al combustible empleado en los motores de los aviones supersónicos, consigan una optimización en su funcionamiento y una reducción en el consumo y la contaminación ambiental. Según los científicos, este desarrollo puede alumbrar el nacimiento de una nueva era en los motores de combustión de las aeronaves. Los aditivos de combustible fabricados con partículas minúsculas de grafeno podrían lograr que los aviones supersónicos vuelen aún más rápido y que sus motores lleguen a contar con mejores condiciones de eficiencia y protección de la sostenibilidad ambiental.
- 16. Detectores y Sensores Si una molécula de un gas entra en contacto con el grafeno, éste sufre un cambio en la resistencia eléctrica. Un grafeno perfecto, gracias a su gran conductividad, es muy sensible al cambio y puede detectar moléculas individuales de gas. Velocidad de Proceso Se podrían lograr microprocesadores de hasta un terahertz (cientos de veces mas rápido de lo que teóricamente podría llegar a ser uno de silicio como máximo)ver el post que hice al respecto “Adios Silicio, Hola Grafeno, nuevos chips ultra rápidos”.
- 17. Pantalla Táctil Coreana En la actualidad, y superando todos los récords anteriores dentro de la síntesis del grafeno en el laboratorio, un grupo de investigadores de Samsung y de la Universidad Sungkyunkwan, en Corea, ha producido una capa continua de grafeno puro del tamaño de una televisión grande, imprimiéndolo a través de rodillos colocados en la parte superior de una hoja de poliéster flexible y transparente de 63 centímetros de ancho
- 18. El equipo ya ha creado una pantalla táctil flexible mediante el uso del grafeno basado en polímeros para fabricar los electrodos transparentes de la pantalla. El material utilizado actualmente para crear componentes electrónicos transparentes, el óxido de estaño e indio, resulta caro y frágil. La producción de grafeno sobre hojas de poliéster capaces de doblarse es el primer paso en la creación de componentes electrónicos transparentes más fuertes, más baratos y más flexibles. "Podríamos, en teoría, enrollar nuestro iPhone y ponerlo detrás de la oreja como si fuera un lápiz", afirma Tour.
- 19. Pantallas Angstron Materials Inc. , anunció hoy al mundo el desarrollo de sus primeras aplicaciones comerciales de grafeno. El desarrollo continuo de las pantallas táctiles para la electrónica de consumo está llevando a una creciente necesidad de mejorar la tecnología. Angstron Materials ofrece una variedad de materiales de grafeno en tamaños que van desde la nano a micrones en los ejes x, y y z, estos materiales avanzados se refieren colectivamente como nano plaquetas grafeno (NGP). NGP ofrecen un mejor comportamiento de los materiales en aspectos térmicos, barreras mecánicas y propiedades de conductividad eléctricas. Como resultado, Angstron Materials es capaz de trabajar con las empresas para los usos específicos que incluyen baterías, pilas de combustible, supercondensadores, el peso estructural de componentes de la luz así como la interferencia electromagnética (EMI), interferencias de radio frecuencia (RFI), la descarga electrostática (ESD ), rayo y otros compuestos estructurales y funcionales aplicaciones.
- 20. Memorias Flash Samsung y la universidad de UCLA han anunciado que ese material podrá emplearse con éxito en las memorias flash. La empresa surcoreana trabaja para poder incorporar ese material en sus memorias flash, ya que según se desprende de las investigaciones llevadas a cabo junto a la universidad californiana, emplear el grafeno en lugar del silicio podría alargar la vida útil de esos productos. Las memorias flash podrá aumentar gracias al uso del grafeno y las celdas serían más pequeñas, por lo que también se reduciría su espacio. El proceso de fabricación de los futuros dispositivos de almacenamiento será más sencillo. El objetivo final que persigue Samsung es poder comercializar las citadas memorias hechas con grafeno dentro de unos años.
- 21. Celdas Solares Un nuevo dispositivo que combina el grafeno con nanoestructuras metálicas especiales podría llevar a la fabricación de mejores células solares y sistemas de comunicaciones ópticas. Esto, al menos, es lo que afirman investigadores del Reino Unido que han medido un aumento de 20 veces la cantidad de luz capturada por el grafeno cuando está cubierto por esas nanoestructuras. El trabajo proporciona evidencias adicionales de que el material podría ser ideal para la fabricación de dispositivos fotónicos y optoelectrónicos. Los investigadores también han demostrado que pueden hacer células solares básicas, dispositivos emisores de luz, pantallas táctiles, fotodetectores y láseres de bloqueo ultrarrápidos de grafeno. Sin embargo, hay, por supuesto desventajas: su “eficiencia cuántica externa” es baja; lo que implica que absorbe menos del 3% de la luz que incide sobre él. Por otra parte, la corriente eléctrica útil sólo puede extraerse de dispositivos basados en grafeno que temgan contactos eléctricos con una asimetría optimizada, algo que ha demostrado ser difícil de lograrse.
- 22. Tintas de Grafeno Hay diferentes tipos de tintas conductoras en el mercado. Cada tinta tiene sus ventajas y sus desventajas. Se siguen buscando nuevos materiales como alternativa a los materiales actuales (plata o cobre). El grafeno es uno de ellos y está empezando a revolucionar el mercado de la electrónica impresa. Otra ventaja muy interesante es la baja temperatura de curación o de sinterización, que abre posibilidades en diferentes sustratos. En breve las tintas de grafeno estarán disponibles para ser utilizadas en inyección de tinta. Se están realizando estudios para la mejora de las tintas de grafeno para impresión serigráfica, ya que hoy por hoy, éstas presentan problemas de migración. La aplicación directa de estas tintas está en la impresión de circuitos, Smart packaging, Smart labels, LEDs órganicos, células fotovoltaicas
- 23. Medicina Se están investigando las propiedades antibacterianas de este material. Como ejemplo, podemos mencionar el trabajo de los de investigadores del Shanghai Institute of Applied Physics (China). Este equipo ha intentado crecer diversas cepas bacterianas sobre papel de óxido de grafeno, y células humanas. Las bacterias no pudieron crecer sobre el papel, mientras que no se observó ningún efecto adverso sobre las células. Así, dado el efecto antibacteriano del grafeno y el hecho de que puede ser producido en grandes volúmenes, este material podría utilizarse para vendajes, envases para alimentos o para fabricar prendas de vestir y calzado sin olor.
- 24. MIT Invierte El MIT ha anunciado la creación del Centro del MIT / MTL para dispositivos y sistemas basados en Grafeno (MIT-CG). Este centro interdepartamental forma parte de los Laboratorios de Tecnología de Microsistemas (MTL), reúne a investigadores del MIT y socios industriales para avanzar en la ciencia y la ingeniería de tecnologías basados en el grafeno.El lanzamiento del Centro MIT / MTL para Dispositivos y Sistemas de grafeno se llevó a cabo en el MIT el 28 de julio de 2011 con una importante participación de las agencias de la industria y el gobierno.
- 25. Costos su fabricación es extraordinariamente barata y cualquier laboratorio puede obtenerlo, ya que el carbono es un material ampliamente conocido. En 2008, el grafeno producido por exfoliación era uno de los materiales más caros sobre la Tierra: una muestra de tamaño similar a la sección transversal de un cabello humano costaba más de 80M€ (alrededor de 80 millones de € cada cm2). Desde entonces, los procedimientos de exfoliación se han ampliado a escalado industrial, y hoy día las compañías venden grafeno por toneladas. Por tanto, en un período de tiempo de sólo un año el cm2 ha pasado de 80M€ a 80€. Incluso se ha conseguido hoy día grafeno a más bajo coste a partir de níquel, tal y como describen recientemente científicos coreanos a partir de obleas de hasta 80 cm.
- 28. GRAFENO: Material del Futuro Hoy LOS DIOSES VISTEN DE CARBONO, Y PRONTO NOS DARAN UN DESFILE DE PASARELA… EN LA CARPA DE LA TECNOLOGIA…