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El grafeno
- 1. EL GRAFENO: NANOMATERIALDEL 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”
- 2. EL GRAFENO: NANOMATERIALDEL FUTURO 2012 EL GRAFENO: NANOMATERIAL DEL FUTURO 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. Alfonso Pérez Huerta Bertha Elena Sánchez López Cristian Núñez Delgado Flor Marcela Jiménez Toledo 13/07/2012 BENEMERITA UNIVERSIDAD AUTONOMA DE PUEBLA
- 3. EL GRAFENO: NANOMATERIALDEL FUTURO 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
- 4. EL GRAFENO: NANOMATERIALDEL FUTURO 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.
- 5. EL GRAFENO: NANOMATERIALDEL FUTURO 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.
- 6. EL GRAFENO: NANOMATERIALDEL FUTURO 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.
- 7. EL GRAFENO: NANOMATERIALDEL FUTURO 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).
- 8. EL GRAFENO: NANOMATERIALDEL FUTURO 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.
- 9. EL GRAFENO: NANOMATERIALDEL FUTURO 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.
- 10. EL GRAFENO: NANOMATERIALDEL FUTURO 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).
- 11. EL GRAFENO: NANOMATERIALDEL FUTURO 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.
- 12. EL GRAFENO: NANOMATERIALDEL FUTURO 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”.
- 13. EL GRAFENO: NANOMATERIALDEL FUTURO Bibliografía: o González Carmona, J., Hernández Vozmedio, M. A., Guinea, F. (2010). Electrónica del grafeno. Investigación y ciencia, (408), 42-49. Recuperado de: http://www.investigacionyciencia.es/Archivos/09-10_Guinea.pdf o Noboru, Takeuchi. (2009) Nanociencia y nanotecnología: la construcción de un mundo mejor átomo por átomo (1 Edición) México: Secretaría de Educación Pública: Universidad Nacional Autónoma de México: Fondo de Cultura Económica. o Martínez, R. Marlon Doney (2011).Propiedades y aplicaciones del Grafeno. Universidad del valle .Recuperado Junio 15, 2012, a partir de: http://quimica.univalle.edu.co/enlaces/20111010_1.pdf o Aguilar N., Duarte G., González A. (Nov. 2011) El Grafeno .SlideShare. Recuperado Junio 15,2012, a partir de: http://www.slideshare.net/dan-adr-nes/el-grafeno-pdf. o Olmo, M.y Nave, R. (s.f.). Energías fermi e los metales. HyperPhysics. Recuperado Julio 11, 2012, a partir de http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/solids/fermi2.html Citas Bibliográficas: o González Carmona, J., Hernández Vozmedio, M. A., Guinea, F. (2010). Electrónica del Grafeno. Investigación y ciencia, (408), 42-49. Recuperado de: http://www.investigacionyciencia.es/Archivos/09-10_Guinea.pdf o Ansuini C. (s.f.). ¡La batería que necesitas! CvcLaVoz. Recuperado (10/07/12) a partir de: http://cvclavoz.com/comunicado-de-prensa/%C2%A1la-bateria-que- necesitas/ o Martin A. (26/10/11). Posibles aplicaciones del Grafeno. Teknobing. Recuperado( 10/07/12) a partir de: http://www.teknobing.com/category/aplicaciones-web/ o Piacente P.J.(22/07/09) .El Grafeno facilitará motores más eficientes para aviones supersónicos. Tendencias de la ingeniería. Recuperado (10/07/12) a partir de : http://www.tendencias21.net/El-grafeno-facilitara-motores-mas-eficientes-para- aviones-supersonicos_a3518.html Paneles solares en base a Grafeno (17/01/11). Recuperado (10/07/12) a partir de: http://www.everde.cl/2011/01/paneles-solares-en-base-grafeno.html