Generalidades sobre el grafeno y asociados. Descubrimiento, estructura, Metodos de obtencion, propiedades, aplicaciones .

1. Estructuras del carbono:
Grafeno y sus derivados
Luciano Benitez
Materiales Compuestos y Avanzados

2. Carbono
• Elemento químico (no metal), sólido a temperatura
ambiente, que se destaca por ser la base de lo que se
conoce como química orgánica.
• Fue descubierto el 3750 AC por los egipcios y los sumerios.
• Su configuración electrónica es 1s2 2s2 2p2, por lo tanto
tiene cuatro electrones en su capa de valencia (el último
nivel).
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3. Generalidades:
• Actualmente se conocen 16 000 000 compuestos a base de este
elemento.
• Sus estados de oxidación son -4, 2 y 4.
• Es a la vez uno de los materiales más baratos (carbón) y de los más
caros (diamante)
• También es una de las substancias más blandas (el grafito) y de las
mas duras (diamante, grafeno).
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4. Alótropos del carbono
¿Qué es la alotropía?
• Son formas diferentes del mismo
elemento con arreglos de enlace
distintos entre átomos,
resultando estructuras que tienen
propiedades químicas y físicas
diferentes. La manera en que se
conectan los átomos en
materiales sólidos tiene un gran
impacto en sus propiedades
generales.
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5. Empecemos por el mas famoso.. El diamante
• Posee una dureza
increíblemente elevada.
• Una conductividad térmica
altísima.
Por estos motivos es uno de los
minerales mas codiciados.
Su estructura se basa en
tetraedros, los cuales están
formados por átomos de carbono.
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6. Aplicaciones
• Gracias a su dureza, sus aplicaciones se extienden a herramientas
de corte, perforación, lijado y pulido.
• También es una pieza de joyería extremadamente cara, utilizada
en anillos y collares.
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7. Grafito
• Es el estado alotrópico más estable.
• Color gris a negro y brillo metaloide,
• Es estable, inodoro y no tóxico.
• Se comporta como conductor en la
dirección paralela a los planos basales y
como aislante en la dirección
perpendicular.
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8. Estructura:
• Átomos de carbono unidos por enlaces
covalentes formando redes horizontales
de hexágonos. Estas redes, a la vez,
están unidas entre ellas (unas sobre
otras) con enlaces no covalentes
(fuerzas de Van der Waals).
• Esta unión débil permite que las capas
se puedan separar entre si.
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9. Aplicaciones
• Mina de lápiz para escribir.
• Ladrillos.
• Muy utilizado en ingeniería para fabricar piezas
pequeñas como pistones.
• Gracias a su posibilidad de conducir la
electricidad, se fabrican electrodos con este
material.
• Es un buen lubricante.
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10. Nanomateriales
• Han acaparado el interés de la investigación científica de las
últimas dos décadas, debido al descubrimiento de propiedades
disimiles a las que ofrecen los macromateriales.
• El espectro de posibilidades de su aplicación es de amplitud y
versatilidad es tal que abren paso a una verdadera revolución
tecnológica.

11. ¿Pero qué es un nanomaterial?
• Es el nombre genérico con que se
designa a las partículas de una
dimensión igual o menor a una
millonésima de milímetro. Pueden
ser obtenidas a partir de diferentes
elementos o compuestos químicos.

12. Grafeno
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ESTRUCTURA
NANOMETRICA
BIDIMENSINAL
FUERTEMENTE
LIGADA
ENLACE
COVALENTE
ESPESOR
1 A 10
ATOMOS
PANAL DE ABEJAS
HEXAGONAL

13. Descubrimiento:
• Fue descubierto durante la década del 1930.
Pero debido a que los científicos de esa
época observaron que era bidimensional,
creyeron que la capa sería muy inestable y
frágil por lo que se acabaría rompiendo.
• En el año 2004, Andre Geim y Kostia
Novoselov descubrieron cómo conseguir
grafeno de un solo átomo de espesor, a
partir de grafito. Descubrimiento que le
valió un premio Nobel en el año 2010.
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14. • A partir de grafito y con la ayuda de simple cinta adhesiva consiguieron
dejar una capa de tan solo el espesor de un átomo de carbono.
• El procedimiento fue colocar un trozo de grafito (mina de lápiz), pegar
la cinta y lo retirarla repetidamente.
¿Cómo aislaron el material?
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15. • increíble conductividad tanto térmica como eléctrica,
• era el material conocido más fino(sólo un átomo de grosor)
• ¡y era más fuerte que el acero!
¿Qué Sorprendió del grafeno?
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16. ¿Por qué es bidimensional?
• El espesor de un átomo (monocapa) significa
que es extremadamente fino (estaríamos
hablando de 1*10-11metros),de modo que parece
que solo posee las otras dos dimensiones: la
longitud y la anchura.
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17. La hibridación sp2 explica los ángulos de enlace,
a 120°, de la estructura hexagonal.
Cada carbono posee cuatro electrones de
valencia, tres se alojarán en los híbridos
sp2(formando un esqueleto de enlaces
covalentes) y el electrón sobrante se alojará en
el orbital p, perpendicular al plano de los
híbridos. La solapación lateral de estos generará
orbitales tipo π.
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Estructura

18. Es la unidad elemental básica en 2D para
construir todos los materiales grafíticos de
las demás dimensiones. Por ejemplo:
• Si las capas de átomos de carbono las
envolvemos a modo de forro de un balón,
arqueadas en estructuras de cero
dimensiones (0D), obtenemos fullerenos.
• si las enrollamos cilíndricamente en
estructuras 1D, darán lugar a los nanotubos.
•finalmente, si superponemos más de 10
capas tridimensionalmente (3D),
obtendremos el grafito.
Grafeno como base de otros materiales
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19. Propiedades
Conductividades:
• La mejor Conductividad térmica que se ha descubierto(5,000 W/mK, mayor
que la del cobre, el diamante o la plata).
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Material Conductividad eléctrica
Grafeno 0,96 · 108 (Ω · m-1)
Cobre 0,60 · 108 (Ω · m-1)
Silicio 4,5 · 10-4 (Ω · m-1)

20. • Posee una dureza increíble (supera el diamante y es
100 veces mayor que el acero estructural con ese
espesor).
• Se estima que para atravesar una lámina de grafeno
con un objeto afilado sería necesario realizar un
peso sobre él de aproximadamente cuatro
toneladas.
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21. • Puede reaccionar químicamente con otras sustancias para
formar compuestos con diferentes propiedades, lo que dota
a este material de gran potencial de desarrollo.
• Es totalmente impermeable, excepto por el agua.
• Es un material altamente elástico.
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22. • Es ecológico, es decir, no contamina nada el medio ambiente, ya que es
materia orgánica.
• Soporta la radiación ionizante. Lo que es de gran utilidad en las
máquinas con las que se realizan las radiografías
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23. • Es muy ligero.
Una lámina de 1 metro cuadrado pesa solo 0,77 miligramos.
• Su punto de fusión es superior a los 3000 ºC.
• Bajo efecto Joule; el calor generado a partir de la energía
cinética de los electrones moviéndose por la lámina es
escaso.
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24. • Es capaz de autorepararse solo.
• Es multiplicador de frecuencias, Si se le aplica una señal eléctrica
de cierta frecuencia, el grafeno genera otra onda del doble o
triple de frecuencia, por lo que permite trabajar a frecuencias de
reloj mucho más altas que las actuales y aumentar así la velocidad
y el intercambio de información de los procesadores.
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25. Análisis cuántico
Los electrones se mueven por él a una velocidad mayor que los
que se mueven por metales y semiconductores ordinarios
debido a que los electrones se comportan como si no tuvieran
masa.
Metales Grafeno
Los electrones no se comportan como si
estuviesen libres de fuerzas, existe interacción
electrostática con los núcleos iónicos del material.
De esta manera presentan cierta inercia en su
movimiento
Los electrones del Grafeno presentan un
comportamiento semejante a fermiones.
No encuentran impedimentos al atravesar la red de
carbonos, de tal manera, que se mueven a una
velocidad constante asociada a la energía del nivel de
Fermi (del orden de 106 m/s).
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26. Propiedades Mecánicas
• Tiene un módulo de Young de 1 Tpa
• Posee una tensión de ruptura de 42 N/m (100
veces mas que el acero)
• Soporta grandes fuerzas de flexión.
Una hamaca de grafeno de un metro cuadrado de
superficie y un solo átomo de espesor. Podría
soportar hasta 4 kg antes de romperse (equivalente
al peso de un gato).
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27. Problemas para obtenerlo
Mientras mas puro
Mayor
calidad
Proceso
mas
complicado
Cantidades
mas
pequeñas
Mas costoso Producción en
laboratorio
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28. 1. Exfoliación micromecánica
2. Obtención epitaxial
3. CVD
4. Sonicación de grafito
5. Oxidación- Reducción
6. Exfoliación química (GIC)
Los métodos para obtener grafeno mas
comunes son:
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29. Obtención epitaxial
Consiste en calentar carburo de silicio
(SiC) a más de 1300ºC provocando una
grafitación parcial en la parte superior.
El grafeno epitaxial se desarrolla en el
sustrato semiconductor, el silicio;
(formando una estructura cristalina
similar).
La necesidad de trabajar en ultra alto
vacío y la gran temperatura necesaria
para producir la sublimación del silicio
también limitan enormemente su
aplicación a gran escala debido al gran
costo que esto implica.
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30. Deposición química en fase vapor (CVD)
• Una fuente carbonosa se descompone catalíticamente sobre un substrato
metálico (níquel o cobre) que se calienta a altas temperaturas (800-1000. ºC).
• El grafeno se forma sobre la superficie del metal una vez se alcanza la
saturación y el conjunto se enfría. Para terminar, hay que separar la lámina del
sustrato metálico, lo que se realiza generalmente mediante la disolución del
metal en un agente químico.
• Se obtienen láminas de grandes dimensiones y de buena calidad estructural,
potencialmente útiles para aplicaciones electrónicas
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31. Luciano Benitez

32. Sonidificación de grafito
• Basado en la dispersión de grafito en un
medio líquido, el cual recibe ondas
sonoras que hacen agitar sus partículas.
Después, mediante centrifugación, se
separa el grafito no exfoliado de las
monocapas de grafeno obtenidas .
• La concentración de grafeno muy baja y
las monocapas que se obtienen son
minoritariamente de 10-30%
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33. Oxidación- Reducción
• Se oxida el grafito
• El oxido de grafito en medio
básico se exfolia, obteniéndose
láminas de óxido de grafeno que
pueden ser reducidas mediante
hidracina con un recocido en
argón .
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34. • Hay una pequeña desventaja
comparado con el método de
exfoliación mecánica; la calidad
del grafeno obtenido es menor, ya
que se produce una eliminación
incompleta de algunos grupos
funcionales.
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35. Exfoliación química (GIC)
• Consiste en insertar, intercalándolos, moléculas o átomos en la masa de
grafito, de tal manera que los planos de grafeno puedan ser separados
en capas unidos a las moléculas o átomos insertados.
• Luego se lleva a cabo un procesado químico donde se separan los átomos
anteriormente insertados mediante el empleo de disolventes.
• Se obtiene sedimentos que consisten en residuos o hojas de grafeno
enrolladas.
• La ventaja de este método radica en que se evitan los procesos de
reducción .
• La concentración de grafeno que se consigue es pequeña.
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36. APLICACIONES
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37. Aplicación en electrónica
• Al ser un material resistente y un excelente conductor de la
electricidad, puede utilizarse para fabricar como recubrimiento de
pantallas táctiles o células solares.
• Transistores basado en el grafeno que ofrecen una velocidad de
procesamiento de 100GHz, aproximadamente 25 veces más rápido
que las computadoras actuales compuestas de silicio.
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Baterías
ACTUALES GRAFENO
TIEMPO DE CARGA 3 HS 10 MIN
CAPACIDAD MENOR MAYOR

38. Medicina
• El grafeno sobre caucho puede ser el material idóneo para la
creación de músculos artificiales, dado que la estimulación
eléctrica sobre este nuevo compuesto hace posible controlar la
tensión y relajación del mismo, haciendo de él un músculo biónico
eficiente.
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39. Puede convertirse en el elemento
básico de la confección
de férulas o tutores, en los que
la ortopedia de hoy en día aplica
el aluminio, el acero y el titanio,
para conseguir la dureza y
resistencia necesarias. Además se
trata de un material muy ligero
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40. Visión
• La primera idea revolucionaria es hacer
lentes con cámara de fotos.
• las lentes de visión térmica e infrarroja
serian mas efectivas.
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41. Deporte
• El primer deporte donde ya tiene
aplicaciones es el tenis, concretamente
en las raquetas de los deportistas. Lo
que aporta el grafeno a la raqueta es
un equilibrio excelente; permite pegar
a la pelota con una gran fuerza y,
además, no pesa tanto.
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42. Vehiculos
• Baterías serían más duraderas y con carga mas
rápida.
• Gracias a su conductividad y el uso de la electrónica,
ya no será necesario pintar, solo al oprimir un botón
obtendremos el cambio de color, lo mismo sucedería
con una abolladura o raspón, que se repara solo.
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43. Decoración
Se busca obtener pinturas en base a
este material ya que traerían las
siguientes ventajas
• Combinándolo con una lámina de
pantalla LCD, adquiere propiedades
fotovoltaicas; exactamente como
una placa solar.
• capacidad de cambiar su color en
cualquier momento que se desee.
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44. • La capacidad de transpiración es una cualidad innovadora que
provoca que el aire se renueve más que con pintura normal.
• El grafeno combinado con la pintura posee la propiedad de
anticondensación. Se conseguiría una estructura que no dejaría
pasar la humedad y, al aplicarla, se secaría muy rápidamente.
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45. ¿Qué tenemos por ahora?
• Aunque han conseguido ya pinturas
capaces de generar electricidad, la
eficiencia de éstas aún es muy baja. Tan
solo del 2%, por lo que aún no son nada
rentables.
• Los investigadores son optimistas y
aseguran que serán capaces en breve de
alcanzar hasta el 10% de rendimiento e
incluso superarlo.
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46. Aplicaciones clínicas y medioambientales.
Se están investigando las propiedades
antibacterianas de este material.
Este material podría utilizarse para vendajes,
envases para alimentos o para fabricar prendas de
vestir y calzado sin olor.
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47. Blindaje antibalas
• Cascos.
• Chalecos antibalas
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48. Filtros de agua
• Las membranas de óxido de grafeno han
mostrado un potencial interesante para la
separación de gases y la filtración de agua.
• Si se las sumerge en agua, las membranas se
inflan ligeramente y las sales mas pequeñas
fluyen a través de la ella junto con el agua,
pero los iones o moléculas mas grandes
quedan retenidas.
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49. • Su hallazgo fue gracias a los científicos: Harold Kroto,
Richard E. Smalley y Robert F. Curl, en el año 1985.
Posteriormente, diez años después, recibieron el
premio Nobel de Química de 1996.
• También son llamados Buckyballs, en honor a Richard
Buckmister Fuller, arquitecto que le dio forma a ésta
molécula
• Cabe destacar que un fullereno es la tercera forma
molecular más estable del carbono, luego del grafito y
el diamante.
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Fullerenos

50. Estructura
• Puede adoptar formas geométricas que recuerdan a una esfera, un
elipsoide, un tubo o un anillo.
• La molécula de fullereno C60(diámetro de 7 Å) es 100 millones de
veces más pequeña que un balón de fútbol, y sin embargo, ambos
tienen exactamente la misma simetría y la misma topología (es
decir la secuencia de conexiones). Está formado por 60 átomos de
carbono.
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51. Propiedades
• Son altamente solubles en disolventes apolares (como el benzeno
o el tolueno).
• Insolubles en agua.
• Las fuerzas intermoleculares débiles hacen que, en el momento de
calentarlos (en estado sólido), sublimen.
• Su densidad es baja (1'5 g/cm3).
• La molécula es perjudicial para los organismos(tóxica).
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52. Aplicaciones
• Según con que elemento se lo combine pueden ser aislantes,
conductores o superconductores. La combinación de un fullereno con
potasio, cesio o rubidio lo convierte en un superconductor a bajas
temperaturas.
• Pueden actuar como cápsulas flexibles y resistentes. Se podría unir a los
fármacos inhibidores
• En los polímeros, se conseguirían propiedades electroactivas y de
limitación óptica. Esto podría tener sobre todo aplicación en
recubrimiento de superficies, dispositivos conductores y en la creación
de nuevas redes moleculares.
• Paneles solares
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53. Nanotubos de Carbono
• Son estructuras tubulares el diámetro de
las cuales se mide con nanómetros (su
unidad es nm y, 1nm = 10-9m).
• Su estructura es de una capa de grafeno
(dependiendo del tipo, pueden ser
muchas) enrollada sobre si misma en
forma de tubo . Algunos nanotubos
pueden estar cerrados por media esfera
de fullereno.
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54. Descubrimiento
Los nanotubos fueron descubiertos en 1991 por Sumio Iijima, un
ingeniero japonés. Desde el principio mostraron importantes efectos
cuánticos debidos a su estructura casi unidimensional, lo que
incentivó a numerosos científicos a trabajar en ellos.
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55. Tipos de
nanotubos
Pueden distinguirse 3 tipos de nanotubo
dependiendo de la forma como se produzca el
cierre de la lámina de grafeno para formar el
cilindro:
• En sillón; se cierra por los vértices de los
hexágonos
• En zig-zag; se cierra por los lados de los
hexágonos
• Quiral; es la forma más común; hay inclinación y
menor simetría

56. Propiedades
• Según como se “enrolle” el nanotubo, puede ser aislante, conductor o
semiconductor; se sabe que son buenos conductores a temperatura
ambiente y se pueden armar nanotubos infinitamente largos.
• 100 veces más duro que acero y a su vez 10 veces más ligero. Además
poseen una alta capacidad de doblarse sin romperse y sin modificar su
estructura interna.
• poseen un muy bajo coeficiente térmico de expansión.
• Son casi transparentes
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57. • Altísima resistencia mecánica
• Alto módulo Young
• Las características mecánicas de los CNT son superiores que las de
las FC; resistencia a deformaciones parciales, resistividad,etc.
• Altísima conductividad térmica en la dirección del eje del
nanotubo
• Estable a altas temperaturas (750ºC) en aire
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58. Aplicaciones
• Materiales compuestos reforzados con nanotubos
• Pantallas planas que utilizan los nanotubos como emisores de
campo
• Sensores biológicos y químicos para detectar sustancias
contaminantes
• La administración de fármacos
• Pilas de combustible.
• Supercondensadores
• Almacenamiento de hidrogeno
• Paneles solaresLuciano Benitez