Grafeno 2015.docx

Este trabajo lo decicamos a cada una de las personas que nos apoyan dia a dia a ser mejores, a nuestro maestro por darnos los conocimientos que nos servirán en el futuro en nuestra vida profesional y a la universidad por abrirnos sus puertas para poder alcanzar nuestras metas,

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GRAFENO

Contenido INTRODUCCIÓN RESUMEN 4

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CAPÍTULO I 6 1.1. HISTORIA DEL GRAFENO 6 1.2. ESTRUCTURA Y OBTENCION DEL GRAFENO 1.2.1. ESTRUCTURA DEL GRAFENO 7 1.2.2. METODOS DE OBTENCION 7 I. EXFOLIACIÓN MECÁNICA 8 II. REDUCCION QUIMICA. 8 III. REDUCCIÓN DEL ÓXIDO DE GRAFITO 9 IV. METAL-CARBONO DERRETIDO 9 V. A PARTIR DE NANOTUBOS 9 CAPITULO II 10 2.1. PROPIEDADES DEL GRAFENO 2.1.1. PROPIEDADES ELÉCTRICAS. • CONDUCTIVIDAD TÉRMICA 2.1.2. PROPIEDADES MECÁNICAS. • RESISTENCIA MECÁNICA 2.1.3. PROPIEDADES ÓPTICAS. 2.1.4. OTRAS PROPIEDADES. 13

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10 10 11 11 12 12

CAPITULO III 14 3.1. APLICACIONES 14 3.1.1 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS AVANZADOS 14 3.1.2. PANTALLAS TÁCTILES FLEXIBLES 15 3.1.3. DISPOSITIVOS DE ALMACENAMIENTO 16 3.1.4. BATERÍAS 17 3.1.5. CONSTRUCCIÓN. 17 3.1.6. FABRICACION DE NUEVOS MATERIALES COMPUESTOS. 3.1.7. OTRAS APLICACIONES 18 4. CONCLUSIONES

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5. RECOMENDACIONES 19 7. BIBLIOGRAFÍA 20

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GRAFENO

INTRODUCCIÓN El Grafeno es un material creado en laboratorio (sus descubridores les valió el Premio Nobel 2010) más dureza que el acero, a pesar de ser hoy su producción costosa, sus propiedades permitirán ser una alternativa en muchos casos para reemplazar al silicio (es 10 veces más rápido y buen conductor). Tiene capacidad de estiramiento hasta en un 20 % sin perder sus propiedades electrónicas. 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. Estructura cristalina del grafito en la que se observan las interacciones entre las distintas capas de anillos aromáticos condensados. En el grafeno, la longitud de los enlaces carbono-carbono es de aproximadamente 1,42 Å. Es el componente estructural básico de todos los demás elementos grafíticos incluyendo el grafito, los nanotubos de carbono y los fulerenos. Esta estructura también se puede considerar como una molécula aromática extremadamente extensa en las dos direcciones del espacio, es decir, sería el caso límite de una familia de moléculas planas de hidrocarburos aromáticos policíclicos llamada grafenos.

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GRAFENO

RESUMEN El carbono es el elemento más fascinante y notable de la tabla periódica, puede encontrarse en la naturaleza en varias formas alotrópicas, es el pilar básico de la química orgánica y por tal de los seres vivos. Entre sus formas alotrópicas esta la sustancia más blanda (el grafito) y la más dura (el diamante) y, desde el punto de vista económico, uno de los materiales más baratos (carbón) y uno de los más caros (diamante), además uno delos materiales más sorprendentes el grafeno y los fullerenos. El grafito las más común forma de encontrar el carbono forma tres enlaces covalentes en el mismo plano a un ángulo de 120º (estructura hexagonal) y un orbital Π perpendicular a ese plano libre (estos orbitales deslocalizados son fundamentales para definir el comportamiento eléctrico del grafito). El enlace covalente entre los átomos de una capa es extremadamente fuerte, sin embargo las uniones entre las diferentes capas se realizan por fuerzas de Van der Waals e interacciones entre los orbitales Π, y son mucho más débiles. Una de estas capas de grafito es a la que se le conoce como grafeno, es decir es una estructura cristalina en 2D, esto le da una características electrónicas diferentes a las de otros materiales, sin embargo al igual que los semiconductores es te puede ser dopado de un tipo P o N, algunas de las características del grafeno aparte de esta son: - Transparencia óptica: absorbe solo el 2.3% de la intensidad de la luz, sin importarla longitud de onda de esta y presenta una gran densidad. - Dureza: el grafeno tiene una fuerza de rompimiento de 42 N/m, esto lo convierte en el material más fuerte, sin embargo presenta ligereza y gran flexibilidad. -

Modificación

química

para

tomar

diferentes

propiedades.

- Conductividad térmica: la conductividad térmica del grafeno está entre (84±0.44)×103 a (5.30±0.48) ×103Wm-1 K-1., es decir mayor que la de la plata. -El grafeno había sido estudiado teóricamente en 1947 por P. R. Wallace como ejemplo delos cálculos de física del estado sólido, en la cual predecía la estructura electrónica; la ecuación de onda para excitaciones fue escrita por J. M. McClure en 1956, y el similar a la ecuación de Dirac por G. M. Semenoff en 1948. Desde este punto de vista teórico presenta propiedades interesantes como:

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- Los electrones que se trasladan sobre el grafeno se comportan como cuasiparticulas sin masa, Son los llamados fermiones de Dirac. Dichos fermiones se mueven a una velocidad constante independientemente de su energía. - 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 (su valor mínimo depende de la constante de Planck y la carga del electrón). -También tiene diversas aplicaciones en dispositivos electrónicos, pantallas táctiles, baterías, células solares, etc.

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CAPÍTULO I 1.1.

HISTORIA DEL GRAFENO

El Grafeno ha sido estudiado a nivel teórico mucho antes de su obtención desde la década del treinta. En los años setenta y ochenta se estudiaron intensivamente los compuestos intercalares de grafito, formados por unidades de unas pocas capas de grafeno, aisladas por láminas de otro material. Después se descubrieron los fullerenos, formados por una sola capa de grafeno con forma aproximadamente esférica, y los nanotubos de carbono, compuesto por uno o más capas de grafeno con la estructura de un cilindro. Se consideraba al grafeno imposible de obtenerlo debido a la inestabilidad termodinámica a escala nanométrica y a la tendencia a doblar y plegarse, si no se encuentra soportada; en el año 2004 se contradijo eso cuando científicos de la Universidad de Manchester consiguieron obtenerlo. Los científicos que pudieron obtenerlo fueron Andre Geim y Oleg Novoselov, ambos fueron galardonados con el Premio Nobel de Física 2010, “Por sus trabajos pioneros en el desarrollo del grafeno, un material bidimensional cuyas láminas solo tienen el espesor de una átono de carbono”. Según dijo la Real Academia de Ciencias de Suecia. Esto de inmediato centralizó la atención de la investigación científica y el interés empresarial, se espera llegar a una producción a nivel industrial dadas sus propiedades comprobadas teóricamente. El hecho de conseguirlo podría considerarse como una revolución tecnológica por las diversas aplicaciones en el mundo moderno.

FULERENO

CNT

GRAFITO

Fig. 1. Distintas configuraciones de grafeno; fuente: uso de tecnología CVD; Borja Berlanga de la Mata

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1.2.

GRAFENO

ESTRUCTURA Y OBTENCION DEL GRAFENO

1.2.1. ESTRUCTURA DEL GRAFENO El grafeno es bidimensional, los átomos se encuentran fuertemente unidos en una superficie uniforme, plana con ligeras ondulaciones de un átomo de espesor, tiene una configuración hexagonal, por esta particular configuración provienen las propiedades electrónicas, mecánicas y químicas excepcionales de grafeno.

Fig. 2. Imagen de grafeno con pequeñas ondulaciones.

Fig. 3. Estructura de un grafito

El grafeno envuelto como balón proporciona fullereno, si se enrolla cilíndricamente nanotubos, al superponerlo grafito. 1.2.2. METODOS DE OBTENCION Hay diversos métodos para obtener grafito, aún se está buscando un método para producirlo a gran escala.

Fig. 4. Imagen de un nanotubo

Fig. 5. Estructura de un Fullureno

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I.

GRAFENO

EXFOLIACIÓN MECÁNICA

El grafeno en estado libre fue obtenido por primera vez en 2004 mediante exfoliación micromecánica, es una sencilla técnica en la cual es necesario contar con una superficie limpia de grafito. El método consiste en someter el grafito a un raspado fino y luego extraer hojuelas extremadanamente delgadas al descascarar repetidamente utilizando cinta adhesiva, la mayor parte de la hojuelas obtenidas por este método son tridimensionales, grafito; sin embargo entre estas se consiguen también bidimensionales, grafeno. Fig. 4. Exfoliación mecánica del grafeno

II.

REDUCCION QUIMICA.

A partir de las moléculas complejas como el boro-hidruro de bromo (𝑁𝑎𝐵𝐻4 ), el ácido ascórbico (𝐶6 𝐻8 𝑂6 ) o por elementos como el Mn podemos obtener grafeno.

Fig. 5. Reducción química para obtener grafeno

En el caso de manganeso, al ponerlo en contacto con hielo seco se produce láminas de grafeno de unos 10 átomos de espesor (investigación vigente por el Doctor Nayaran Hosname, universidad de Illinois)

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III.

GRAFENO

REDUCCIÓN DEL ÓXIDO DE GRAFITO

La reducción de óxido de grafito era probablemente el primer método de síntesis de grafeno. La calidad de grafeno producido por reducción de óxido de grafito es menor en comparación con el obtenido por exfoliación mecánica debido a la eliminación incompleta de los diversos grupos funcionales con los métodos de reducción existentes.

Fig. 6. Obtención de grafeno mediante reducción química del óxido de grafito.

IV.

METAL-CARBONO DERRETIDO

Disolución de átomos de carbono en el interior de un metal de transición fundido a una cierta temperatura, luego permitir que el carbono disuelto se precipite a bajas temperaturas como grafeno de una sola capa. V.

A PARTIR DE NANOTUBOS

Consiste en cortar los nanotubos, se cortan por acción del permanganato de potasio y ácido sulfúrico. En otro método, nanocintas de grafeno se producen mediante grabado en plasma de nanotubos parcialmente incrustados en una película de polímero.

Fig. 7. Nanotubo cortado para obtener grafeno

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GRAFENO

CAPITULO II 2.1. PROPIEDADES DEL GRAFENO El grafeno tiene las siguientes propiedades:

Fig. 8. Propiedades de grafeno: fuente: just the uther side

Los parámetros más representativos son la dimensionalidad, la conductividad eléctrica, la cualidad microscópica, la continuidad macroscópica, la resistividad y la estabilidad termodinámica 2.1.1. PROPIEDADES ELÉCTRICAS. La característica más interesante del grafeno tiene que ver con la conductividad eléctrica. El grafeno conduce la electricidad tan bien como el cobre. Resulta que el grafeno no es aislante,ni conductor, ni semiconductor; sino que comparte características de los conductores y los semiconductores. Para entender bien la propiedad eléctrica, tenemos que analizar su estructura de bandas: Fig. 9. Propiedades eléctrica: fuente: prezi.com

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La estructura de bandas de valencia y conducción se tocan en 6 puntos llamados los puntos de Dirac, correspondientes a la primera zona de Brioullin. Dado a la periodicidad de la red reciproca el número de puntos independientes se reducen a 2. Puesto que cada átomo cede un electrón de orbital 2p a las bandas, tendremos la banda de valencia totalmente llena y la de conducción, totalmente vacía. 

CONDUCTIVIDAD TÉRMICA

Como conductor de calor, el grafeno supera a todos los materiales conocidos, el grafeno produce diez veces mejor calor que el cobre. La gran conductividad térmica del grafeno es probablemente resultado de la relativa facilidad que tienen los átomos de carbono para moverse en el grafeno. Se cree que la alta conductividad térmica del grafeno, su forma plana y su capacidad para integrarse con el silicio podrían jugar un papel importante en la disipación del calor de los futuros dispositivos electrónicos. 2.1.2. PROPIEDADES MECÁNICAS. Es un territorio casi inexplorado actualmente. Dado a su espesor monoatómico, el grafeno tiene unas propiedades mecánicas excelentes.  

 

 

Es unas 200 veces más fuertes a las roturas que el acero. A partir de su dureza y constante elástica su usó un microscopio de fuerza atómica. Descubrieron una elasticidad de 10%(3% en solidos) La medición de módulo de Young de 0.5GP. dato muy optimista y relevante ya que con este comportamiento a la fatiga mecánica puede ser muy interesante para el uso de la nanotecnología. El grafeno puede soportar átomos de oro en su superficie sin deformarlo Es tan denso que no permite el paso de átomos.

Fig. 10. Propiedades prezi.com

mecánica:

fuente:

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

GRAFENO

RESISTENCIA MECÁNICA

El grafeno es el material más resistente desde un punto de vista mecánico. Tiene una resistencia mecánica de 42 N/m, el grafeno es unas cien veces más resistente que el más resistente de los aceros. El grafeno es flexible y resistente, por eso ofrece un increíble potencial para su aplicación industrial tan importantes como la del automóvil y la aeronáutica, ya que permite el desarrollo de materiales más ligeros, en comparación con el acero.

Fig. 8. Prueba de resistencia mecánica del grafeno

Fig. 11. Prueba de resistencia mecánica del grafeno

2.1.3. PROPIEDADES ÓPTICAS . A pesar de ser el material más delgado jamás fabricado es visible a simple vista. Debido a sus propiedades electrónicas únicas absorbe sólo el 2,3% de la luz que pasa a través de él, suficiente para que se pueda ver en el aire.

Figura 12. Fotografía en la que se observa como una lámina de grafeno es prácticamente invisible (Fuente: http:// en.wikipedia.org)

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Para ayudar a mejorar la visibilidad de los copos de grafeno, se depositan en obleas de silicio que tienen una fina capa de dióxido de silicio en su superficie. La luz en esta estructura tricapa será parcialmente transmitida y parcialmente reflejada en cada interfaz. Esto conduce a complejos efectos de interferencia óptica de tal manera que, en función del espesor de la capa de dióxido de silicio (que se puede controlar con un alto grado de exactitud), algunos colores son mejorados y algunos son suprimidos. Esta técnicas aprovecha de la misma física que causa el "efecto arco iris" que se ve cuando se tiene una fina capa de aceite flotando sobre el agua. En este caso, los diferentes colores corresponden a longitudes largas / cortas de trayectoria óptica que la luz ha tenido que viajar a través de la película de aceite. 2.1.4. OTRAS PROPIEDADES . -Capacidad para formar nuevos materiales. -Capacidad aislante. --Propiedades magnéticas.

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CAPITULO III 3.1. APLICACIONES El grafeno tiene una amplia variedad de aplicaciones posibles. Las más interesantes son: 3.1.1 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS AVANZADOS Debido a las propiedades electrónicas del grafeno, la industria de semiconductores tiene la intención de construir ordenadores mucho más rápidos que los actuales mediante el desarrollo de microprocesadores con transistores de grafeno. El secreto de la alta velocidad consiste en desarrollar transistores más pequeños, de forma que la distancia que deben recorrer los electrones cuando los atraviesan sean lo más pequeñas posibles. Se está trabajando en la implementación del grafeno en transistores de Efecto de Campo con una velocidad de conmutación muy elevada, así como transistores en los que el flujo de electrones es muy pequeño y está totalmente controlado. Como el procesado de grafeno es compatible con las tecnologías de fabricación planar estándar usadas en micro y nanoelectronica, bebería serlo con los equipos de fabricación de chips de las fábricas de semiconductores existentes.

Figura 13. Dispositivo electrónico de grafeno. Fuente: grafeno.com

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3.1.2. PANTALLAS TÁCTILES FLEXIBLES Dada su transparencia y buena conductividad, el grafeno se puede emplear en la fabricación de pantallas táctiles flexibles de dispositivos electrónicos con una vida útil casi ilimitada y a bajo costo.   

Bajo costo. Vida útil muy larga. Flexibles y transparentes.

Figura 14. La pantalla puede doblarse y enrollarse hasta ocupar un espacio mínimo. Ha sido fabricada en corea del sur. Fuente: grafeno, material de moda.

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3.1.3. DISPOSITIVOS DE ALMACENAMIENTO Debido a la nueva tecnología de transistores, las empresas han usado este recurso para hacer memoria RAM, HDD, USB y FLASH. Los HDD esperan tener 1000 veces la capacidad actual. Las memorias Flash hibridas (grafeno+ Si) son 30 veces más rápidas que las actuales. Tienen menor consumo y mayor capacidad.

Figura 15. Memoria flash de grafeno. Fuente: prizi.com

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3.1.4. BATERÍAS La gran área superficial del grafeno y su gran conductividad lo postulan como posible sucesor del grafito en la fabricación de ánodos de baterías de ion litio. Existen diversos grupos de investigación que han logrado importantes mejoras en la obtención de nuevas baterías.

Figura 16. Imagen 3D de un auto con una batería conformada de grafeno. Fuente: grafeno.com

3.1.5. CONSTRUCCIÓN . Dada sus propiedades mecánicas, podemos fabricar materiales resistentes y muy ligeros.       

Piezas de coches. Aspa de molinos eólicos. Fabricación de puentes. Cableados.( defectos en la red) Edificios. Tejidos más resistentes. Sustitución de materiales contaminantes.

Figura 17. Grafeno aplicado en construcción. Fuente: prizi.com

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3.1.6. FABRICACION DE NUEVOS MATERIALES COMPUESTOS. Muchos investigadores han visto que la adición de grafeno para la fabricación de materiales compuestos de matriz polimérica da como resultado componentes más rígidos y resistentes que los compuestos de nanotubos de carbono con un peso similar. Según los estudios realizados, el grafeno une mejor a los polímeros, lo que permite un acoplamiento más eficaz del en la estructura del material compuesto. Esta propiedad podría dar lugar a la fabricación de componentes con alta relación resistencia - peso para usos tales como palas de los aerogeneradores o componentes de aeronaves. Debido a la combinación de flexibilidad y resistencia que tiene el grafeno, presenta unas características idóneas para su aplicación en un gran número de industrias como la del automóvil y la aeronáutica, ya que permite el desarrollo de materiales más ligeros (en comparación con el acero, un conjunto de láminas de grafeno del grosor del papel es seis veces más ligero, presenta de cinco a seis veces menor densidad) y resistentes, dando lugar a plataformas menos pesadas, más seguras, y que utilizan menos combustible.

Figura 18. El grafeno puede suponer una revolución en la aviación y el sector aeroespacial (Fuente: http://www.fierasdelaingenieria.com)

3.1.7. OTRAS APLICACIONES -Sensores. -Aplicaciones clínicas y medioambientales. -Disipadores térmicos. -Tratamientos antibacterianos. -Recubrimientos.

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4. CONCLUSIONES El grafeno es el material que revolucionará el futuro, provocando importantes cambios en las diversas industrias. Sus propiedades particulares han llevado a una cooperación de los científicos e industrias, para obtener aplicaciones y nuevos productos basados en este material. El grafeno es un material nuevo, y que hay mucho que estudiar al nivel experimental para obtener productos buenos y de calidad. 5. RECOMENDACIONES Estudiar los materiales nuevos ya sea minuciosamente o no, porque la tecnología avanza y nosotros debemos estar a la par, para entender de qué es lo que trata tal material y cuáles son sus propiedades que la hacen muy llamativa para las industrias. Con el estudio de algún material nuevo acrecentamos nuestro conocimiento acerca de materiales, como ingenieros mecánicos debemos saber que material es bueno para la industria en la que nos desempeñemos, puesto que nuestro fin es abaratar los gastos y aumentar la eficiencia y ganancias de la industria.

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7. BIBLIOGRAFÍA         

Alcolea Sánchez, C. (s.f.). OBTENCIÓN DE GRAFENO MEDIANTE MÉTODOS QUÍMICOS DE EXFOLIACIÓN. Castro-Beltran, A., De la Cruz Hernandez, W. J., & Sepúlveda Guzmán , S. (s.f.). Obtención de grafeno mediante la reduccion quimica del oxido de grafito. Charles P. Poole, F. J. (s.f.). Introducción a la nanotecnología. En F. J. Charles P. Poole. REVERTÉ. Estevez., G. (s.f.). Grafeno, el material de moda. Fernández, A. C. (octubre de 2007). Propiedades físicas de grafeno en presencia de desorden topológico. Leganés, Madrid, España. Grafeno el material del futuro. (s.f.). Obtenido de http://grafeno.com/grafeno-baterias-supereficientes/ Nanotecnologia: Nanotubo, Plaga Gris, Grafeno, Fullereno, Ascensor Espacial, Autoensamblaje. (s.f.). Books LLC. http://www.mde.es/areasTematicas/investigacionDesarrollo/sistemas/mo grafias de SORP. Propiedades mecánicas y eléctricas de grafeno/prizi.com.

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