Propuesta Final Electronica.docx

Nombre y Apellido MEP: 

Francisco Alfonso

Espacio Curricular: 

OPCION II: Electrónica Básica y Programación

Trabajo Practico Evaluativo

1- ¿Qué es el material Grafeno? 2- ¿Cuál es la estructura química del Grafeno? 3- ¿Cuál son los métodos de obtención del Grafeno? 4- ¿Cuáles podrían ser aplicaciones del Grafeno? 5- ¿Cuáles son sus propiedades? 6- ¿Qué es el Carbino? 7- ¿Cuáles son las aplicaciones del Carbino? 8- Acompañar con gráficos y esquemas que consideres necesarios para aclarar las respuestas.

MARCO TEORICO

Grafeno, el material que marcará la nueva era de la electrónica

Desde hace un par de años nos viene sonando el nombre de un material que parece abrirnos las puertas de un futuro muy prometedor dispositivos

electrónicos

con

extremadamente

eficientes, resistentes y capaces de superar las presentes

barreras

tecnológicas

de

la

miniaturización: el grafeno. Este material, en el que la Comisión Europea ha anunciado que invertirá mil millones de euros en proyectos de investigación, nos acerca hacia un punto de inflexión en el que la tecnología que conocemos dará un enorme salto cualitativo presentándonos dispositivos electrónicos flexibles, implantes biocompatibles de pequeño tamaño, líneas de alta tensión de alta conductividad o memorias de gran capacidad; dispositivos que sin darnos cuenta se irían alejando de uno de los materiales que ha marcado nuestra tecnología en los últimos 70 años: el silicio.

¿Qué es el grafeno? El grafeno es un material compuesto por carbono puro; de hecho, su composición química es idéntica al diamante o al grafito y la diferencia estriba en la estructura en la que se organizan los átomos de este elemento (que es lo que conoce como alotropía). En el caso del grafeno, la estructura de los átomos y los enlaces entre estos forman una especie de teselado hexagonal (igual que los panales de abeja) que comenzó a estudiarse en los años 30, aunque nos parezca un material muy nuevo, y a finales de los años 40 se

publicaron algunos estudios de caracterización del material. Por aquel entonces, sin embargo, se determinó que era un material inestable y no se le prestó demasiada atención. En

este

sentido,

al

grafeno

se

le

ha

definido

como hidrocarburo

aromático

policíclico infinitamente alternante de anillos de solo seis átomos de carbono. La molécula más grande de este tipo contiene 222 átomos de carbono o 37 «unidades de benceno» separadas.4 Las cifras de la oración anterior son las contenidas en el resumen de la cita. Debería ser: 111 átomos de carbono y 111 átomos de hidrógeno o, más simple, 222 átomos, lo cual resulta de 37 × 6 (átomos de carbono –o de hidrógeno– del benceno, de fórmula C6H6) = 222, o bien: 18,5 anillos de benceno: 18,5 x 12 (átomos del benceno) = 222. La opción de «unidades» fue para obtener una cifra redonda (37), y por consiguiente evitar la expresión fraccionaria (18,5).

Hubo que esperar a nuestra época para que Andre Geim y a Konstantin Novoselov trabajasen, en la Universidad de Mánchester, en su caracterización y su asilamiento a temperatura ambiente (un trabajo por el que recibirían el Premio Nobel de Física en el año 2010). El grafeno tiene el potencial de revolucionar muchos aspectos de nuestra vida al mismo tiempo.

Cómo se obtiene el grafeno y por qué no se ha usado hasta ahora. Después de haber descubierto qué es el grafeno, cuáles son sus propiedades y para qué sirve este fantástico material, hacemos una pequeña parada para explicarte por qué no se ha usado el grafeno hasta ahora. Es caro su proceso de obtención, se debe mejorar los procesos de fabricación.

Procesos de fabricación del grafeno. Siendo un material con tantísimas aplicaciones y ventajas sobre el resto, algún problema debería haber para que no estuviésemos disfrutando de sus ventajas desde hace años (más aun cuando el grafeno se obtiene del carbono, un elemento muy común en la naturaleza). En efecto, el grafeno no es fácil de producir a nivel industrial. Ésto se debe a que, para su utilización en aplicaciones 2D, 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. Como hasta ahora no

conocíamos realmente el potencial del grafeno, su producción no estaba “automatizada”, caso contrario al de su principal competidor: el silicio. Por supuesto, la maquinaria ya se ha puesto en marcha y cada vez resulta más y más simple y barato obtener grafeno.

Los 4 métodos principales de obtención del grafeno. 1) 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. 2) 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. 3) 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. 4) 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.

¿Y por qué es importante el grafeno? ¿Qué puede aportar un derivado del carbono al mundo de la tecnología? El grafeno es un material muy flexible y resistente (gran elasticidad y dureza, con una dureza muy superior a la del acero y cercana al diamante), es transparente, es capaz de autoenfriarse y autorepararse, tiene una resistividad muy baja (apenas se calienta al transportar corriente y, por tanto, apenas hay pérdidas por efecto Joule), consume menos energía que el silicio y también es capaz de generar electricidad en presencia de luz y, siguiendo con la comparativa con el silicio, también puede ser dopado con otros materiales para variar sus propiedades.

El grafeno en el ámbito de la electrónica

Las propiedades que presenta el grafeno han hecho que este material se haya postulado como un complemento e incluso como un sustituto del silicio en el ámbito de la electrónica y los circuitos integrados, así como la base sobre la que construir los ansiados súperconductores que nos permitan evolucionar nuestras líneas de alta tensión para transportar energía de manera eficiente a nuestros hogares. A día de hoy, el grafeno es el eje sobre el que giran un gran número de investigaciones de todo el mundo, tanto para desarrollar procesos de fabricación del material (que hagan viable su uso masivo) como para su integración en dispositivos electrónicos. En el año 2008, IBM anunció uno de sus trabajos de I+D con grafeno, desarrollando transistores que trabajaban a 26 GHz, una cota que superaría años más tarde llegando a los 100 GHz y los 300 GHz. Samsung es otra de las compañías que han trabajado con el grafeno en el desarrollo de transistores y, recientemente, presentaron el Barristor, un transistor de silicio y grafeno ideal para trabajar en aplicaciones con conmutaciones muy rápidas y abrir la puerta al desarrollo de microprocesadores capaces de alcanzar las centenas de GHz o, incluso, llegar

al

THz

de

frecuencia

de

funcionamiento.

Transistor Grafeno Samsung ¿Y por qué combinar el grafeno con el silicio? Gordon Moore, uno de los fundadores de Intel, enunció en abril de 1965 la conocida como Ley de Moore, un postulado

que

decía

que

aproximadamente cada dos años se duplicaba el número de transistores en un circuito integrado y, por tanto, también se reducía el tamaño de estos para que el factor de forma no creciese en demasía. Este postulado, hoy en día, sigue estando vigente: nuestros microprocesadores cada vez tienen más transistores y estos son cada vez más pequeños. Sin embargo, estamos llegando a los propios límites del silicio. Dicho de otra forma, cada vez nos acercamos más a un tamaño de transistor que no se podría reducir más sin riesgo de inestabilidades, una barrera que el grafeno puede ayudar a superar y, precisamente, por eso está presente en esta nueva generación de transistores que se está desarrollando en muchos de estos centros de investigación.

De hecho, tanto Samsung como la UCLA (Universidad de California – Los Ángeles) trabajan en un proyecto de investigación para miniaturizar, aún más, las memorias flash y superar la barrera de los 22 nanómetros para llegar a un objetivo de tamaño de 10 nanómetros. Memorias flash más pequeñas nos permitirían aumentar, sustancialmente, la capacidad de almacenamiento de nuestros dispositivos sin necesidad de aumentar su tamaño o su factor de forma, algo en lo que se verían beneficiados los smartphones, tabletas y dispositivos multimedia del futuro.

El futuro al que le transporta el grafeno El grafeno nos está abriendo las puertas de un futuro de dispositivos mucho más pequeños pero, a su vez, mucho más potentes: un escenario en el que podremos trabajar con dispositivos de gran velocidad y transmitir datos, de manera inalámbrica, a velocidades del orden de los terabits por segundo y visualizar toda esta información en pantallas flexibles que recuperan su forma original tras sufrir cualquier clase de deformación. ¿Y cuándo llegará este futuro tan fascinante? La respuesta a esta pregunta, realmente, no es nada sencilla, pero existen algunos estudios que apuntan a 2024 como la fecha de la explosión del grafeno. Según James D. Meindl, responsable del centro de investigación de nanoelectrónica del Georgia Institute of Technology, el grafeno no sustituirá al silicio de los componentes y dispositivos comerciales hasta dentro de algo más de 10 años, es decir, hasta que no alcancemos un punto muerto en nuestros actuales procesos de fabricación, momento en el que la famosa Ley de Moore dejaría de cumplirse (algo que se dice que ocurrirá en 2024, cuando lleguemos al límite de la tecnología con los 7 nanómetros de tamaño de transistor). Aunque el grafeno se convierta en el “material de moda”, esto no implica que abandonemos el silicio como la base de nuestra tecnología; de hecho, estamos viendo cómo las investigaciones caminan por una senda en la que el grafeno actúa como un complemento del silicio y son varias las voces que afirman que el grafeno no tienen por qué significar el fin de la era del silicio. En este sentido, el físico holandés Walt de Heer es una de las voces que más se ha alzado en esta tesis: Un material fascinante que, sin duda, cada vez estará más presente en baterías, pantallas y todo tipo de dispositivos que lleguen al mercado en los próximos años.

Composición Química



El grafeno es una alotropía del carbono; la cual consiste en un teselado hexagonal plano (como un panal de abeja) formado por enlaces covalentes de átomos de carbono. Es una lamina bidimensional aunque puede adoptar diversas formas tridimensionales como se verá más adelante.



El grafeno consiste en una lámina bidimensional de átomos de carbono.



El grafeno es un material completamente nuevo, no sólo es el material más delgado jamás obtenido sino también el más fuerte. El Grafeno conduce la electricidad tan bien como el cobre y como conductor de calor “supera a todos los materiales conocidos”. Además, es casi completamente transparente.

Estructura El grafeno es una sustancia formada por carbono puro, con átomos dispuestos en patrón regular hexagonal, similar al grafito, pero en una hoja de un átomo de espesor. Se considera 100 veces más fuerte que el acero y su densidad es aproximadamente la misma que la de la fibra de carbono, y es aproximadamente cinco veces más ligero que el aluminio, una lámina de 1 metro cuadrado pesa tan solo 0,77 miligramos. Es un alótropo del carbono, un teselado hexagonal plano formado por átomos de carbono y enlaces covalentes que se generan a partir de la superposición de los híbridos sp2 de los carbonos enlazados. El Premio Nobel de Física de 2010 se les otorgó a los científicos Andréy Gueim y Konstantín Novosiólov por sus revolucionarios descubrimientos acerca de este material. Mediante la hibridación sp2 se explican mejor los ángulos de enlace, a 120°, de la estructura hexagonal del grafeno. Como cada uno de los carbonos contiene cuatro electrones de valencia en el estado hibridado, tres de esos electrones se alojan en los híbridos sp2, y forman el esqueleto de enlaces covalentes simples de la estructura. El electrón sobrante se aloja en un orbital atómico tipo P perpendicular al plano de los híbridos. El solapamiento lateral de dichos orbitales da lugar a formación de orbitales de tipo π. Algunas de estas combinaciones propician un gigantesco orbital molecular deslocalizado entre todos los átomos de carbono que constituyen la capa de grafeno. El nombre proviene de intercambio –en el vocablo grafito– de sufijos: «ito» por «eno»: propio de los carbonos con enlaces dobles. En realidad, la estructura del grafito puede considerarse una pila de gran cantidad de láminas de grafeno superpuestas.3 Los enlaces entre las distintas capas de grafeno apiladas se deben a fuerzas de Van der Waals e interacciones de los orbitales π de los átomos de carbono. Estructura cristalina del grafito. Se ilustran las interacciones de las diversas capas de anillos aromáticos condensados. En el grafeno la longitud de los enlaces carbono-carbono es de aproximadamente 142 pm (picómetros). Es el componente estructural básico de todos los demás elementos grafíticos, incluidos el propio grafito, los nanotubos de carbono y los fullerenos. A esta estructura también se le puede considerar una molécula aromática extremadamente extensa en las dos direcciones espaciales. Es decir, sería el caso límite de una familia de moléculas planas de hidrocarburos aromáticos policíclicos denominada grafenos.

Formula

Propiedades Entre las propiedades más destacadas de este material se incluyen: 

Alta conductividad térmica y eléctrica.



Semiconductor.



Alta elasticidad y dureza.



Resistencia (el material más resistente del mundo).



El grafeno puede reaccionar químicamente con otras sustancias para formar compuestos con diferentes propiedades, lo que dota a este material de gran potencial de desarrollo.



Soporta la radiación ionizante.



Es muy ligero, como la fibra de carbono, pero más flexible.



Menor efecto Joule, se calienta menos al conducir los electrones.



Consume menos electricidad para una misma tarea que el silicio.

Consiguen producir grafeno 100 veces más barato El abaratamiento de los costes de producir grafeno lo acerca cada vez más a nuestros dispositivos. El proceso consiste en la utilización de un nanotubo de carbono de pared doble, en cuyo interior se han hecho crecer las cadenas de carbono que, ahí confinadas, adoptan una gran estabilidad. Así, se obtiene un sistema híbrido formado por dos de los formatos del carbono; los nanotubos y el carbino, consiguiendo con ello una serie de propiedades inigualables.

Demuestran

que

el

grafeno

puede

interactuar

directamente con las neuronas Por primera vez han implantado electrodos de grafeno en neuronas, que permitirían tratar enfermedades como el Parkinson o controlar prótesis. Además, posee una resistencia a la flexión brutal; tanto que, para que os hagáis una idea, uno de sus descubridores lo describió a través de una supuesta hamaca de un metro cuadrado de superficie y un sólo átomo de espesor. Esta curiosa hamaca de grafeno sería capaz de resistir sobre ella cuatro kilos, aproximadamente la masa de un gato. ¿Poco, no? Sí, pero la hamaca por sí misma pesaría menos de un miligramo, aproximadamente uno de los bigotes del gatito.

El Nuevo Material el Carbino

Cuando éramos pequeños solíamos estudiar en el colegio que el material más duro y resistente de todos los conocidos es el diamante. ¡El único material capaz de rayar el vidrio! Nuestras cabecitas de niño de primaria se volvían locas imaginando al diamante como un supermaterial, capaz de lograr grandes cosas. Sin embargo, ni es cierto que sea el único que puede rayar el vidrio, ni sigue siendo el material más duro y resistente conocido. El primero en quitarle el puesto fue el grafeno; que, aún teniendo una dureza similar, posee otras muchas ventajas como la resistencia al desgaste y la capacidad de soportar grandes pesos.

Después,

en

2013,

calcularon

las

propiedades

del carbino,

un

material duro, resistente y maravilloso; el material del futuro, sin duda. Pero los científicos no conseguían fabricarlo de forma estable, por lo que su gozo cayó en un pozo. Sin embargo, la ciencia hoy está de enhorabuena, pues un grupo de investigadores de la Universidad de Viena ha conseguido estabilizarlo, dando el pistoletazo de salida de la que será la nueva era de los supermateriales.

¿Cuáles son las formas conocidas del carbono? El carbono elemental se puede manifestar de muchas formas, como el diamante, el grafito, el grafeno, los fullerenos, los nanotubos y el carbino. Uno está especialmente familiarizados con los dos primeros, pues son muy comunes en nuestras vidas. Puede que no se tenga muchos diamantes en casa, pero sabe lo que son, y el grafito estamos hartos de usarlo en las

minas

de

los lápices. En

cuanto

al

resto

son

conocidos

por

su superconductividad y su gran resistencia térmica, al igual que los nanotubos de carbono, que poseen un gran número de aplicaciones debido a estas características. Sin embargo, todos ellos quedan eclipsados por el grafeno, que reúne todas esas propiedades y muchas más; por lo que, entre otras aplicaciones, se baraja como sustituto del silicio en el campo de la electrónica.

¿Qué es el carbino?

Vale, todo esto suena muy bien; ¿pero qué pasa con el carbino? Aunque hace cincuenta años que se estudia, las propiedades de este material fueron

descritas por primera vez en 2013, tras las investigaciones de un grupo de científicos de la Universidad de Rice, en Houston. Consta de una cadena de átomos de carbono unidos, bien por enlaces triples alternados con simples, bien por enlaces dobles consecutivos; de modo que se obtiene una conformación muy flexible a la par que resistente, superando con creces los récords batidos por el grafeno.

Científicos descubren el Q-carbono, más duro que el diamante ¿Existe una material más duro que el diamante? Sí, es otra forma del carbono y se llama Q-carbono. Sin embargo, posee un gran inconveniente, pues su estructura es muy inestable en la naturaleza, por lo que

resulta

imposible

su

uso

en

condiciones

ambientales. Por eso, lograr estabilizarla en el laboratorio se ha convertido en la obsesión de muchos científicos; que, hasta ahora, sólo habían conseguido una pequeñísima cadena de 44 átomos. Pero el momento ha llegado, pues Thomas Pichler y sus colaboradores han estabilizado una cadena con la friolera de 6.400 átomos y el mecanismo utilizado ha sido bastante sencillo.

¿Cuáles

serán

las

posibles

aplicaciones

del

carbino?

Los científicos responsables del hallazgo, entre los que se encuentran algunos investigadores de la Universidad del País Vasco, confían en la habilidad del carbino para generar una gran revolución en el campo de los supermateriales. De hecho, según los estudios teóricos que han realizado, el híbrido formado por el carbino y los nanotubos podría adquirir un carácter metálico debido a la transferencia de

carga entre ambos componentes. Por eso, podría ser de un gran interés en el área de los nanodispotivos.

Borofeno, el super rival del Grafeno Bborofeno (borophene): crean un nuevo material con una estructura similar a la del grafeno, pero con propiedades conductoras todavía mejores. Por otro lado, la cadena de carbino por sí misma también posee unas propiedades únicas, ya que este material no sólo es mucho más duro, flexible y resistente que el grafeno y el diamante, sino que también presenta un gran número de características interesantes

para

el

campo

de

la nanoelectrónica,

como

el

desarrollo de nuevos semiconductores magnéticos, baterías de alta densidad de carga o transporte de spin cuántico, una tecnología emergente que podría cobrar una gran importancia en la producción de dispositivos de almacenamiento masivo. Eso sí, para conseguir todo esto será necesario conseguir sacar la cadena del nanotubo y que permanezca estable después. Pero bueno, hace unos años enlazar de forma estable más de unas decenas de átomos parecía una locura y aquí estamos, hablándoos de una cadena de 6.400 átomos. Entonces, puede que pronto os contemos que han logrado dar el último paso, ¿no?