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Grafeno

Fundamentos de Hardware
by

adrian jose

on 5 October 2012

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Transcript of Grafeno

Silicio Ley de Moore ¿Estamos llegando al límite? Fundamentos de Hardware Puede que en unos años el valle más famoso de la era de la informática tenga que cambiar de nombre. Los microchips, fabricados hasta el momento por el elemento químico "silicio" pueden estar dando sus últimos "coletazos" en el mundo de los componentes informáticos.
La razón: un nuevo material que puede revolucionar el mercado que nos trata. La Ley de Moore expresa que aproximadamente cada 18 meses se duplica el número de transistores en un circuito integrado. Se trata de una ley empírica, formulada por el co-fundador de Intel, Gordon E. Moore el 19 de abril de 1965, cuyo cumplimiento se ha podido constatar hasta hoy.

En 1965 Gordon Moore afirmó que la tecnología tenía futuro, que el número de transistores por unidad de superficie en circuitos integrados se duplicaba cada año y que la tendencia continuaría durante las siguientes dos décadas

Más tarde, en 1975, modificó su propia ley al corroborar que el ritmo bajaría, y que la capacidad de integración se duplicaría aproximadamente cada 24 meses La industria ya trabaja
en el desarrollo de procesadores de 32 nanómetros. Se estima que la actual tecnología de producción llegará a su límite con los 17-20 nanómetros. Tablets Circuitos integrados Ultrabooks Es posible que estemos llegando al límite en cuanto a las dimensiones del silicio, pero se está desarrollando un nuevo material mucho más potente: Grafeno 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. Grafeno Se define como la combinacion de un orbital S y 2 P, para formar 3 orbitales híbridos, que se disponen en un plano formando ángulos de 120º. sp2 Aunque fue sintetizado por primera vez en 2004, saltó a la fama en 2010 cuando sus descubridores, los investigadores de origen ruso Andre Geim (Sochi, 1958) y Konstantin Novoselov (Nizhny Tagil, 1974) recibieron el Premio Nobel de Física. Como ya apuntó entonces Andre Geim, las aplicaciones potenciales del grafeno son tantas que ni siquiera eran capaces de enumerarlas. Todos hablan de este material aunque pocos lo han visto. Y es que pese a sus prometedoras aplicaciones, todavía se encuentra en fase de desarrollo.
El grafeno es una lámina extremadamente delgada (50.ooo veces menor que un cabello humano), compuesta de carbono (sólo tiene un átomo de grosor).
El grafito del que se obtiene es el mismo que se extrae de las minas de carbón y se usa para fabricar lápices, frenos de coches o aceros, por lo que se trata de una materia prima muy abundante en la naturaleza.


Sin embargo, el principal obstáculo en la actualidad es que aún no es posible fabricar grafeno a gran escala, según explica Jesús de la Fuente, director de la empresa española Graphenea Nanomaterials, una de las pocas compañías que de momento, producen este material. Avanzare y GranphNanotech son otras dos empresas españolas que trabajan con este material. Grafeno La cinta adhesiva (exfoliación mecánica) fue el método que utilizó Geim para aislarlo por primera vez y puede servir para algunos experimentos, pero no es un método válido para la industria. Básicamente se comercializa de dos maneras: en formato lámina y en polvo. FASE DE DESARROLLO A continuación, intentaremos explicar, de una manera lo más sencilla posible, las características y cualidades de ambos formatos en los que nos podemos encontrar el grafeno.
Grafeno en lámina y en polvo. Grafeno en lámina Es el grafeno de alta pureza y el que reúne las mejores propiedades. Se emplea para fabricar electrodos de baterías, pantallas táctiles, células solares, electrónica digital y analógica de alta frecuencia o componentes avanzados para aeronáutica Se realiza en un reactor CVD[deposición química en fase vapor (Chemical Vapor Deposition)] donde se introduce un gas con carbono. Mediante la aplicación de energía se despositan los átomos de carbono sobre un substrato metálico. El siguiente paso es transferir la lámina de grafeno al substrato final que puede ser un polímero, vidrio, silicio u otros, dependiendo de la aplicación El precio varía según los tamaños y las propiedades. En los últimos años ha caído ya a la mitad. Una lámina de grafeno cuesta entre 300 y 1.000 euros, una cifra muy asequible para el consumo de investigación pero elevada para otros usos. De la Fuente (Director de la empresa española Graphenea) explica que esperan que el precio siga descendiendo progresivamente y, "a medio plazo (unos cinco años), sea más barato que el silicio, que en la actualidad cuesta alrededor de 50 euros". "A medida que el mercado vaya avanzando el precio irá bajando. Prácticamente cuesta lo mismo producir una lámina que 100.000", Precio Baterías más duraderas Este material podría solucionar una de las grandes desventajas de los teléfonos inteligentes (Smartphones), cuyas baterías apenas duran un día. Los prototipos de baterías fabricadas con electrodos de grafeno son diez veces más duraderas que las que llevan los teléfonos que se venden en el mercado y se cargan en mucho menos tiempo (aproximadamente media hora).
Nokia no prevé comercializar dispositivos fabricados con grafeno hasta dentro de cinco años. Grafeno en láminas y Grafeno en polvo Diferenciación entre ambos tipos Realización El grafeno en polvo se utiliza en aplicaciones que requieren un material más barato (se suele mezclar con otros materiales). El proceso de producción de grafeno en formato polvo básicamente parte del grafito como materia prima y consiste en realizar una oxidación violenta y un proceso de ultrasonicación para separar las pequeñas láminas de grafeno que componen el grafito. Ultasonicación Es una técnica que se basa en la
aplicación de ondas electromágneticas
de tipo microondas, las cuales producen una serie
de cavitaciones entre el medio de cultivo
y el gas disuelto en éste. Grafeno en polvo Sus propiedades no son tan buenas como el grafeno en lámina y conduce peor la electricidad. La demanda de este producto, cuyo precio depende de su pureza, sigue siendo pequeña. El de baja calidad cuesta menos de 10 euros el gramo mientras que el de alta calidad ronda los 100 euros. Propiedades y precio Los científicos estudian también las posibles aplicaciones en medicina. Por ejemplo, para fabricar biosensores y detectar ADN.
También se especula con la posibilidad de producir implantes neuronales y regenerar tejidos nerviosos dañados.
Aunque estos avances médicos llegasen a lograrse, tardarían años en aplicarse. Otras aplicaciones Elsa Prada, investigadora del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid del CSIC, señala que el grafeno podría usarse también en biodispositivos, en envoltorios bactericidas de medicinas y alimentos (impermeabilidad) y como parte de materiales compuestos más ligeros y resistentes (para aviones, coches, etc.). Sustituto de la fibra de carbono El grafeno no es perfecto. Sin embargo, sí es una base muy adecuada para desarrollar nuevos materiales inspirados en él y que incorporen nuevas ventajas. Es decir, algo así como un grafeno perfeccionado. Uno de los últimos desarrollos en esta línea es el llamado grafeno artificial, tal y como aparece en una investigación publicada recientemente en la revista 'Nature'.
Científicos de la Universidad de Stanford (California) han conseguido fabricar un material que "permite manipular las propiedades más exóticas del grafeno con gran precisión". Es un primer paso para sintetizar a gran escala materiales con propiedades similares al grafeno. "Se pueden estudiar propiedades que aún no se
han observado en el grafeno real, por no tener la Grafeno Artificial pureza necesaria. Este nuevo material ha sido fabricado colocando y moviendo moléculas de óxido de carbono sobre una superficie de cobre, aunque se pueden usar otros metales.
De momento, el artificial es más costoso de producir que el otro grafeno. Producción Inspirador de otros materiales Entre los otros materiales bidimensionales que ha inspirado el grafeno, destaca el fluorografeno (con propiedades lubricantes y aislantes extraordinarias), el nitruro de boro hexagonal (de gran dureza, que combinado con el grafeno mejora sus propiedades electromecánicas), el disulfuro de molibdeno (otro cristal bidimensional con prometedoras propiedades para la construcción de una nueva clase de transistores) o el siliceno (versión del grafeno hecho de silicio. Tiene algunas propiedades en común con el grafeno, y como ventaja se podría integrar fácilmente con la electrónica actual basada en el silicio). Aplicaciones a la Informática Grafeno Científicos surcoreanos acaban de construir la primera pantalla táctil de este material. Tiene 30 pulgadas y puede doblarse y enrollarse hasta ocupar un espacio mínimo. IBM, el gigante de la informática, presentó este invierno sus primeros chips de grafeno, 10 veces más veloces que los de silicio. Los fabricantes de baterías para móviles anuncian que mejorarán su producto gracias a este derivado del grafito, con el que también está hecha la radio más pequeña del mundo, diseñada por el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). Aplicaciones a la informática Pantallas que se doblan como un papel y que dentro de poco, según James Tour, de la Universidad de Rice (Houston) y uno de los químicos más prestigiosos de la última década, podrán enrollarse "hasta formar un pequeño lápiz que nos pondremos tras la oreja". Samsung, líder mundial en diversas ramas de la industria electrónica, ya ha anunciado que en dos años comercializará un artilugio parecido. Para Chema Lapuente, divulgador tecnológico y director del programa de radio SER Digital, no se trata de la posible desaparición de los portátiles o del iPad. Es algo que va mucho más allá: "Tengo clarísimo que las pantallas enrollables en color, las que realmente vas a poder llevar a cualquier lado, son el futuro. No es solo que vayan a acabar con los portátiles más pequeños. Es que acabarán con el libro, con el periódico y con todo lo que te puedas imaginar ¿Es el Grafeno futuro o presente? Normalmente un material nuevo tarda entre 15 y 30 años en pasar del ámbito académico al industrial. Y después otros 10 para ser producido en serie. Ni siquiera han pasado cinco años y el grafeno ya está en el ámbito industrial Pesente Futuro - Como recuerda el profesor Castro Neto, la transición puede no ser ni fácil ni rápida: "El silicio es un gran negocio en el que se ha invertido muchísimo dinero". - Andre Geim, descubridor del grafeno, en ocasiones ha hecho declaraciones más bien escépticas sobre la inminencia de esta revolución. Preguntado por su parecer actual, aprovecha para matizar: "A menudo la imaginación corre más deprisa que la razón, es parte de la naturaleza humana". En estos momentos, la situación y los estudios por expertos desarrolladores de componentes hace pensar que aún quedan unos años para poder comercializar dispositivos o periféricos realizados con Grafeno.
Sin en cambio, los académicos estudiosos de este componente hacen preveer que no estamos tan lejos del "futuro".
Además, casi con el paso de los días salen a la luz nuevas noticias relacionadas con científicos desarrollando todo tipo de elementos flexibles, pantallas, chips, etc.
Hace poco menos de 5 años, ¿ Quién imagianaba la revolución de la pantalla táctil del Iphone?¿Y los Ultrabooks?¿Libros electrónicos?... Opinión personal Otros datos de interes Según palabras del profesor King: ‘En el silicio y la mayor parte de materiales conocidos, el calentamiento eléctrico es mucho mayor que la capacidad de disipar ese calor. Sin embargo, hemos descubierto que hay zonas en los transistores de grafeno en las que el enfriamiento termoeléctrico es superior a la acumulación de calor, lo que permitiría, en teoría, diseñar dispositivos que se autoenfriasen sin ayuda externa. Es la primera vez que se observa esta cualidad en los dispositivos de grafeno’. IBM acaba de publicar en la revista Nature que sus investigadores han conseguido construir un prototipo capaz de superar la velocidad de su predecesor en un 50%. El nuevo transistor de grafeno, diseñado por Yu-ming Lin y Phaedon Avoris, puede realizar 155 mil millones de ciclos por segundo, prácticamente sin producir calor. Esta velocidad está mucho más allá de lo que pueden siquiera soñar con alcanzar sus contrapartes basadas en silicio, y algún día podrían ser la base sobre la que se construyan microprocesadores 50 o 100 veces más rápidos que los actuales. El grafeno se ha convertido en un material muy prometedor para construir transistores, ya que se permite a los electrones moverse por su interior a mayor velocidad que en el silicio. Pantallas Samsung AMOLED Valle del silicio Avancemos hacia el futuro ¿Fin de la prensa escrita? Alotropía Es la propiedad que poseen determinados elementos químicos de presentarse bajo estructuras químicas diferentes, como el oxígeno, que puede presentarse como oxígeno atmosférico (O2) y como ozono (O3), Tomás Palacios, profesor del MIT.
"Si con los chips de silicio podríamos llegar como máximo a los 100 GHz de velocidad, usando transistores de grafeno se alcanzaría el terahercio (1 THz). Es decir, 10 veces más." Mini acelerador de partículas Es un dispositivo que utiliza campos electromagnéticos para acelerar partículas cargadas hasta altas velocidades, y así, colisionarlas con otras partículas. De esta manera, se generan multitud de nuevas partículas que -generalmente- son muy inestables y duran menos de un segundo Relación con el Grafeno Están tratando de usar el grafeno para fabricar una especie de acelerador en miniatura. "En un fragmento de grafeno de un único centímetro cuadrado es posible realizar muchos de los experimentos que hasta ahora requerían laboratorios como el del CERN".
Si se convierte en realidad, los científicos podrían buscar el Bosón de Higgs, una partícula elemental hipotética, que aún no ha sido observada, y conocida como la partícula Dios, en un laboratorio que cabe en la yema del dedo. La partícula de Dios Lo de partícula de Dios es un sobrenombre inventado por ser una partícula que explicaría una característica fundamental de la materia: la masa. Y ayudaría a explicar la formación del Universo Nombre científico: Partícula de Higgs Tras lo expuesto... ¿Creéis que el mundo tecnológico seguirá existiendo tal y como lo conocemos hoy día? (cc) photo by theaucitron on Flickr (cc) photo by theaucitron on Flickr copy paste branches if you need more.... Características - Flexibilidad
- Impermeabilidad
- Bidimensionalidad
- Resistencia/Dureza:
(Carbono-Carbono) Características Características - Elasticidad (Hasta un 20%)
- Propiedades electromagnéticas
- Cierto grado de repelencia al agua
- Propiedades térmicas
- futuras averiguaciones... Se puede colocar sobre superficies Transmite energía -táctil-
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