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Grafeno

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by

Julen Bernabé

on 24 April 2016

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Transcript of Grafeno

Métodos de obtención
Aplicaciones
Ventajas
He aquí varias ventajas que el grafeno tiene y por lo que lo hacen tan especial. Pero primero hemos de decir que todas las ventajas tiene son debido a todas las propiedades que este obtiene.

Por lo tanto, no tendría mucho sentido explicar sus ventajas ya que son las mismas que las propiedades.

Mostraremos las ventajas frente a otro material; como por ejemplo, el silicio, ya que así podremos ver las ventajas que tiene.
El grafeno podría llegar a tener infinitas aplicaciones en diferentes sectores, veamos:
El grafeno, quizás no tan perfecto:
Inconvenientes
El grafeno es un material de lo más extraordinario, pero se le han encontrado diversos problemas:

La obtención de grafeno perfecto está hoy en día a mano de muy pocas empresas y universidades
Si el grafeno no es perfecto, pierde propiedades

Lo bueno es que el grafeno imperfecto, que no tiene esa estructura exacta también tiene propiedades muy buenas, y se podrá usar también.
¿Qué es el Grafeno?
Un alótropo del carbono
El grafeno es un alótropo (elemento que puede existir en varias formas sólidas, líquidas o gaseosas, a causa de la distinta agrupación de los átomos que constituyen sus moléculas) del carbono.
Grafeno
Historia
El grafeno, revolucionario desde el 2004
Estructura
Por ello, esta es su
estructura:

Propiedades
El grafeno tiene unas propiedades especiales que lo hacen ser un material extraordinario. Analicémoslas detenidamente.
Autoenfriamiento
Algunos científicos de la Universidad de Ilinois en Michigan aseguran que el grafeno tiene propiedades de autoenfriamiento.

Por lo que esto llevaría una gran revolución ya que esto conllevaría a nuevas aplicaciones
Alta conductividad térmica y eléctrica
Esta propiedad está claro que es un gran beneficio.
Gracias a ella las comunicaciones mejorarán en gran medida.
En El Hormiguero se hizo un sorprendente experimento en el que queda muy clara esta propiedad:
Alta elasticidad y dureza
Esta propiedad es muy importante respecto a las aplicaciones que tienen en mente las empresas que trabajan con este material.

Es importante porque debido a que esta propiedad es la causa de que se puedan hacer realidad gran parte de los proyectos pensados para este material.
Gran resistencia
Se ha comprobado que el grafeno tiene una gran resistencia. Para que veais cómo de grande es la resistencia en comparación al acero el grafeno es 200 veces más resistente, aparte de ser 200 veces más ligero.
Otras propiedades importantes
Soporta la radiación ionizante.

Es capaz de lograr adherencia de otras partículas.

Es muy ligero, como la fibra de carbono, pero más flexible. (Se puede enrollar)

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

Consume menos electricidad para una misma tarea que el silicio.

Genera electricidad al ser alcanzado por la luz.

Luego, para ser estable, necesita acoger 4 electrones, pero no es favorable, esto origina la hibridación sp3, es decir, se mezclan los orbitales s y p, transformándose en cuatro sp. La configuración queda así:

Para hablar de la estructura del grafeno, primero hemos de saber lo que es la hibridación. El carbono tiene seis electrones, por tanto, su configuración electrónica es 1s2 2s2 2p2. Sabiendo que los orbitales p se dividen en tres (px, py y pz), y que cada uno acoge dos electrones; uno con s hacia arriba y el otro con s hacia abajo (s=nº spin). Cuando se ponen electrones, primero siempre se ponen con s hacia arriba, y luego hacia abajo. En principio, en el carbono, esto queda así:

De ahí la configuración tetraédrica del carbono normalmente. Pero en el grafeno, se da otro tipo de hibridación: la sp2. Esto es, solo se mezclan el s con el px y py, quedando el pz normal:

Hay 5 métodos conocidos
"Scotch Tape"
Históricamente ha sido el primer método para obtener grafeno a partir del grafito. El método de exfoliación es muy simple, y fue el que utilizaron Andre Geim y Konstantin Novoselov para hallarlo por primera vez.
No se necesita nada más que celo y grafito, en este vídeo os enseñaremos cómo cualquiera de nosotros puede obtener grafeno en su casa:
Chemical Vapor Deposition (CVD)
En el CVD se introduce un gas con carbono en un horno. Mediante la aplicación de energía se depositan los átomos de carbono sobre un material metálico, quedando adheridos a éste. Se pueden obtener distintos alótropos del carbono (entre ellos láminas de grafeno).
El siguiente paso es transferir la lámina de grafeno al material final que puede ser un polímero, vidrio, silicio u otros, dependiendo de la aplicación.
En realidad es un proceso así de simple:
"Liquid Phase Exfoliation"
Se ha comprobado la solubilidad del grafeno en ciertos disolventes orgánicos. Una vez retirado el disolvente de una solución cuyo soluto es grafito, la sustancia gris que se obtiene es grafeno puro. Se confía poder convertir ese grafeno en láminas uniformes y monocristalinas para su comercialización.
Ventajas: láminas de mayor tamaño
Inconvenientes: aún no se sabe si esas láminas cumplen todas las propiedades del grafeno
Hace poco, se ha comprobado que hay una manera muy simple de crear grafeno, incluso en nuestra propia cocina, veamos cómo:
Descarga de arco eléctrico y generación de plasma
La descarga de arco es un tipo de descarga eléctrica continua que genera luz y calor muy intensos. Se produce entre dos electrodos enfrentados dentro de una atmósfera de gas inerte (nitrógeno o gases nobles) a baja presión. Por los electrodos de grafito, se hace pasar una corriente intensa, la cual hace sublimar (pasar de sólido a gas, sin ser líquido) los átomos de carbono de la superficie de los electrodos, formando un plasma alrededor de estos.
Esta técnica se usa más comúnmente para la obtención de nanotubos, otro tipo de alótropos del carbono.
Oxidación-Reducción
En este método, hay que llevar varios pasos a cabo para lograr el grafeno:
Se obtiene el óxido de grafito
El óxido de grafito en medio básico se dispersa en forma de hojitas monomoleculares conocidas como "Óxido de grafeno" por analogía con el grafeno, que es una única capa de grafito
Se suspende en agua y se coloca en un limpiador ultrasónico
Los ultrasonidos separan las láminas oxidadas de grafeno
Curiosidades
Informática
Permitirá el desarrollo de ordenadores mucho más rápidos, de menor consumo eléctrico.

Se cree que un disco duro de grafeno, del mismo tamaño que uno actual, podría almacenar hasta mil veces más información.
Telefonía móvil
Nueva generación de dispositivos, sin formas ni colores preestablecidos, con pantallas flexibles, plegables y táctiles.
Se ha comprobado cómo unos nanocircuitos podrían mejorar la calidad de las comunicaciones inalámbricas y su velocidad.
Tratamiento de las aguas
Gracias a su peculiar estructura permeable al agua, se ha predicho, según algunos estudios, que se podrá llevar a acabo el proceso de desalinización en un tiempo más reducido y con un menor coste.
Aunque, como hemos dicho, son estudios, no es 100% seguro.
Industria automovilística
Como era de esperar con este asombroso material, también revolucionaría este sector, al hacer posible la creación de automóviles con un chásis mucho más resistente, y descendería el número de víctimas al volante.

Por otra parte, haría más rentable el uso del coche híbrido, ya que las baterías de larga duración se recargarían mucho más rápido que hasta ahora.
Sector energético
Se podrán crear baterías de larga duración, las cuales apenas tardarán unos segundos en cargarse. Esto afectará a todos los dispositivos electrónicos.

Hará más eficientes las energías renovables, como las placas solares... Además de hacerlas más ecológicas.
Industria del blindaje
Electrónica
Fabricación de microchips o transmisores, debido a su alta conductividad eléctrica.
Mayor eficiencia energética, puesto que consumirían menos.
Es sólo cuestión de tiempo que el grafeno sustituya al silicio.
imagen extraída de:
http://inforadictos.com/wp-content/uploads/2013/01/lala.jpg
Diseño de un móvil de grafeno
Extraído de:
http://cargocollective.com/sergiodiseo/Grafeno
Al poseer tal dureza, capacidad de moldeo y ligereza, es un perfecto elemento para usar en este sector.

Con ello se podrían crear chalecos antibalas, cascos... y demás.
Sería el sustituto del kevlar, actualmente empleado en los chalecos antibalas
Spania GTA Spano:
El superdeportivo español, que ha sido el primero en utilizar grafeno en su construcción.
http://www.diariomotor.com/tecmovia/2015/03/11/grafeno-gta-spano/
http://www.diariomotor.com/altas-prestaciones/spania-gta-spano-2015-profunda-actualizacion-del-superdeportivo-pata-negra/
Desarrollo de la ciencia
Debido a su alta reactividad, con otros elementos químicos distintos del carbono.
Ya se han descubierto algunos derivados del grafeno, como el grafano (la adición de hidrógeno, que crea otro material aislante) o el grafino.
Estructura del grafano
http://www.geengeek.com/grafano-los-hijos-del-grafeno-i/
En Medicina y Biomedicina
Se cree que se podrá utilizar para mejorar tratamientos contra el cáncer. La combinación de los fármacos actuales con el grafeno permite que estos tengan mayor afinidad por las células cancerígenas.

Otra de sus aplicaciones, podría ser la creación de implantes neuronales que sustituyan a los tejidos orgánicos dañados.
Casi toda la información sobre las aplicaciones la hemos sacado de aquí:

http://www.infografeno.com/aplicaciones-del-grafeno
Crean la batería que carga el coche en ocho
minutos gracias al grafeno
Graphenano, Grabat Energy y la Universidad de Córdoba, empresas españolas, envían ya la tecnología a clientes, dos de las cuatro grandes firmas de automoción alemanas entre ellas
Estas celdas de polímero de grafeno dan al coche eléctrico una autonomía de 1.000 kilómetros
Estas baterías triplican la potencia de las de ion-litio y reducen su precio un 77%
http://www.elmundo.es/economia/2014/12/04/547f577fca474183058b4578.html
Samsung logra fabricar grafeno a escala industrial
De la mano de la Universidad Sungkyunkwan, Samsung ha logrado desarrollar un método de fabricación que resuelve los problemas de la síntesis del grafeno en un solo cristal y mantener sus propiedades. El proceso sería capaz de crear obleas similares a las utilizadas para los chips de silicio disminuyendo el costo relacionado al cambio de material, manteniendo gran parte del proceso actual.
Grafino
http://pdm.com.co/Noticias/2012/Marzo/02/El_grafino_podria_ser_mejor_que_el_grafeno.htm
Distintos alótropos del carbono,
http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S0100-40422013001000009&script=sci_arttext
Proceso de oxidación-reducción,
http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S0100-40422013001000009&script=sci_arttext
Pese a que el gran avance en todo lo relativo al grafeno ha sido en la
última década,este increíble material se conoce desde hace mucho tiempo.
De hecho, en 1889 ya se menciona la posibilidad de formar filamentos de
carbono por descomsicion térmica de hidrocarburos gaseosos.
Grafeno en el S. XX
En 1907, E.G. Acheson publica un trabajo en el que describe un nuevo material del carbono.
40 años más tarde, mediante un estudio teórico, se describe la estructura de bandas del grafeno. Este estudio describe que el grafeno es un semi-
metal.
Hacia 1975, se produce, por primera vez, grafeno mediante un tratamiento térmico.
Pero es en 1994 cuando la palabra grafeno es aceptada oficialmente, hasta entonces se le denominaba monocapa de grafito.
Grafeno en el S.XXI
El gran avance se produce en 2004, cuando describen experimentalmente las propiedades electrónicas del grafeno. El año siguiente, en 2005, K. Novoselov y A. Geim utilizan un método extremadamente simple para, a través del grafito, conseguir grafeno.
En 2009, se producen hojas de grafeno de gran tamaño mediante el método de la deposición química de vapores.
Finalmente en 2010, K. Novoselov y A. Geim reciben el Premio Nobel de Física por sus experimentos con este material.
Guillermo García
Iker Lara
Julen Bernabé
Aitor Merino
Markel Larrañaga
Los Willy Wonka
1. Se consigue grafito en polvo
3. Se le añade agua
5. Cogemos una batidora cualquiera
En industria, con los cálculos exactos de las reacciones, se obtendría sin problemas
7. Así se puede obtener grafeno
Grafeno con fairy, agua y grafito
2. Se vierte en un recipiente
6. Se bate a la máxima velocidad
4. Se añade Fairy o detergente
De forma casera es difícil
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