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Grafeno
El grafeno en sí es un material muy fácil de encontrar, tanto es así, que incluso de las minas de los lápices se puede obtener.
El problema que se tiene es que para poder aprovechar las virtudes de este material al máximo, éste, debe ser lo más puro posible, y en las minas de
los lápices, se han encontrado minerales varios que se mezclan con el grafeno, lo que disminuye bastante su pureza.
El método más normal y casero, es éste, usando celo, y pegando el grafito a este durante varias veces, hasta conseguir una capa.
Para poder obtenerlo con mayor pureza y mediante método casero, para generar pequeñas cantidades, se suele usar una piedra de grafito, y realizando el
mismoproceso que con una mina de un lápiz.
Ahora la mayor dificultad es producirlo a gran escala, para la empresa y su estudio.
LIMPIADOR ULTRASÓNICO
Los métodos existentes para la fabricación de grafeno requieren un equipo costoso, especializado y con complejos procedimientos de fabricación, como
expliqué en el caso anterior. En el nuevo método propuesto, la máquina más compleja para producir láminas de grafeno es un limpiador ultrasónico, un
equipo común en muchos laboratorios.
Según explican los científicos, a nivel molecular, el grafito se asemeja a un sándwich compuesto de muchos estratos de
grafeno. Estos estratos son difícilmente separables. Para debilitar las interacciones entre ellos, oxidaron el grafito. El polvo obtenido de este modo
- óxido de grafito - se suspendió en agua posteriormente y se colocó en un limpiador ultrasónico. Los ultrasonidos separaron las láminas oxidadas de
grafeno unas de otras y se obtuvieron escamas de óxido de grafeno con un espesor de aproximadamente 300 nanómetros.
Los investigadores tuvieron que superar algunas dificultades, como la presencia de oxígeno en los compuestos, que cambiaba las propiedades físico-químicas del material de conductor a aislante.
GRAFENO EN POLVO
El grafeno en polvo se utiliza en aplicaciones que requieren un material más barato, como composite para construcción. Lo más frecuente es mezclarlo con otros materiales. El proceso de producción de grafeno en polvo básicamente
parte del grafito como materia prima y consiste en realizar una oxidación y un proceso de ultrasonificación para separar
las pequeñas láminas de grafeno que componen el grafito. (Explicado en el apartado anterior.) Sus propiedades no son tan buenas como el grafeno en
lámina y conduce peor la electricidad.
GRAFENO ARTIFICIAL
Este nuevo material es fabricado colocando y moviendo moléculas de óxido de carbono sobre una superficie de cobre, y aunque es más costoso de producir,
permite manipular las propiedades del grafeno con mayor precisión, ya que éste cuenta con mayor pureza que la que se
obtiene en el grafeno original.
En FayerWayer hemos hablado mucho del grafeno , sustancia que fue creada gracias al trabajo de Andre Geim y Konstantin Novoselov , científicos que ganaron el Premio Nobel de Física en 2010 gracias a que consiguieron aislar el material a temperatura ambiente. Esto permitió que su creación fuera más fácil de lo que se teorizaba décadas antes, lo que llevó a consecuentes pruebas que dieron cuenta de las múltiples propiedades que poseía el grafeno.
En la teoría, aparte de los principios químicos y físicos complicados involucrados, el grafeno no es más que una lámina de átomos de carbono en su estado puro, ordenados en un patrón hexagonal que se van repitiendo a lo largo de toda la superficie que se busca crear, en una suerte de "red atómica" que los une firmemente unos con otros.
Esta disposición de átomos resulta en que el grafeno sea unas 200 veces más duro que el acero, al mismo tiempo que es un gran conductor eléctrico, puede ser transparente cuando se quiere, tiene una elasticidad y flexibilidad envidiables pese a ser tan duro, llega a ser tan ligero como el carbono, transporta de manera muy veloz electrones, consume menos energía cuando se fabrican y hacen funcionar transistores con él y hasta se repara solo cuando su estructura es dañada .
Es por esto que en la práctica sus aplicaciones son casi infinitas y muchas de ellas están relacionadas al área de la tecnología, lo que despierta el interés de nosotros y toda la comunidad científica y tecnológica por ver cómo, en un futuro muy cercano, el grafeno llegará a revolucionar nuestras vidas si es que las siguientes aplicaciones se convierten en productos de venta masiva en la vida real.
USOS DEL GRAFENO:
I
Audífonos y parlantes más que profesionales
(CNN) — Hace menos de 10 años, el físico holandés-británico Andre Geim se encontró con una sustancia que revolucionaría la forma en la que entendemos la materia: un descubrimiento que le daría a él y su colega, Kostya Novoselow, el Premio Nobel de Física en 2010. Se trata del grafeno, una sustancia delgada compuesta de un átomo.
El profesor de Física en la Universidad de Manchester, en Reino Unido, habló con CNN sobre el descubrimiento del primer material bidimensional.
CNN: El grafeno fue descrito como un material milagroso , ¿pero qué es exactamente?
Andre Geim: Es el material más delgado que puedes obtener , tiene un grosor de un solo átomo. Una cantidad diminuta puede cubrir un área enorme, así que un gramo podría cubrir toda una cancha de futbol. Es el material más fuerte que conocemos porque no puedes cortarlo más. Por supuesto, sabemos que los átomos pueden dividirse en partículas elementales, pero no puedes obtener ningún material que tenga una delgadez menor a un átomo... o ya no contaría como material.
El grafeno es más fuerte que el diamante, tiene una conducción extraordinaria del calor, conduce la electricidad mil veces mejor que el cobre, y la lista continúa. Hablamos sobre probablemente 20 superlativos que aplican al grafeno. Otra sorpresa es que puedes verlo casi a simple vista, ¡aunque solo tiene un grosor de un átomo!
CNN: Su método de emplear cinta adhesiva para descubrir el material pasó a la historia de la ciencia...
AG: Intentábamos hacer al grafito lo más delgado posible por medio de equipo de laboratorio y durante muchos meses luchamos para hacerlo más delgado que 10,000 capas. Entonces tuvimos un momento estilo¡eureka! Utilizábamos cinta adhesiva regularmente en el laboratorio para limpiar la superficie del grafito. Observábamos lo que ocurría en la superficie del grafito y tirábamos la cinta adhesiva en el bote de basura. Entonces decidimos sacar la cinta del bote de basura y verla bajo el microscopio y vimos pedazos realmente transparentes del grafito: grafeno.
CNN: Ciertamente su descubrimiento fue una sorpresa para el mundo de la ciencia, ¿pero fue una sorpresa para ustedes?
AG: Sí. Vivimos en un mundo tridimensional. Mi intuición de físico, desarrollada en los últimos 30 años, me indicaba que este material no debía de existir. Y si le hubieras preguntado al 99.9% de los científicos en todo el mundo te hubieran dicho que la idea de un material 2D era estúpida y que el grafeno no debía existir. Y en la mayoría de los casos hubieran tenido razón, pero en el caso del grafito o grafeno, y una docena de otros materiales como ese, nuestra intuición estaba completamente equivocada.
CNN: ¿Para qué es exactamente útil el grafeno?
AG: Debido a su rango de propiedades extraordinarias, las personas consideran utilizar grafeno en una serie de aplicaciones diferentes. Por ejemplo, debido a que el grafeno es tan fuerte, las personas quieren utilizarlo para reforzar el plástico, haciéndolos conductivos al mismo tiempo. Debido a que es transparente y conduce la electricidad, las personas quieren utilizarlos en aplicaciones como pantallas de teléfonos móviles , pantallas táctiles, pantallas de televisores y así sucesivamente. Las personas también consideran utilizarlo para ir más allá de la tecnología de silicio y hacer a nuestros circuitos integrados más densos y rápidos. Esos son solo algunos ejemplos.
CNN: ¿Cuál es el futuro del grafeno?
AG: No me atrevo a intentar predecir el futuro, pero si la velocidad de desarrollo de los últimos 10 años es alguna guía, podemos esperar ver al grafeno en todo muy pronto. Normalmente tarda 40 años que un material nuevo pase de un laboratorio académico a un producto de consumo, pero en menos de 10 años el grafeno saltó de nuestro laboratorio a un laboratorio industrial y ahora hay productos piloto en todo el mundo. Los gobiernos en todo el mundo y probablemente más de 100 empresas gastan miles de millones de dólares en la investigación de estos materiales. Así que, probablemente también merece el superlativo del material de más rápido desarrollo.
El grafeno es una sustancia formada por carbono puro, con átomos dispuestos en un patrón regular hexagonal similar al grafito, pero en una
hoja de un átomo de espesor. Es muy ligero, una lámina de 1 metro cuadrado pesa tan sólo 0,77 miligramos.
Es un alótropo del carbono, unteselado hexagonal plano (comopanal de abeja) formado por átomos de carbono y enlaces covalentesque se generan a partir de la superposición de los híbridos sp2 de los carbonos enlazados.
El Premio Nobel de Física de 2010 se le otorgó aAndréy Gueim y a Konstantín Novosiólov por sus revolucionarios descubrimientos acerca de este material.1 2
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 de 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 delgrafito 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 aromáticoscondensados.
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.
Entre las propiedades destacadas de este material se incluyen:5
·Es muy flexible
·Es transparente
·Autoenfriamiento (según algunos científicos de la Universidad de Illinois).
·Conductividad térmica yeléctrica altas. 6
·Elasticidad y dureza elevadas.
·(Sobre todo) Muy alta dureza: 200 veces mayor que la delacero, casi igual a la del diamante. 7
·Reacción química con otras sustancias para producir compuestos de diferentes propiedades. Esto lo dota de gran potencial de desarrollo.
·Soporte de radiación ionizante.
·Gran ligereza, como lafibra de carbono, pero más flexible.
·Menor efecto Joule: se calienta menos al conducir los electrones.
·Para una misma tarea que el silicio, menor consumo de electricidad.
·Generación de electricidad al ser alcanzado por la luz. 8
·Razón Superficie/Volumen muy alto, lo que le atorga un buen futuro en el mercado de los supercondensadores.
·Se puede dopar introduciendo impurezas para cambiar su comportamiento primigenio de tal manera que se pueda hacer que no repela el agua o que incluso mejore todavía más la conductividad.
·Cuando una lámina de grafeno recibe algún daño que quiebra su estructura produciendo un agujero consigue atraer átomos de carbono situados en las proximidades para así reparar los huecos (se autorepara).