Monografía Grafeno [PDF]

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Grafeno: propiedades y aplicaciones

Boris Seminario Arista 20141076H

Grafeno: propiedades y aplicaciones

¿QUÉ ES EL GRAFENO? El grafeno es una forma alotrópica del carbono, de forma similar al grafito, pero en una hoja de átomos de espesor perfectamente estable y con altas expectativas con respecto a lo que sería su aplicación en el campo de la tecnología. El grafeno está conformado por átomos de carbono que forman una hoja de grosor de un átomo altamente flexible, su producción actualmente está restringida a laboratorios, esto debido a que no se ha encontrado todavía la manera de producirlo a una mayor escala, sin embargo las expectativas que se tienen respecto a su futuro uso en tecnología es muy alta debido a que ya se han demostrado características muy interesantes en lo que se refiere a conductividad eléctrica, térmica y resistencia mecánica.

Descubrimiento El grafeno se conoce desde el siglo XX, sin embargo, sus propiedades se comenzaron a estudiar hace elativamente poco tiempo; debido a que se pensaba que era un material inestable termodinámicamente, es decir: las fluctuaciones térmicas alterarían el orden de los átomos del cristal, produciendo la fundición de este. El año 2004, los científicos Gueim y Novosiolov lograron obtener una pequeña lámina de grafeno y por sus posteriores estudios acerca de este material, obtuvieron el premio Nobel de Física. La estructura del grafeno se puede explicar mediante la formación de enlaces sp2 que explican los ángulos de 120º.

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Grafeno: propiedades y aplicaciones MÉTODOS DE OBTENCIÓN

Exfoliación micro mecánica Fue el primer método por el que se obtuvo el grafeno (utilizados por los primeros científicos en obtenerlo). Actualmente este método se ha perfeccionado y se utiliza gafito , que se frota contra una superficie, como si se escribiera sobre la misma; obteniéndose grafeno monocapa o bicapa de gran calidad. El defecto de este método estriba en que no es escalable y de bajo rendimiento, ya que se realiza de manera manual y se obtienen muy pocas láminas de grafeno por área de superficie del sustrato sobre el que se fricciona el grafito. Depósito químico en fase vapor Mediante este método se obtienen capas de grafeno de una gran calidad estructural, pero imposibilita el empleo de este como componente electrónico. Este método es costoso y la instrumentación es compleja. Crecimiento epitaxial Se utiliza carburo de silicio; se basa en la sublimación térmica del silicio a altas temperaturas, al mismo tiempo que los átomos de carbono se reordenan para formar una superficie de grafeno de una capa. Las condiciones de vacío y alta temperatura, dificultan su producción en masa. Exfoliación química La exfoliación química de óxido de grafito en determinados disolventes orgánicos o surfactantes. Se obtienen láminas de gran calidad, pero de extensión muy pequeña.

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Grafeno: propiedades y aplicaciones

Propiedades del grafeno

Propiedades de interés 1. Conductividad eléctrica

El grafeno es un material altamente conductor, debido a su alta movilidad de los portadores de carga y además con un nivel bajo de ruido; se comporta como un conductor y semiconductor. Es más conductivo que otros materiales utilizados para tal fin, como el cobre y el silicio. Se ha podido comprobar que los electrones de los carbonos (en el grafeno) se desplazan por su superficie a una gran velocidad alrededor de 1000 km/h. La resistividad eléctrica es muy baja (alrededor de la tercera parte de la de la plata), lo que se traduce en un escaso efecto joule, por lo que el material no aumenta su temperatura a un nivel considerable. 2. Conductividad térmica

La gran conductividad térmica del grafeno es otro propiedad por la que se aprecia; según las mediciones realizadas es de 5000 (W/m.k), más de 10 veces superior a la del cobre. Esta conductividad térmica se debe a la relativa movilidad que tienen los átomos de carbono para movilizarse en el grafeno en comparación con otros materiales también utilizados para la conducción del calor. Esta propiedad lo convierten en una posible solución para la fabricación de disipadores de calor en dispositivos o sistemas electrónicos. 3. Resistencia mecánica

El grafeno tiene una alta resistencia mecánica a la tensión a rotura; de aproximadamente 100 veces a del acero. Esta resistencia al esfuerzo mecánico se debe a que en las láminas de grafeno existen uniones covalentes entre átomos de grafeno, a diferencia de las láminas que conforman al grafito, que están unidas por fuerzas de Van der Waals. El grafeno puede deformarse de manera reversible hasta un 10% de su tamaño normal, pudiendo retomar su forma original; debe aclararse que estas mediciones se realizaron en grafeno que podía tener defectos de red.

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Grafeno: propiedades y aplicaciones

Aplicaciones del grafeno Electrónica Este sería uno de los campos en los que se aplicaría el grafeno con grandes beneficios debido a sus propiedades eléctricas descritas anteriormente, además de su alta flexibilidad, lo que permitiría el desarrollo de dispositivos flexibles como teléfonos móviles, que serían muchas veces más potentes que los más sofisticados dispositivos utilizados en la actualidad. El grafeno también revolucionaría el campo de la informática: las computadoras diseñadas y construidas en base de grafeno serían muy rápidas y podrían almacenar información. Los microprocesadores actuales ya están llegando a su límite, por lo que se está pensando en soluciones como el grafeno, por su alta conductividad y por su bajo calentamiento al conducir la electricidad.

Energía El grafeno también ofrece un panorama muy prometedor en el Sector Energético, debido a que haría posible la creación de baterías de larga duración en uso y un corto tiempo de carga; además de su uso en paneles solares que permitiría un mayor aprovechamiento de la energía solar. En este campo el grafeno promete la utilización provechosa y ventajosa de energías limpias y renovables.

Industria de defensa Las propiedades mecánicas del grafeno (sin dejar de lado las demás) lo convierten en un material que podría ser utilizado como blindaje para cascos, chalecos antibalas. Además se debe resaltar las diversas ventajas que proporcionaría su utilización en motores y sistemas electrónicos en sistemas de defensa.

Tratamiento de aguas Debido a su estructura permeable al agua, se está estudiando para la desalinización del agua de mar y así permitir su potabilización.

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