tarea 3-grafeno y sus aplicaciones de futuro

ALUMNO: DAVID MARTÍN NIEVAS DNI: 75137928-X

GRAFENO Y SUS APLICACIONES DE FUTURO

“Fundamentos y Tecnología de Materiales”

GRADO DE INGENIERIA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMATICA

UNED

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INDICE

1.-INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS ........................................... 3 Pg

2.-DESCRIPCIÓN DEL GRAFENO ............................................ 3 Pg

3.- MÉTODOS DE OBTENCIÓN DEL GRAFENO ....................... 4 Pg

4.- CARACTERISTICAS DEL GRAFENO .................................... 8 Pg

5.- APLICACIONES DEL GRAFENO .......................................... 9 Pg

7.-CONCLUSIONES ................................................................. 10 Pg

8.-BIOGRAFIA ........................................................................ 10 Pg

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1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVO

El grafeno es un material que se empezó a estudiar en la década de los 50 por medio del grafíto, un material con propiedades muy anisótropas (propiedades variables según la dirección que se mida)

Entre los años 60 y 70, se caracterizan los compuestos intercalares de grafito (CaKC6Ca). Pueden ser superconductores.

Entre 1975 y 1978, se sintetiza el poliacetileno(CH)n, dopado dando lugar a polímeros metálicos con un amplio rango de conductividades, recibiendo el nobel en el 2000 A.J. Heeger, A.G.MacDiamid y H.Shirakawa.

A mediados de los 80, se observan los fullerenos en el espacio exterior. C60 y estructuras mayores (R.F.Curl Jr, H.Kroto y R.E.Smalley reciben por ello en 1996 el premio nobel de química.

En 1991, se observan los nanotubos de carbono que tenían variedad de formas, pudiendo ser metálicos o semiconductores.

En el 2004 se aísla y estudia el grafeno que son monocapas de carbono, inicialmente de una o varias micras de extensión existiendo muestras de centímetros.

Y hay día el grafeno puede ser una realidad para su multitud de aplicaciones que se pueden llevar a cabo por sus cualidades, sobretodo para la electrónica. Aunque se está intentando minimizar la facilidad de creación de grafeno lo más puro posible.

El objetivo será conocer de que se compone el grafeno, características, métodos de obtención del grafeno y aplicaciones en desarrollo o futuras aplicaciones.

2. DESCRIPCIÓN DEL GRAFENO

El grafeno es una lámina monoatómica de átomos de carbono unidos mediante enlaces covalentes sp2(monocapa grafito) como la Figura 1.

Figura 1.Estructura cristalina del grafito. Se ilustran las interacciones de las diversas capas de anillos aromáticos condensados.

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http://es.wikipedia.org/wiki/Compuestos_arom%C3%A1ticos

http://es.wikipedia.org/wiki/Compuestos_arom%C3%A1ticos


Se ha estudiado para diversos estudios de materiales grafíticos, explicando diversidad de propiedades. Aproximadamente en el 2004 no se creía posible la existencia como entidad aislada, ya que se creía que los cristales estrictamente bidimensionales eran termodinámicamente inestables, siendo debido a la inestabilidad por contribuciones divergentes de las fluctuaciones térmicas en redes cristalinas de baja dimensionalidad que produciría desplazamientos atómicos a las distancias interatómicas a cualquier temperatura finita, dando lugar a la desintegración del cristal. Se empleó un procedimiento conocido como exfoliación micro mecánica.

3. MÉTODOS DE OBTENCIÓN DEL GRAFENO

MÉTODO DE EXFOLIACIÓN MICROMECÁNICA

Como ya hemos hablado, el primer método que se descubrió para conseguir grafeno fue por exfoliación micromecánica (Figura 2). Se basa en la relativa debilidad de la interacción entre las láminas de grafeno que conforman el grafito, consiste básicamente en la exfoliación repetida de la pieza de grafito empleando cinta adhesiva. Existen varias hipótesis para tratar de explicar la imprevista estabilidad de estas láminas aisladas. Por un lado, las láminas provienen de una estructura tridimensional previa, o cual, unido a sus pequeños tamaños laterales y a la fuerza de los enlaces covalentes entre los átomos de carbono, presumiblemente las hace resistentes a las fluctuaciones térmicas. Por otro lado, las ondulaciones microscópicas que presentan las láminas podrían contribuir a su estabilidad, aparte de dar cuenta de algunas otras propiedades del grafeno.

El método se ha ido simplificando desde sus inicios, y en la actualidad se produce la exfoliación frotando directamente el grafito contra una superficie (generalmente Si/SiO2) como si se escribiera sobre la misma. Mediante este sencillo procedimiento resulta posible la obtención de láminas de grafeno monocapa de gran tamaño (hasta 0.2 mm) y de una calidad tanto estructural como electrónica excelente. El problema radica en que, por ser un proceso totalmente manual, la obtención del material es considerablemente laboriosa y de un rendimiento extremadamente bajo. Además, las láminas han de ser cuidadosamente localizadas con la ayuda de un microscopio óptico entre una gran cantidad de pequeños copos de grafito que las enmascaran, un arduo proceso que puede llevar varias horas para la identificación de unas pocas láminas de grafeno.

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Figura 2 . Proceso de exfoliación micromecánica de grafito. (A) Un copo de grafito es adherido a cinta adhesiva. (B) Se exfolia el copo en repetidas ocasiones, obteniéndose varios copos más

finos. (C) Se presionan los copos contra una superficie limpia de Si/SiO2 que actuará como substrato. (D) Se frota con suavidad la parte trasera de la cinta adhesiva, asegurándose así un contacto entre los copos y el substrato. (E) Se retira con cuidado la cinta, dejando láminas de grafenos sobre el substrato junto con una gran cantidad de material grafítico. (F) Cuando se

encuentran sobre un substrato de Si/SiO2, las láminas de grafeno se pueden identificar con la ayuda de un microscopio óptico gracias a un fenómeno de interferencia provocado por la diferencia de recorridos ópticos, permitiendo discriminar entre grafenos de diferentes

capas.

MÉTODO DE GRAFENO EN LÁMINA

Este método a través de un Deposito químico en fase vapor (CVD)(Figura 3).consiste en la deposición de un sólido sobre un sustrato a alta temperatura usando para ello precursores moleculares que se descomponen y/o recombinan para dar lugar al material en cuestión. En el caso del grafeno, el sustrato es un metal de transición, típicamente níquel o cobre, que se calienta a alta temperatura y se expone a una atmósfera de un precursor carbonoso (hidrocarburo) que se descompone, y los átomos de carbono se unen al metal difundiéndose o adsorbiéndose sobre él. A continuación, el sustrato se enfría formándose la lámina de grafeno. Por último, la lámina se separa del sustrato metálico, típicamente mediante la disolución de éste. Estas láminas pueden depositarse sobre otros sustratos sin necesidad de complicados tratamientos químicos o mecánicos que perjudiquen seriamente la calidad estructural del grafeno. La principal ventaja del método CVD es que permite generar láminas de grafeno de grandes dimensiones y buena calidad estructural, potencialmente muy útiles para aplicaciones electrónicas. No obstante, tiene el inconveniente de requerir temperaturas moderadamente altas (800-1000 ºC).

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La máquina más compleja para producir láminas de grafeno es un limpiador ultrasónico, un equipo común en muchos laboratorios.

Figura 3. Esquema del proceso CVD para obtener grafeno. MÉTODO POR CRECIMIENTO EPITAXIAL SOBRE SUSTRATOS DE CARBURO DE SILICIO A ELEVADA TEMPERATURA

Crecimiento epitaxial en superficies eléctricamente aislantes (Figura 4), principalmente el carburo de silicio, SiC . Este método se basa en la sublimación térmica del silicio a temperaturas que pueden llegar a superar 1300 °C, a la vez que el carbono se reordena para formar una capa de grafeno. Se producen así láminas de una gran calidad estructural, aunque de nuevo la necesidad de trabajar en ultra alto vacío y la gran temperatura necesaria para producir la sublimación del silicio limitan enormemente su aplicación a gran escala. Sin embargo, recientes estudios realizados a presión atmosférica en Ar parecen indicar que es posible obtener láminas de una calidad estructural mejor incluso que la de las láminas obtenidas en vacío. En comparación con el CVD es un método poco viable por las condiciones de operación (>1000 ºC) y el rendimiento relativamente bajo del método.

Figura 4. Proceso de crecimiento epitaxial sobre sustratos de carburo de silicio a elevada temperatura

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MÉTODO DE PROCESADO QUÍMICO DE ÓXIDO DE GRAFITO (Figura 5) Implica la oxidación y posterior exfoliación de grafito en fase líquida, obteniéndose láminas de óxido de grafeno (grafeno fuertemente oxidado) que pueden ser reducidas para obtener dispersiones de grafeno (Figura 6). La principal ventaja de este método es que se produce gran cantidad de material en medio acuoso, lo que facilita su procesado. El gran inconveniente de este método radica en la baja calidad estructural de las láminas obtenidas.

Figura 5. Método de procesado químico de óxido de grafito

Figura 6. Obtención de grafeno por reducción de óxido de grafito

MÉTODO DE EXFOLIACIÓN DE GRAFITO PRÍSTINO EN DETERMINADOS DISOLVENTES ORGÁNICOS O SURFACTANTES. Obteniéndose láminas de grafeno de gran calidad, aunque sus tamaños laterales se restringen a unos pocos cientos de nanómetros. La ventaja de este método radica en que se evitan los procesos previos de oxidación y reducción, lo cual redunda en un aumento en la calidad estructural de los grafenos obtenidos. Como contrapunto, la concentración de grafeno que se consigue es generalmente pequeña y las láminas obtenidas son sólo minoritariamente monocapa, siendo el resto láminas de unas pocas capas.

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MÉTODO 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. Sus propiedades no son tan buenas como el grafeno en lámina y conduce peor la electricidad. 4. CARACTERISTICAS DEL GRAFENO El grafeno tiene una serie de cualidades y características muy interesantes que de principio hace que sea un material muy atractivo para la electrónica como, una alta conductividad térmica, alta conductividad eléctrica (Figura 7), alta elasticidad (deformable), alta dureza (resistencia a ser rayado), alta resistencia. El grafeno es aproximadamente 200 veces más resistente que el acero, similar a la resistencia del diamante, pero es muchísimo más ligero, es más flexible que la fibra de carbono pero igual de ligero. La radiación ionizante no le afecta. Presenta un bajo efecto Joule (calentamiento al conducir electrones), para una misma tarea el grafeno consume menos electricidad que el silicio, es capaz de generar electricidad por exposición a la luz solar. El grafeno es un material prácticamente transparente, es muy denso y no deja pasar al helio en forma gaseosa, sin embargo si deja pasar al agua, la cual, encerrada en un recipiente de grafeno, muestra una velocidad de evaporación similar a la que muestra en un recipiente abierto. También otras características aún en discusión son la capacidad de autoenfriamiento descrita por investigadores de la Universidad de Illinois o su capacidad de auto-reparación. Si una capa de grafeno pierde algunos átomos de carbono por cualquier motivo, los átomos cercanos al hueco dejado se acercan y cierran dicho hueco, esta capacidad de auto-reparación podría aumentar la longevidad de los materiales fabricados con grafeno, aunque de forma limitada Se han propuesto las aplicaciones del grafeno y / o en desarrollo, en áreas como la electrónica, la ingeniería biológica, filtración, materiales compuestos ligeros / fuertes, la energía fotovoltaica y de almacenamiento de energía.

Figura 7. Diferencias de propiedades entre metal y semiconductor

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5. APLICACIONES DEL GRAFENO Almacenamiento de energía El grafeno está siendo estudiado y desarrollado para ser utilizado en la fabricación de supercondensadores (Figura 8) que son capaces de ser cargado muy rápidamente, sin embargo, también sera capaz de almacenar una gran cantidad de electricidad. Grafeno basado micro-supercondensadores es probable que se desarrollen para uso en aplicaciones de baja energía, tales como teléfonos inteligentes y dispositivos informáticos portátiles y, potencialmente, podrían estar disponibles comercialmente en los próximos 5-10 años. Las baterías de iones de litio de grafeno mejorada podrían utilizarse en aplicaciones de uso de energía mucho más altas, tales como vehículos eléctricos, o que puedan ser utilizados como baterías de iones de litio son ahora, en los teléfonos inteligentes, computadoras portátiles y Tablet PC, pero a niveles significativamente más bajos de tamaño y peso.

Figura 8.Oblea con supercondensadores de grafeno, creada de forma barata con una grabadora de DVD corriente.

Ingeniería Biológica Con el grafeno que ofrece una gran superficie, alta conductividad eléctrica, la delgadez y la fuerza, que sería un buen candidato para el desarrollo de dispositivos sensoriales bioeléctricas rápidas y eficientes, con la capacidad de controlar cosas tales como los niveles de glucosa, los niveles de hemoglobina, colesterol e incluso la secuenciación del ADN. Finalmente podemos ver incluso ingeniería grafeno "tóxicos" que es capaz de ser utilizado como un tratamiento antibiótico o incluso el cáncer. También, debido a su composición molecular y el potencial de biocompatibilidad, que podría ser utilizado en el proceso de regeneración de tejidos. Electrónica ópticos Un área particular en la que pronto comenzará a ver grafeno a utilizarse comercialmente es en la optoelectrónica; específicamente pantallas táctiles, pantallas de cristal líquido (LCD) y los diodos emisores de luz orgánicos (OLED). Para que un material sea capaz de ser utilizado en aplicaciones optoelectrónicas, debe ser capaz de transmitir más de 90% de la luz y también ofrecer propiedades conductoras eléctricas superiores a 1 x 106 Ω1m1 y, por tanto, baja resistencia eléctrica. El grafeno es un material casi completamente transparente y es capaz de transmitir ópticamente hasta 97,7% de la luz. También es altamente conductor, como hemos mencionado anteriormente y lo que iba a funcionar muy bien en aplicaciones optoelectrónicos tales como pantallas táctiles LCD para teléfonos inteligentes (Figura 9), tabletas y computadoras de escritorio y televisores.

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Figura 9.Posible teléfonos moviles flexibles con grafeno

La ultrafiltración Otra propiedad destacada del grafeno es que si bien permite que el agua pase a través de él, es casi completamente impermeable a líquidos y gases (incluso relativamente pequeñas moléculas de helio). Esto significa que el grafeno podría ser utilizado como un medio de ultrafiltración para actuar como una barrera entre dos sustancias. La ventaja de usar el grafeno es que es sólo 1 átomo de espesor grueso y también puede ser desarrollado como una barrera que mide electrónicamente la tensión y presiones entre las 2 sustancias (entre muchas otras variables). El grafeno está siendo desarrollado para ser usado en sistemas de filtración de agua, sistemas de desalinización y la creación de biocombustibles eficiente y económicamente más viable. 6. CONCLUSIÓN

El grafeno es un material que mayoritariamente está en fase experimental según nos hacen saber, pero por lo que se ve, si de aquí a 10 años puede ser toda una revolución por su amplia aplicación dentro de la tecnología, se irá viendo.

7. BIOGRAFIA

digital.csic.es/bitstream/10261/34323/1/TESIS-Pablo%20Solis.pdf

http://www.chinacarboninc.com/c33766/c33820.asp.htm

http://www.elmundo.es/elmundo/2012/04/13/nanotecnologia/1334331314.html

http://www.iit.upcomillas.es/pfc/resumenes/519351c82d4a7.pdf

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http://www.elmundo.es/elmundo/2012/04/13/nanotecnologia/1334331314.html

tarea 3-grafeno y sus aplicaciones de futuro

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