miércoles, 15 de junio de 2011

¿Qué es el Grafeno?


¿Qué es el Grafeno?

Video 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.
El Premio Nobel de Física de 2010 fue otorgado a Andre Geim y Konstantin Novoselov por sus revolucionarios descubrimientos sobre el material bidimensional grafeno.
La hibridación sp2 es la que mejor explica los ángulos de enlace, a 120°, de la estructura hexagonal. Como cada uno de los carbonos tiene cuatro electrones de valencia en el estado hibridado, tres de esos electrones se alojarán en los híbridos sp2, formando el esqueleto de enlaces covalentes simples de la estructura y el electrón sobrante, se alojará en un orbital atómico de tipo p perpendicular al plano de los híbridos. La solapación lateral de dichos orbitales es lo que daría lugar a la formación de orbitales de tipo π. Algunas de estas combinaciones, entre otras, darían lugar a un gigantesco orbital molecular deslocalizado entre todos los átomos de carbono que constituyen la capa de grafeno.
El nombre proviene de GRAFITO + ENO. En realidad, la estructura del grafito puede considerarse como una pila de un gran número de láminas de grafeno superpuestas. Los enlaces entre las distintas capas de grafeno apiladas se debe a fuerzas de Van der Waals e interacciones entre los orbitales π de los átomos de carbono.





Estructura cristalina del grafito en la que se observan las interacciones entre las distintas capas de anillos aromáticos condensados.
En el grafeno, la longitud de los enlaces carbono-carbono es de aproximadamente 1,42 Å. Es el componente estructural básico de todos los demás elementos grafíticos incluyendo el grafito, los nanotubos de carbono y los fulerenos. Esta estructura también se puede considerar como una molécula aromática extremadamente extensa en las dos direcciones del espacio, es decir, sería el caso límite de una familia de moléculas planas de hidrocarburos aromáticos policíclicos llamada grafenos.

Propiedades

Entre las propiedades más destacadas de este material se incluyen:
  • Algunos científicos de la Universidad de Ilinois en Michigan aseguran que tiene propiedades de autoenfriamiento.
  • Alta conductividad térmica y eléctrica.
  • Alta elasticidad y dureza.
  • Resistencia (200 veces mayor que la del acero).
  • El grafeno puede reaccionar químicamente con otras sustancias para formar compuestos con diferentes propiedades, lo que dota a este material de gran potencial de desarrollo.
  • Soporta la radiación ionizante.
  • Es muy ligero, como la fibra de carbono, pero más flexible.
  • Menor efecto Joule; se calienta menos al conducir los electrones.
  • Consume menos electricidad para una misma tarea que el silicio.
Otras propiedades interesantes desde el punto de vista teórico son las siguientes:
  • Los electrones que se trasladan sobre el grafeno se comportan como cuasipartículas sin masa. Son los llamados fermiones de Dirac. Dichos fermiones se mueven a una velocidad constante independientemente de su energía (como ocurre con la luz), en este caso a unos 106 m/s. La importancia del grafeno, en este aspecto, consiste en estudiar experimentalmente este comportamiento que había sido predicho teóricamente hace más de 50 años.
  • El grafeno presenta un efecto llamado efecto Hall cuántico, por el cual la conductividad perpendicular a la corriente toma valores discretos, o cuantizados, permitiendo esto medirla con una precisión increíble. La cuantización implica que la conductividad del grafeno nunca puede ser cero (su valor mínimo depende de la constante de Planck y la carga del electrón).
  • Debido a las propiedades anteriores, los electrones del grafeno pueden moverse libremente por toda la lámina y no quedarse aislados en zonas de las que no pueden salir (efecto llamado localización de Anderson, y que es un problema para sistemas bidimensionales con impurezas).
  • Es casi completamente transparente y tan denso que ni siquiera el átomo de helio, cuyos átomos son los más pequeños que existen (sin combinar en estado gaseoso) puede atravesarlo.

En que se esta aplicando en la actualidad.

Nokia toma la iniciativa para implementar el grafeno en sus próximos proyectos:.

Nokia cree que el grafeno es un material que cambiará el futuro y está tomando parte en esta iniciativa para ayudar a llevar este material prometedor a el mundo real. Nokia no lo hace solo, cuenta con la ayuda de otros nueve socios, entre ellos cuatro premios Nobel, el Dr. Andrea Gelm, Dr. Konstantin Novoselov, Dr. K. von Klitzing y el Dr. A. Fert en la junta asesora de la investigación.
Adicional se incluyen varios responsables europeos que quieren ver que esto se convierta en una realidad, entre los principales expertos en la investigación del grafeno están: Universidad Tecnológica de Chalmers, Universidad de Manchester, Universidad de Lancaster, Universidad de Cambridge, AMO Gmbh, Instituto Catalán de la nanotecnología, consejo de investigación italiano y la fundación Europea de la Ciencia.
Los dispositivos como el Nokia Morph podría convertirse pronto en una realidad, significa que los teléfonos pueden ser ultra delgados, de fácil manipulación, de tamaños convertibles que hoy en día no se imaginan. No estamos hablando sólo de teléfonos móvil, estamos hablando de toda la tecnología en su inmensidad. Una vez que existe la tecnología, el televisor podría -en teoría- ser desenrollado, pegado a la pared de su sala y parecer como un rollo de papel pintado.


Circuitos nanotecnológicos de grafeno para comunicaciones inalámbricas

Investigadores de IBM han anunciado que han alcanzado un hito en la creación de un componente esencial para el futuro de los dispositivos inalámbricos. En un artículo publicado en la revista Science, investigadores de IBM anunciaron el primer circuito integrado fabricado a partir de grafeno, y demostraron una frecuencia de funcionamiento de un mezclador de banda ancha en las frecuencias de hasta 10 gigahercios (10 mil millones de ciclos por segundo).
Diseñados para las comunicaciones inalámbricas, estos circuitos integrados basados en grafeno podrían mejorar los dispositivos inalámbricos actuales y apuntan a la posibilidad de un nuevo conjunto de aplicaciones. En las frecuencias convencionales de hoy en día, las señales del teléfono celular y el transceptor se puede mejorar, permitiendo potencialmente a los teléfonos trabajar donde no pueden hoy en día, mientras que, a frecuencias mucho más altas, los militares y el personal médico podrían ver armas ocultas o imágenes médicas sin los peligros de la radiación de los rayos-X.
Este nuevo circuito integrado, que consiste en un transistor de grafeno y un par de bobinas compactas integradas en una oblea de carburo de silicio (SiC), supera los obstáculos de diseño mediante el desarrollo de procedimientos de fabricación de obleas que mantienen la calidad del grafeno y  al mismo tiempo, permiten su integración con otros componentes en un circuito complejo.

Entre las propiedades más destacadas de este material se incluyen:

Blindaje
Para que podamos hacernos una idea de la dureza del grafeno, Jaffrey Kysar y James Hone, propusieron una curiosa analogía. Comparó las pruebas realizadas por su equipo con poner una cubierta de plástico sobre una taza de café y medir la fuerza que requeriría pinchar esa cubierta con un lapicero. Pues bien, según explicó Hone, si en lugar de plástico lo que se pusiera sobre la taza de café fuera una lámina de grafeno, después situáramos encima un lápiz, y en lo alto de éste colocáramos un automóvil que se sostuviera en equilibrio sobre él, la lámina de grafeno ni se inmutaría. Se puede decir, sin duda, que el grafeno es el material más duro del mundo.
Informática
La industria de semiconductores –uno de los campos donde el material parece ser más prometedor–, que tiene la intención de construir ordenadores mucho más rápidos que los actuales mediante el desarrollo de microprocesadores con transistores de grafeno, no cabe de júbilo con los resultados de las investigaciones que se están haciendo con el grafeno. Precisamente uno de los principales impedimentos en la construcción de microprocesadores es la presión –según explica Julia Greer, investigadora del Instituto Tecnológico de California (Caltech)–, y los materiales usados para fabricar los transistores no sólo deben tener excelentes propiedades eléctricas, “sino que también deben ser capaces de sobrevivir a la tensión a que se ven sometidos durante el proceso de fabricación y al calentamiento generado por repetidas operaciones. El proceso utilizado para estampar conexiones eléctricas metálicas en los microprocesadores, por ejemplo, ejerce una tensión que puede provocar el fallo de los chips.”
Greer concluye que “el calor es demasiado para que los materiales lo soporten”. Pero tras las pruebas realizadas sobre la resistencia del grafeno, parece quedar demostrado que éste es capaz de soportarlo.
El español Tomás Palacios, profesor del MIT, ha conseguido fabricar transistores de grafeno 10 veces más rápidos que los de silicio. Los chips del revolucionario material, de un átomo de espesor, podrían alcanzar velocidades de 1.000 GHz. Esto demuestra lo cerca que está de desbancar al elemento clásico de la era de la información.
También se crearán discos duros del mismo tamaño de los de hoy día, pero capaces de almacenar 1.000 veces mas información. Científicos del Leibniz Institute for Solid State and Materials Research en Dresden, Alemania, acaban de inventar una novedosa técnica en donde es posible utilizar la estructura intrínseca del grafeno, para necesitar en el orden de 1.000 veces menos átomos para mantener una estructura lo suficientemente resistente como para aguantar los constantes cambios electromagnéticos requeridos para escribir y leer información.
Electrónica
Una startup en Jessup, Maryland, espera poder lanzar al mercado este año uno de los primeros productos basado en el grafeno. Vorbeck Materials está fabricando tintas conductoras basadas en el grafeno y que pueden ser utilizadas para imprimir antenas RFID (identificación por radiofrecuencia, por sus siglas en inglés) y contactos eléctricos para pantallas flexibles. La compañía, que se aprovecha del bajo coste de las tintas de grafeno, posee un acuerdo con el gigante de productos químicos alemán BASF para lanzar al mercado este producto en breve. Será la prueba definitiva de que el grafeno es un material del presente.
Aviónica
El Pentágono ha asignado tres millones de dólares a la Universidad de Princeton para que desarrolle diminutas hojas de grafeno que, añadidas al combustible empleado en los motores de los aviones supersónicos, consigan una optimización en su funcionamiento y una reducción en el consumo y la contaminación ambiental. Según los científicos, este desarrollo puede alumbrar el nacimiento de una nueva era en los motores de combustión de las aeronaves. Los aditivos de combustible fabricados con partículas minúsculas de grafeno podrían lograr que los aviones supersónicos vuelen aún más rápido y que sus motores lleguen a contar con mejores condiciones de eficiencia y protección de la sostenibilidad ambiental.
Investigación
¿Te suena de algo el acelerador de partículas del CERN? El complejo, que ocupa kilómetros cuadrados cerca de Ginebra (Suiza), sirve para explorar el mundo de lo infinitamente pequeño para buscar los elementos fundamentales de la materia. Los físicos 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.
Energía
Los investigadores ven una amplia variedad de aplicaciones para el papel de óxido de grafeno, incluyendo su uso en membranas con permeabilidad controlada, y para las baterías o ultracondensadores destinados a usos en el ámbito energético. Estos dispositivos de almacenamiento de energía podrían ayudar al almacenar brotes repentinos de energía, por tanto, supondría una ayuda para aprovechar el irregular suministro por parte de las fuentes “verdes”.Esto revolucionará el concepto de energía renovable y la elevará a unas cotas de eficiencia nunca vistas.
Como vemos, la promesa de una nueva era basada en el carbono (y no en el silicio) se acerca a marchas forzadas. En un plazo medio, nos podemos ver inundados de dispositivos, mecanismos y tecnologías basadas en el grafeno, con unos rendimientos varios órdenes de magnitud por encima de lo que estamos acostumbrados ahora.

Inversiones.

Una acción de coordinación de grafeno será financiada por la Comisión Europea para elaborar planes con vistas a los próximos 10 años. Se trata de una iniciativa ambiciosa, visionaria de investigación a gran escala, con miras a un gran avance para la innovación tecnológica y la explotación económica basada en el grafeno. Graphene-CA es una de las 6 FET Flagships piloto en preparación. 


Los inventores del grafeno desarrollan el fluorgrafeno 

Nos vuelven a sorprender tras anunciar un nuevo descubrimiento, se trata de un material derivado del grafeno, al que llaman “Flúorgrafeno”, este material presenta propiedades distintas a las del grafeno, como por ejemplo, la no conducción de la corriente eléctrica. Su proceso de desarrollo asociado con su obtención es muy complejo.
La estructura interna de este material es similar a la del grafeno, cuyo aspecto podemos ver en la foto, es decir; son hexágonos perfectos, tal y como un
panel de abejas, que se compone de átomos de carbono únicos colocados entre sí. Esta ordenación de los átomos le convierten en un buen conductor de la corriente eléctrica y también en un buen conductor de calor. Su estructura le hace ser un material muy fuerte que será de gran ayuda en la mejora de la industria electrónica.
 
 
Fuentes:
ESF


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