Teoría y Aplicación de la Informática 2

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1 Universidad Católica Nuestra Señora de la Asunción Facultad de Ciencias y Tecnologías Departamento de Electrónica e Informática Asunción - Paraguay Octubre Teoría y Aplicación de la Informática 2 Grafeno Miguel Arrúa

2 Índice general 1. Introducción Qué es el Grafeno? Formas de obtener el Grafeno Exfoliación de grafito Deposición de átomos de carbono Oxidación-Reducción de óxido de grafeno Obtención de grafeno de forma artificial Materiales a los cuales reemplazaría el Grafeno Silicio Fibra óptica Cobre Propiedades del Grafeno Dureza: Elasticidad: Flexibilidad: Conductor de calor: Conductor de la electricidad: Transparente y ligero: Reacciona químicamente con otras sustancias: Soporta la radiación ionizante: Elevada densidad: Efecto antibacteriano: Usos y Aplicaciones del Grafeno Electrónica: Informática: Telefonía móvil: Sector energético: Industria del blindaje: Industria automovilística: Industria del motor y los combustibles: Industria alimentaria: Tratamiento de aguas: Desarrollo de la ciencia: Aplicaciones del Grafeno en la Medicina Biomarcador corporal basado en Grafeno Implantes de retina Músculos artificiales con grafeno Paises productores de Grafeno a nivel Mundial Problemas que se enfrenta la adopción del Grafeno Conclusión

3 Teoría y Aplicación de la Informática 2 Grafeno Miguel Angel Arrúa Benitez marruabenitez@hotmail.com Ingeniería Electrónica Universidad Católica Nuestra Señora de la Asunción Resumen Grafeno, Formas de obtener el Grafeno, Materiales a los cuales reemplazaría el Grafeno, Propiedades del Grafeno, Usos y Aplicaciones del Grafeno, Aplicaciones del Grafeno en la Medicina, Paises productores de Grafeno a nivel Mundial, Problemas que se enfrenta la adopción del Grafeno, Conclusiones. 1. Introducción Uno de los objetivos de la ciencia es crear productos que aporten un mayor confort a las personas, hay muchos materiales que se utilizan para crear estos productos, pero o bien no presentan las características necesarias para que su aprovechamiento sea mayor; o dichos materiales escasean y se prevé que se agotarán en un futuro. Es aquí donde toma protagonismo el Grafeno, un material cuyas características nos permite avanzar con respecto a la tecnología y crear nuevos productos. El carbono es la base de la vida, sin él no existiría tal y como la conocemos, y es de los elementos más abundantes de la tierra. Los avances científicos están demostrando que variando sus diferentes formas de combinarse a nivel atómico, puede suponer un cambio radical de nuestro futuro tecnológico en multitud de áreas. Una de las áreas que más interés está suscitando en la investigación nanotecnológica, los distintos materiales que se crean a partir de las distintas configuraciones moleculares que este elemento puede adoptar. El grafito y el diamante están compuestos por, y solo por, átomos de carbono. La única diferencia es la forma en que se unen los átomos entre sí. El grafito es el material del que se componen las minas de los lapiceros, negro y especialmente indicado para ser depositado sobre el papel porque las finas láminas moleculares de las que se compone se desescaman con facilidad. Al otro extremo se encuentra el diamante, transparente y uno de los compuestos de mayor dureza conocidos en el mundo. Esto nos puede servir para hacernos una idea de lo versátil que el carbono puede llegar a ser. Es curioso que dependiendo de su configuración molecular y pese a tratarse del mismo elemento.

4 4 Teoría y Aplicación de la Informática 2 2. Qué es el Grafeno? El grafeno es un cristal de carbono en el que los átomos están dispuestos en un plano de forma hexagonal. Está compuesto por átomos de carbono e hidrógeno ordenados en forma de panel de abeja. El grafeno se obtiene a partir del grafito, un material abundante en la naturaleza que podemos encontrar, por ejemplo, en las minas de los lápices. Este nuevo material se descubrió de casualidad en la década de 1930, cuando un investigador decidió analizar qué quedaba en las tiras adhesivas que se utilizaban para conseguir un grafito más puro. Sin embargo, no fue hasta 2004 cuando unos científicos rusos de la Universidad de Manchester Andre Geim y Konstantin Novoselov, consiguieron aislarlo a temperatura ambiente. El Premio Nobel de Física del 2010 ha sido concedido a los dos investigadores que realizaron los primeros experimentos sobre el grafeno.[1],[2]. Figura 1: Lámina plana de átomos de carbono ordenados. 3. Formas de obtener el Grafeno 3.1. Exfoliación de grafito Éste método consiste básicamente en arrancar de forma mecánica (mediante algún tipo de material adherente) láminas de un trozo de grafito. Éste proceso de obtención del grafeno es realmente simple (se puede hacer en casa) y se consigue un grafeno bastante puro. El problema es que las cantidades resultantes suelen ser ínfimas y además, no siempre se consiguen monocapas de grafeno.

5 Grafeno Deposición de átomos de carbono Aquí la idea es calentar el carbono lo suficiente como para tenerlo suspendido en el aire y después dejar que se enfríe para que, al depositarse sobre un sustrato, se formen láminas de grafeno bastante homogéneas. Utilizando este proceso de fabricación de grafeno se pueden conseguir mayores cantidades de material. Sin embargo, los costes de producción son relativamente altos Oxidación-Reducción de óxido de grafeno Utilizando reacciones redox se puede conseguir que el oxido de grafeno (que es un material bastante más fácil de conseguir en grandes cantidades) sea purificado hasta convertirse en grafeno. Para ello, se oxida el grafeno con sustancias químicas, por ejemplo, que contengan hidrógeno (que, junto al oxígeno, formará agua) y posteriormente se reduce con elementos compuestos de carbono para rellenar los huecos formados en el proceso anterior Obtención de grafeno de forma artificial Además de los procesos anteriores, se puede operar sobre el grafeno cual cirujano, manipulando moléculas de óxido de grafeno hasta conseguir el resultado deseado. Evidentemente se trata de un proceso mucho más costoso, pero permite manipular el grafeno hasta dotarlo de las características mecánicas y eléctricas que se deseen. Se trata, sin duda, de uno de los métodos que más está destacando para obtener grafeno.[3] Figura 2: Máquina para obtener de grafeno de forma artificial

6 6 Teoría y Aplicación de la Informática 2 4. Materiales a los cuales reemplazaría el Grafeno 4.1. Silicio Lograron crear un transistor con una densidad de carga 1,9 veces superior a las de los tradicionales transistores de silicio.[4] El grafeno carece de una banda de resistividad, propiedad esencial que le es inherente al silicio. Eso implica que el grafeno no puede dejar de conducir electricidad: no se puede apagar.[5] 4.2. Fibra óptica Investigadores de la Universidad de Cambridge lograron que el grafeno fuera capaz de captar una gran cantidad de luz, lo que se puede utilizar en la creación de cables de fibra óptica muy veloces, se prometen cables de grafeno que podrían mover información cientos de veces más rápido que uno actual, lo que podría implementarse en el área de las telecomunicaciones para la instalación de redes más veloces, aumentando así la capacidad y rapidez de internet, la telefonía móvil y en definitiva, todas las comunicaciones que se llevan a cabo sobre nuestro planeta.[5] 4.3. Cobre Las cualidades de conducción eléctrica y térmica del grafeno eran iguales o mejores que las del cobre, cada material posee propiedades y funcionalidades únicas. El grafeno no sustituirá al cobre. Al contrario, sólo añade nuevas posibilidades al uso de otros materiales. El grafeno añade una propiedad más al cobre, que lo hace más interesante como metal. En efecto, la adición de una lámina de grafeno incrementa las propiedades anticorrosivas, anticontaminación y antibacterianas de los materiales.[6] 5. Propiedades del Grafeno 5.1. Dureza: Se puede definir la dureza de un material como la cantidad de energía que es capaz de absorber antes de romperse o deformarse. El en caso del grafeno su dureza se estima en aproximadamente unas 200 veces la del acero, casi similar a la

7 Grafeno 7 del diamante. Es decir, que hablamos de un material muy resistente al desgaste y que puede soportar grandes pesos. Se estima que para atravesar una lámina de grafeno con un objeto afilado sería necesario establecer un peso sobre él de aproximadamente cuatro toneladas Elasticidad: Al igual que pasa con la dureza, el grafeno presenta una elevada elasticidad. Esto hace que se pueda aplicar en muy diferentes superficies, de las cuales aumentará también la durabilidad, ya que al ser elástico tendrá menos posibilidades de quebrarse Flexibilidad: Al tener una elevada elasticidad puede moldearse de diversas maneras, lo que aumenta enormemente los campos en los que se puede utilizar Conductor de calor: La conductividad térmica es una propiedad física que mide la capacidad de un cuerpo de conducir el calor, es decir, de permitir el paso del calor a través de él. Es elevada en los metales, pero muy baja en el resto de los materiales, por lo general. La excepción a esto es el grafeno Conductor de la electricidad: Conduce mucho mejor la electricidad que el cobre, material que habitualmente se utiliza como base de los cables. Por otra parte, necesita una menor cantidad de electricidad para transportar energía que la mayoría de los materiales empleados actualmente, las baterías de los móviles o de los ordenadores portátiles, durarían mucho más tiempo Transparente y ligero: Se trata de un material con estas características, lo que permitiría su utilización para crear pantallas mucho más ligeras. Si lo unimos a otras de sus propiedades ya mencionadas, como es el caso de la flexibilidad, una de sus aplicaciones sería la de la creación de pantallas plegables o enrollables.

8 8 Teoría y Aplicación de la Informática Reacciona químicamente con otras sustancias: Esto le permite servir de base para la creación de materiales nuevos o introducir impurezas dentro de su estructura para modificar las propiedades originales del grafeno, lo que abre un abanico prácticamente ilimitado de campos de aplicación Soporta la radiación ionizante: El grafeno ofrece una gran resistencia a ser modificado por este tipo de radiación, por lo que se puede aplicar en ámbitos como el sanitario, en el que se utilizan aparatos que emiten radiaciones ionizantes, como es el caso de los sistemas de radioterapia, por ejemplo. En la actualidad, los materiales que se encuentran alrededor de los aparatos que emiten radiaciones ionizantes se desgastan muy pronto, lo que supone un coste muy elevado que se podría ahorrar con su construcción con grafeno Elevada densidad: El grafeno es un material muy denso. Tanto, que ni siquiera los átomos más pequeños conocidos, los de Helio, son capaces de atravesarlo. Del mismo modo sí que permite el paso del agua, que se evapora a la misma velocidad que si estuviera en un recipiente abierto Efecto antibacteriano: Al estudiar el comportamiento del grafeno con organismos vivos, se comprobó que las bacterias no crecen en él, lo que abre las posibilidades de su utilización en la industria alimentaria o en la biomedicina.[7] 6. Usos y Aplicaciones del Grafeno 6.1. Electrónica: Podría emplearse en la fabricación de microchips o de transistores, ambos elementos imprescindibles en prácticamente todos los dispositivos electrónicos. Existen diversas empresas que ya están desarrollando tintas conductoras, que es un tipo de tinta que conduce la electricidad y que se emplea para imprimir circuitos, a partir de grafeno, diversos estudios recientes han comprobado cómo nanocircuitos de grafeno podrían mejorar de manera significativa la velocidad y calidad de las comunicaciones inalámbricas.

9 Grafeno 9 Figura 3: Transistores de Grafeno 6.2. Inform atica: El uso del grafeno permitir a el desarrollo de ordenadores mucho m as r apidos y con un menor consumo el ectrico que los actuales de silicio. Adem as, se estima que un disco duro de este compuesto, del mismo tama no que uno de los empleados actualmente, podr ıa almacenar hasta mil veces m as informaci on Telefon ıa m ovil: Unos investigadores en Corea del Sur integraron con exito electrodos hechos de grafeno en paneles de visualizaci on OLED, un gran paso hacia adelante en el uso de grafeno flexible, fuerte y extremadamente delgado en pantallas OLED, posiblemente permitiendo su uso en todo tipo de dispositivos, desde la pr oxima generaci on de tecnolog ıa port atil hasta ropa inteligente. Los investigadores reemplazaron con electrodos de grafeno los tradicionales electrodos de oxido de esta no e indio. Para que las prendas de vestir sean m as inteligentes, necesitamos pantallas que se doblen y se flexionen para adaptarse a nuestros cuerpos, y ah ı es donde entran en juego estos suaves y flexibles substratos reforzados con grafeno, encerrados en materiales manejables como el pl astico. El siguiente paso del equipo de investigaci on es tratar de usar un sustrato de pl astico en lugar de vidrio, aumentando as ı a un m as la flexibilidad y la dureza de la pantalla.[8] Figura 4: Pantallas flexibles, plegables

10 10 Teoría y Aplicación de la Informática Sector energético: Es otro de las que cambiarán de manera visible. Por sus propiedades energéticas, el grafeno permitirá la creación de baterías de larga duración que apenas tardarán unos segundos en cargarse. Además, las energías renovables pasarán a un plano más relevante, ya que, entre otros, las placas solares recubiertas de este material serán mucho más eficientes y permitirán una forma más ecológica de consumo energético Industria del blindaje: La extrema dureza del grafeno, unida a su capacidad de moldearse y a su ligereza, lo hace un compuesto ideal para ser empleado en esta industria. Chalecos antibalas, cascos y multitud de elementos de protección que se emplean por diversos profesionales pasarán a ser mucho más ligeros y seguros Industria automovilística: Su aplicación en el chasis de los vehículos los haría mucho más resistentes, por lo que el número de muertes en accidente de circulación anuales se podría reducir drásticamente. Por otra parte, los coches híbridos se convertirán en una alternativa real en vez de ser relegados a una representación minoritaria. Baterías de larga duración, con tiempos de carga mínimos facilitarán que los conductores más reacios a estos vehículos los vean con otros ojos. Figura 5: Industria automovilística 6.7. Industria del motor y los combustibles: Hará de ambos más ecológicos y eficientes. Actualmente, es de dominio público que el Pentágono ha invertido una gran cantidad de dinero para fomentar el desarrollo de un aditivo basado en el grafeno que mejore el rendimiento de los aviones militares en cuanto a consumo y rendimiento.

11 Grafeno Industria alimentaria: Posibilitará la creación de envases para alimentos más seguros o recubrimientos para los muebles del hogar que impidan el desarrollo de bacterias en su superficie Tratamiento de aguas: Debido a su peculiar estructura de alta densidad permeable al agua, se estudia su posible uso para la desalinización del agua. Algunos datos obtenidos a partir de estos proyectos predicen que se podrá realizar esta tarea en un tiempo muy inferior y con un coste mucho más reducido Desarrollo de la ciencia: La alta reactividad del grafeno con otros elementos químicos distintos del carbono es una de las características que más atrae la atención en el campo de la investigación. Ya se han descubierto algunos derivados del grafeno, como es el caso del grafano, que mediante la adición de hidrógeno en su estructura molecular da como resultado un nuevo material aislante.[9] 7. Aplicaciones del Grafeno en la Medicina Las aplicaciones del grafeno en la medicina hacen parte de los novedosos usos que se le dan a esta sustancia. Recientes estudios han abierto la puerta para su introducción en la elaboración de sistemas para la prevención de enfermedades y para desarrollar indicadores presentes en la sangre que muestren datos en tiempo real Biomarcador corporal basado en Grafeno Es un dispositivo capacitado para medir la presión arterial, el nivel del azúcar en la sangre o dar cuenta de posibles enfermedades como la anemia al medir el óxido nítrico presente en el oxígeno Implantes de retina Gracias a la biocompatibilidad del grafeno, la aplicación de este compuesto en el campo de la oftalmología es una realidad. De acuerdo con estudios de físicos

12 12 Teor ıa y Aplicaci on de la Inform atica 2 de la Universidad T ecnica de M unich, los implantes de retina que est en basados en grafeno tendr ıan la capacidad de convertir la luz incidente en impulsos el ectricos que luego ser ıan transmitidos al cerebro por medio del nervio optico. Esta se nal se transformar ıa en im agenes. Asimismo, por las caracter ısticas del grafeno, es un material ideal para suplir implantes oculares, raz on por la que su aplicaci on en pr otesis opticas es otra puerta que se abre para su utilizaci on M usculos artificiales con grafeno Entre las aplicaciones del grafeno en la medicina una de las que m as sorprende es que en caso de ser puesto sobre caucho, ser ıa la sustancia ideal para crear m usculos artificiales. Esto se debe a la estimulaci on el ectrica que se puede establecer sobre el grafeno y la posibilidad de controlar la tensi on resultante y su respectiva relajaci on. Con las anteriores condiciones se podr ıa hacer un m usculo bi onico sumamente eficiente.[10]. 8. Paises productores de Grafeno a nivel Mundial (a) (b) Figura 6: Productores de grafeno (6a) En funci on del tama no del pais (6b)

13 Grafeno Problemas que se enfrenta la adopción del Grafeno Según algunas investigaciones se necesita asegurar el volumen de producción para que surjan las apuestas ganadoras. Obviamente, a un precio razonable, aunque se haya reducido en los últimos años, pero no lo suficiente para aplicaciones que requieren gran cantidad de material. También tiene que luchar con la resistencia de los productores de las materias primas predominantes, como el cobre, el silicio o el ITO (óxido de indio y estaño, a precio muy competitivo). Otro problema puede ser cómo transportarlo. Si es en polvo no habría problema, pero no es tan práctico ni tan seguro para los trabajadores, que también es un punto importante a tener en cuenta. El problema viene con otras variantes, que se pueden manipular en seco o en agua, un dilema que puede hacer variar la viabilidad económica de su transporte.[11].

14 14 Teoría y Aplicación de la Informática Conclusión El grafeno es uno de los descubrimientos más impresionantes ya que se puede usar en casi todos los ámbitos para desarrollar nuevas tecnologías o mejorar las ya existentes. Por sus propiedades, puede servir como material en la fabricación de aviones, satélites espaciales o automóviles, haciéndolos más seguros. También en la construcción de edificios, pues los convertiría en más resistentes, sus aplicaciones en el campo de la electrónica, donde a través de su capacidad para almacenar energía puede dotar a las baterías de una mayor duración y un menor tiempo de carga, establecer conexiones más rápidas e incluso contribuir a mejorar el medio ambiente sustituyendo a materiales contaminantes que hoy en día nos vemos obligados a utilizar. El grafeno es capaz de generar electricidad a través de la energía solar, lo que le convierte en un material muy prometedor en el campo de las energías limpias. En el área de la medicina las investigaciones han demostrado que, al ser funcionalizado, puede ser usado para transportar fármacos, utilizarse como biosensores, servir para la creación de prótesis, e incluso se podría aplicar para mejorar el tratamiento de algunas enfermedades y para rastrear el entorno celular para la regeneración de tejidos.

15 Grafeno 15 Referencias 1. Tuexperto.com, Qué es el grafeno y cómo cambiará nuestras vidas en los próximos años. Agosto Consultado: K. Bourzac, El grafeno gana el premio nobel. Octubre Consultado: Grafeno.com, Cómo se obtiene el grafeno. el grafeno, un viaje al futuro.. https: //goo.gl/4idyhz, Septiembre Consultado: J. PASTOR, Estos nuevos nanotubos de carbono ponen en jaque al silicio:más carga, más eficiencia. Septiembre Consultado: Wikipedia, Grafeno. Octubre Consultado: M. Class, Nuevos estudios ubican al grafeno como aliado del cobre. goo.gl/lvnesy, Marzo Consultado: I. Grafeno, Las 10 propiedades del grafeno Consultado: M. P. a, El grafeno permite crear ahora pantallas flexibles para ropa. https: //goo.gl/fmgdrd, Abril Consultado: I. Grafeno, Los 10 usos y aplicaciones del grafeno Consultado: E. grafeno.net, Aplicaciones del grafeno en la medicina. UeRDtd, Enero de Consultado: Tecnoxplora, Las razones por las que el grafeno aún no triunfa comercialmente. Julio Consultado: