MOLÉCULAS DE CARBONO
INDICE -El carbono
Pág.1
-Características
Pág.2
-Estados
Pág.3-5
-Descubren cómo producir nanohilos de carbono Pág.6-7
-Impuesto a emisiones de carbono
Pág.8-9
-Grafeno
Pág.10
-Utilidad del grafeno
Pág.11
-Obtención del grafeno
Pág.12
-Grafeno: apps en la medicina
Pág.13
-Grafeno: Membranas perfectas
Pág.14
-Grafeno material del futuro
Pág.15
El carbono El carbono (del Latino: Carbo) es un elemento químico de número atómico 6 y símbolo C. Como miembro del grupo de los carbonoideos de la tabla periódica de los elementos. Es sólido a temperatura ambiente. Dependiendo de las condiciones de formación, puede encontrarse en la naturaleza en distintas formas alotrópicas, carbono amorfo y cristalino en forma de grafito o diamante respectivamente. Es el pilar básico de la química orgánica; se conocen cerca de 16 millones de compuestos de carbono, aumentando este número en unos 500.000 compuestos por año, y forma parte de todos los seres vivos conocidos. Forma el 0,2 % de la corteza terrestre.
1
CARACTERÍSTICAS El carbono es un elemento notable por varias razones. Sus formas alotrópicas incluyen, sorprendentemente, una de las sustancias más blandas (el grafito) y la más dura (el diamante) y, desde el punto de vista económico, es de los materiales más baratos (carbón) y uno de los más caros (diamante). Más aún, presenta una gran afinidad para enlazarse químicamente con otros átomos pequeños, incluyendo otros átomos de carbono con los que puede formar largas cadenas, y su pequeño radio atómico le permite formar enlaces múltiples. Así, con el oxígeno forma el dióxido de carbono, vital para el crecimiento de las plantas (ver ciclo del carbono); con el hidrógeno forma numerosos compuestos denominados genéricamente hidrocarburos, esenciales para la industria y el transporte en la forma de combustibles fósiles; y combinado con oxígeno e hidrógeno forma gran variedad de compuestos como, por ejemplo, los ácidos grasos, esenciales para la vida, y los ésteres que dan sabor a las frutas; además es vector, a través del ciclo carbono-nitrógeno, de parte de la energía producida por el Sol.
2
ESTADOS Se conocen cinco formas alotrópicas del carbono, además del amorfo: grafito, diamante, fullerenos , nanotubos y carbinos. Una de las formas en las cuales se encuentra el carbono es el grafito, que es el material del cual está hecha la parte interior de los lápices de madera. El grafito tiene exactamente los mismos átomos del diamante, pero por estar dispuestos en diferente forma, su textura, fuerza y color son diferentes. Los diamantes naturales se forman en lugares donde el carbono ha sido sometido a grandes presiones y altas temperaturas. Los diamantes se pueden crear artificialmente, sometiendo el grafito a temperaturas y presiones muy altas. Su precio es menor al de los diamantes naturales, pero si se han elaborado adecuadamente tienen la misma fuerza, color y transparencia. El 22 de marzo de 2004 se anunció el descubrimiento de una sexta forma alotrópica: las nanoespumas. La forma amorfa es esencialmente grafito, pero no llega a adoptar una estructura cristalina macroscópica. Esta es la forma presente en la mayoría de los carbones y en el hollín. A presión normal, el carbono adopta la forma del grafito, en la que cada átomo está unido a otros tres en un plano compuesto de celdas 3
Las dos formas de grafito conocidas alfa (hexagonal) y beta (romboédrica) tienen propiedades físicas idénticas. Los grafitos naturales contienen más del 30% de la forma beta, mientras que el grafito sintético contiene únicamente la forma alfa. La forma alfa puede transformarse en beta mediante procedimientos mecánicos, y esta recristalizar en forma alfa al calentarse por encima de 1000 °C. Debido a la deslocalización de los electrones del orbital pi, el grafito es conductor de la electricidad, propiedad que permite su uso en procesos de electroerosión. El material es blando y las diferentes capas, a menudo separadas por átomos intercalados, se encuentran unidas por enlaces de Van de Waals, siendo relativamente fácil que unas deslicen respecto de otras, lo que le da utilidad como lubricante. A muy altas presiones, el carbono adopta la forma del diamante, en el cual cada átomo está unido a otros cuatro átomos de carbono, encontrándose los 4 electrones en orbitales sp3, como en los hidrocarburos. El diamante presenta la misma estructura cúbica que el silicio y el germanio y, gracias a la resistencia del enlace químico carbono-carbono, es, junto con el nitruro de boro, la sustancia más dura conocida. La transición a grafito a temperatura ambiente es tan lenta que es indetectable. Bajo ciertas condiciones, el carbono cristaliza como lonsdaleíta, una forma similar al diamante pero hexagonal. El orbital híbrido sp1 que forma enlaces covalentes sólo es de interés en química, manifestándose en algunos compuestos, como por ejemplo el acetileno. Los fullerenos tienen una estructura similar al grafito, pero el empaquetamiento hexagonal se combina con pentágonos (y en ciertos casos, heptágonos), lo que curva los planos y permite la aparición de estructuras de forma esférica, elipsoidal o cilíndrica.
4
El constituido por 60 átomos de carbono, que presenta una estructura tridimensional y geometría similar a un balón de fútbol, es especialmente estable. Los fulerenos en general, y los derivados del C60 en particular, son objeto de intensa investigación en química desde su descubrimiento a mediados de los 1980. A esta familia pertenecen también los nanotubos de carbono, que pueden describirse como capas de grafito enrolladas en forma cilíndrica y rematadas en sus extremos por semiesferas (fulerenos), y que constituyen uno de los primeros productos industriales de la nanotecnología.
Cristales de fullerenos
5
Descubren cómo producir nanohilos de diamante…. Científicos de la Universidad Estatal de Pensilvania han descubierto cómo producir nanohilos de diamantes ultradelgados. Los expertos prometen propiedades extraordinarias, incluyendo una resistencia y una rigidez mayor que la de los nanotubos y polímeros más fuertes que existen en la actualidad. Los autores del trabajo, publicado en 'Nature Materials', han indicado que, desde un punto de vista fundamental en la ciencia, este hallazgo es interesante porque los hilos que se forman "tienen una estructura que nunca se ha visto antes". El núcleo de los nanohilos que el equipo ha creado es una hebra larga y delgada de átomos de carbono dispuestos como la unidad fundamental de un diamante: anillos cyclohexanos formados por seis átomos de carbono unidos entre sí, en el que cada átomo está rodeado por otros en una estructura triangular piramidal de un tetraedro. "Es como si un joyero increíble hubiera ensartado los diamantes más pequeños posibles en un collar en miniatura" , ha apuntado el investigador principal, John V. Badding
6.
"Debido a que este hilo es como el corazón de un diamante, esperamos que sea extraordinariamente rígido, extraordinariamente fuerte, y extraordinariamente útil", ha añadido. El descubrimiento del equipo se produce después de casi un siglo de intentos fallidos en numerosos laboratorios de todo el mundo para comprimir las moléculas que contienen carbono separados como el benceno líquido, en forma ordenada. "Utilizamos un dispositivo de alta presión del Laboratorio Nacional Oak Ridge (Estados Unidos) para comprimir una anchura de 6 milímetros de benceno, una cantidad gigantesca en comparación con los experimentos anteriores", ha explicado uno de los miembros del equipo, Malcolm Guthrie. "Descubrimos que liberar lentamente la presión después de una compresión a temperatura ambiente normal daba a los átomos de carbono el tiempo que necesitan para reaccionar entre sí y para unirse en una cadena altamente ordenada de tetraedros de carbono de un solo archivo, formando estos nanohilos de núcleo de diamante", ha apuntado. El equipo de Badding es el primero en 'convencer' a las moléculas que contienen átomos de carbono para formar la forma de tetraedro y, a continuación, vincular cada extremo de los tetraedros para formar una larga y delgada nanored. Los expertos han definido el ancho de esta estructura como "fenomenalmente pequeño", concretamente, sólo unos pocos átomos de ancho, lo que supone que es cientos de miles de veces más pequeñas que una fibra óptica y enormemente más delgado que un cabello humano. 7
Impuesto a emisiones de carbono El tributo fue ideado con el fin de reducir la expulsión de este gas de efecto invernadero, informó este lunes el Banco Mundial (BM). “Vemos un impulso real", dijo el presidente del BM, Jim Yong Kim, en la víspera de una cumbre del clima que se celebrará en la sede de la ONU en Nueva York. ¿"Gobiernos que representan la mitad de la población del planeta y el 52 por ciento del producto bruto interno mundial han mostrado su apoyo a un precio para el dióxido de carbono como una necesaria, aunque insuficiente, solución al cambio climático y un paso en el camino para reducir el aumento del dióxido de carbono", explicó en un comunicado. Además, más de 1.000 empresas de todo el mundo, como BP, Pfizer o ArcelorMittal, se sumaron a la iniciativa. Este apoyo "demuestra un gran compromiso e impaciencia de los gobiernos y empresas" para tomar medidas con el fin de enfrentar el calentamiento global, dijo. La lista de naciones incluye economías potentes como China, Francia, Alemania, Indonesia y Rusia pero no cuenta con la mayor potencia económica y fundadora del BM, Estados unidos. Kim no explicó por qué Washington no se había comprometido, pero señaló que varios estados y ciudades del país se encontraban en la lista y que el presidente Barack Obama era partidario.
8
En la iniciativa también participan grandes compañías petroleras estadounidenses como ExxonMobil, Chevron y Conoco Phillips. Las empresas quieren estar seguras de que cualquier tasa sea justa e igualitaria en los diferentes países y jurisdicciones, dijo Kim. El comunicado no dice qué sistema se va a utilizar para fijar un precio por la contaminación con dióxido de carbono. Habrá sugerencias más precisas tras el encuentro de Nueva York y antes de la próxima cumbre sobre calentamiento climático, prevista para 2015 en París, informó.
9
GRAFENO El carbono es uno de los elementos químicos más importantes en la naturaleza. Se encuentra en todos los seres vivos y, según se distribuyan sus átomos, puede formar sustancias con distintas características. A partir del carbono se consigue el grafeno. Este material surge cuando pequeñísimas partículas de carbono se agrupan de forma muy densa en láminas de dos dimensiones muy finas (tienen el tamaño de un átomo), y en celdas hexagonales. Para que te hagas una idea, su estructura es similar a la que resulta de dibujar un panal de abejas en un folio. ¿Por qué en un folio? Porque es una superficie plana, de dos dimensiones, como el grafeno. El grafeno se obtiene a partir de una sustancia abundante en la naturaleza, el grafito. Ésta, forma parte de nuestra vida cotidiana, ya que se emplea para fabricar muy variados objetos, desde la mina de los lápices hasta algunos ladrillos. Pese a que el grafeno se conoce desde la década de 1930, fue abandonado por considerarlo demasiado inestable. No fue hasta muchos años después, en 2004, cuando los científicos de origen ruso Novoselov y Geim consiguieron aislarlo a temperatura ambiente. Este descubrimiento no fue baladí, pues gracias a él obtuvieron el Premio Nobel en 2010.
10
Utilidad del Grafeno Para poder hacernos una idea de en cuántos campos distintos puede aplicarse el grafeno, es necesario echar un vistazo a nuestro alrededor y ver todo lo que nos rodea. Ordenadores, coches, teléfonos móviles y equipos de música son, por mencionar sólo algunos de ellos, cosas que encontramos frecuentemente en nuestra vida cotidiana en las que el grafeno se podría llegar a aplicar. Por sus propiedades, el grafeno 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. Pero, sobre todo, destacan 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. No hay que olvidar su relevancia en el ámbito de la salud. Las prótesis de grafeno podrían sustituir a las actuales, de diversos materiales. O incluso se podría aplicar para mejorar el tratamiento de algunas enfermedades. Por todo esto, no es de extrañar que se diga que su utilidad es prácticamente ilimitada y que las barreras a su aplicación únicamente son las de la imaginación humana. 11
Obtención del grafeno Para que conserve todas sus propiedades, el mineral ha de ser de la mayor calidad posible. Con el método tradicional de obtención a base de deshojar el grafito con cinta adhesiva, se consigue grafeno de muy alta calidad, pero la cantidad producida es mínima y resulta insuficiente para su uso industrial. Por otro lado, el empleo de otros métodos para su obtención enfocados en aumentar la cantidad producida no consiguen un producto con la calidad suficiente. Actualmente, se comercializa el grafeno bajo dos formas: En lámina y en polvo. ¿En qué se diferencian? • Grafeno en lámina: es de alta calidad y se emplea en campos como la electrónica, la informática o incluso la aeronáutica, donde se requiere un material muy resistente. Su producción es actualmente muy costosa. • Grafeno en polvo: se usa en aquellos ámbitos que no requieren de un material de alta calidad. Su proceso de obtención es más barato y permite una mayor producción del producto, pero renunciando a parte de sus propiedades. El siguiente gran reto en la historia de este mineral es la búsqueda de un método de obtención que supere esta barrera. Diversos equipos de científicos en todo el mundo dedican sus esfuerzos a este fin y aunque los resultados obtenidos son prometedores, aún queda camino por recorrer. 12
Grafeno : Apps en la medicina El nuevo sensor basado en GRAFENO desarrollado por la universidad de Michigan es presentado como un biomarcador corporal a todos los niveles, puede medir tanto la presión arterial como los niveles de azúcar en la sangre, pasando por medir el óxido nítrico en el oxígeno, cuyo nivel es un indicador de anemia o enfermedades pulmonares. Según el profesor Zhaohui Zong aun no han sido exploradas todas las aplicaciones posibles de este nuevo sensor. Otro avance sin precedentes gracias a su biocompatibilidad, es su aplicación en el campo de la oftalmología, según los físicos de la Universidad Técnica de Munich, los implantes de retina basados en GRAFENO convierten la luz incidente en impulsos eléctricos que se transmiten al cerebro a través del nervio óptico, transformando la señal en imágenes. El GRAFENO, gracias a sus características mecánicas, químicas y electrónicas, es el candidato ideal para suplir otros materiales en implantes oculares, pudiendo servir como prótesis ópticas a aquellas personas que mantienen sus nervios ópticos intactos. Científicos de varias universidades han demostrado que el GRAFENO sobre caucho puede ser el material idóneo para la creación de músculos artificiales, dado que la estimulación eléctrica sobre este nuevo compuesto hace posible controlar la tensión y relajación del mismo, haciendo de él un músculo biónico eficiente. 13
Grafeno: Membranas perfectas Una membrana 100.000 veces más delgada que el cabello humano con posibilidades de revolucionar la industria textil y métodos de filtración atómica. Esta vez han sido los científicos del ETH de Zúrich, liderados por el profesor HYUNG GYU PARK los que consiguieron hacer nanoporos en el material milagroso, con un potencial abrumador sobre sus semejantes. Todo el mundo conoce el goretex, que es una membrana cuya gran cualidad es que las gotas de agua no son capaces de penetrar en ella y en cambio da una una transpirabilidad a los elementos donde se aplica (ropa,calzado….). Según comentan en sus estudios los investigadores del ETH Zúrich, su membrana basada en GRAFENO no sólo es más ligero y flexible, sino que es mil veces más transpirable que la membrana más conocida del planeta. Con un grosor de solo dos átomos, subrayan que es la membrana porosa más delgada posible técnicamente. La técnica empleada para dicho material, es una película de doble capa de GRAFENO de gran pureza, usaron el método conocido como focused ion fresado para conseguir grabar los poros en el material atómico, dicha técnica en la que un haz de iones de helio y galio sirven para producir con una precisión sin precedentes nanoporos en esta membrana futurista con aplicaciones espectaculares. La posibilidad de elementos nanométricos abren un nuevo campo de control para gases y fluidos, que gracias a su eficiencia energética y a la posibilidad de hacer poros de distintos tamaños, hacen soñar con una revolución industrial en todos los campos donde se aplique. 14
Grafeno, el material del futuro
15
Hecho por: Alejandro Flórez Sepúlveda
Materia: Tecnología– Ciencias Naturales
Profesores: Gustavo Bedoya Vargas-John Alexander Jaramillo U.