ISAE UNIVERSIDAD TRANSISTMICA
Mireya Valencia Prof.
Ernesto Sánchez S.
01 de Agosto de 2015
Lámina de 1 metro cuadrado que pesa tan sólo 0,77 miligramos. Se considera más fuerte que el acero y su densidad es aproximadamente cinco veces más ligero que el acero, es una sustancia formada por carbono puro, con átomos dispuestos en patrón regular hexagonal.
Índice ¿Qué es el Grafeno?
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¿Cómo es el material del Grafeno?
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Usos Novedosos del Grafeno Características del Grafeno Las propiedades del Grafeno Descubrimiento del Grafeno Descubridores del Grafeno
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Técnicas de producción del Grafeno
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El Grafeno duradero
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La importancia del Grafeno
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Las 10 aplicaciones del Grafeno
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El primer chip de Grafeno
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El Grafeno...¿un material milagroso?
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Nuevo plan decenal…..
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Estructura y morfología…..
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Efecto Hall cuántico fraccionario
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Ordenadores cuánticos
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¿Qué es el Grafeno? El Grafeno 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.
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 resistente. 2
¿Cómo es el material del Grafeno? ¿Qué significa esto? Que es capaz de mejorar por completo las condiciones de cualquier superficie donde se aplique. Y es que es un material muy duro, resistente, flexible y muy ligero; lo que permite moldearlo según las necesidades de cada caso. Conduce muy bien tanto el calor como la electricidad; y permanece en condiciones muy estables cuando se le somete a grandes presiones. Su futuro en terrenos como la medicina se presenta realmente prometedor. ¿Un ejemplo de en qué se podría usar? En las máquinas con las que se realizan las radiografías. Éstas funcionan mediante radiaciones ionizantes, unas formas de energía que hacen que los materiales que se encuentran a su alrededor se desgasten muy pronto. Pues bien, el grafeno ofrecería una duración casi infinita, por lo que la inversión que habría que realizar en la adquisición del material sería, a la larga, mucho menor. Pero además, 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. Para que te hagas una idea de su potencial, si se construyeran con grafeno las placas solares, podrían generar varias veces más energía por hora que las actuales.
¿Cómo se obtiene el Grafeno? Llegados a este punto, seguramente te preguntarás por qué, si el grafeno tiene tantas cualidades y ofrece tantos beneficios, no se emplea para mejorar nuestra calidad de vida. La respuesta es sencilla. 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.
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- Es muy resistente (200 veces más que el acero, es el más resistente del mundo) - Duro (no se ralla). - Es flexible (se puede enrollar) - Tiene una alta conductividad térmica y lo que es mejor eléctrica. - Y además es un material muy ligero.
Todavía no hay aplicaciones prácticas de este material, pero los expertos creen que entre otras aplicaciones, se podría usar en pantallas sensibles al tacto, para fabricar computadoras más rápidas o en celdas solares.
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Es por eso que os traemos esta fantástica presentación y un video para conocer mejor este material del futuro no muy lejano llamado 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 del diamante. Es decir, que hablamos de un material muy resistente al desgaste y que puede soportar grandes pesos . 2. 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. 3. Flexibilidad: Al tener una elevada elasticidad puede moldearse de diversas maneras, lo que aumenta enormemente los campos en los que se puede utilizar. 4. Conduce muy bien el 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. 5. Conduce muy bien 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, como es el caso del silicio. 6. 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.
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El repentino aumento del interés científico por el grafeno puede dar la impresión de que se trata de un material nuevo. En realidad se conoce y se ha descrito desde hace más de medio siglo. El enlace químico y su estructura se describieron durante el decenio de 1930. Philip Russell Wallace calculó por primera vez (en 1949) la estructura electrónica de bandas.11 Al grafeno se le prestó poca atención durante décadas al pensarse que era un material inestable termodinámicamente ya que se pensaba que las fluctuaciones
térmicas destruirían el orden del cristal dando lugar a que el cristal 2D se fundiese. Bajo este prisma se entiende la revolución que significó que Gueim y Novosiólov consiguiesen aislar el grafeno a temperatura ambiente. La palabra grafeno se adoptó oficialmente en 1994, después de haber sido designada de manera indistinta –en el campo de la ciencia de superficies– «monocapa de grafito».
Además, muchas nanoestructuras recientemente descubiertas, como los nanotubos de carbono, están relacionadas con el grafeno. Tradicionalmente, a estos nanotubos se les ha descrito como «hojas de grafeno enrolladas sobre sí mismas».12 De hecho las propiedades de los nanotubos de carbono se explican y entienden fácilmente a partir de las inherentes al grafeno. 13 14 Se ha descrito también la preparación de nanotiras de grafeno mediante nanolitografía, haciendo uso de un microscopio de efecto túnel.
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Dos científicos de origen ruso que trabajan actualmente en Reino Unido, ambos en plena actividad investigadora y uno de ellos especialmente joven, reciben este año el Premio Nobel de Física por la obtención de un nuevo material, el grafeno, que deslumbra por sus potenciales aplicaciones: futuros ordenadores más eficaces que los actuales, pantallas electrónicas flexibles, paneles solares y un larguísimo etcétera. Pero también interesa sobremanera el grafeno a los expertos por sus sorprendentes propiedades físicas. Los premiado son André Geim y el que fue su alumno de doctorado, Konstantin Novoselov, que obtuvieron este material, formado por una única caja de átomos de carbono, con un procedimiento experimental conceptualmente muy simple: sustrayendo, cinta adhesiva, láminas sucesivas de un bloque de grafito, el material del que están hechas las puntas de los lápices. Muchos pensaban que era imposible, pero los galardonados con el Nobel son de esos científicos que explotan toda la osadía creativa en el laboratorio.
Konstantin S. Novoselov André K. Geim
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El problema principal que impide la explotación del grafeno es que la producción de grandes muestras es limitada. Las diferentes técnicas tradicionales de fabricación por orden ascendente de escalabilidad son:
Exfoliación con cinta adhesiva: "Scotch Tape" Deposición desde la fase vapor: "CVD (Chemical Vapor Deposition)" Exfoliación con disolventes: "Liquid Phase Exfoliation" Mediante descarga de arco eléctrico y generación de plasma Oxidación-Reducción
La calidad de las muestras va en sentido contrario al de la escalabilidad: a más escalabilidad del proceso menor calidad de las muestras. Recientemente, investigadores de la Universidad de Rice han conseguido sintetizar grafeno a partir del azúcar común a 800 ºC siendo el grafeno resultante de alta calidad. Otra nueva técnica procede del IPCPAS-Instituto de Química Física de la Academia Polaca de Ciencias conjuntamente con el IRI-Instituto de Investigación Interdisciplinaria de Lille. La técnica de fabricación que utilizaron fue la oxidación del grafito obteniéndose un polvo llamado óxido de grafito. Posteriormente se suspende en agua y se coloca en un limpiador ultrasónico. Los ultrasonidos separan las láminas oxidadas de grafeno y permiten la obtención de escamas de grafeno de 300 nm de espesor.
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"El grafeno que vendemos se utiliza, sobre todo, para ensayos. Se está trabajando mucho en almacenamiento de energía. En ultracondensadores (para automóviles, trenes eléctricos y para mejorar el rendimiento de las líneas de distribución eléctrica) y en baterías. Se ha demostrado que con electrodos de grafeno se consiguen baterías diez veces más duraderas". De hecho, este material podría solucionar uno de las grandes desventajas de los teléfonos inteligentes, cuyas baterías apenas duran un día. Los prototipos de baterías fabricadas con electrodos de grafeno son diez veces más duraderas que las que llevan los teléfonos que se venden en el mercado y se cargan en mucho menos tiempo (aproximadamente media hora).
Sin embargo, habrá que esperar algunos años para disfrutar de estas baterías. Según De la Fuente, Nokia (su principal cliente) no prevé comercializar dispositivos fabricados con grafeno hasta dentro de cinco años. El grafeno también podrá usarse en televisores OLED (Organic LED), que estarán fabricados con materiales orgánicos, más respetuosos con el medio ambiente: "Ahora se utilizan tierras raras, como el indio, que tienen un impacto ambiental muy grande. Además su precio se ha multiplicado por diez". La industria busca un sustituto más económico y sostenible, por lo que el grafeno se perfila como una de las alternativas.
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Seguro que muchos de ustedes han oído hablar en las noticias de este nuevo material, ¿pero conocéis realmente su utilidad y la importancia de este descubrimiento? El grafeno es una estructura laminar plana, de un átomo de grosor, compuesta por átomos de carbono densamente empaquetados en una red cristalina en forma de panal de abeja. A los descubridores de este material se les ha concedido el premio nobel de física en el 2010. Son dos investigadores rusos (Andre Geim y Konstantin Novoselov) de la universidad de Manchester, los cuales afirman que este descubrimiento será una revolución en el terreno de la informática, entre otros sectores. Este año 2011 se espera que Samsung, en colaboración con la universidad de Sungkyunkwa de Corea del Sur, presente las primeras pantallas enrollables, táctiles y con circuitos invisibles. La ventaja del grafeno sobre el silicio es su conductividad, ya que deja pasar todos los electrones; mientras que el segundo, al ser un semiconductor, admite que se le indique cuándo transmitir corriente y encender los millones de transistores que forman el procesador y cuándo no. Su desarrollo ha
supuesto un gran avance en la informática que podría arrasar compañías tales como apple (sustituyendo sus famosos productos), los famosos netbook y las caras pantallas de televisión actuales. Si sale al mercado esta pantalla será menos costosa, más resistente (más que el acero) y muchísimo más manejable ya que es enrollable. El principal obstáculo es la fabricación en cadena pero, de conseguirse, la producción de grafeno promete ser barata y de bajo impacto ecológico. Al ser mejor conductor que el silicio, pierde menos energía, con lo que los circuitos duran más y consumen menos. Es carbono puro y se encuentra en abundancia en cualquier parte, en cualquier país del mundo (se genera como desecho al escribir con un lápiz, por ejemplo). Su uso generalizado en la industria permitiría suprimir otros materiales más caros y contaminantes, como el óxido de titanio o el óxido de estaño indio con el que se fabrican ahora la mayoría de las aplicaciones electrónicas transparentes. 11
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 . 2.Informática: El uso del grafeno permitirá el desarrollo de ordenadores mucho más rápidos y con un menor consumo eléctrico que los actuales de silicio. Además, se estima que un disco duro de este compuesto, del mismo tamaño que uno de los empleados actualmente, podría almacenar hasta mil veces más información. 3. Telefonia móvil: Con el grafeno se crearía una nueva generación de dispositivos adaptados a la fisionomía del ser humano, sin formas ni colores preestablecidos, con pantallas flexibles, plegables y táctiles. Además, diversos estudios recientes han comprobado cómo nanocircuitos de grafeno podrían mejorar de manera significativa la velocidad y calidad de las comunicaciones inalámbricas.
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.
5. 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.
4. 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
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6. 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 tiempo de carga mínimos facilitarán que los conductores más reacios a estos vehículos los vean con otros ojos.
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. 8. 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. 9. Tratamiento de aguas: Debido a su peculiar estructura de alta densidad permeable al agua, se
proyectos predicen que se podrá realizar esta tarea en un tiempo muy inferior y con un coste mucho más reducido. 10. 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.
estudia su posible uso para la desalinización del agua. Algunos datos obtenidos a partir de estos
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EL PRIMER CHIP DE GRAFENO Consiguen construir el primer circuito integrado sencillo con grafeno. Se usará en principio para comunicaciones militares. Hace sólo unos pocos años que conocemos la existencia del grafeno, que no es más que las capas que componen el grafito. El grafeno está formado por una red hexagonal de átomos de carbono de un átomo de grosos que tienen interesantes propiedades electrónicas. Las primeras muestras de grafeno se obtenían con un trozo de cinta adhesiva y un pedazo de grafito. Con el grafito entre medias se pegaba y despegaba la cinta sobre sí misma reiteradas veces hasta que sólo quedaba una capa de grafeno. Esta técnica tan primaria dejó paso a otras más perfeccionadas y menos rudimentarias. Durante estos años se ha estudiado este material e incluso ha caído un premio Nobel a algún investigador del campo. Ahora, en la compañía IBM han conseguido realizar el primer circuito electrónico integrado de grafeno, en lo que constituye el primer chip de grafeno. El resultado se publica en Science. Se cree que podría usarse como base en aplicaciones electrónicas dedicadas a las comunicaciones inalámbricas y para amplificadores. Los desafíos para usar el grafeno en circuitos electrónicos son muy fuertes y aunque hace tiempo que se consiguió construir transistores de grafeno su integración en circuitos no era sencilla. En parte se debe a que el grafeno no se adhiere bien a los metales y óxidos usados tradicionalmente en la industria electrónica de semiconductores. No había técnicas reproducibles y fiables que permitieran crear tales circuitos. La realización de este circuito demostraría que ya se han solucionado estos problemas de adhesión. Phaedon Avouris y sus colaboradores han solucionado estos problemas y construido un prototipo muy sencillo de circuito integrado. Consiste en un transistor de grafeno y un par de inductancias que están integrados en un substrato de carburo de silicio (SiC). Lo más interesante es que la fabricación de la oblea de carburo de silicio es compatible con los métodos tradicionales que ya se usan en la industria microelectrónica.
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El grafeno...¿un material milagroso?
El material conocido como grafeno empezó a ser promocionado como el "nuevo gran invento" inclusive antes de que sus pioneros fueran galardonados con el Premio Nobel el año pasado. Muchos creen que el compuesto reemplazará completamente el uso de silicio y cambiará el futuro de las computadoras y otros dispositivos para siempre. En resumen, sería el "material milagroso" del siglo XXI Se afirma que es el material más fuerte jamás medido y el compuesto con más capacidad de conducción del que se tenga conocimiento. Son propiedades que tiene al mundo científico -y mediático- en revuelo. "Nuestras investigaciones establecen el grafeno como el material más fuerte jamás medido, unas 200 veces más fuerte que el acero estructural", declaró en un comunicado James Hone, profesor de Ingeniería Mecánica de la Universidad Columbia, Estados Unidos. "Se tendría que colocar un elefante, balanceado sobre un lápiz, para perforar una lámina de grafeno del espesor de una hoja de celofán". Y la manera en que el material puede ser utilizado es tan sorprendente como sus propiedades. "El grafeno no solo tiene una aplicación", asegura el doctor Andre Geim, uno de los galardonados con el Premio Nobel de Física por el trabajo realizado sobre este material en la Universidad de Manchester, Reino Unido. "Ni siquiera es un solo material. Es una gama enorme de materiales. Una buena comparación sería con el uso que se le da a los plásticos".
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Nuevo plan decenal multimillonario orientado al grafeno El grafeno, una nueva sustancia procedente de la manipulación de la materia a escala atómica, podría ser el material que revolucione el siglo XXI. Descubrir los usos posibles de este material para las tecnologías de la información y la comunicación objetivo principal de la Acción de GRAPHENE-CA, financiada mediante del Séptimo Programa Marco (7PM).
el
(TIC) es el Coordinación tema «Ideas»
El grafeno es una forma bidimensional cristalina del carbono, una capa única de átomos dispuesta en hexágonos con un átomo en cada vértice. Hasta ahora se pensaba que estos cristales bidimensionales no podían crearse, o ni siquiera existir, como material independiente hasta que físicos de la Universidad de Manchester lo produjeron en 2004. Como cristal, el grafeno bidimensional es bastante distinto a materiales tridimensionales como el silicio. A diferencia de otros materiales, los electrones del grafeno recorren grandes distancias sin colisionar incluso a temperatura ambiente. Por ello, la capacidad de los electrones de este material para transportar corriente es entre diez y cien veces mayor que la de los semiconductores. Esta característica convierte al grafeno en un candidato prometedor para su utilización en futuros dispositivos electrónicas. GRAPHENE-CA tiene como objetivo explorar el potencial del grafeno en aplicaciones de TIC tanto convencionales como radicalmente nuevas.
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Estructura y morfología en superficie de láminas individuales del polímero
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Descubren una nueva cualidad del grafeno
Este material, una especie de «estrella» para los científicos, resulta cada vez más prometedor para desarrollar los ordenadores cuánticos del futuro.
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Un equipo de físicos de EE.UU. y Alemania ha descubierto una nueva característica del grafeno. Este material, que se ha convertido en una especie de “estrella” para los científicos -todos los días le encuentran alguna aplicación nuevaparece poseer una característica conocida como “efecto Hall cuántico fraccionario”, diferente a todo lo observado en los materiales convencionales. El hallazgo, dicen, podría ayudar a desarrollar los ordenadores cuánticos en el futuro. ¿Hay algo que no pueda hacer el grafeno? En parte porque sus propiedades son realmente extraordinarias y en parte porque se ha convertido en un tema “de moda” entre los físicos, el grafeno es noticia prácticamente todos los días. Miles de laboratorios alrededor del mundo se encuentran trabajando con este material, buscando aplicaciones prácticas (y rentables patentes), por lo que no es extraño que periódicamente se le descubran nuevas propiedades. Uno de los últimos hallazgos proviene de un equipo de físicos de EE.UU.
(Universidad de Harvard ) y Alemania (Instituto Max-Planck de Física del Estado Sólido), liderados por Amir Yacoby, que ha descubierto en el grafeno lo que llaman “efecto Hall cuántico fraccionario” (FQHE, por fractional quantum Hall effect). Aunque, como imaginarás, el FQHE no es demasiado fácil de comprender (salvo que tengas una sólida base científica), se puede explicar utilizando términos sencillos. Este efecto tiene lugar cuando los portadores de carga (básicamente electrones) se encuentran confinados en un espacio 2D y son atravesados perpendicularmente, a lo largo del eje Z, por un campo magnético. El grafeno es una retícula bidimensional de átomos, por lo que era un buen candidato para buscar en él este efecto. Cuando se induce una corriente a lo largo del eje X de esta malla, aparece una tensión -denominada tensión de Hall- en la dirección Y. A temperaturas muy bajas, esta tensión se cuantifica en etapas diferentes o estados Hall.
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Ordenadores cuánticos El FQHE difiere del efecto Hall cuántico entero más conocido. Aparece como resultado de las interacciones fuertes que se producen entre los electrones, provocando que estos portadores de carga se comporten como cuasi-partículas, con una carga que es una fracción de la de un electrón. Estas cuasi-partículas de carga fraccionada son las responsables del FQHE y, posiblemente, una característica muy útil para el desarrollo de futuros ordenadores cuánticos.
El trabajo, que fue publicado en la última edición de Science, se basó en un transistor de un solo electrón (SET, por singleelectron transistor). Este dispositivo se utilizó como si fuese un sensor capaz de determinar las brechas de energía que se produjeron en el material. Además de producir el mencionado FQHE, las interacciones fuertes suelen provocar importantes fenómenos colectivos, tales como la superconductividad, la superfluidez y el magnetismo. Por lo tanto, los trabajos científicos destinados a mejorar nuestra comprensión sobre estas interacciones tienen una gran importancia para la ciencia.
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