GRAFENO
El grafeno es una sustancia formada por carbono puro, con átomos
dispuestos en patrón regular hexagonal, similar al grafito, pero en una hoja de un átomo de espesor. Es
muy ligero: una lámina de 1 metro cuadrado pesa tan solo 0,77 miligramos. Se
considera 100 veces más fuerte que el aceroy su densidad es aproximadamente la misma que
la de la fibra de carbono, y es aproximadamente cinco
veces más ligero que el aluminio.
Es un alótropo del carbono,
un teselado hexagonal plano formado por átomos de carbono y enlaces covalentes que se generan a partir de la superposición de los híbridos sP2 de los carbonos enlazados.
El premio nobel de Fisica de 2010 se les
otorgó a los científicos Andrey Gueim por sus
revolucionarios descubrimientos acerca de este material.
Mediante la hibridación sp2 se
explican mejor los ángulos de enlace, a 120°, de la estructura hexagonal del
grafeno. Como cada uno de los carbonos contiene cuatro electrones de valencia en el estado hibridado, tres de esos
electrones se alojan en los híbridos sp2, y forman el esqueleto de enlaces covalentes simples de la estructura.
El electrón sobrante se aloja
en un orbital atomico tipo P perpendicular al plano
de los híbridos. El solapamiento lateral de dichos orbitales da
lugar a formación de orbitales de tipo π. Algunas de estas combinaciones
propician un gigantesco orbital molecular deslocalizado entre todos los átomos de carbono que
constituyen la capa de grafeno.
El nombre proviene de
intercambio –en el vocablo grafito– de sufijos:
«ito» por «eno»: propio de los carbonos con enlaces dobles. En realidad, la estructura del grafito puede considerarse una pila de gran cantidad de láminas de grafeno
superpuestas. Los enlaces entre las distintas capas de grafeno apiladas se deben a fuerzas van der Waals e interacciones
de los orbitales II de los átomos de carbono.
Estructura cristalina del
grafito. Se ilustran las interacciones de las diversas capas de anillos aromaticos condensados.
En el grafeno la longitud de
los enlaces carbono-carbono es de aproximadamente 142 pm (picómetros). Es el
componente estructural básico de todos los demás elementos grafíticos,
incluidos el propio grafito, los nanotubos de carbono y los fullerenos.
A esta estructura también se
le puede considerar una molécula aromática extremadamente extensa en las dos
direcciones espaciales. Es decir, sería el caso límite de una familia de moleculas planas de hidrocarburos aromaticos policiclicos denominada grafenos.
¿Cómo se obtiene el grafeno?
Al oir la palabra grafeno nos vienen a la cabeza imágenes de
complicados aparatos electrónicos ya que este material pensamos nos
imaginamos complicados aparatos electrónicos pero sorprendentemente la
obtención de pequeñas cantidades de grafeno es muy sencilla. Consiste en separar
con la ayuda de cinta adhesiva delgadas capas de grafito repetidas veces hasta
obtener una capa de una molécula de grosor.
para obtener una mayor cantidad de grafeno se utiliza el Limpiador ultrasónico*.
Los métodos existentes para la fabricación de grafeno a nivel industrial requieren un equipo costoso, especializado y con complicados procedimientos de fabricación la máquina más compleja para producir láminas de grafeno es un limpiador ultrasónico, un equipo con el que ya cuentan muchos laboratorios .
para obtener una mayor cantidad de grafeno se utiliza el Limpiador ultrasónico*.
Los métodos existentes para la fabricación de grafeno a nivel industrial requieren un equipo costoso, especializado y con complicados procedimientos de fabricación la máquina más compleja para producir láminas de grafeno es un limpiador ultrasónico, un equipo con el que ya cuentan muchos laboratorios .
tipos de grafeno o formas en las que se puede encontrar el
grafeno:
Grafeno en lámina:
Para obtenerlo se usa un reactor CVD* donde se introduce un
gas con carbono, entonces, aplicando una cantidad de energía se depositan los
átomos de carbono sobre un sustrato metálico (capa fina de un
metal) donde se introduce un gas con carbono, entonces, aplicando una
cantidad de energía se depositan los átomos de carbono. En este caso para
obtener el grafeno se utizando la oxidación* y se obtiene de la siguiente
forma :
- Los estratos estratos son difíciles de separar , para conseguir separarlos se oxida el grafito.
-El polvo obtenido de este modo , óxido de grafito ,se suspende en agua
- se coloca un limpiador ultrasónico*.y Los ultrasonidos* separan las láminas oxidadas de grafeno unas de otras
- se obtienen escamas de óxido de grafeno con un espesor de 300 nanómetros aprox. a veces se han de superar algunas dificultades, como la presencia de oxígeno en los compuestos, que cambiaba las propiedades físico-químicas del material de conductor a aislante.
- Los estratos estratos son difíciles de separar , para conseguir separarlos se oxida el grafito.
-El polvo obtenido de este modo , óxido de grafito ,se suspende en agua
- se coloca un limpiador ultrasónico*.y Los ultrasonidos* separan las láminas oxidadas de grafeno unas de otras
- se obtienen escamas de óxido de grafeno con un espesor de 300 nanómetros aprox. a veces se han de superar algunas dificultades, como la presencia de oxígeno en los compuestos, que cambiaba las propiedades físico-químicas del material de conductor a aislante.
Grafeno en polvo:
El grafeno en polvo se utiliza en aplicaciones que requieren un material
más barato, . se suele mezclar 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.
Grafeno artificial:
Este nuevo material es fabricado colocando y moviendo moléculas de óxido de
carbono sobre una superficie de cobre, y aunque es más costoso de producir,
permite manipular las propiedades del grafeno con mayor precisión, por que
tiene mayor pureza *que la que se obtiene en el grafeno original.
EL GRAFENO EN DIFERENTES
AMBITOS
PROPIEDADES QUIMICAS, FISICAS Y ECOLOGICAS
Propiedades y características más destacadas del grafeno
El grafeno es una sustancia con unas características muy interesantes,
algunas asombrosas. Estas propiedades junto a la abundancia de carbono en la
naturaleza han hecho al grafeno ganarse el adjetivo de “material del futuro”.
Algunas de las características más destacadas del grafeno son:
• Alta conductividad términa.
• Alta conductividad eléctrica.
• 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.
• Alta conductividad eléctrica.
• 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.
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.
Aplicaciones más destacadas
Las propiedades del grafeno lo hacen un material idóneo para múltiples
aplicaciones en tecnología, sobre todo en electrónica en la fabricación de
circuitos integrados. Se supone que las características del grafeno pueden
hacer posible construir procesadores mucho más rápidos que los actuales.
Esta rapidez se ha puesto ya en práctica en la fabricación de transistores de efecto de campo construidos con grafeno. Estos transistores además aprovechan la alta movilidad de portadores con bajo nivel de ruido que presenta el grafeno.
Esta rapidez se ha puesto ya en práctica en la fabricación de transistores de efecto de campo construidos con grafeno. Estos transistores además aprovechan la alta movilidad de portadores con bajo nivel de ruido que presenta el grafeno.
Entre las aplicaciones potenciales del grafeno se pueden citar como las
más interesantes:
• Destilación de etanol a temperatura ambiente para combustible y
consumo humano.
• Detectores ultrasensibles de gas.
• Moduladores ópticos.
• Transistores de grafeno.
• Circuitos integrados más rápidos y eficientes.
• Electrodos transparentes.
• Dispositivos electrocrómicos.
• Células solares.
• Desalinazación.
• Aplicaciones antibacterianas.
• Detectores ultrasensibles de gas.
• Moduladores ópticos.
• Transistores de grafeno.
• Circuitos integrados más rápidos y eficientes.
• Electrodos transparentes.
• Dispositivos electrocrómicos.
• Células solares.
• Desalinazación.
• Aplicaciones antibacterianas.
USOS Y APLICACIONES
Como ya hemos comentado anteriormente, dadas sus
numerosas propiedades, los ámbitos de aplicación del grafeno son prácticamente
ilimitados y ya hay una multitud de empresas que están investigando sus
posibilidades. ¿Qué significa esto? Que en pocos años podremos ver en el
mercado gran cantidad de dispositivos compuestos total o parcialmente de
grafeno.Ahora bien, se puede realizar una estimación de cuáles serían los principales campos en los que este material podría aplicarse. Y, en todos ellos, sería revolucionario.
1. Electrónica
2. Informática
3. Telefonía móvil
4. Sector energético
5. Industria del blindaje
6. Industria automovilística
7. Industria del motor y los combustibles
8. Industria alimentaria
9. Tratamiento de aguas
10. Desarrollo de la ciencia
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. Además, por sus especiales características los componentes electrónicos de este material permitirán el desarrollo de dispositivos flexibles que podrán enrollarse o plegarse según las necesidades.
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. Realmente, este tipo de productos suena casi a ciencia ficción, pues medirían mil millones de veces menos que un metro.
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 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.
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 tiempos 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 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.
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.
En resumen, pese a que el grafeno aún se encuentra en fase de estudio y no se conocen todas las oportunidades que ofrece, se prevé que las posibilidades de su utilización afectarán a prácticamente todos los campos conocidos sustituyendo a gran parte de los materiales empleados hoy en día.
El Grafeno en Medicina y Biomedicina
Recientes investigaciones determinan que el grafeno podrá emplearse para mejorar los tratamientos contra el cáncer. El tratamiento de esta enfermedad tiene como objetivo, de manera general, la destrucción de las células enfermas intentando afectar lo menos posibles a las células sanas.
La búsqueda incesante de un método que permita dirigir el tratamiento contra una zona concreta del organismo sin afectar a las demás podría encontrar respuesta en el grafeno, ya que diversos estudios han puesto de manifiesto que combinando este material con diversos fármacos es posible aumentar la carga de medicación que llega a las células cancerígenas, incrementando las posibilidades de éxito del tratamiento.
Por otro lado, es posible crear moléculas con una elevada afinidad por las células cancerígenas en las que el grafeno forma parte de sus componentes. Una vez administradas, mediante un proceso de fototerapia térmica, que consiste en someter al cuerpo a una determinada longitud de onda que sea inocua para las células sanas, pero que afecte al grafeno, de modo que solo las células cancerígenas previamente marcadas sufrirán un proceso de destrucción celular.
Otra de sus aplicaciones en el ámbito de la biomedicina podría ser la creación de implantes neuronales que sustituyan a los tejidos orgánicos dañados.
Las células nerviosas funcionan básicamente por medio de una corriente eléctrica. Las propiedades del grafeno lo hacen un candidato idóneo para la creación de este tipo de implantes, pudiendo ser un reemplazo para circuitos nerviosos lesionados o incluso creando implantes de retina que contribuyan a devolver la vista a los pacientes que la han perdido.
Pero su uso no solo se limita a la regeneración del tejido nervioso, sino que ya se especula con la posibilidad de crear implantes musculares y de huesos a partir de este material, cuyas propiedades superan las de los materiales actuales. De hecho, como si de una película de ciencia ficción se tratara, ya se habla incluso de la creación de implantes que realicen chequeos periódicos del estado del ADN y del organismo en general.
Por sus propiedades antimicrobianas, científicos chinos decidieron hace unos meses desarrollar una forma de grafeno en forma de hoja de papel qué tiene sus aplicaciones en el ámbito sanitario como, por ejemplo, recubrimiento para vendajes y apósitos, facilitando la cura de heridas disminuyendo la posibilidad de que se produzcan infecciones.
