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Grafeno 1
Grafeno
Representacin artstica del grafeno.
Micrografa HRTEM (High ResolutionTransmission Electron
Microscopy) de Grafeno.
El grafeno es una sustancia formada decarbono puro, con tomos
dispuestos enpatrn regular hexagonal, similar al grafito,pero en
una hoja de un tomo de espesor. Esmuy ligero, una lmina de 1 metro
cuadradopesa tan slo 0,77 miligramos. Se considera200 veces ms
fuerte que el acero y 200veces menos pesado.
Es un altropo del carbono, un teseladohexagonal plano (como
panal de abeja)formado por tomos de carbono y enlacescovalentes que
se generan a partir de lasuperposicin de los hbridos sp2 de
loscarbonos enlazados.
El Premio Nobel de Fsica de 2010 se lesotorg a Andry Gueim y a
KonstantnNovosilov por sus revolucionariosdescubrimientos acerca de
este material.[1][2]
Mediante la hibridacin sp2 se explicanmejor los ngulos de
enlace, a 120, de laestructura hexagonal del grafeno. Comocada uno
de los carbonos contiene cuatroelectrones de valencia en el
estadohibridado, tres de esos electrones se alojanen los hbridos
sp2, y forman el esqueleto deenlaces covalentes simples de la
estructura.
El electrn sobrante se aloja en un orbitalatmico tipo P
perpendicular al plano de loshbridos. El solapamiento lateral de
dichosorbitales da lugar a formacin de orbitalesde tipo . Algunas
de estas combinaciones propician un gigantesco orbital molecular
deslocalizado entre todos lostomos 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 conenlaces dobles. En
realidad, la estructura del grafito puede considerarse una pila de
gran cantidad de lminas degrafeno superpuestas.[3] Los enlaces
entre las distintas capas de grafeno apiladas se deben a fuerzas de
Van derWaals e interacciones de los orbitales de los tomos de
carbono.
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Grafeno 2
Estructura cristalina del grafito. Se ilustran lasinteracciones
de las diversas capas de anillos
aromticos condensados.
En el grafeno la longitud de los enlaces carbono-carbono es
deaproximadamente 142 pm (picmetros). Es el componenteestructural
bsico de todos los dems elementos grafticos,incluidos el propio
grafito, los nanotubos de carbono y losfullerenos.
A esta estructura tambin se le puede considerar una
molculaaromtica extremadamente extensa en las dos
direccionesespaciales. Es decir, sera el caso lmite de una familia
demolculas planas de hidrocarburos aromticos policclicosdenominada
grafenos.
Descripcin
Anteriormente, se han utilizado para el trminografeno
descripciones como capas de grafito, capas decarbono u hojas de
carbono. [...] No es correctoutilizar, para una sola capa, un
trmino que incluya eltrmino grafito, que implica una
estructuratridimensional. El trmino grafeno debe ser usadoslo
cuando se trata de las reacciones, las relaciones estructurales u
otras propiedades de capasindividuales.
En este sentido, al grafeno se le ha definido como hidrocarburo
aromtico policclico infinitamente alternante deanillos de slo seis
tomos de carbono. La molcula ms grande de este tipo contiene 222
tomos de carbono o 37unidades de benceno separadas.[4]
Las cifras de la oracin anterior son las contenidas en el
resumen de la cita. Debera ser: 111 tomos de carbono y111 tomos de
hidrgeno o, ms simple, 222 tomos, lo cual resulta de 376 (tomos de
carbono o de hidrgenodel benceno, de frmula C6H6)=222, o bien: 18,5
anillos de benceno: 18,5x12 (tomos del benceno)=222.La opcin de
unidades fue para obtener una cifra redonda (37), y por
consiguiente evitar la expresin fraccionaria(18,5).
Estructuras de resonancia en el benceno, ejemploclsico.
La ilustracin anterior, relativa a la estructura molecular de
dos mesmeros de benceno, permite mejor comprensinde lo enunciado
previamente.
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Grafeno 3
Propiedades destacadasEntre las propiedades destacadas de este
material se incluyen:[5]
Es un extremadamente duro: 100 veces ms resistente que una
hipottica lmina de acero del mismo espesor Es muy flexible y
elstico. Es transparente. Autoenfriamiento (segn algunos cientficos
de la Universidad de Illinois). [citarequerida]
Conductividad trmica y elctrica altas. Hace reaccin qumica con
otras sustancias para producir compuestos de diferentes
propiedades. Esto lo dota de
gran potencial de desarrollo. Sirve de soporte de radiacin
ionizante. Tiene gran ligereza, como la fibra de carbono, pero ms
flexible. Menor efecto Joule: se calienta menos al conducir los
electrones. Para una misma tarea que el silicio, tiene un menor
consumo de electricidad. Genera electricidad al ser alcanzado por
la luz. Razn superficie/volumen muy alta que le atorga un buen
futuro en el mercado de los supercondensadores. Se puede dopar
introduciendo impurezas para cambiar su comportamiento primigenio
de manera que, por
ejemplo, no repela el agua o que incluso cobre mayor
conductividad. Se autorepara; cuando una lmina de grafeno sufre dao
y se quiebra su estructura, se genera un agujero que
atrae tomos de carbono vecinos para as tapar los huecos. Posible
uso futuro en preservativos [6]. En su forma xida absorbe residuos
radioactivos.
Otras propiedades interesantes desde el punto de vista terico
Comportamiento como cuasipartculas sin masa de los electrones que
se trasladan sobre el grafeno. Son los
denominados fermiones de Dirac, que se mueven a velocidad
constante, de manera independiente de su energa(como ocurre con la
luz), en este caso a unos 106m/s. A este respecto, la importancia
del grafeno consiste en quepropicia el estudio experimental de este
comportamiento, predicho tericamente hace ms de 50 aos.
Efecto Hall cuntico, por el cual la conductividad perpendicular
a la corriente toma valores discretos, ocuantizados. Esto permite
medirla con suma precisin. La cuantizacin implica que la
conductividad del grafenonunca puede ser nula (su valor mnimo
depende de la constante de Planck y de la carga del electrn).
Efecto Hall cuntico fraccionario. (Debido a las propiedades
anteriores) Movilizacin libre de los electrones por toda la lmina
del grafeno: no
quedan aislados en zonas de las que no puedan salir. Es el
efecto conocido como localizacin de Anderson, querepresenta un
problema en sistemas bidimensionales con impurezas.
Transparencia casi completa y densidad tal que ni siquiera las
molculas de helio, que son las ms pequeas queexisten, podran
atravesarlo.
Aunque no deja pasar el helio, s permite paso al agua: en un
recipiente de grafeno cerrado se evaporaprcticamente a la misma
velocidad que si estuviese abierto.
Propiedades mecnicasEl grafeno es de los materiales ms duros y
fuertes existentes, incluso supera la dureza del diamante y es 200
vecesms resistente que el acero. Es altamente rgido, de hecho,
tiene un mdulo de Young de 1 TPa. Por lo tanto soportagrandes
fuerzas sin apenas deformarse. Se trata de un material ligero con
una densidad de tan slo 0,77 miligramospor metro cuadrado (densidad
indica en unidades de superficie como causa de su estructura
laminar). Tambin cabedestacar que soporta grandes fuerzas de
flexin, es decir, se puede doblar sin que se rompa. Para hacerse
una idea dela capacidad de estas propiedades mecnicas, el premio
Nobel hizo una comparacin con una hamaca de grafeno de
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Grafeno 4
un metro cuadrado de superficie y un solo tomo de espesor. Esta
hamaca de grafeno podra soportar hasta 4 kg antesde romperse
(equivalente al peso de un gato). En total esta hamaca pesara lo
mismo que uno de los pelos del bigotedel gato, menos de un
miligramo.
DescubrimientoEl repentino aumento del inters cientfico por el
grafeno puede dar la impresin de que se trata de un materialnuevo.
En realidad se conoce y se ha descrito desde hace ms de medio
siglo. El enlace qumico y su estructura sedescribieron durante el
decenio de 1930. P. R. (Philip Russell) Wallace calcul por primera
vez (en 1949) laestructura electrnica de bandas.[7] Al grafeno se
le prest poca atencin durante dcadas al pensarse que era unmaterial
inestable termodinmicamente ya que se pensaba que las fluctuaciones
trmicas destruiran el orden delcristal dando lugar a que el cristal
2D se fundiese. Bajo este prisma se entiende la revolucin que
signific que Geimy Novoselov consiguiesen aislar el grafeno a
temperatura ambiente. La palabra grafeno se adopt oficialmente
en1994, despus de haber sido designada de manera indistinta en el
campo de la ciencia de superficies monocapade grafito.Adems, muchas
nanoestructuras recientemente descubiertas, como los nanotubos de
carbono, estn relacionadascon el grafeno. Tradicionalmente, a estos
nanotubos se les ha descrito como hojas de grafeno enrolladas sobre
smismas.[8] De hecho las propiedades de los nanotubos de carbono se
explican y entienden fcilmente a partir de lasinherentes al
grafeno.[9][10] Se ha descrito tambin la preparacin de nanotiras de
grafeno mediante nanolitografa,haciendo uso de un microscopio de
efecto tnel.
Aplicaciones en electrnicaLas propiedades del grafeno son
ideales para utilizarlo como componente de circuitos integrados.
Est dotado de altamovilidad de portadores, as como de bajo nivel de
ruido. Ello permite que se le utilice como canal en transistoresde
efecto campo (FET). La dificultad de utilizar grafeno estriba en la
produccin del mismo material en el sustratoadecuado. Investigadores
estn indagando mtodos tales como transferencia de hojas de grafeno
desde grafito(exfoliacin) o crecimiento epitaxial (como la
grafitizacin trmica de la superficie del carburo de silicio:
SiC).En diciembre de 2008, IBM anunci que haban fabricado y
caracterizado transistores que operaban a frecuencias
de26gigahercios (GHz).[11] En febrero de 2010, la misma empresa
anunci que la velocidad de estos nuevostransistores alcanz los
100GHz.[12] En septiembre de 2010 se alcanzaron los 300GHz.[13]
Las publicaciones especializadas rebosan de artculos en los que
se atribuye a esta estructura de carbono cualidad depanacea
universal en la tecnologa para reemplazo de dispositivos de silicio
por grafeno. Pero no toda lacomunidad cientfica comparte este
optimismo. El clebre fsico holands Walter de Heer afirma:
El grafeno nunca reemplazar al silicio. Nadie que conozca el
mundillo puede decir esto seriamente. Simplemente, har algunas
cosas que
el silicio no puede hacer. Es como con los barcos y los aviones.
Los aviones nunca han reemplazado a los barcos.
Adems, el grafeno carece de una banda de resistividad, propiedad
esencial que le es inherente al silicio. Eso implicaque el grafeno
no puede dejar de conducir electricidad: no se puede apagar.Cables
de alta velocidad
Investigadores de la universidad de cambridge lograron que el
grafeno fuera capaz de captar una gran cantidad deluz, lo que se
puede utilizar en la creacin de cables de fibra ptica muy veloces
que se benefician de otra de laspropiedades del material: los
electrones se desplazan rpidamente en l. as, se prometen cables de
grafeno quepodran mover informacin cientos de veces ms rpido que
uno actual, lo que podra implementarse en el rea delas
telecomunicaciones para la instalacin de redes ms veloces,
aumentando as la capacidad y rapidez de internet,la telefona mvil y
en definitiva, todas las comunicaciones que se llevan a cabo sobre
nuestro planeta.Sper-bateras
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Quizs uno de los descubrimientos ms emocionantes es el
relacionado al campo de las bateras, donde hoy en da latecnologa
permite dispositivos que funcionan durante pocas horas hasta
requerir de una carga elctrica que puededurar otras varias horas,
degradando la experiencia de uso en telfonos mviles, tabletas y
computadoras porttiles.Pantallas tctiles flexibles
Al ser capaz de conducir electrones de muy buena forma casi sin
calentarse en el proceso, investigadores de laUniversidad de Texas
y la Universidad de Corea del Sur descubrieron que una lmina de
grafeno puede usarse en eldesarrollo de pantallas tctiles,
aprovechando el hecho de que una lmina de grafeno puede ser
totalmentetransparente, ideal para colocar por sobre un panel de
pixeles sin disminuir el brillo de su retroiluminado. Adems,esa
delgada lmina de grafeno sensible a la conduccin elctrica y que
captara nuestros toques puede ser muyflexible, aportando a lo que
podran ser futuras pantallas tctiles flexibles, lo que bien podra
acompaarse de latecnologa OLED flexible para el desarrollo de esta
clase de tecnologa.Audfonos y parlantes ms que profesionales
Qin Zhou y Alex Zettl son dos cientficos de la Universidad de
California que quieren revolucionar el mercado delaudio gracias a
sus audfonos y parlantes de grafeno. La idea es crear un diafragma
hecho de grafeno que se coloqueen medio de dos electrodos para
crear un campo magntico, tras lo cual el grafeno vibra y produce
sonido. Segn losinvestigadores, sin mucho trabajo posterior para
"afinar" los audfonos y darles un tratamiento especial, se
consiguiun sonido a la par de productos actuales de alta calidad. Y
como el diafragma de grafeno utiliza una lmina que esmuy delgada,
el tamao y peso del producto tambin puede ser muy reducido, por lo
que podran crearse audfonosde alta calidad que al mismo tiempo sean
muy pequeos y livianos.Cmaras fotogrficas mil veces ms
sensibles
Una cmara fotogrfica actual est compuesta, bsicamente, de un
lente por el que pasa la luz y que luego llega a unsensor,
captndola y transformndola en informacin digital. Lo que
investigadores de la Nanyang TechnologicalUniversity en Singapur
lograron fue crear un sensor hecho de grafeno, aumentando la
sensibilidad del dispositivounas mil veces en relacin a las
tecnologas actuales CMOS o CCD. Estamos hablando de una
mejoraescandalosamente alta para lo que son sensores utilizados en
cmaras profesionales y compactas, permitiendomejores capturas en
condiciones de poca luz y en general para cualquier ocasin. Adems,
estos nuevos sensores degrafeno consumen diez veces menos energa y
son cinco veces ms econmicos de producir en masa que
losconvencionales, por lo que ms que interesante, su llegada al
mercado se nos hace casi necesaria.
Tcnicas de produccin del grafenoEl problema principal que impide
la explotacin del grafeno es que la produccin de grandes muestras
es limitada.Las diferentes tcnicas tradicionales de fabricacin por
orden ascendente de escalabilidad son: Exfoliacin con cinta
adhesiva: "Scotch Tape" Deposicin desde la fase vapor: "CVD
(Chemical Vapor Deposition)" Exfoliacin con disolventes: "Liquid
Phase Exfoliation" Mediante descarga de arco elctrico y generacin
de plasma Oxidacin-ReduccinLa calidad de las muestras va en sentido
contrario al de la escalabilidad: a ms escalabilidad del proceso
menorcalidad de las muestras.Recientemente, investigadores de la
Universidad de Rice han conseguido sintetizar grafeno a partir del
azcar comna 800 C siendo el grafeno resultante de alta calidad.
Otra nueva tcnica procede del IPCPAS-Instituto de QumicaFsica de la
Academia Polaca de Ciencias conjuntamente con el IRI-Instituto de
Investigacin Interdisciplinaria deLille. La tcnica de fabricacin
que utilizaron fue la oxidacin del grafito obtenindose un polvo
llamado xido degrafito. Posteriormente se suspende en agua y se
coloca en un limpiador ultrasnico. Los ultrasonidos separan
laslminas oxidadas de grafeno y permiten la obtencin de escamas de
grafeno de 300 nm de espesor.
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Grafeno en el espacioEn 2011 el telescopio espacial Spitzer de
la NASA descubri grafeno en el espacio adems de otras molculas de
lafamilia de los fulerenos, en concreto las molculas C60 y
C70.[14]
Compaas y universidades punteras en la investigacin del grafeno
AMO GmbH, Alemania BASF, Alemania Carben Semicon Ltd, Rusia Carbon
Solutions, Inc., Estados Unidos Catalyx Nanotech Inc. (CNI),
Estados Unidos Georgia Tech Research Institute (GTRI), Estados
Unidos Grafoid GRAnPH Nanotech, Espaa Graphene Energy Inc., Estados
Unidos Graphensic Graphenea, Espaa Grupo Arcano Harbin Mulan HDPlas
HRL Laboratories, Estados Unidos IBM, Estados Unidos Instituto
Tecnolgico de Massachusetts (MIT), Estados Unidos Max Planck
Institute for Solid State Research, Alemania Nanostructured &
Amorphous Materials, Inc., Estados Unidos Universidad Estatal de
Pensilvania, Estados Unidos Quantum Materials Corp Instituto
Politcnico Rensselaer (RPI), Estados Unidos Universidad Rice,
Estados Unidos Rutgers, Universidad Estatal de Nueva Jersey,
Estados Unidos Samsung Electronics, Corea del Sur Sungkyunkwan
University Advanced Institute of Nano Technology (SAINT), Corea del
Sur Universidad de California en Los ngeles (UCLA), Estados Unidos
Universidad Politcnica de Madrid (UPM), Madrid, Espaa Universidad
de Granada (UGR), Andaluca, Espaa Universidad de Mnchester, Reino
Unido Universidad de Princeton, Estados Unidos Universidad del Sur
de California (USC), Estados Unidos Universidad de Texas en Austin,
Estados Unidos Universidad de Wisconsin-Madison, Estados Unidos
Universidad Tecnolgica de Campeche, Campeche, Mxico Avanzare, La
Rioja, Espaa Instituto Universitario de Tecnologa Industrial
Rodolfo Loero Arismendi (I.U.T.I.R.L.A), Barcelona, Venezuela Bill
Gates, ha propuesto el posible uso de grafeno en la fabricacin de
condones reforzados con este material, y ha
destinado a travs de su fundacin (Fundacin Bill y Melinda Gates)
100.000 dlares para financiar grupos deinvestigacin en este
campo.[15]
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Referencias[1] Pblico, 5/10/2010 (http:/ / www. publico. es/
ciencias/ 340050/
nobel-de-fisica-para-los-descubridores-del-material-del-futuro,)[2]
Anuncio de la Fundacin Nobel (en ingls) (http:/ / nobelprize. org/
nobel_prizes/ physics/ laureates/ 2010/ )[3] Murray Tortarolo, G. y
Murray Prisant, G. (julio 2012). Grafeno: La siguiente revolucin
tecnolgica? Cmo ves? Revista de Divulgacin
de la Ciencia de la Universidad Nacional. Ao 14, no. 164, pp.
22-25. ISSN 1870-3186[4] C. D. Simpson et al. "Synthesis of a Giant
222 Carbon Graphite Sheet" Chemistry - A European Journal, 6 1424
(2002) (http:/ / www3.
interscience. wiley. com/ journal/ 91016409/ abstract)[5] Murray
Tortarolo, G. y Murray Prisant, G. (julio 2012). Grafeno: La
siguiente revolucin tecnolgica? Cmo ves? Revista de Divulgacin
de la Ciencia de la Universidad Nacional. Ao 14, no. 164, pp.
22-25. ISSN 1870-3186[6] http:/ / www. abc. es/ ciencia/ 20131122/
abci-bill-gates-dona-dolares-201311221814. html[7] Wallace, P. R.
(1947). Physical Review 71, 622.[8] S. Iijima, Nature 354, 56
(1991)[9] C. Dekker, Physics Today 52, 22 (1999)[10] Special-Issue,
Physics World 13, 29 (2000)[11] Graphene transistors clocked at 26
GHz Arxiv (en ingls) (http:/ / arxivblog. com/ ?p=755)[12] Anuncio
de IBM sobre la velocidad de los nuevos transistores (http:/ / www.
neoteo. com/ transistores-de-grafeno-de-100ghz-ibm. neo)[13] Los
transistores alcanzan una velocidad de 300 GHz (http:/ / www.
nature. com/ nature/ journal/ v467/ n7313/ full/ nature09405.
html)[14] http:/ / www. spitzer. caltech. edu/ news/
1307-feature11-09-Honeycomb-Carbon-Crystals-Possibly-Detected-in-Space[15][15]
(en ingls)
Enlaces externos Wikimedia Commons alberga contenido multimedia
sobre Grafeno. Commons Wikcionario tiene definiciones y otra
informacin sobre grafeno.Wikcionario The Rise of Graphene (El
surgimiento del grafeno) Artculo sobre el grafeno escrito por A. K.
Geim y K. S.
Novoselov en Nature Materials 6, 183-191 (2007) (en ingls)
(http:/ / onnes. ph. man. ac. uk/ nano/
Publications/Naturemat_2007Review. pdf).
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Fuentes y contribuyentes del artculo 8
Fuentes y contribuyentes del artculoGrafeno Fuente:
http://es.wikipedia.org/w/index.php?oldid=75409312 Contribuyentes:
3coma14, 4lex, 5truenos, Alakasam, AlejandroTang, Alemagana,
Allforrous, Andesaa, Angelito7,Angelsosa1990, Anoryat, Balles2601,
Banfield, Bibliofilotranstornado, Bigsus, Bubbletruble, Camargo70,
Correogsk, Defender, Diamondland, Diegusjaimes, Didoco, Djsuizo85,
Djzen, Dorieo,Dossier2, El Moska, Eoraptors, Fixertool, Francisco
Valdez Mendoza, Fridelain, Gallowolf, GiovanniES, Gsrdzl, Halfdrag,
Herrero Uceda, Ileana n, JMCC1, Jajuanr, Javu61,
Jkbw,Jorgejorgito10, Jorgelrm, Kaprak, Kronen, Leonpolanco,
Madafaka6921, Makete, Marinonano, Materialesnano, Materialesnano2,
MaxKarioMC, Mega-buses, Miss Manzana, Moch92,Montgomery,
Mpeinadopa, MrDrap, Muro de Aguas, Oblongo, Ortisa, Paul 14,
Pozitron, RepliNiquel, Roberpl, Roberto Fiadone, Romctx, Rosarino,
Rrosfel, Rufflos, Sanbec, Savh, Sl2010,Slaute, Srbanana,
SuperBraulio13, TEPEX, Takashi kurita, Tarawa1943, Technopat,
Tokvo, TorQue Astur, UA31, UAwiki, Wikilptico, Zommbrero, Zurdus,
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interesantes desde el punto de vista terico
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