Grafeno I

El Grafeno, es un alótropo del carbono con teselado hexagonal plano y formado por átomos de carbono con enlaces covalentes.

Su nombre proviene del grafito (material del que procede) + eno, por lo que el grafito es una pila de láminas de grafeno enlazas por fuerzas de van der waals e interacciones entre los orbitales Pi de los átomos de carbono.

El grafeno ea denominado material del futuro o material de Dios, debido a sus increíbles propiedades:

-Su delgadez: sólo tiene un átomo de espesor.

-Su fuerza: a pesar de ser tan fino, es tan o más duro que el propio diamante.

-Alta conductividad: el grafeno es un semi-metal y gracias a los enlaces que lo componen, deja gran cantidad de electrones sueltos, y estos se comportan de forma distinta a otros metales, ya que el grafeno les opone tan poca resistencia a su movimiento, que pueden llegar a alcanzar velocidades similares a la de la luz, ya que éstos no tienen prácticamente masa.

Alta resistencia al calor: Sufre un menor efecto Joule, por lo que se calienta menos al conducir la electricidad, por lo tanto consume menos electricidad para una misma tarea que el silicio..

-Soporta la radiación ionizante: lo que le permite soportar radiación de alta energía

Es super-ligero: como se compone de una lámina de un átomo de espesor, su peso es mínimo.

-Flexible: su composición hace que sea tan flexible como un plástico, pero éste además recupera totalmente su estado normal sin dejar malformaciones y sin sufrir ningún cambio.

-Luz como fuente de energía: al contrario de cualquier dispositivo electrónico que funciona a base de corriente, el grafeno hace de la luz una fuente de energía natural e inagotable, ya que este absorbe muy bien los fotones de la luz, que interfieren con los electrones sueltos del grafeno para producir energía.

-El grafeno es casi completamente transparente y tan denso que ni siquiera el átomo de helio, cuyos átomos son los más pequeños que existen, puede atravesarlo.

-Su resistencia es 200 veces mayor que la del acero

Reciclable: es un material totalmente natural y no contamina por tanto respeta el medio ambiente.

-Es, además, auto-reparable, al menos a nivel de microscopio, ya que si hacemos un agujero, sólo con agregar carbono, al cabo de un tiempo, ese agujero ya estaba tapado.

El grafeno en sí es un material muy fácil de encontrar, tanto es así, que incluso de las minas de los lápices se puede obtener.

El problema que se tiene es que para poder aprovechar las virtudes de este material al máximo, éste, debe ser lo más puro posible, y en las minas de los lápices, se han encontrado minerales varios que se mezclan con el grafeno, lo que disminuye bastante su pureza.

El método más normal y casero, es éste, usando celo, y pegando el grafito a este durante varias veces, hasta conseguir una capa.

Para poder obtenerlo con mayor pureza y mediante método casero, para generar pequeñas cantidades, se suele usar una piedra de grafito, y realizando el mismo proceso que con una mina de un lápiz.

Ahora la mayor dificultad es producirlo a gran escala, para la empresa y su estudio.

GRAFENO EN LÁMINA

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 substrato metálico, donde posteriormente se transfieren las láminas de grafeno al substrato final que dependerá del uso que se le quiera dar al grafeno (vidrio, silicio,...).

Nota: el CVD (Chemical Vapor Deposition) utiliza gas metano que se transforma mediante deposición química en fase vapor, en móleculas de carbono, oxígeno e hidrógeno.

Aún así el coste no baja demasiado, ya que está entre los 300 y 1000 €

LIMPIADOR ULTRASÓNICO

Los métodos existentes para la fabricación de grafeno requieren un equipo costoso, especializado y con complejos procedimientos de fabricación, como expliqué en el caso anterior. En el nuevo método propuesto, la máquina más compleja para producir láminas de grafeno es un limpiador ultrasónico, un equipo común en muchos laboratorios.

Según explican los científicos, a nivel molecular, el grafito se asemeja a un sándwich compuesto de muchos estratos de grafeno. Estos estratos son difícilmente separables. Para debilitar las interacciones entre ellos, oxidaron el grafito. El polvo obtenido de este modo - óxido de grafito - se suspendió en agua posteriormente y se colocó en un limpiador ultrasónico. Los ultrasonidos separaron las láminas oxidadas de grafeno unas de otras y se obtuvieron escamas de óxido de grafeno con un espesor de aproximadamente 300 nanómetros.

Los investigadores tuvieron que 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, como composite para construcción. Lo más frecuente es mezclarlo 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. (Explicado en el apartado anterior.) 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, ya que éste cuenta con mayor pureza que la que se obtiene en el grafeno original.

Aquí entra en juego Graphenea, una empresa española que está en los primeros puestos como mejor productora de grafeno.

Otra gran empresa que está tomando la delantera en cuanto al estudio y producción de grafeno a gran escala es Graphenano

Se ha descubierto recientemente, que hay trozos de grafeno en el espacio, lo cual, también da que hablar sobre el origen del universo y lo sucedido tras la teoría del Big Bang.

Se han implementado nuevas técnicas para la producción de grafeno a gran escala. Recuerden que el mayor problema que presenta el grafeno es el tamaño de la lámina, es decir, del grafeno se pueden aprovechar sus propiedades eléctricas como semiconductor en láminas pequeñas o de un tamaño máximo, al romper esta barrera, que se necesitaría para abaratar costes de producción en grandes cantidades, el grafeno comienza a presentar problemas en cuanto a conductividad y estabilidad.

Los científicos están trabajando ello, esperemos que pronto se solucione el problema y podamos llegar a disfrutar en un futuro relativamente temprano del grafeno en nuestra vida cotidiana.

Sorpresa del grafeno a nivel cuántico

Físicos de EE.UU. y Alemania han descubierto una nueva característica del grafeno, que muestra el efecto Hall cuántico fraccionario (FQHE), que es diferente al observado en los materiales convencionales.

Este hallazgo será importante para el estudio de las correlaciones entre partículas relativistas y puede incluso ayudar en el desarrollo de ordenadores cuánticos en el futuro.

El efecto Hall cuántico fraccionario es un fenómeno físico en el cual el pasillo de conductancia de electrones 2D, muestra mesetas precisamente cuantificadas en valores fraccionarios de "e^2/h". Es una propiedad de un estado colectivo en el cual, los electrones se unen en líneas de flujo magnéticas para formar nuevas cuasipartículas, y las excitaciones tienen una carga elemental fraccional y posiblemente también estadísticas fraccionarias. Dicho de un modo más geométrico, el FQHE se produce cuando los portadores de carga, como los electrones que están confinados en un plano 2D -como es el grafeno- son sometidos a un campo magnético perpendicular en la dirección Z. Si fluye una corriente en la dirección X, el voltaje —la tensión de Hall— se produce en la dirección Y. A temperaturas muy bajas, esta tensión se cuantifica en etapas distintas o estados Hall.

Supercondensadores de grafeno

Un gran avance en el desempeño de los capacitores ha sido alcanzado con el desarrollo de un dispositivo que puede almacenar tanta energía como una batería y es capaz de recargarse en segundos. El supercapacitor basado en grafeno está siendo desarrollado por investigadores de una compañía estadounidense llamada Nanotek Instruments y puede almacenar tanta energía por unidad de masa como las baterías de niquel metal hidruro y podrían ser usadas algún día para proporcionar energía a aparatos diversos como teléfonos móviles, cámaras digitals y micro vehiculos eléctricos. Con la gran área de superficie de sus electrodos y el espacio extremadamente pequeño que hay entre estos, los supercapacitores, también conocidos como capacitores eléctricos de doble capa o capacitores electroquímicos, pueden almacenar una gran cantidad de carga eléctrica en un pequeño volumen. El nuevo dispositivo tiene electrodos hechos de grafeno mezclado con un negro de acetileno llamado Super P que actúa como un aditivo conductor y un aglutinante que mantiene todo unido. La mezcla resultante se cubre dentro de la superficie de un colector de corriente y es ensamblado en forma de capacitores del tamaño de una moneda. La interfaz electrolito-electrodo está hecha de “Celguard-3501″ y el electrolito es un químico conocido como EMIMBF4. La densidad específica del nuevo capacitor, es decir la medidad de cuanta energía puede ser almacenada por unidad de peso, es de 85.6 Wh/kg a una temperatura regular de 20 a 30 grados Celsius, mientras que a 80 grados Celsius el valor medido fue de 136 Wh/kg, el cual es comparable a las baterías Ni-mh. Estos son los mejores valores obtenidos para supercapacitores electricos de doble capa basados en nanomateriales de carbono.

No es la primera vez que los científicos están tratando de usar el grafeno como electrodos, ya que potencialmente puede proporcionar un mejor rendimiento en comparación con el carbón activado convencional. Sin embargo, surgen dificultades en la preparación del grafeno y la creación de electrodos con la estructura de la superficie deseada. Los norteamericanos decidieron resolver este problema de una manera inesperada. Colocaron una capa de óxido de grafeno en la superficie de un DVD. A continuación, pusieron el disco en una unidad de DVD estándar que soporta la tecnología de grabado de imagenes LightScribe . A continuación, el ordenador dio la instrucción de grabacion de una imagen sobre el disco con detalles microscópicos Bajo la acción del laser de infrarojos el óxido de grafeno se modificó creando una red que consta de sólo unas pocas capas de carbono. Este material fue llamado (láser Scribed grafeno - LSG). A dos electrodos de LSG se le agregan un electrolito separador y obteniendose un supercondensador con magníficas características. "Nuestro estudio muestra que los nuevos supercondensadores basados ​​en el grafeno guardan tanta carga como las baterías convencionales, pero se pueden cargar y descargar cientos o miles de veces más rápido", - dijo uno de los fundadores de la LSG el profesor Richard Kaner . En los nuevos electrodos el recorrido de los iones del electrolito es mucho más corto que en el carbón activado, lo cual es un requisito previo para dispositivos con una alta potencia pico y de carga rápida. Además, las pruebas demostraron que el LSG tiene una superficie específica muy alta - 1520 m 2 / g, y mucho más conductividad que la del carbón activado, (1738 Siemens por metro en contra de 10-100 / m). Además, los científicos han seleccionado para sus condensadores un espesó gel de polímero como electrolito, que al mismo tiempo actua como un pegamento para unir las capas entre sí y actuar como un separador. Todo esto simplifica considerablemente el dispositivo.

Los experimentos con las nuevas unidades mostraron que casi nunca pierden sus excelentes propiedades eléctricas bajo carga mecánica y que el sistema se comporta estable durante un gran número de ciclos. Es por eso que los estadounidenses veen en su prototipo el antesesor de los sistemas de almacenamiento

ultra finos y flexibles para dispositivos electrónicos portátiles.

Pantallas OLED de grafeno

OLED, tras estas siglas nos encontramos lo que se traduce del inglés como diodo orgánico de emisión de luz. O lo que es lo mismo, diodos con una capa de componentes orgánicos que reaccionan a la electricidad y emiten luz por si mismos, sin necesidad de fuentes de ningún tipo.

De este modo, el consumo eléctrico de las pantallas OLED es menor que el del resto de tecnologías. Además, cuenta con otras virtudes como un mayor ángulo de visión, un nivel de brillo mayor y, en un futuro, su producción será más económica.

En los dispositivos móviles hay diferentes investigadores que trabajan en adaptar la tecnología OLED para que, además de emitir luz, sea capaz de recogerla como si se tratara de una placa solar. De este modo, podríamos disfrutar de pantallas que se autoalimentaran y no necesitaran baterías para funcionar.

Placas Solares

Las actuales placas solares pierden grandes cantidades de energía, ya je presentan una ganancia de aprox. 16%, el resto se pierde.

Esto va a cambiar gracias al grafeno, ya que es un gran receptor de luz y absorbe una buena cantidad, la ganancia aprox. sería de un 60% más o menos, el cual, mediante distintas técnicas se pretende mejorar.

Registran nuevo record de eficiencia en células solares basadas en grafeno

El equipo de la investigadora Xiaochang Miao, de la Universidad de Florida, ha alcanzado una eficiencia del 8,6 por ciento con su nueva célula solar, gracias un tratamiento químico en el que se dopa al grafeno con TFSA.

Dopar con TFSA al grafeno hace que se vuelva mejor conductor y eso incrementa el potencial del campo eléctrico dentro de la célula solar, con el resultado de que ésta se vuelve más eficiente en la conversión de la luz del Sol en electricidad. Además, a diferencia de otros materiales para dopar al grafeno que han sido probados en el pasado, la TFSA es más estable, es decir que sus efectos son mucho más duraderos.

El grafeno, a diferencia de los metales convencionales, es transparente y flexible, así que tiene un gran potencial para ser un componente importante en el tipo de células solares que se espera poder instalar a bajo costo en los exteriores de edificaciones y en otros medios. Haber mostrado ahora que sus capacidades de generar electricidad a partir de la luz solar pueden ser realzadas por un tratamiento tan simple y barato, ofrece buenas perspectivas para el uso futuro del grafeno en células solares, tal como razona el físico Arthur Hebard, miembro del equipo de investigación.

Se estima que si las células solares con grafeno alcanzaran eficiencias de conversión de un 10 por ciento podrían ser un claro competidor en el mercado de los paneles solares, siempre y cuando sus costes de producción sean mantenidos en un nivel lo bastante bajo.

El prototipo de célula solar creada en el laboratorio de la Universidad de Florida fue construido sobre una base rígida de silicio, un soporte que no se considera lo bastante rentable para la producción a gran escala en los términos antedichos de comercialización barata. Pero es factible combinar el uso de grafeno dopado con sustratos más flexibles y más baratos, como las láminas de polímero que actualmente están bajo desarrollo en laboratorios de investigación de diversas partes del mundo.

Plantas Desalinizadoras

Hoy día, la obtención de agua potable es una gran prioridad, y las desaladoras consumen una gran cantidad de energía, esto es debido a las altas presiones que hay que aplicar al agua, para que pase por los filtros y así disminuir el grado de salinidad del agua, proceso al que se le llama ósmosis inversa.

EXPLICACIÓN DE PROCESO DE ÓSMOSIS

La ósmosis es un proceso natural que hacen las propias células, sin gasto energético, que consiste en dos disoluciones (ej: agua + sal) separadas por una membrana semipermeable, por un lado, tenemos la disolución, con un soluto concentrado (mayor cantidad de sal) y por otro lado, con un soluto diluido (en menor proporción), entonces para conseguir la misma proporción en ambas disoluciones y sabiendo que el soluto (sal), no puede atravesar la membrana, sólo el disolvente (agua), ésta pasa a través de la membrana "de modo natural", desde la disolución diluida a la concentrada, y de esta forma, la disolución concentrada, comienza a diluirse.

El problema, es que por naturaleza, sin gasto energético, se produce la ósmosis, para poder realizar la ósmosis inversa, hay que obligar al agua a hacer el recorrido contrario, por lo tanto hay que superar presiones muy altas, para lograr este proceso, lo cual, implica un gasto muy alto de energía.

LÁMINA DE GRAFENO PARA LA ÓSMOSIS

Gracias a las magníficas propiedades del grafeno, tales como su fuerza, resistencia,..., ahora podemos usarlo como membrana para el proceso de ósmosis inversa.

El nuevo método de desalinización promete ser más eficiente y posiblemente menos caro que los sistemas de desalinización existentes.

Controlando el material a escala atómica, produciendo una hoja de grafeno perforada con agujeros de dimensiones muy precisas, y además agregando distintos materiales, que daban carácter hidrofóbico (fobia al agua) o hidrófilo (atracción por el agua).

Transistores de grafeno

Debido a la alta movilidad de los electrones en el grafeno, se han creado transistores de grafeno, que pueden llegar hasta los 300 GHz, y sin apenas calentarse. Estos transistores de grafeno reciben el nombre de Barristor, y contienen grafeno y parte de silicio.

Esta velocidad que adquiere la corriente se debe en gran parte, a que los electrones que circulan por el mismo se comportan como si no tuvieran masa, ya que llegan a velocidades cercanas a la de la luz, por tanto, se comportan como ondas.

Y se preguntarán, entonces, ¿porqué no sustituimos ya al silicio y tener super-ordenadores?

El problema principal residía.en que en los circuitos de grafeno,los electrones no tienen 2 estados (0,1), (debido a su correspondiente espín) como en los de silicio, si no, que pueden tener hasta 3 estados.

Este tema fue solucionado recientemente, colocando 3 transistores, que permiten controlar el estado de los electrones en el grafeno.

Ya se puede utilizar grafeno en circuitos, y hacerlos funcionar con corriente, pero aún así, se han encontrado con un nuevo problema y es cortar la corriente, es decir, apagar el transistor, para que deje de circular corriente a través del mismo, como en los dispositivos actuales, aunque han conseguido avanzar depositando nitruro de boro, que lo que hace es frenar a los propios electrones, para poder controlar su flujo, pero aún queda un largo trayecto.