EL GRAFENO: EL MATERIAL QUE REVOLUCIONARÁ EL MUNDO.

Edison J. Acosta B.

Los estudios de estematerial inician en el año2004.

El premio Nobel de Físicaen el año 2010 fueotorgado a Andre Geim yKonstantin Novoselovpor sus revolucionariosdescubrimientos sobre elmaterial bidimensionalGrafeno.

GRAFENOEl grafeno es una alotropía del carbono la cual consiste en un teseladohexagonal plano (como un panal de abeja) formado por átomos de carbono yenlaces covalentes que se formarían a partir de la superposición de loshíbridos sp² de los carbonos enlazados.

CARBONO: “El elemento de la vida”.

Átomo de Carbono

GRAFENO:“Madre de todos ellos”.

Grafeno

Nanotubos de Carbono

Grafito

Fullerenos

GRAFITO.Gran conductor y gran lubrificante debido a los enlaces débiles entre las capas

¿Por qué estudiar el Grafeno?

Alta movilidad de los electrones

• Silicio: 1.300 cm²/V.s• Grafeno: 100.000 cm²/V.s

Potenciales aplicaciones en la espintrónica: Único material hastael momento que muestra efectos cuánticos a temperatura ambiente.

La incorporación de elementos conmo H, N y nanopartículas tornanuevas aplicaciones. Ingeniría de nuevos materiales.

• e.g. Vávulas de estocaje (combustible). Absorver Hidrógeno, retenerlo y emitirlo sin alterar sus propiedades.

Académico: Presenta una nueva física.

Alta resistencia y dureza. 200 veces más fuerte que el acero.(Jaffrey Kysar y James Hone)

Alta flexibilidad del 10%.

Transparencia del 97,3%.

Propiedades del Grafeno

Alta conductividad térmica yeléctrica.

Menor efecto Joule. Se calientamenos al conducir los electrones.

Generación de electricidad porla luz solar.

Soporta la radiación ionizante.

Es muy ligero, como la fibra decarbono, pero más flexible.

Puede reaccionar químicamentecon otras sustancias para formarcompuestos con diferentespropiedades, lo que dota a estamaterial de gran potencial dedesarrollo.

Los electrones del grafeno puedenmoverse líbremente por toda lalámina y no quedarse aislados enzonas de las que no puede salir(localización de Anderson) lo cual esun problema para sistemasbidimensionales con impuerzas.

Físicos de la universidad de Ilions en Urbana-Champaing (UIUC) handemostrado recientemente la existencia de un efecto de enfriamiento ananoescala dentro de transistores de grafeno. Estas estructuras son capaces dereducir sus propias temperaturas según revela el equipo.

Propiedades del Grafeno

Sustituir el silicio en losmirochips, haciéndolos más ligeros,funcionales, fiables y consiguiendoque consuman menos energíaeléctrica y disminuya su dispersiónen forma de calor.

Sustituir los pesados cables decobre usados en la fabricación deaviones y naves espaciales.

Aplicación en la creación depantallas táctiles flexibles y de placassolares.

Utilidad como sensor en ladetección de moléculas separadas ensubstancias químicas.

¿QUÉ SE ESPERA DEL GRAFENO?

Complejidad al manipularlo debido al grosor de la capa (0,1nm) lo cualretrasa su llegada a la electrónica de consumo.

DESAFÍOS DEL GRAFENO

Sumergiendo grafito en una mezcla de ácido orgánico diluido,alcohol, y agua, y luego exponiéndolo al sonido ultrasónico, elequipo descubrió que el ácido actúa como una “cuña molecular”, quesepara hojas de grafeno del grafito padre. El proceso resulta en lacreación de grandes cantidades de grafeno intacto y de alta calidaddisperso en el agua.

Investigadores del Rensselaer Polytechnic Institute handesarrollado un nuevo método simple para producir grandescantidades de grafeno. La nueva técnica funciona a temperaturaambiente, necesita poco procesamiento y allana el camino para laproducción masiva y rentable de grafeno.

DESAFÍOS DEL GRAFENO

No tiene una banda de resistividad, propiedad esencial; lo que significaque no puede parar de conducir electricidad, no se puede apagar. El silicio sítiene esta banda.

Aplicaciones del Grafeno en electrónica

Tiene alta movilidad de portadores, así como un bajo nivel de ruido, lo que permite que sea utilizado como canal en transistores de efecto de campo (FET).

Universidad de Manchester desarrolló un Transistor de grafeno. Una lámina de este material puede ser cortada en pequeñas cintas de 10nm de anchura y 0,1nm de espesor y seguir siendo estable y conductora.

IBM desarrolla un nuevotransistor de grafeno capaz deoperar hasta una frecuencia de 155Ghz sin necesidad de ser refrigeradopar operar a dicha velocidad.

Aplicaciones del Grafeno en electrónica

IBM recientemente integró el transistor en un tipo de circuito llamadomezclador de frecuencias de banda ancha (broadband frequency mixer, eninglés), componente esencial de televisores, teléfonos celulares y radios,que puede operar a frecuencias hasta de 10Ghz y a temperaturas hasta de127°C.

Investigadores del Shanghai Institute of Applied Physics (China),intentaron hacer crecer diversas cepas antibacterianas sobre papel de óxidode grafeno y células humanas.

Aplicaciones Químicas y medioambientales

Las bacterias no pudieron crecer sobre el papel, mientras que no seobservó efecto adverso sobre las células.

Dado el efecto antibacteriano del grafeno y que puede producirse engrandes volúmenes, podría utilizarse para:

Vendajes, envases para alimentos o para fabricar prendas de vestir ycalzado sin olor.

Otras Aplicaciones Vorbeck Materials en alianza con el gigante de productos químicos BASF, estan fabricando tintas conductoras basadas en el grafeno y que pueden ser utilizadas para imprimir antenas RFID (Identificación por radiofrecuencia) y contactos eléctricos para pantallas flexibles.

Investigación Fabricar una especie de acelerador de partículas en miniatura.“En un fragmento de grafeno de 1cm² es posible realizar muchos de losexperimentos que hasta ahora requerían laboratorios como el CERN” .LHC reducido al tamaño de una manzana.

Otras Aplicaciones

Nuevo tipo de baterías que aumenten su capacidad a mayor velocidad de carga y menor de descarga.

Almacenamiento de energía

Cámaras fotográficas

Por la sensibilidad del grafeno se podrían captar imágenes con mayor calidad en condiciones de poca iluminación con un consumo 10 veces menor.

Comunicaciones

Cables de alta velocidad que transporten información al menos 100 veces más rápido que la fibra óptica.

Otras Aplicaciones

Podría emplearse para mejorar los tratamientos contra el cáncer eliminando solamente las células malignas.

Medicina

Biotecnología

Realización de implantes que sustituyan los tejidos dañados.

BIBLIOGRAFÍA

1. Tsinghua National Laboratory for Infonnation Science and Technology (TNList), “Novel Graphene-Based Devices”, Institute of Microelectronics, Tsinghua University, Beijing 100084, China

2. Mohi Uddin Jewel*, Tanvir Ahamed Siddiquee, and Md. Rafiqul Islam, “Flexible Graphene Field Effect Transistor with Graphene Oxide Dielectric on PolyimideSubstrate”, Department of Electrical and Electronic Engineering, Khulna University of Engineering and Technology, Khulna-9203, Bangladesh.

3. Redwan N. Sajjad, Frank Tseng, Avik W. Ghosh, “Conductance of graphene: role of metal contact, charge puddles and differential gating”,University of Virginia, Department of Electrical and Computer Engineering, Charlottesville, VA-22904, USA.

4. Xining Zang and Liwei Lin, “GRAPHENE SYNTHESIS VIA DROPLET CVD AND ITS PHOTONIC APPLICATIONS”, Berkeley Sensor and Actuator Center, University of California, Berkeley, USA

BIBLIOGRAFÍA

5. IEEE Journal Of Selected Topics In Quantum Electronics, “Introduction to the Issue on Graphene Optoelectronics”, Vol. 20, No. 1, January/February 2014.

6. Ergun Simsek, “Graphene: A Two Dimensional Material in ThreeDimensional Structures”, Department of Electrical and Computer EngineeringThe George Washington University Washington, DC, USA.

7. Haider Al-Mumen, Fubo Rao, Lixin Dong, Wen Li, “Thermo-flow and temperature sensing behaviour of graphene based on surface heatconvection”, Department of Electrical and Computer Engineering, Michigan State University, East Lansing, MI 48824-1226, USA, 1st August 2013.