grafeno

1. grafeno José Sepúlveda Basáez

2. objetivo • Fabricar grafeno en cantidades industriales y a bajo costo • Insertar grafeno en el mercado nacional • Fabricar baterías de grafeno • Fabricar filtros desalinizadores • Satisfacer demanda de empresas tecnológicas • Aplicar tecnología en energías renovables

3. teoría • Es transparente, flexible, extraordinariamente resistente, impermeable, abundante, económico y conduce la electricidad mejor que ningún otro metal conocido. Hablamos del grafeno, el material que tiene fascinados a científicos y a la industria debido a sus fantásticas propiedades. • Aunque fue sintetizado por primera vez en 2004, saltó a la fama en 2010 cuando sus descubridores, los investigadores de origen ruso Andre Geim (Sochi, 1958) y Konstantin Novoselov (Nizhny Tagil, 1974) recibieron el Premio Nobel de Física. Como ya apuntó entonces Andre Geim, las aplicaciones potenciales del grafeno son tantas que ni siquiera eran capaces de enumerarlas. • agregando carbono se auto repara (último descubrimiento)

5. teoría • El grafeno es un material formado por capas, que comprende desde una hasta 10 capas superpuestas. sus propiedades están en función de su dimensionalidad. tomando como base discriminatoria la especificidad de sus propiedades, el grafeno puede ser clasificado en 3 tipos:  monocapa, bicapa y multicapa (entre 3 y 10). sin embargo, presentan un conjunto de propiedades  comunes que permiten caracterizar los tres tipos como grafeno.

6. teoría • Este material es extraordinariamente conductor tanto eléctrico (sus electrones se mueven cien veces más rápido que en el silicio) como térmico, es muy transparente, resulta mas resistente que el mismo diamante y doscientas veces más que el acero, muy flexible, tan denso, que ni siquiera el gas helio( el átomo más pequeño) lo puede atravesar, muy sensible a cualquier molécula que se deposite en su superficie y todo ello en finísimas capas de un átomo de espesor (un millón de veces más fino que una hoja de papel).

7. teoría • Otra interesante propiedad es que si al grafeno se le aplica una señal eléctrica de cierta frecuencia, genera otra onda del doble o el triple de frecuencia (es un multiplicador de frecuencias) por lo que permite trabajar a frecuencias de reloj mucho más altas de las actuales. • A nivel cuántico, el grafeno presenta nuevas propiedades aún mas interesantes que hacen que el electrón se comporte como una partícula sin masa (como los fotones y los fermiones), con una velocidad unas cuatrocientas veces menor que la de la luz pero mucho mayor que la de los electrones en los metales, y que permiten realizar en un pequeño trozo de grafeno muchos experimentos que hasta ahora solo se podían hacer en aceleradores de partículas como el cern

8. CIRCUITOS ELECTRÓNICOS TRANSPARENTES Y FLEXIBLES

9. PANTALLAS TÁCTILES ENROLLABLES

10. Técnicas de producción del grafeno • 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: • Scotch Tape • CVD (Chemical Vapor Deposition) • Liquid Phase Exfoliation • Plasma • Oxidisation-Reduction • Thin Graphite • 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 (la glucosa del azúcar es una molécula de 6 átomos de carbono, cuando esta se calienta se deshidrata exhaustivamente formando grafeno. 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. • quemar magnesio metálico puro en hielo seco

11. quemar magnesio metálico puro en hielo seco • convierte el dióxido de carbono directamente en capas de grafeno (de menos de 10 átomos de espesor) quemando magnesio metálico puro en hielo seco. • «Está científicamente comprobado que la combustión de magnesio metálico en dióxido de carbono produce carbono, pero la formación de este carbono con capas de grafeno como producto principal no ha sido identificada ni probada como tal hasta nuestra investigación» • «El proceso sintético se puede utilizar para producir potencialmente grafeno en grandes cantidades», añade. «Hasta ahora, el grafeno se ha sintetizado mediante diversos métodos que utilizan productos químicos peligrosos y técnicas tediosas. Este nuevo método es simple, ecológico y rentable».

12. un limpiador ultrasónico • 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.

13. Chemical Vapor Deposition • Para producirlo no se utiliza grafito, sino gas metano, que se transforma mediante una tecnología denominada deposición química en fase vapor (Chemical Vapor Deposition, CVD): "Es una de las grandes ventajas, pues no dependemos de ningún producto mineral", señala. • Muestra de grafeno sobre lámina de silicio. | Graphenea • "Se realiza en un reactor CVD donde se introduce un gas con carbono. Mediante la aplicación de energía se depositan los átomos de carbono sobre un substrato metálico. El siguiente paso es transferir la lámina de grafeno al substrato final, que puede ser un polímero, vidrio, silicio u otros, dependiendo de la aplicación",

14. cvd • Hay tres pasos esenciales en la transferencia de rollo a rollo (fig. 1ª): (i) adhesión del polímero de soporte al grafeno en el papel de cobre, (ii) remover las capas de cobre; y (iii) soltar las capas de grafeno y transferirlo al sustrato final. En el paso de la adhesión, la película de grafeno, crecida en el papel de cobre, es unido a una delgada película de polímero, la cual está recubierta con una capa adhesiva, haciéndolos pasar entre 2 rodillos, en el paso siguiente, las capas de cobre son removidas mediante una reacción electroquímica con una solución acuosa 0.1 molar de persulfato de amonio (NH4)2S2O8. Finalmente las películas de grafeno son transferidas del polímero de soporte en el sustrato final, removiendo las fuerzas que sostienen las películas de grafeno. 

16. Fabricación de grafeno masivo • Sumergiendo grafito en una mezcla de ácido orgánico diluido, alcohol, y agua, y luego exponiéndolo al sonido ultrasónico, el equipo descubrió que el ácido actúa como una “cuña molecular”, que separa hojas de grafeno del grafito padre. El proceso resulta en la creación de grandes cantidades de grafeno intacto y de alta calidad disperso en el agua

18. solución • Grafito (polvo de oxido de grafito) • Piscina con liquido conductor (agua, alcohol, acido orgánico) • Transductor de sonar (piezoeléctrico) con gama de frecuencia • Hélice giratoria (velocidad de cavitación) • Resultado grafeno en cantidades

19. Solución integral • Dique principal (producción de electricidad mareomotriz) • Dique2 (producción de agua potable con filtros de grafeno) • Dique3 (producción de grafeno)

20. Fabricación de grafeno masivo • “Existen otras técnicas conocidas para la fabricación de grafeno, pero nuestro proceso es ventajoso para la producción en masa, ya que es de bajo costo, se realiza a temperatura ambiente, carece de productos químicos perjudiciales, y por lo tanto es amistosa a un número de tecnologías donde existen limitaciones ambientales y de temperatura”, dijo Kar. “El proceso no necesita cámaras de ambiente controlado, lo que aumenta su sencillez sin comprometer su capacidad de ampliación. Esta simplicidad nos permitió demostrar directamente aplicaciones de alto rendimiento relacionadas con detección ambiental y almacenamiento de energía, que se han convertido en temas de importancia global”.

21. Fabricación de grafeno masivo • Una delgada lámina de estructura similar a un panal de abejas y del grosor de un átomo que supone una panacea tecnológica, tal es el potencial de un material flexible, transparente, 200 veces más resistente que el acero y dotado además de propiedades semiconductoras. El problema podría venir de las dificultades para poder fabricar en masa el preciado material pero dos hermanos de Yecla con su empresa, Graphenano, afincada en Alicante, han resuelto el problema siendo capaces de producir en serie grandes láminas de hasta 2.500 centímetros cuadrados que dejan minúsculos los 100 de que es capaz la competencia.

22. Otras cualidades • Un logro interesante es que han logrado obtener grafeno en polvo, lo que permite componer una mezcla con otros componentes mejorando sus características, mejorando la resistencia de materiales aeronáuticos y de construcción, con paredes y ventanas que pueden convertirse en pantallas interactivas y receptores fotovoltáicos, así como baterías, prótesis médicas… el futuro parece estar hecho de grafeno.

23. Grafeno en polvo • parte del grafito como materia prima y básicamente consiste en realizar una oxidación violenta y un proceso de ultrasonificación para separar las pequeñas láminas de grafeno que componen el grafito"

25. Filtro de grafeno

26. Filtros de grafeno • los nanoporos de grafeno pueden filtrar la sal del agua a una velocidad de 2 a 3 veces mayor que la mejor tecnología de desalinización comercial que existe en la actualidad (la ósmosis inversa). • este material permite el flujo real de agua, evita por completo que se filtre la sal y tiene una permeabilidad mucho mayor en comparación a la ósmosis inversa. Y todo ello mucho más rápido que con las técnicas actuales. • Una sola capa de grafeno, que tiene un átomo de carbono de espesor, resulta muy delgada, por lo que es ventajoso para la desalinización del agua. En la eficacia de la desalinización participan el tamaño de los poros del material y la presión aplicada

27. Filtros de grafeno • denominado ‘Perforeno’, es un filtro de grafeno con poros de nanómetros de diámetro. Suficiente para que las moléculas de agua puedan pasar, pero retenga la sal y otros compuestos. • «500 veces más fino que el mejor filtro del mercado, y mil veces más fuerte». El hecho de que el filtro se componga de una única capa de átomos de carbono hace más fácil el proceso de filtrado, ya que exigen menos energía empujar el agua de un lado a otro.

28. Filtros de grafeno • Esta tecnología puede suponer un importante avance en las zonas del planeta donde el acceso al agua potable es limitado. El filtro de Perforeno, en principio, haría innecesaria la instalación de grandes plantas desalinizadoras, que consumen bastante energía y recursos. • Por otro lado permitiría fertilizar zonas áridas o secas, desiertos etc.…

30. Filtros de gases • Los resultados de esta investigación son un gran avance hacia la creación de membranas más eficientes energéticamente para la producción de gas natural y para reducir las emisiones de dióxido de carbono en chimeneas de centrales térmicas o de fábricas de ciertas clases, así como en los tubos de escape de vehículos. • El grafeno consiste en una sola capa de átomos de carbono colocados en una retícula hexagonal, similar a la de un panal de miel. • El equipo de Scott Bunch, John Pellegrino, Steven Koenig y Luda Wang, de la Universidad de Colorado en Boulder, Estados Unidos, creó poros nanométricos en láminas de grafeno mediante un proceso de grabado oxidativo inducido por luz ultravioleta, y entonces midió la permeabilidad a varios gases en las membranas de grafeno poroso. Se hicieron experimentos con diversos gases incluyendo hidrógeno, dióxido de carbono, argón, nitrógeno, metano y hexafluoruro de azufre, cuyas moléculas están en el rango de entre 0,29 y 0,49 nanómetros, para demostrar el potencial que tiene el nuevo descubrimiento para permitir separar gases basándose en el tamaño de las moléculas.

31. Las antenas de grafeno permitirían descargas inalámbricas de terabits en segundos • ¿Quieres subir cientos de películas a un aparato móvil en solo unos segundos y de forma inalámbrica? Investigadores de la Universidad Georgia Tech (EE.UU.) han creado los planos para una antena inalámbrica hecha con láminas del grosor de un átomo de carbono, o grafeno, que podrían permitir velocidades de transferencia de terabits por segundo en distancias cortas. • Un terabit por segundo se podría conseguir a una distancia de aproximadamente un metro usando una antena de grafeno, con lo que podrías trasferir 10 películas en alta definición pasando tu teléfono por delante de otro aparato durante un segundo. Akyildiz y sus compañeros también han calculado que a distancias más cortas, unos centímetros, por ejemplo, en teoría se pueden conseguir tasas de transferencia de datos de hasta 100 terabits por segundo.

32. Transferencia inalámbrica • Según el grupo, para fabricar una antena, se podría dar al grafeno la forma de estrechas bandas de entre 10 y 100 nanómetros de anchura y un micrómetro de largo, lo que la permitiría transmitir y recibir en la frecuencia de terahercios, que corresponde aproximadamente a esas escalas de tamaño. Las ondas electromagnéticas en la frecuencia de terahercios interactuarían así con las ondas plasmónicas -oscilaciones de los electrones en la superficie de la tira de grafeno- para enviar y recibir información.

34. aplicaciones • Cristales irrompibles • Refuerzos de estructuras • Suelos irrompibles • Cargadores de energía autosuficientes • Pantallas de iluminación • Placas solares • Cables híper conductores • Baterías de alta eficiencia • Barcos mas ligeros, irrompibles, veleros • Carrocerías de vehículos • Circuitos integrados de móviles • Televisores • Relojes • Ordenadores • Tablets • Aviones mas ligeros, alas irrompibles • Etc……

35. proyectos • Central mareomotriz con desalinizadores de agua de mar para consumo humano. • Acumuladores para submarinos convencionales autosuficientes • Turbinas para centrales eléctricas • Bombas de ariete irrompibles • Fertilizar zona norte con agua de mar desalinizada

36. Fin presentación