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1陋 Edici贸n


Introducción general (Pág. 3) El origen del grafeno (Pág. 4) Un redescubrimiento fortuito (Pág. 5) Los protagonistas (Pág. 6) Los métodos de obtención (Pág. 7) Tipos de grafeno (Pág. 8) Composición del grafeno (Pág. 9)

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Bibliografía (Pág. 10)


Introducción general

¿Qué es el grafeno?, ¿cuáles son sus propiedades?, ¿cómo se obtiene?, ¿cómo puede afectar a nuestras vidas en un futuro cercano?. Todas estas cuestiones serán respondidas en nuestra revista: “Grafeno: el material del futuro.”, la cual se publicará en formato digital dividida en varias ediciones durante este curso. La finalidad principal de este proyecto es dar a conocer la historia, las cualidades y aplicaciones de este versátil e innovador material que está revolucionando el mundo científico y tecnológico actualmente.

Somos un grupo de alumnos del centro I.E.S. Los Colegiales

de Antequera, en este trabajo vamos a realizar una investigación sobre el grafeno y plasmarla en varias revistas. Nuestro grupo está compuesto por: Juan Antonio Campos Hoyos, José Arjona Gámez, Manuel Jiménez Salas, Mario Romero Becerra y Alberto Sánchez Venegas.

En esta primera edición responderemos a algunas cuestiones

planteadas anteriormente, como ¿cuál es su historia? y ¿cómo se obtiene?.

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El origen del grafeno

Philip Russell Wallace

El repentino aumento del interés científico por el grafeno

puede dar la impresión de que se trata de un material nuevo. En realidad se conoce y se ha descrito desde hace más de medio siglo. En esta fecha se describió su estructura y su enlace químico. Unos años más tarde, en 1949, Philip Russell Wallace calculó por primera vez la estructura electrónica de bandas. Sin embargo, el grafeno ha sido considerado hasta hace relativamente poco tiempo como una quimera, un simple modelo teórico imposible de sintetizar. Esto es debido a que se pensó que era un material termodinámicamente inestable cuyas redes 2D se fundirían a temperatura ambiente.

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Un redescubrimiento fortuito

En 2004, al científico ruso Andre Geim, de la Universidad de Man-

chester, se le presentó un nuevo estudiante de doctorado para el que debía buscar una nueva línea de investigación. Este nuevo alumno era Konstantin Novoselov, también ruso. Uno de sus estudiantes estaba llevando a cabo una investigación sobre el grafito. Para poder realizar un buen estudio del grafito, la superficie de este ha de estar lo más limpia y pulida posible. Sorprendentemente, el método que se usa para limpiar y pulir el grafito, es un método bastante rudimentario, que consiste en pegar cinta adhesiva sobre el grafito y posteriormente tirar de esta para arrancar las capas superficiales, generalmente dañadas y contaminadas. Actualmente, este proceso también es conocido como “exfoliación del grafito”. Después de pulir y limpiar su superficie, el grafito ya está en buenas condiciones para ser analizado. Las cintas de celo usadas para el preparado del grafito siempre se tiraban, pero un día Geim observó estos restos y le propuso a Novoselov el estudio de las capas de grafito desechadas.

Ambos se llevaron una sorpresa al descubrir que entre los cientos

de laminillas pegadas a la cinta adhesiva, se encontraban algunas monocapas cristalinas de grafito, también conocidas como grafeno. El grupo de Manchester obtuvo medidas de transporte electrónico a través de grafeno. Con los resultados obtenidos, viajaron a EE.UU. para exponerlos en el “March Meeting”, la reunión anual más famosa de físicos de la materia condensada.

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Los protagonistas

Andre Geim nació en Sochi, Rusia,

en 1958, aunque actualmente posee nacionalidad holandesa. Realizó un doctorado de Ciencias Físicas en 1987 en la Academia Rusa de Ciencias de Chernogolovka.

Konstantin

Novoselov nació en Nizhny Tagil, Rusia, en 1974. Posee doble nacionalidad, británico-ruso. Ejerció en la Universidad de Nijmegen, Holanda. Actualmente es catedrático en la Universidad de Manchester, al igual que Geim.

En 2010, la Real Academia de las Ciencias de Suecia, galardonó

a los científicos de la Universidad de Manchester, Andre y Konstantin, con el Premio Nobel de Física. La concesión de este premio de debió a sus trabajos pioneros y a sus experimentos sobre el grafeno. Posteriormente también recibieron por parte de la Universidad de Manchester el Título de Caballero. A nivel individual, en 2008 Novoselov recibió el Premio europeo de Física. En 2000 Geim recibió el Nobel alternativo a la Física (IgNobel) por hacer levitar una rana en un campo magnético.

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Métodos de obtención

El método original consiste en separar con la ayuda de cinta adhesiva

delgadas capas de grafito repetidas veces hasta obtener una capa de un átomo de grosor. Como éste proceso de preparación (descamación de las capas atómicas individuales de grafito) no ofrece una buena perspectiva de amplio uso tecnológico, muchos grupos de investigadores se están concentrando fuertemente en el desarrollo de procedimientos de fabricación alternativos.

Algunas de las diferentes técnicas tradicionales de fabricación son:

Scotch Tape, CVD (Chemical Vapor Deposition), Liquid Phase Exfoliation, Plasma, Oxidisation-Reduction y Thin Graphite. La calidad de las muestras va en sentido contrario a la facilidad de obtención del tipo de grafeno que resulta de cada proceso de producción. Por otra parte, los métodos que actualmente se están investigando ofrecen nuevas oportunidades para su uso. 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.

Un equipo del Departamento de Ciencia de los Materiales e Ingenie-

ría, (Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts) han hecho público el 15 de diciembre de 2013, un nuevo método de recocido térmico leve, sin tratamientos químicos, que evita la degradación lo que da como resultado un óxido de grafeno de mejor calidad, que mantiene las propiedades y aumenta las posibilidades de aplicación en distintas áreas para las que es necesaria un óxido de grafeno de mayor calidad. El abanico de posibilidades de aplicación a diferentes áreas se amplia considerablemente con este procedimiento sin químicos, ya que la calidad del óxido de grafeno es indispensable para ciertas aplicaciones optoelectrónicas.

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Composición del grafeno

El grafeno, como el diamante o el grafito, es un alótropo o forma en

la cual se presenta uno de los elementos mas importantes y abundantes en la naturaleza: el carbono. Esta sustancia de relativamente reciente descubrimiento está formada por placas de aproximadamente un átomo de carbono de espesor, los cuales se unen entre sí mediante enlaces covalentes y formando anillos hexagonales que se asemejan a un panal de abejas. Esta curiosa estructura molecular es la base de otras sustancias grafíticas, o provenientes del carbono: al posar varias placas de grafeno unas sobre otras se obtiene grafito; cuando se enrolla una porción de una de esas láminas en forma de esfera, se producen fullerenos; y si el panal se enrolla en forma de cilindros, se consiguen nanotubos de fibra de carbono.

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Este material es un punto clave de investigación tecnológica en

la actualidad, dado que posee unas características muy interesantes desde el punto de vista científico-técnico que nunca antes se habían visto en otra sustancia. Así por ejemplo, posee una alta conductividad eléctrica y es capaz de generar electricidad por exposición a la luz solar, pero a la vez presentando un bajo efecto Joule (calentamiento al conducir electrones), lo que facilita su aplicación en electrónica. Por otro lado, el grafeno es maravillosamente duro, elástico, flexible y resistente, alcanzando aproximadamente la misma resistencia que el diamante, pero siendo mucho más ligero.

Como ya hemos visto, el grafeno posee numerosas e increíbles

propiedades, pero otras muchas son todavía objeto de investigación científica, como su posible capacidad de auto-enfriamiento o la discutida propiedad de autorreparación. Ésta última característica podría aumentar la longevidad de sistemas fabricados con grafeno.

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Tipos de 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. En este caso para obtener el grafeno se utizando la oxidación y se obtiene de la siguiente forma : - Los 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 aproximadamente.

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.

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Bibliografía

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En la próxima edición... Descubre el gran potencial que posee el grafeno y algunas de las aplicaciones más significativas de este curioso material.

¡Hasta la próxima!

1ª Edición

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