Grafeno

1. Boris Seminario Arista
20141076H
Grafeno: propiedades y
aplicaciones

2. Grafeno: propiedades y aplicaciones
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¿QUÉ ES EL GRAFENO?
El grafeno es una forma alotrópica del carbono, de forma similar al grafito, pero
en una hoja de átomos de espesor perfectamente estable y con altas expectativas con
respecto a lo que sería su aplicación en el campo de la tecnología.
El grafeno está conformado por átomos de carbono que forman una hoja de
grosor de un átomo altamente flexible, su producción actualmente está restringida a
laboratorios, esto debido a que no se ha encontrado todavía la manera de producirlo a
una mayor escala, sin embargo las expectativas que se tienen respecto a su futuro uso en
tecnología es muy alta debido a que ya se han demostrado características muy
interesantes en lo que se refiere a conductividad eléctrica, térmica y resistencia
mecánica.
Descubrimiento
El grafeno se conoce desde el siglo XX, sin embargo, sus propiedades se
comenzaron a estudiar hace elativamente poco tiempo; debido a que se pensaba que era
un material inestable termodinámicamente, es decir: las fluctuaciones térmicas alterarían
el orden de los átomos del cristal, produciendo la fundición de este.
El año 2004, los científicos Gueim y Novosiolov lograron obtener una pequeña
lámina de grafeno y por sus posteriores estudios acerca de este material, obtuvieron el
premio Nobel de Física.
La estructura del grafeno se puede explicar mediante la formación de enlaces sp2 que
explican los ángulos de 120º.

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MÉTODOS DE OBTENCIÓN
Exfoliación micro mecánica
Fue el primer método por el que se obtuvo el grafeno (utilizados por los
primeros científicos en obtenerlo).
Actualmente este método se ha perfeccionado y se utiliza gafito , que se frota
contra una superficie, como si se escribiera sobre la misma; obteniéndose grafeno
monocapa o bicapa de gran calidad.
El defecto de este método estriba en que no es escalable y de bajo rendimiento,
ya que se realiza de manera manual y se obtienen muy pocas láminas de grafeno por
área de superficie del sustrato sobre el que se fricciona el grafito.
Depósito químico en fase vapor
Mediante este método se obtienen capas de grafeno de una gran calidad
estructural, pero imposibilita el empleo de este como componente electrónico. Este
método es costoso y la instrumentación es compleja.
Crecimiento epitaxial
Se utiliza carburo de silicio; se basa en la sublimación térmica del silicio a altas
temperaturas, al mismo tiempo que los átomos de carbono se reordenan para formar una
superficie de grafeno de una capa.
Las condiciones de vacío y alta temperatura, dificultan su producción en masa.
Exfoliación química
La exfoliación química de óxido de grafito en determinados disolventes
orgánicos o surfactantes. Se obtienen láminas de gran calidad, pero de extensión muy
pequeña.

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Propiedades del grafeno
Propiedades de interés
1. Conductividad eléctrica
El grafeno es un material altamente conductor, debido a su alta movilidad
de los portadores de carga y además con un nivel bajo de ruido; se comporta como
un conductor y semiconductor.
Es más conductivo que otros materiales utilizados para tal fin, como el
cobre y el silicio. Se ha podido comprobar que los electrones de los carbonos (en
el grafeno) se desplazan por su superficie a una gran velocidad alrededor de 1000
km/h. La resistividad eléctrica es muy baja (alrededor de la tercera parte de la de
la plata), lo que se traduce en un escaso efecto joule, por lo que el material no
aumenta su temperatura a un nivel considerable.
2. Conductividad térmica
La gran conductividad térmica del grafeno es otro propiedad por la que se
aprecia; según las mediciones realizadas es de 5000 (W/m.k), más de 10 veces
superior a la del cobre.
Esta conductividad térmica se debe a la relativa movilidad que tienen los
átomos de carbono para movilizarse en el grafeno en comparación con otros
materiales también utilizados para la conducción del calor.
Esta propiedad lo convierten en una posible solución para la fabricación de
disipadores de calor en dispositivos o sistemas electrónicos.
3. Resistencia mecánica
El grafeno tiene una alta resistencia mecánica a la tensión a rotura; de
aproximadamente 100 veces a del acero.
Esta resistencia al esfuerzo mecánico se debe a que en las láminas de
grafeno existen uniones covalentes entre átomos de grafeno, a diferencia de las
láminas que conforman al grafito, que están unidas por fuerzas de Van der
Waals.
El grafeno puede deformarse de manera reversible hasta un 10% de su
tamaño normal, pudiendo retomar su forma original; debe aclararse que estas
mediciones se realizaron en grafeno que podía tener defectos de red.

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Aplicaciones del grafeno
Electrónica
Este sería uno de los campos en los que se aplicaría el grafeno con grandes beneficios
debido a sus propiedades eléctricas descritas anteriormente, además de su alta flexibilidad, lo que
permitiría el desarrollo de dispositivos flexibles como teléfonos móviles, que serían muchas veces
más potentes que los más sofisticados dispositivos utilizados en la actualidad.
El grafeno también revolucionaría el campo de la informática: las computadoras
diseñadas y construidas en base de grafeno serían muy rápidas y podrían almacenar información.
Los microprocesadores actuales ya están llegando a su límite, por lo que se está pensando en
soluciones como el grafeno, por su alta conductividad y por su bajo calentamiento al conducir la
electricidad.
Energía
El grafeno también ofrece un panorama muy prometedor en el Sector Energético, debido a que
haría posible la creación de baterías de larga duración en uso y un corto tiempo de carga;
además de su uso en paneles solares que permitiría un mayor aprovechamiento de la energía
solar.
En este campo el grafeno promete la utilización provechosa y ventajosa de energías limpias y
renovables.
Industria de defensa
Las propiedades mecánicas del grafeno (sin dejar de lado las demás) lo convierten en un
material que podría ser utilizado como blindaje para cascos, chalecos antibalas.
Además se debe resaltar las diversas ventajas que proporcionaría su utilización en motores y
sistemas electrónicos en sistemas de defensa.
Tratamiento de aguas
Debido a su estructura permeable al agua, se está estudiando para la desalinización del agua de
mar y así permitir su potabilización.