Grafeno, un supermaterial que cambiara la industria en un futuro no muy lejano.

Grafeno

Grafeno – ¿Qué es?

Grafeno

Grafeno estructura molecular

Entendiendo el Grafeno.

En términos simples, el grafeno es una fina capa de carbono puro; es una capa única y compacta de átomos de carbono que están unidos entre sí en una red hexagonal en forma de panal. En términos más complejos, es un alótropo de carbono en la estructura de un plano de átomos enlazados sp2 con una longitud de enlace de molécula de 0.142 nanómetros. Las capas de grafeno apiladas unas sobre otras forman grafito, con un espaciado interplanar de 0.335 nanómetros.

Es el compuesto más delgado conocido por el hombre con un átomo de grosor, el material más liviano conocido (con 1 metro cuadrado con alrededor de 0.77 miligramos), el compuesto más fuerte descubierto (entre 100-300 veces más fuerte que el acero y con una rigidez a la tracción de 150,000,000 psi), el mejor conductor de calor a temperatura ambiente (a (4.84 ± 0.44) × 10 ^ 3 a (5.30 ± 0.48) × 10 ^ 3 W · m-1 · K-1) y también el mejor conductor de electricidad conocido (los estudios han demostrado movilidad de electrones a valores de más de 15,000 cm2 · V-1 · s-1). Otras propiedades notables del grafeno son sus niveles únicos de absorción de la luz a πα ≈ 2.3% de la luz blanca, y su potencial adecuación para el uso en el transporte de spin.

Teniendo esto en cuenta, es posible que se sorprenda al saber que el carbono es la segunda masa más abundante en el cuerpo humano y el cuarto elemento más abundante en el universo (en masa), después del hidrógeno, el helio y el oxígeno. Esto hace que el carbono sea la base química de toda la vida conocida en la tierra, por lo que el grafeno podría ser una solución ecológica y sostenible para un número casi ilimitado de aplicaciones. Desde el descubrimiento (o más exactamente, la obtención mecánica) de grafeno, los avances dentro de diferentes disciplinas científicas se han disparado, con grandes avances que se han hecho, particularmente en la electrónica y la biotecnología.

Desafíos en la producción de Grafeno.

El problema que impedía que el grafeno estuviera inicialmente disponible para la investigación del desarrollo en usos comerciales era que la creación de grafeno de alta calidad era un proceso muy costoso y complejo (de eliminación de vapores químicos) que implicaba el uso de químicos tóxicos para cultivar grafeno en monocapa. Exponiendo Carburo de Platino, Níquel o Titanio a etileno o benceno a altas temperaturas. Además, antes era imposible cultivar capas de grafeno a gran escala utilizando epitaxia cristalina en un sustrato que no sea metálico. Esto limitó severamente su uso en electrónica ya que era difícil, en ese momento, separar las capas de grafeno de su sustrato metálico sin dañar el grafeno.

Sin embargo, los estudios en 2012 descubrieron que al analizar la energía adhesiva interfacial del grafeno, es posible separar eficazmente el grafeno del tablero metálico en el que se cultiva, mientras que también es posible reutilizar el tablero para futuras aplicaciones teóricamente un número infinito de veces, por lo tanto reduciendo los desechos tóxicos previamente creados por este proceso. Además, la calidad del grafeno que se separó mediante el uso de este método fue lo suficientemente alta como para crear dispositivos electrónicos moleculares con éxito.

Si bien esta investigación es muy apreciada, la calidad del grafeno producido seguirá siendo el factor limitante en las aplicaciones tecnológicas. Una vez que el grafeno se puede producir en piezas de metal muy finas u otras superficies arbitrarias (de decenas de nanómetros de grosor) utilizando la disposición de vapor químico a bajas temperaturas y luego se pueden separar de manera tal que controlan las impurezas, los niveles de dopaje y el tamaño del dominio. controlando el número y la orientación cristalográfica relativa de las capas de grafeno, entonces comenzaremos a ver que el grafeno se utiliza más ampliamente a medida que las técnicas de producción se vuelven más simplificadas y rentables.

APLICACIONES POTENCIALES

Poder crear supercondensadores a partir del grafeno posiblemente sea el paso más grande en la ingeniería electrónica en mucho tiempo. Mientras que el desarrollo de componentes electrónicos ha progresado a un ritmo muy alto en los últimos 20 años, las soluciones de almacenamiento de energía como baterías y condensadores han sido el principal factor limitante debido al tamaño, capacidad de potencia y eficiencia (la mayoría de los tipos de baterías son muy ineficientes , y los condensadores son aún menos). Por ejemplo, con el desarrollo de baterías de iones de litio actualmente disponibles, es difícil crear un equilibrio entre la densidad de energía y la densidad de potencia; en esta situación, se trata esencialmente de comprometer a uno por el otro.

En pruebas iniciales realizadas, supercondensadores de grafeno (LSG) graficados con láser (siendo el grafeno el material conductor de la mayor cantidad de electrones, a 1738 siemens por metro (comparado con 100 SI / m para el carbón activado), mostraron una densidad de potencia comparable a la de las baterías de iones de litio de alta potencia que están en uso hoy en día. No solo eso, sino también los supercondensadores LSG son altamente flexibles, ligeros, rápidos de cargar, delgados y como se mencionó anteriormente, comparablemente muy económicos de producir.

“Las posibilidades de lo que podemos archivar con los materiales y el conocimiento que tenemos se han abierto de par en par”

El grafeno también se usa para aumentar no solo la capacidad y la tasa de carga de las baterías, sino también la longevidad. Actualmente, aunque materiales como la silicona pueden almacenar grandes cantidades de energía, esa cantidad potencial disminuye drásticamente con cada carga o recarga. Como el óxido de grafeno y estaño se utiliza como ánodo en baterías de iones de litio, las baterías pueden durar mucho más entre cargas (la capacidad potencial se ha incrementado en un factor de 10) y casi sin reducción en la capacidad de almacenamiento entre cargas. hacer que la tecnología, como los vehículos impulsados ​​electrónicamente, sea una solución de transporte mucho más viable en el futuro. Esto significa que las baterías (o condensadores) pueden desarrollarse para durar mucho más tiempo y con capacidades más altas de lo que se creía anteriormente. Además, significa que los dispositivos electrónicos pueden cargarse en cuestión de segundos, en lugar de minutos u horas y tienen una longevidad enormemente mejorada.

Los consumidores ya pueden comprar productos mejorados con grafeno para usar en casa. Una empresa ya produce y ofrece en el mercado tinta conductiva (desarrollada por primera vez por investigadores de la Universidad de Cambridge en 2011). Esto se hace al mezclar efectivamente escamas diminutas de grafeno con tinta, lo que le permite imprimir electrodos directamente sobre el papel. Si bien esto fue posible anteriormente mediante el uso de tinta semiconductora orgánica, el uso de escamas de grafeno hace que el material impreso sea mucho más conductivo y, por lo tanto, más eficiente.

Otro uso para el grafeno a lo largo de líneas similares a las mencionadas anteriormente es que en la pintura. El grafeno es altamente inerte y puede actuar como una barrera a la corrosión entre el oxígeno y la difusión del agua. Esto podría significar que los vehículos futuros podrían hacerse resistentes a la corrosión ya que el grafeno se puede hacer crecer en cualquier superficie de metal (dadas las condiciones adecuadas). Debido a su fortaleza, el grafeno también se está desarrollando actualmente como un reemplazo potencial para Kevlar en ropa de protección, y eventualmente se verá en la fabricación del vehículo y posiblemente incluso se use como material de construcción.

Como se ha demostrado que el grafeno es mucho más eficiente en la conducción de electrones que el silicio, y también puede transferir electrones a velocidades mucho más rápidas (relativamente hablando, 1000 kilómetros por segundo, 30 veces más rápido que el silicio), en los próximos años lo hará, comienzan a ver productos de empresas de electrónica de consumo, como Samsung (que han invertido dinero para investigar los usos del grafeno en las telecomunicaciones y la electrónica y ya han contratado un gran número de patentes relacionadas con los usos y la fabricación de grafeno en dispositivos electrónicos) basado en dispositivos táctiles flexibles y robustos, como teléfonos inteligentes móviles y relojes de pulsera.

Esto podría significar televisores y teléfonos plegables y, finalmente, periódicos electrónicos flexibles que contengan todas las publicaciones que le interesan y que puedan actualizarse mediante transferencia inalámbrica de datos. Al ser extremadamente translúcida, en los próximos años también podrá instalar ventanas inteligentes (y extremadamente robustas) en su hogar, con cortinas virtuales (potencialmente) o mostrando imágenes proyectadas de su elección.

Combinando algunos de estos usos potenciales antes mencionados, ¿puedes imaginar los sistemas de seguridad del automóvil que están conectados a la pintura de tu vehículo? La alarma de su automóvil no solo le indicará si alguien está tocando su vehículo, sino que también podría registrar esa información y enviársela a través de su teléfono inteligente en tiempo real. También podría usarse para analizar accidentes de vehículos para determinar los parches de contacto iniciales y la consecuente dispersión de energía resultante.

Pronto comenzaremos a ver ropa con células fotovoltaicas mejoradas con grafeno y supercondensadores, lo que significa que podremos cargar nuestros teléfonos móviles y tabletas en cuestión de minutos (incluso segundos) mientras caminamos a la escuela o al trabajo. Es posible que incluso veamos ropa orientada a la seguridad que ofrezca protección contra el contacto no deseado con el uso de descarga eléctrica.

CAMBIADOR DE JUEGO

Lo que todo esto significa es que este descubrimiento, realizado por un profesor de física y su estudiante de doctorado en un laboratorio en Manchester, utilizando un trozo de grafito y algo de cinta adhesiva, ha revolucionado por completo la forma en que vemos los límites potenciales de nuestras capacidades como científicos e ingenieros e inventores. Las posibilidades de lo que podemos lograr con los materiales y el conocimiento que tenemos se han abierto de par en par, y ahora es posible imaginar situaciones prospectivas tan asombrosas como computadoras súper pequeñas, capas de invisibilidad, teléfonos inteligentes que duran semanas entre cargas y computadoras que podemos doblar y llevar en nuestros bolsillos donde sea que vayamos.

 

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