GRAFENO

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                                El GRAFENO

                                Guallichico Michael1.

                                1Escuela Politécnica Nacional, Facultad de Ingeniería Mecánica,

                                                                                                  Quito, Ecuador

                                e-mail:michael.guallichico@epn.edu.ec

Resumen: Estos últimos tiempos se ha generado muchos avances en diferentes ámbitos, gracias a la aplicación de nuevos materiales. Uno de estos nuevos materiales es el grafeno, un material que ya se conocía aproximadamente desde 1930, pero que desde este siglo se comenzó a estudiar profundamente sus propiedades. En el año 2010, Geim y Novoseloy recibieron el Premio Nobel de Física por el descubrimiento de las propiedades extraordinarias que mostraba el grafeno, gracias a estos estudios se ha generado un gran interés para su aplicación en diferentes industrias. El grafeno formado por átomos de carbono con una configuración plana, es el material más delgado jamás obtenido, el material presenta una forma alotrópica del carbono, organizado en una red hexagonal, consiguiendo una gran dureza, resistencia, flexibilidad y ligereza, pudiendo ser moldeable. Es un buen conductor de la electricidad y el calor, por lo que el grafeno puede ser utilizado en aplicaciones electrónicas, como también en la fabricación de pantallas flexibles. Además, el grafeno es electroquímicamente inerte lo que lo hace un bactericida y resistente a la oxidación. En la medicina su aplicación también es amplia como en la fabricación de prótesis o instrumentos quirúrgicos. El grafeno podría ser usado en muchas más aplicaciones ya que el grafeno es un material con un gran potencial, gracias a la posibilidad de combinarse químicamente con otras sustancias, permitiendo obtener compuestos con una amplia variedad de propiedades.

Palabras clave: Grafeno, calor, electricidad, aplicaciones, flexible, oxidación

Abstract: In this project a tower based on Pasta Maccheroncini n, 10 of square base (12x12cm), with a height of 45cm being reinforced with a Warren structure was built. The weight of the tower was 246g, enough to load more than 100 times its weight supporting even more than a hexagonal base tower. Fulfilling thus the required specifications and the proposed objectives.

Keywords: structure, noodles, armor Warren, square base

^[1] 1. INTRODUCCIÓN

El carbono es uno de los elementos que puede tener diferentes formas, con distintas propiedades químicas y físicas, a causa de las diversas formas en las que se pueden ordenar los átomos, esta propiedad se la conoce como alotropía.

El grafeno tiene una estructura molecular bidimensional con forma hexagonal, está formado por átomos y enlaces covalentes. En la figura 1.1 se observa una estructura cristalina hexagonal perteneciente al grafeno.

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Figura 1.1.  formas alotrópicas a) diamante, b) carbono amorfo, d) fullereno, e) nanotubo de carbono, f) grafeno. (Fuente:https://www.tecnologiaeinnovacion.defensa.gob.es/Lists/Publicaciones/Attachments/182/monografia_sopt_12.pdf).

Los científicos de la Universidad de Manchester (Reino Unido), Andre Geim (Rusia, 1958) y Konstantin Novoselov (Rusia, 1974) en el 2004, fueron capaces de obtener e identificar por vez primera láminas individuales de grafeno, por la investigación que realizaron sobre las propiedades que el grafeno podía brindar, en el año 2010 se hicieron acreedores del Premio Nobel de Física.

La lámina de grafeno se obtuvo manualmente, separando con cinta adhesiva varias capas de grafito pyrolítico altamente orientado (HOPG) hasta que se forme una sola capa, el resultado final es la formación de una lámina de grafeno, este proceso de obtención del grafeno se lo conoce como exfoliación mecánica, en la actualidad existen diferentes formas de obtener el grafeno y cada proceso influye en las propiedades finales que podría tener el grafeno.

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Figura 1.2. Lamina de grafeno. (Fuente: http://e-spacio.uned.es/fez/eserv/bibliuned:revista100cias-2016-numero9ne-5135/Materiales_sigloXXI.pdf).

El grafeno posee maravillosas propiedades con lo cual lo convierte en el material del futuro, prácticamente puede ser utilizado en cualquier industria.

2. MARCO TEORICO

2.1. Estados del grafeno

La estructura hexagonal originada por la unión de átomos de carbono, es la base de los elementos grafiticos, en el que se encuentran el grafito, nanotubos y fullerenos.

El grafito está formado por láminas de grafeno, estas laminas son traslapadas una encima de otra, mientras que los nanotubos no son más que una lámina de grafeno enrollada, el cual presenta buenas propiedades eléctricas, térmicas y mecánicas y los fullerenos son estructuras que se pueden arquear y tomar la forma de una esfera, en la siguiente figura se presenta las estructuras de cada elemento grafitico.

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Figura 2.1.1. (a) Grafito, (b) Grafeno, (c) Nanotubos, (d) fullerenos

2.2. Formas de obtención del grafeno

La obtención del grafeno se lo puede realizar a partir de la descomposición de elementos grafiticos o por tratamientos químicos, físicos realizados al grafito, que da como resultado una lámina de grafeno.

Se presenta algunos métodos de obtener el grafeno:

• Exfoliación mecánica de grafito
• Exfoliación química del grafito
• Reducción de óxido de grafito
• Descompresión de nanotubos de carbono

2.2.1 Exfoliación mecánica de grafito

La exfoliación mecánica es el método con el que se obtuvo la primera lamina de grafeno, con el pasar de los años desde su primera aplicación, se ha ido perfeccionando. La exfoliación se realiza manualmente con cinta adhesiva, se coloca la cinta sobre el grafito y se la retira lentamente, este proceso se repite varias veces con la misma cinta, hasta conseguir una solo capa, la unión de varias capas de grafito es el resultado final, dando como resultado una lámina de grafeno.

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Figura 2.2.1. Proceso de exfoliación mecánica del grafito empleando cinta adhesiva. (Fuente: http://e-spacio.uned.es/fez/eserv/bibliuned:revista100cias-2016-numero9ne-5135/Materiales_sigloXXI.pdf).

2.2.2. Exfoliación química del grafito  

La exfoliación química consiste en intercalar moléculas con finas láminas de grafito, para ello se requiere que la distancia interlaminar de las capas del grafito se incremente, de esta manera disminuye la interacción entre ellas y logra separar las láminas grafénicas. Se emplea ultrasonidos para que de alguna manera se logre vencer las fuerzas de Van der Waals de los enlaces existentes en entre las capas del grafito. Por este método se obtiene una mejor calidad en la estructural del grafeno.

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Figura 2.2.2. Exfoliación química del grafito. (Fuente: Preparación Ultrasónica de grafeno, Heilscher-Tecnologia de Ultrasonidos).

2.2.3. Reducción de óxido de grafito

La reducción de óxido de grafito consiste en obtener láminas de grafeno al exfoliar láminas de óxido de grafeno, estas poseen grupos funcionales de oxidación que disminuyen la calidad de la estructura del grafeno reduciendo su conductividad eléctrica lo que limita su aplicación, por lo cual se requiere reducir las láminas de óxido de grafeno para obtener laminas conductoras.

La distancia interlaminar se triplica al oxidar el grafito, obteniendo aproximadamente distancias que van desde 0.335nm a 0.9nm, la incorporación de los grupos oxigenados, ayudan en el aumento de esta distancia y con ultrasonidos su exfoliación es favorecida para la obtención de óxido de grafeno. Sin embargo, estos grupos oxigenados no se eliminan, por lo cual se reduce la calidad de la lámina.

El grafeno obtenido por este método presenta peores propiedades que el grafeno que se obtiene por la exfoliación mecánica, pero de cierta manera se puede controlar el tamaño de la lámina, por lo cual lo hace de gran interés en aplicaciones como la electrónica.

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Figura 2.2.3. Reducción química de óxido de grafeno. (Fuente: Millán Hernández, María. 2015. Proyecto fin de carrera ingeniería electromecánica).

2.2.4. Descompresión de nanotubos de carbono

La descompresión de nanotubos consiste en desenrollar los tubos de carbono para obtener el grafeno, ya que, en sí, los tubos de carbono están formados por láminas de grafeno.

Para poder desenrollar los tubos, se debió realizar una profunda investigación y con el pasar de los años se desarrollaron distintos métodos, en la actualidad los métodos para cortar los tubos de carbono bajo la acción de ácidos, son los más utilizados.

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