INFORME REALIZADO POR: PABLO GARCÍA GARCÍA

15

ÍNDICE

¿Qué es el grafeno? ………………………………………………Pág. 3

¿Cómo se forma? …………………………………………………Pág. 4

¿Qué propiedades tiene? …………………………………….Pág. 6

¿Qué usos se les puede dar? ………………………….….…..Pág. 8

Premio Nobel de Física ………………………………….….….Pág. 11

Imágenes ……………………………………………….…………..Pág. 13

Bibliografía …………………………………………….……….…..Pág.15

15

El grafeno

Es una nanoestructura de carbono, de solo un átomo de grosor pero extremadamente resistente que permitirá crear desde ordenadores ultrarrápidos hasta pantallas táctiles más resistentes que el acero.

El grafeno es una alotropía del carbono; la cual consiste en una unión hexagonal plano (como un panal de abeja) formado por átomos de carbono y enlaces covalentes, El nombre proviene de GRAFITO + ENO. En realidad, la estructura del grafito puede considerarse como una pila de un gran número de láminas de grafeno superpuestas.

En un futuro no muy lejano el grafeno convertirá nuestras ropas, las ventanas de los edificios, la chapa de los automóviles o incluso una simple hoja de papel en versátiles dispositivos electrónicos. Debido a sus extraordinarias propiedades, cada vez son más los investigadores que se muestran convencidos de que la próxima revolución tecnológica podría articularse en torno a este nuevo material.

Hace tiempo que investigadores e industriales piensan en el grafeno (aislado por primera vez en 2004) como sustituto del silicio para el desarrollo de los semi-conductores en los que se sustentarán los futuros ordenadores ultra-rápidos. Y ésta es sólo una de las múltiples aplicaciones que evolucionan ya tanto en el ámbito de la nanotecnología como fuera de él a partir de este material de extraordinarias propiedades. Ahora los científicos han confirmado lo que también sospechaban hace ya tiempo, que se trata del material más fuerte que jamás hayamos conocido.

Estructura cristalina del grafito en la que se observan las interacciones entre las distintas capas de anillos aromáticos condensados. (Wikipedía).

15

Formación

Conviene recordar que se trata de un material obtenido a partir del grafito, con la reseñable particularidad de que aquél consiste sólo en una de las capas que conforman a éste. Es decir, y para ubicarnos en el orden nanométrico al que nos estamos refiriendo: la lámina de grafeno tiene el grosor de “un” átomo; independientemente de las formas y estructuras que pueda adquirir (por ejemplo, los nanotubos, si la lámina se enrolla en forma de cilindró si la lámina se enrolla en forma de balón), o cuántas de esas capas puedan superponerse o combinarse para sus aplicaciones y usos industriales. Como curiosidad, para obtener las capas individuales de grafeno a partir del grafito (previamente frotado sobre una lámina de silicio) en los laboratorios universitarios se ha venido utilizando el llamado “método del celo”, que consiste en aplicar una “cinta adhesiva” doblada a los dos extremos de la pieza de grafito, y después separándola; y repitiendo el proceso varias veces hasta la obtención de una única capa.

En algunas universidades se viene pagando unos 10 dólares a los becarios por realizar este trabajo. Para su producción industrial se continúan investigando y desarrollando métodos obviamente distintos al “del celo” y, dada la cantidad de nuevas potenciales aplicaciones que día a día se plantean para el grafeno y las extraordinarias propiedades del mismo que una y otra vez se descubren o se confirman, se espera que pronto pueda hacerse a gran escala y bajo coste.

El grafeno tiene propiedades ideales para ser utilizado como componente en circuitos integrados. El grafeno tiene una alta movilidad de portadores, así como un bajo nivel de ruido, lo que permite que sea utilizado como canal en transistores de efecto de campo (FET). La dificultad de utilizar grafeno estriba en la producción del mismo material, en el substrato adecuado. Los investigadores están buscando métodos como la transferencia de hojas de grafeno desde el grafito (exfoliación) o el crecimiento epitaxial (como la grafitización térmica de la superficie del carburo de silicio). En diciembre de 2008, IBM anunció que habían fabricado y caracterizado transistores operando a frecuencias de 26GHz. En febrero del 2010, la misma IBM anunció que la velocidad de estos nuevos transistores alcanzaba los 100 GHz.

15

La industria de semiconductores uno de los campos donde el material parece ser más prometedor, que tiene la intención de construir ordenadores mucho más rápidos que los actuales mediante el desarrollo de microprocesadores con transistores de grafeno, está de enhorabuena con estas últimas pruebas sobre la fortaleza del mismo.

La punta de un microscopio de efecto túnel sobre una lamina de grafeno. Colocada encima de de una oblea de

silicio, esta parece un pañuelo de seda (universo dopller.com)

Una sabana de grafeno del tamaño de un campo de futbol pesaría un gramo.

La compañía española Graphenea se ha especializado en la producción de grafeno, una actividad con una creciente cartera comercial formada por laboratorios que estudian las posibles aplicaciones de este material. La firma, fundada por Jesús de la Fuente, intenta obtener láminas más grandes y puras que las muestras con las que se trabaja hoy.

A partir de una cara de un cristal de material semiconductor, o sustrato, se hace crecer una capa uniforme y de poco espesor con la misma estructura cristalina que este. Mediante esta técnica se puede controlar de forma muy precisa el nivel de impurezas en el semiconductor, que son los que definen su carácter (N o P). Para hacer esto se calienta el semiconductor hasta casi su punto de fusión y se pone en contacto con el material de base para que, al enfriarse, recristalice con la estructura adecuada.

La manera en la que una gota de agua moja una superficie plana está dominada por las fuerzas de van der Waals entre las moléculas de la superficie y las de agua. El grafeno es invisible (o transparente) para el agua cuando ésta moja una superficie de cobre, oro o silicio, aunque no cuando es de cristal. Los autores del estudio han llamado a este efecto: humectación transparente del grafeno. Los autores afirman que el grafeno es el primer material conocido con esta propiedad de transparencia humectante.

15

PropiedadesEn realidad, se trata de una de las estructuras más sencillas que uno puede imaginar. “Simplemente es una capa bidimensional de átomos de carbono organizados de manera hexagonal”. Hace un par de años Tomás Palacios, investigador jienense, desarrollo un chip de grafeno y ahora se cree que será posible utilizarlo para crear detectores de luz y para localizar fotones. Además de ser el material más delgado conocido, es transparente. Para detectarlo, hay que

Físicos de España y Reino Unido han calculado que el grafeno se podría utilizar para crear un amortiguador perfecto de la luz si se refleja en una matriz periódica, esta investigación podría conducir a la mejora en dispositivos de detección de luz, particularmente en la parte infrarroja del espectro electromagnético, donde las tecnologías actuales luchan por funcionar.Entre las propiedades más destacadas de este material se incluyen:

-Algunos científicos de la Universidad de Illinois en Míchigan aseguran que el grafeno tiene propiedades de auto enfriamiento.

-Alta conductividad térmica y eléctrica.

-Alta elasticidad y dureza.

-Resistencia (200 veces mayor que la del acero).

El grafeno puede reaccionar químicamente con otras sustancias para formar compuestos con diferentes propiedades, lo que dota a este material de gran potencial de desarrollo.

-Soporta la radiación ionizante.

-Es muy ligero, como la fibra de carbono, pero más flexible.

-Menor efecto Joule; se calienta menos al conducir los electrones.

-Consume menos electricidad para una misma tarea que el silicio.

-Genera electricidad al ser alcanzado por la luz.

Otras propiedades interesantes desde el punto de vista teórico son las siguientes:Los electrones que se trasladan sobre el grafeno se comportan como cuasi partículas sin masa. Son los llamados firmones de Dirac. Dichos firmones se mueven a una velocidad constante independientemente de su energía (como ocurre con la luz), en este caso a unos 106 m/s.

15

La importancia del grafeno, en este aspecto, consiste en estudiar experimentalmente este comportamiento que había sido predicho teóricamente hace más de 50 años. El grafeno presenta un efecto llamado efecto Hall cuántico, por el cual la conductividad perpendicular a la corriente toma valores discretos, o cuan tizados, permitiendo esto medirla con una precisión increíble. La cubanización implica que la conductividad del grafeno nunca puede ser cero (su valor mínimo depende de la constante de Planck y la carga del electrón).

Debido a las propiedades anteriores, los electrones del grafeno pueden moverse libremente por toda la lámina y no quedarse aislados en zonas de las que no pueden salir (efecto llamado localización de Anderson, y que es un problema para sistemas bidimensionales con impurezas).Es casi completamente transparente y tan denso que ni siquiera el átomo de helio, cuyos átomos son los más pequeños que existen (sin combinar en estado gaseoso) puede atravesarlo. Aun no dejando pasar el helio, sí deja pasar el agua, que estando en un recipiente de grafeno cerrado, se evapora prácticamente a la misma velocidad que si estuviese abierto.

Las muchas propiedades del grafeno permitirán crear muchos aparatos que nos facilitaran la vida como

15

(caos y ciencia.com)

Utilidades

Los nuevos circuitos integrados basados en el grafeno, el material estrella de los últimos tiempos, podrían mejorar los dispositivos electrónicos actuales de diversos campos. Por ejemplo, crear sistemas de comunicación más veloces, mejorar las señales de los teléfonos móviles, las imágenes médicas, purificación de aguas, tecnología energética, tecnología militar, y un largo etcétera de posibilidades.El grafeno se ha erigido como el material del futuro por su conductividad, su flexibilidad y su dureza. Ahora, investigadores de IBM han creado el primer circuito integrado con transistores de este material que pueden funcionar a una frecuencia de 1000 GHz y hasta 125 ºC de temperatura.Una vez conocidas las posibilidades que ofrece este material, el grafeno, por el que los investigadores rusos Andre Geim y Konstantin Novoselov obtuvieron en premio Nobel de Física en 2010, la física y la tecnología tenían un largo camino por recorrer. Esta investigación supone un gran paso adelante, al integrarse por primera vez en un circuito y demostrar de lo que es capaz.Básicamente, este nuevo circuito consiste en un transistor de grafeno y un par de bobinas compactas en su interior integradas en una fina oblea de carburo de silicio (Sic). Se trata de un mezclador de radiofrecuencia de banda ancha a 10 giga hertzios (10 billones de ciclos por segundo) con, además una gran estabilidad térmica funcionando por encima de los 125ºC.

Esta semana IBM cumple 100 años de su nacimiento, de ahí que la importancia de este nuevo avance científico y tecnológico llevado a cabo en sus laboratorios se haya visto multiplicada exponencialmente. Como explicaba el vice presidente de Ciencia y Tecnología de investigación de IBM, T.C. Chen, "a unos días de conmemorar los 100 años de IBM, nuestros científicos han logrado un hito en nanotecnología" apuntando además que "esta investigación supone un gran paso adelante sobre el rendimiento de los componentes de comunicación para que permitan a las personas interactuar con más eficiencia".

15

El grafeno es el material más fino del mundo pero absorbe poca luz, aproximadamente un 3%, y deja pasar a través suya el resto, por lo que no la puede aprovechar para la generación de electricidad.

Lo más importante de este descubrimiento es que su aplicación práctica implicaría una increíble velocidad de comunicación en los cables de internet. Gracias a la naturaleza única de los electrones del grafeno y su alta movilidad, la velocidad de comunicación que se podría alcanzar con este material podría ser decenas y, potencialmente, cientos de veces más alta que la de los cables más rápidos actuales.

Con el grafeno se podrán fabricar, en un futuro próximo, aparatos electrónicos innovadores, transistores más eficientes que los actuales de silicio, procesadores más veloces, nuevos paneles de luz, celdas solares, además de otros productos y componentes fuertes y, al mismo tiempo, delgados, elásticos y translúcidos. Además, mezclado con plásticos será un conductor de electricidad resistente al calor.

Durante los últimos diez años, el grafito ha sido protagonista de un gran número de publicaciones científicas al descubrirse en él evidencias de un inesperado comportamiento ferromagnético, similar al de un imán permanente, en regiones localizadas de tamaño nanométrico asociadas con defectos de la red cristalina que lo forma.

En octubre de 2009, un grupo de investigadores de la Universidad técnica de Eindhoven y la Universidad Radboud de Nijmegen en Holanda, parecía haber encontrado la clave de dicho comportamiento. Según ellos, a lo largo de los escalones monoatómicos en la superficie del grafito, formados por una gran cantidad de defectos a escala atómica, se observaba una clara e inequívoca señal ferromagnética. Sin embargo, los experimentos anteriores no son concluyentes, dado que sigue sin resolver el conocido problema para separar los campos eléctricos de los magnéticos en la nanoescala. El estudio de estas interacciones es fundamental para la Nanotecnología, ya que son el origen de las fuerzas que gobiernan el mundo de lo pequeño, pues en esas dimensiones la gravedad, que nos es tan familiar, es despreciable.

Cuatro investigadores de la UAM (David Martínez-Martín, Miriam Jaafar, Rubén Pérez y Julio Gómez-Herrero) junto con la investigadora Agustina Asenjo, del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (CSIC), consiguieron desarrollar una nueva metodología que permite, por fin, la separación correcta de las interacciones eléctricas y magnéticas en sistemas nanoscópicos. Desenmascarar el comportamiento del grafitoPara desenmascarar el comportamiento magnético del grafito, los investigadores se valieron de un dispositivo experimental que integra de forma simultánea la microscopía de fuerza atómica, la microscopía de sonda Kelvin y (3) la microscopía de fuerza magnética. La primera es la encargada de adquirir la información topográfica superficial de la muestra en estudio.

15

La segunda, sensible únicamente a los campos eléctricos, determina con gran exactitud el campo eléctrico local asociado a un punto determinado de la topografía; y crea un campo eléctrico igual pero de sentido opuesto al existente, de manera que el campo eléctrico resultante es nulo.

La microscopía de fuerza magnética, por su parte, determina con altísima sensibilidad el campo magnético en esa región del espacio. Toda esta instrumentación se encuentra en el interior de una campana de alto vacío, lo cual consigue aumentar muy eficazmente sus límites de detección. Han desvelado que los escalones de grafito no presentan carácter ferromagnético. El trabajo confirma también que la señal observada a lo largo de los escalones de grafito es independiente del campo magnético externo aplicado, corroborando la naturaleza no magnética de la señal observada en tales defectos cristalinos.

Además, los investigadores han señalado que un gran número de las evidencias que se pueden encontrar en la literatura, son el resultado de confundir interacciones eléctricas con interacciones magnéticas. El equipo confía en que el método permitirá avanzar en el conocimiento de los muchos procesos que tienen lugar a escalas atómica y molecular. Esto a sido llevado a cabo por los Investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (CSIC), en un estudio publicado recientemente en la revista “Physical Review Letters”.

Por todo esto, son muchos los científicos que esperan que este material juegue un papel realmente importante en la electrónica futura. De hecho ya se aplica en la fabricación de pantallas planas.

Los principales retos en este campo es la "miniaturización", es decir conseguir materiales cada vez más pequeños y con las mayores capacidades. Además hay que lograr "estabilidad a temperatura ambiente (que se puedan usar en el día a día, en la calle, no sólo en laboratorios bajo condiciones muy específicas)" y todo ello en materiales que sean "resistentes" a la vez que "modeables".

15

Dentro de la informática, el grafeno además puede multiplicar por cien la velocidad del mejor procesador actual

en una lámina flexible, ligera, y más dura que el diamante(puntal.com)

Premio Nobel de Física

Academia de las Ciencias de Suecia haya premiado con el Nobel de Física a los investigadores rusos Andre Geim y Konstantin Novoselov.

La Academia definió el grafeno como el "perfecto entramado atómico", y alabó el trabajo de Geim y Novoloselov, por "haber mostrado que el carbono en una forma tan plana tiene propiedades excepcionales que se producen en el interesante mundo de la física cuántica".

Aislado por primera vez en 2004, el grafeno se postula como sustituto del silicio para el desarrollo de los semiconductores en los que se sustentarán los futuros ordenadores ultra-rápidos. Por si fuera poco, en 2007, científicos norteamericanos crearon mediante la oxidación del grafeno un nuevo material, tan fino como el papel y tan duro como el diamante. Y en 2008 investigadores de la Universidad de Columbia demostraron empíricamente que el grafeno es el material más fuerte jamás testeado.

Encararon un reto complejo al buscar una vía para transformar el grafeno, que es un material no magnético, en un material que sí lo fuese, algo de gran interés para el futuro de este material en el mundo de la electrónica.

Los investigadores comenzaron a trabajar con el grafeno y lo salpicaron con otros átomos no magnéticos, como los de flúor y retiraron algunos átomos de carbono de la estructura. Los huecos que dejaron al retirar los átomos de carbono junto a los

15

átomos que habían añadido comenzaron a comportarse de la misma manera que la estructura del hierro y, por tanto, este grafeno modificado presentó propiedades magnéticas.

Geim, de 51 años, y Novoselov, de 36, recibirán el premio de la academia sueca por sus experimentos con este nuevo material, que posibilita avances decisivos en la física cuántica.

Sus investigaciones también han logrado importantes aplicaciones prácticas para el grafeno, ligadas a la creación de nuevos materiales y la manufactura electrónica, según la explicación de la Academia. Los expertos consideran que los transistores de grafeno van a ser sustancialmente más rápidos que los de silicio que se emplean en la actualidad en la mayoría de aparatos electrónicos, con lo que se podrán fabricar ordenadores mucho más eficientes.

Geim, nacido en Sochi, Rusia, en 1958 y nacionalizado holandés, se doctoró en Ciencias Físicas en 1987 en la Academia Rusa de Ciencias de Chernogolovka, y actualmente ejerce en la Universidad de Manchester (Reino Unido).

Su colega Novoselov nació en 1974 en Nizhny Tagil, Rusia, tiene doble nacionalidad británico-rusa, ha ejercido en la Universidad de Nijmegen (Holanda) y es catedrático en la Universidad de Manchester, como Geim.

15

Andre Geim Konstantin Novoselov

Imágenes

El grafeno es un material presente en la naturaleza. Son varias capas de grafeno las que conforman el grafito de la punta de un lápiz. Al trazar el lápiz contra el papel, estas capas se rompen, depositando finas capas de estas hojas de carbono. Rompiendo el grafito y pelándolo con cinta adhesiva en capas cada vez mas delgadas darán lugarcon el tiempo a laminas de un solo átomo de espesor.

15

Podemos encontrar el grafeno en uno de los elementos mas comunes en nuestra vida diaria, la mina de un lápiz ya que el grafito se comopone de capas de grafeno apiladas unas sobre otras. Y así poder conseguir aparatos como moviles, transistores o incluso chalecos antibalas.

15

Al deslizar un lápiz sobre una hoja de papel podemos ver que esta se mancha, esto sucede por que las laminas de atomos del grafito se desprenden de este quedandose intrincadas en las betas de papel.

Bibliografía

Páginas webs y libros consultados:

laciudadatomica.blogspot.com

recursostic.educacion.es

cienciadefrontera.com

grafeno.com

Tendencias 21.net

wisphysics.es

muyinteresante.es

agenciasinc.es

urbanadigital.com

15

Informe realizado por: Pablo García García