El grafeno es un material que tiene varias propiedades capaces de revolucionar la tecnología
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El grafeno es un material compuesto por una capa bidimensional de átomos de carbono organizados en estructuras hexagonales, cuya altura es equivalente a la de un átomo. Este material se puede producir extrayendo capas superficiales de grafito, un mineral abundante en la Tierra y uno de los alótropos de carbono más comunes.
Los enlaces químicos y el espesor del grafeno son responsables de varias propiedades importantes de este elemento, como la resistencia mecánica y las conductividades térmicas y eléctricas. Estas características han atraído a científicos y a la industria tecnológica por sus infinitas posibilidades de uso.
El descubrimiento del grafeno
El grafeno bidimensional estable fue descubierto accidentalmente en 2004 por los físicos rusos Andre Geim y Konstantin Novoselov. Este descubrimiento garantizó a los investigadores el Premio Nobel de Física en 2010. Sin embargo, la existencia de este alótropo de carbono se conoce desde 1930.
Propiedades del grafeno
El grafeno tiene numerosas propiedades que lo convierten en un material con diversas aplicaciones tecnológicas. Conoce las principales propiedades de este alótropo.
Propiedades mecánicas
El grafeno es el material más fuerte jamás conocido. Esta resistencia se debe a los fuertes enlaces que se forman entre sus átomos de carbono. Los materiales ampliamente utilizados en la construcción civil, como el acero, resisten solo un tercio de esa presión.
Otra propiedad interesante del grafeno es su alto módulo de Young, lo que indica que, además de ser resistente, este material es muy elástico. Por lo tanto, puede volver a su tamaño original con relativa facilidad.
Las pequeñas áreas de cada hexágono de carbono son responsables de la alta impermeabilidad del grafeno, que puede usarse como una pequeña red capaz de contener gases que se escapan fácilmente de sus contenedores, como el gas hidrógeno. Además de ser extremadamente resistente, el grafeno es muy ligero: su densidad es de 0,77 g / m², es decir, unas mil veces más ligero que una hoja de papel.
Propiedades electricas
Los electrones pueden propagarse en el grafeno casi libremente sin sufrir desviaciones o colisiones. Debido a la estructura hexagonal de los enlaces de carbono, los electrones se mueven dentro de estas capas delgadas a velocidades relativistas, es decir, cercanas a la velocidad de la luz.
A temperatura ambiente, la resistividad eléctrica del grafeno es la más baja que existe. Así, este elemento puede considerarse el mejor conductor metálico.
Propiedades ópticas
Al permitir el paso del 97,5% de la luz incidente, el grafeno es invisible a simple vista. Este comportamiento óptico surge de las propiedades relativistas de los electrones en el grafeno. Esto implica que, apilando varias hojas de grafeno, es posible producir un cuerpo perfectamente negro, capaz de absorber casi toda la radiación que incide sobre él.
Propiedades termales
Debido a sus propiedades eléctricas, el grafeno es un excelente conductor térmico. Este material es capaz de disipar el calor más rápido que cualquier otro material conocido. Además, algunos estudios sugieren que su temperatura de fusión es de 3851 ° C.
Por tanto, las principales propiedades y características del grafeno son:
- Es extremadamente delgado: tiene el grosor de un átomo;
- Es muy resistente: unas 200 veces más resistente que el acero;
- Es flexible;
- Es impermeable;
- Es transparente: transmite alrededor del 97,5% de los rayos de luz;
- Tiene una alta conductividad térmica y eléctrica: conduce la energía eléctrica 100 veces más rápido que el cobre. Los estudios también han demostrado que la velocidad a la que viajan los electrones a través del grafeno es de 1000 km / s (60 veces más rápida que el silicio);
- Tiene alta dureza
- Tiene menos efecto Joule: pierde menos energía en forma de calor al conducir electrones.
Aplicaciones de grafeno
Por sus propiedades y características, el grafeno es uno de los materiales más prometedores que se conocen. Sus aplicaciones tecnológicas son vastas, pero limitadas por la capacidad de producir este material a gran escala. Dispositivos como pantallas LED plegables, células fotovoltaicas, transistores más eficientes, supercondensadores, disipadores de calor y superbaterías para teléfonos móviles son algunos ejemplos de tecnologías desarrolladas mediante el uso del grafeno.
Además, el grafeno se puede aplicar en otras áreas de estudio, como:
- Las membranas formadas por grafeno pueden desalinizar y purificar el agua de mar
- Los filtros de grafeno son capaces de reducir las emisiones de CO2 al separar los gases generados por industrias y empresas.
- Los sensores biomédicos mucho más rápidos están hechos de grafeno y pueden detectar enfermedades, virus y otras toxinas.
- Los materiales de construcción, como el hormigón y el aluminio, se vuelven más ligeros y resistentes con la adición de grafeno.
- La coloración del cabello rociando grafeno dura hasta 30 lavados
- Chips más pequeños y resistentes debido a la sustitución del silicio por grafeno
- Las células solares tienen mejor flexibilidad, más transparencia y menores costos de producción con el uso de grafeno
- Baterías con mejor y más rápido almacenamiento de energía
- Las bicicletas pueden tener neumáticos más firmes y cuadros que pesan 350 gramos usando grafeno
El agua potable
emisiones de CO2
Detección de enfermedades
Construcción civil
Estética
Microdispositivos
Energía
Electrónica
Movilidad
Entre los estudios relacionados con el grafeno, destacamos los que implican el desarrollo de nuevos cables de transmisión de datos para internet. Según una investigación publicada por la revista Nature Communication , la idea es aprovechar toda la velocidad alcanzada por los electrones en el grafeno: las células se mueven en él cientos de veces más rápido que en los cables que se utilizan actualmente.
Importancia del grafeno para Brasil
Brasil se inserta en la carrera tecnológica en busca de obtener métodos más baratos y eficientes para la producción de grafeno. Según el informe elaborado por el Departamento Nacional de Producción Mineral (DNPM), se espera que el mercado del grafeno sea uno de los más rentables del mundo, con el potencial de alcanzar hasta 1 billón de dólares en 10 años. Además, Brasil tiene las mayores reservas de grafeno del mundo.
Precio del grafeno
Debido a su complejo medio de obtención, el precio del grafeno sigue siendo elevado. Las técnicas más actuales que permiten la producción de capas puras y delgadas de este material trabajan con la deposición de vapor sobre sustratos metálicos, como las láminas de cobre.
Actualmente, una hoja de grafeno de 5,08 cm por 2,54 cm puede llegar a costar hasta 275 dólares: una media de 21 dólares el centímetro cuadrado. Sin embargo, factores como impurezas y asimetrías pueden reducir drásticamente este precio. El grafeno también se puede obtener a partir del grafito: con 1 kg de grafito, que cuesta aproximadamente 1 dólar, es posible producir 150 g de grafeno, cuyo valor supera los 15 mil dólares.
Hechos del grafeno
- El proyecto insignia Graphene de la Unión Europea ha destinado alrededor de 1.300 millones de euros a la investigación relacionada con el grafeno, las aplicaciones y el desarrollo industrial a escala industrial. En total, 150 instituciones de 23 países participan en este proyecto.
- La primera maleta desarrollada para viajes espaciales tiene grafeno en su composición. Su lanzamiento está previsto para el 2033, cuando la NASA pretende realizar expediciones a Marte.
- El borofeno es el nuevo competidor del grafeno. Este material, descubierto en 2015, se considera una versión mejorada del grafeno, siendo aún más flexible, resistente y conductor.
Procesos para la obtención de grafeno, sus aplicaciones y su importancia para Brasil
