GRAFENO

CAPITULO I

1.1- Resumen(En el ao 2004, se descubri un nuevo material de slo dos dimensiones con propiedades nicas y sorprendentes: el grafeno. Desde su aparicin, ha logrado acaparar la atencin de diversos grupos de investigacin, ya que se considera que en un futuro prximo ser til en la fabricacin de transistores ms eficientes que los de silicio, procesadores ms veloces, nuevos paneles solares, componentes delgados, elsticos y muy resistentes, entre muchos otros dispositivos. El grafeno es un cristal bidimensional consistente en una red hexagonal de tomos de carbono. Su estructura de bandas a baja energa y en situacin de medio llenado viene descrita por la ecuacin de Dirac sin masa en (2+1) dimensiones. Este hecho hace que gran parte de las propiedades electrnicas y de transporte que presenta este sistema sean diferentes a aquellas que se encuentran en los semiconductores de baja dimensionalidad usuales. En la realidad, las muestras de grafeno se encuentran curvadas. Las principales fuentes de curvatura son las fluctuaciones trmicas, los defectos topolgicos y las interacciones con el sustrato. El hecho de encontrarse curvado hace que el grafeno presente modificaciones en sus propiedades fsicas con respecto a la situacin ideal.)

1.2 Palabras ClaveDirac, topolgicos, sustrato

1.3 IntroduccinEl grafeno no es un material completamente nuevo por su composicin ya que est formado por tomos de carbono, al igual que otros muchos materiales como el grafito, el diamante, los nanotubos de carbono, etc. S es nuevo por su estructura, ya que se trata de un material que puede considerarse bidimensional tanto por la disposicin de los tomos de carbono que lo forman como por poseer el mnimo espesor correspondiente a una nica capa atmica (monocapa). Hasta el ao 2004, no se crea posible la existencia de una estructura como la del grafeno como entidad aislada. Se supona que los cristales estrictamente bidimensionales eran termodinmicamente inestables, debido a fluctuaciones trmicas en redes cristalinas que tericamente produciran desplazamientos atmicos dando lugar a una estructura en tres dimensiones. Esta hiptesis se apoyaba en numerosas pruebas experimentales, entre ellas el hallazgo de que la temperatura de fusin de lminas delgadas decrece rpidamente al disminuir su espesor, lo que provoca que una lmina se vuelva inestable para grosores correspondientes a aproximadamente una docena de monocapas, lo que obliga a los cristales bidimensionales a tomar estructuras tridimensionales que les proporcionen estabilidad.

1.4 - Situacin Problemtica y problema El GRAFENO es un material poco conocido, ya que no es muy comn. Varios cientficos son los que han estudiado las propiedades y caractersticas de este material innovador. Dos de ellos destacaron por su trabajo en esta investigacin y fueron premiados con uno de los premios ms honorables, el Premio Nobel, en este caso, el de Fsica, del ao 2010. Durante esta investigacin, los galardonados (Geim y Novoselov) se dieron cuenta de las casi imposibles y fascinantes caractersticas (hay que pensar que no se haba encontrado nunca un material tan especial). Una a destacar es la dureza que tiene una lmina de tal material y la elevada elasticidad que presenta a la vez; porque el grafeno es slo una capa horizontal de tomos de carbono enlazados en forma hexagonal.Cualquier cristal de grafeno que sea muy puro, a temperatura ambiente, conduce la electricidad ms rpido que cualquier otra substancia. Por eso se dice que es el material ms bidimensional. Y, quizs la ms sorprendente, es uno de los materiales ms ligeros del planeta.Qu es GRAFENO? Cmo se usa en la actualidad y su uso en el mbito industrial?

1.5 Justificacin del problemaCuando se estudia el grafeno, se nota su protagonismo en el futuro. Son tantas las aplicaciones que podran llegar a tener. Por tanto, el objetivo de describir los usos y expectativas de futuro ha quedado un poco corto. Es por esta gran versatilidad que se le considera el plstico del siglo XXI. Una de las aplicaciones que ms me ha impresionado es la de edificar un gran filtro desalinizador que podra conllevar increbles resultados a la hora de obtener agua y beneficiar a pases subdesarrollados. Otra aplicacin importante es el uso del grafeno para el empaque de alimentos que puede suponer la eliminacin de materiales nocivos.

1.6 Objetivo del diseo del producto

Determinar el grado de conocimiento de EL GRAFENO en los estudiantes de la escuela de Ingeniera de Sistemas e Informtica de la Universidad Norbert Wiener. Determinar la importancia del GRAFENO. Determinar los aportes del GRAFENO al mundo de la tecnologa.

1.7 Importancia

Las propiedades que exhibe el grafeno ha despertado el enorme inters de investigadores y empresarios por producirlo a escala industrial dadas sus potencias promisorias en aplicaciones tecnolgicas. La investigacin en este material se ha centrado en las futuras aplicaciones en nano-dispositivos. Algunos artculos publicados han sido acerca de transistores, foto detectores y sensores. De todas las aplicaciones sugeridas de grafeno, el uso de grafeno como un electrodo delgado parace el ms cercano a emerger. Ello se debe a las propiedades elctricas (es un excelente conductor de la electricidad) y a las propiedades magnficas en la regin de la luz visible, con una transparencia mayor al 90 %. Los electrodos transparentes se requieren en una gran variedad de aplicaciones, tales como la pantalla tctil y pantallas de cristal lquido.

CAPITULO II

2.1 Modelo de negocio de la empresa El producto o servicio:En este tipo de negocio, los productos principales que se ofrecern a los clientes estn en investigacin, pero se estima que sern los siguientes: Para poder hacernos una idea de en cuntos campos distintos puede aplicarse el grafeno, es necesario echar un vistazo a nuestro alrededor y ver todo lo que nos rodea.Ordenadores, coches, telfonos mviles y equipos de msica son, por mencionar slo algunos de ellos, cosas que encontramos frecuentemente en nuestra vida cotidiana en las que el grafeno se podra llegar a aplicar. Por sus propiedades, el grafeno puede servir como material en la fabricacin de aviones, satlites espaciales o automviles, hacindolos ms seguros. Tambin en la construccin de edificios, pues los convertira en ms resistentes. Pero, sobre todo, destacan sus aplicaciones en el campo de la electrnica, donde a travs de su capacidad para almacenar energa puede dotar a las bateras de una mayor duracin y un menor tiempo de carga, establecer conexiones ms rpidas e incluso contribuir a mejorar el medio ambiente sustituyendo a materiales contaminantes que hoy en da nos vemos obligados a utilizar. No hay que olvidar su relevancia en el mbito de la salud. Las prtesis de grafeno podran sustituir a las actuales, de diversos materiales. O incluso se podra aplicar para mejorar el tratamiento de algunas enfermedades. Por todo esto, no es de extraar que se diga que su utilidad es prcticamente ilimitada y que las barreras a su aplicacin nicamente son las de la imaginacin humana.

La clientelaSern los nios y los adolescentes los consumidores de los productos tecnolgicos. Los cuales dispondrn de esta nueva tecnologa que lo har ms interactivo para su educacin, como para sus horas libres Debido a que los equipos tecnolgicos mviles y otros sern ms resistentes y atractivos al pblico.Los adultos, los jvenes que quieren un dispositivo de fcil uso y movilidad. El cual ayude en el trabajo o en estudio, tendrn dispositivos flexible, potente que aparte de su personalizacin, interactuaran con el usuario.Los laboratorios de investigacin y el rea de salud utilizaran los avances en la tecnologa, para dar solucin al problema y enfermedades que hoy en da son incurables.

2.2 Tecnologas existentes y marco terico

2.2.1 Tecnologas existentes

Procesadores a gran frecuencia

Una de las primeras aplicaciones de conocimiento pblico lleg por parte de IBM,cuando la empresa revel que trabajaba en el desarrollo de procesadores basados en grafeno,logrando adems la creacin de circuitos integrados completos, reemplazando as al silicio como material bsico para su fabricacin.

Pantallas tctiles flexibles

Al ser capaz de conducir electrones de muy buena forma casi sin calentarse en el proceso, investigadores de la Universidad de Texas y la Universidad de Corea del Sur descubrieron queuna lmina de grafeno puede usarse en el desarrollo de pantallas tctiles, aprovechando el hecho de que una lmina de grafeno puede ser totalmente transparente, ideal para colocar por sobre un panel de pixeles sin disminuir el brillo de su retro iluminado.

Cables de alta velocidad

Investigadores de la Universidad de Cambridgelograron que el grafeno fuera capaz de captar una gran cantidad de luz, lo que se puede utilizar en la creacin de cables de fibra ptica muy veloces que se benefician de otra de las propiedades del material: los electrones se desplazan rpidamente en l.

Cmaras fotogrficas mil veces ms sensibles

Una cmara fotogrfica actual est compuesta, bsicamente, de un lente por el que pasa la luz y que luego llega a un sensor, captndola y transformndola en informacin digital. Lo queinvestigadores de laNanyang Technological University en Singapur lograron fue crear un sensor hecho de grafeno, aumentando la sensibilidad del dispositivo unas mil veces en relacin a las tecnologas actuales CMOS o CCD.

Pintura para casas que absorbe energa

Investigadores de laUniversidad de Manchester crearonun material basado en el grafeno capaz de absorber la energa emitida por el solpara transformarla en energa utilizable dentro del hogar, slo que no se necesitara de un grosero y pesado panel sobre el techo, ya que se requiere slo de una fina capa que hasta puede ser utilizada como pintura en la fachada.

Audfonos y parlantes ms que profesionales

Qin Zhou y Alex Zettl son dos cientficos de la Universidad de California que quierenrevolucionar el mercado del audio gracias a sus audfonos y parlantes de grafeno. La idea es crear un diafragma hecho de grafeno que se coloque en medio de dos electrodos para crear un campo magntico, tras lo cual el grafeno vibra y produce sonido.

2.2.2 marco terico

Antecedentes de la investigacinEl grafeno ya fue descrito y se conoca desde la dcada de 1930 y en 1889 ya se mencionaba la posibilidad de formar filamentos de carbono por descomposicin trmica de hidrocarburos gaseosos. Adems, la palabra grafeno fue oficialmente adoptada en 1994 despus de haber sido usada como monocapa de grafito en las ciencias superficiales. Pero no ha sido hasta hace unos aos cuando se ha descubierto su verdadera utilidad.Fue en 2004 cuando se produjo el impulso definitivo en el estudio del grafeno, Andre Geim y Konstantin Novoselov profesor y alumno doctorado de la Universidad de Manchester aislaron las primeras muestras de grafeno a partir de grafito mediante un proceso de exfoliacin mecnica. Geim y Novoselov extrajeron el grafeno de un trozo de grafito, como el que se encuentra en cualquier mina de lpiz, utilizando una cinta adhesiva que les permiti extraer una lmina de un solo tomo de carbono.Entonces se crea imposible fabricar una lmina de un solo tomo de grosor porque era inestable, sin embargo, Geim y Novoselov lograron lo inesperado y recibieron el Premio Nobel de Fsica en 2010 por el descubrimiento de esta estructura del carbono.

2.3 Evaluacin tecnolgica

2.3.1 De Procesos

Todos hablan de este material aunque pocos lo han visto. Y es que, pese a sus prometedoras aplicaciones,todava se encuentra en fase de desarrollo. El grafeno es una lmina extremadamente delgada compuesta de carbono (slo tiene un tomo de grosor). El grafito del que se obtiene es el mismo que se extrae de las minas de carbn y se usa para fabricar lpices, frenos de coches o aceros, por lo que se trata de una materia prima muy abundante en la naturaleza. Para conseguir grafenose puede partir del grafito natural(las minas espaolas son ricas en este mineral)o del grafito sinttico.El principal obstculo en la actualidad es que an no es posible fabricar grafeno a gran escala.Existen varias formas de producir grafeno.La cinta adhesiva(exfoliacin mecnica) fue el mtodo que utiliz Geim para aislarlo por primera vez y puede servir para algunos experimentos, pero no es vlido para la industria. Bsicamente se comercializa de dos maneras: en formato lmina y en polvo.Para producirlono se utiliza grafito, sino gas metano, que se transforma mediante una tecnologa denominada deposicin qumica en fase vapor (Chemical Vapor Deposition, CVD). Una de las grandes ventajas, pues no dependemos de ningn producto mineral.Se realiza en un reactor CVD dondese introduce un gas con carbono. Mediante la aplicacin de energa se depositan los tomos de carbono sobre un substrato metlico. El siguiente paso es transferir la lmina de grafeno al substrato final, que puede ser un polmero, vidrio, silicio u otros, dependiendo de la aplicacin.El precio vara segn los tamaos y las propiedades. En los ltimos aos ha cado ya a la mitad.Una lmina de grafeno cuesta entre 300 y 1.000 euros, una cifra muy asequible para el consumo de investigacin pero elevada para otros usos. De la Fuente explica que esperan que el precio siga descendiendo progresivamente y, a medio plazo (unos cinco aos), sea ms barato que el silicio, que en la actualidad cuesta alrededor de 50 euros.A medida que el mercado vaya avanzando el precio ir bajando. Prcticamente cuesta lo mismo producir una lmina que 100.000.

2.3.2De Producto

El grafeno de alta pureza y el que rene las mejores propiedades. Se emplea para fabricar electrodos de bateras, pantallas tctiles, clulas solares, electrnica digital y analgica de alta frecuencia o composites avanzados para aeronutica."El grafeno que se vende se utiliza, sobre todo, para ensayos. Se est trabajando mucho en almacenamiento de energa. En ultra condensadores (para automviles, trenes elctricos y para mejorar el rendimiento de las lneas de distribucin elctrica y en bateras. Se ha demostrado que con electrodos de grafeno se consiguen bateras diez veces ms duraderas".Este material podra solucionar uno de las grandes desventajas de los telfonos inteligentes, cuyas bateras apenas duran un da. Los prototipos debateras fabricadas con electrodos de grafeno son diez veces ms duraderasque las que llevan los telfonos que se venden en el mercado y se cargan en mucho menos tiempo (aproximadamente media hora).Sin embargo, se tendr que esperar algunos aos para disfrutar de estas bateras. Se prev que se comercializar dispositivos fabricados con grafeno hasta dentro de cinco aos.El grafeno tambin podr usarse entelevisores OLED (Organic LED), que estarn fabricados con materiales orgnicos, ms respetuosos con el medio ambiente. Ahora se utilizan tierras raras, como el indio, que tienen un impacto ambiental muy grande. Adems su precio se ha multiplicado por diez.La industria busca un sustituto ms econmico y sostenible, por lo que el grafeno se perfila como una de las alternativas.Por lo que respecta a los paneles solares, De la Fuente explica que el objetivo esconseguir clulas con un 42% de eficacia(es decir, que conviertan en electricidad el 42% de la energa solar que reciben). Las que hay ahora en el mercado tienen una eficiencia de aproximadamente el 16%.El grafeno en polvose utiliza en aplicaciones que requieren un material ms barato, como composite para construccin. Lo ms frecuente es mezclarlo con otros materiales. El proceso de produccin de grafeno en formato polvoparte del grafito como materia primay bsicamente consiste en realizar una oxidacin violenta y un proceso de ultra zonificacin para separar las pequeas lminas de grafeno que componen el grafito.Sus propiedades no son tan buenas como el grafeno en lmina y conduce peor la electricidad. La demanda de este producto, cuyo precio depende de su pureza, sigue siendo pequea. El de baja calidad cuesta menos de 10 euros el gramo mientras queel de alta calidad ronda los 100 euros.

2.4. Conceptos relevantes

Hibrido:En el mundo de las orqudeas se le dice hibrido a la planta que resulta de cruzar dos plantas de diferente especie.

Orbital molecular:Regin del espacio atmico que est ocupada por una nube electrnica; es la zona donde la probabilidad de encontrar el electrn es mxima

fuerzas de Van der waals:denominada as en honor al cientfico neerlands Johannes Diderik van der Waals, es la fuerza atractiva o repulsiva entre molculas (o entre partes de una misma molcula) distintas a aquellas debidas al enlace covalente o a la interaccin electrosttica de iones con otros o con molculas neutras.

Grafito:Mineral untuoso, de color negro y lustre metlico, constituido por carbono cristalizado en el sistema hexagonal. Se puede producir artificialmente, y se usa en la manufactura de lapiceros, crisoles refractarios y en otras aplicaciones industriales.

tomos de Carbono:Elemento qumico de smbolo C y nmero atmico 6; es un no metal slido, sin olor ni sabor y abunda en la naturaleza como principal componente de sustancias orgnicas.

Nanotubo:Estructura cilndrica larga, sumamente fina, que combina la ligereza con una gran resistencia mecnica y una buena conductividad elctrica.

Hidrocarburos aromticos policiclicos:Un hidrocarburo aromtico policclico (HAP o PAH, por sus siglas en ingls) es un compuesto qumico que se compone de anillos aromticos simples que se han unido, y no contiene heterotomos ni lleva sustituyentes.

Composite: Loscompositesoresinascompuestasson materiales sintticos mezclados heterogneamente formando un compuesto, como su nombre indica. Estn formados pormolculasdeelementosvariados. Tales molculas suelen formar estructuras muy resistentes y livianas; por este motivo se utilizan desde mediados del siglo XX en los ms variados campos:aeronutica, fabricacin deprtesis,astroycosmonutica,ingeniera naval, ingeniera civil, artculos decampismo.

2.5. Teora de la ciencia de diseo

2.5.1 Disear el artefacto (las bateras)

Plastic Logicha desarrollado, junto alcentro de grafeno de la Universidad de Cambridge,la primera pantalla flexibleconstruida con este tipo de material. Este nuevo invento podra ser considerado comoun avance bastante importante, ya que gracias al mtodo que se ha utilizadose sustituyen los electrodos tradicionales por otros creados con una solucin de grafeno.

Ya se ha creado un prototipoque utiliza una pelcula electrofortica (que separa las molculas segn la movilidad de estas), muy similar a las pantallas que hay en la actualidad. Aunque, claro, las nuevas son flexibles.El proyecto est en un estado bastante primitivo, por lo que elprximo objetivo ser analizar el uso del cristal lquido y la tecnologa OLED con el fin de poder producir imgenes en color.

2.5.2 Relevancia del Problema

El grafeno es un material formado por carbono que se destaca por su extrema dureza. La particularidad que lo hace especialmente atractivo es el hecho de que puede conducir la electricidad con notable eficiencia, sin que sufra un calentamiento excesivo; esta circunstancia hace que sea, por ejemplo, ms til que otros materiales que se utilizan para fabricar distintos productos electrnicos.

2.5.3 Evolucin del Diseo

Los cientficos todava estn descubriendo nuevas formas de procesar esta sustancia invisible y nuevas aplicaciones para ella. Dado que es flexible y extensible, parece un candidato idealpara la generacin de energa solar.

Aunque hasta ahora, la aplicacin del grafeno en las clulas solares ha sido slo terica, su potencial podra ser asombroso. Las clulas solares hechas con grafeno podran ofrecer una eficiencia del 60%; el doble de la eficiencia mxima ampliamente respetada de las clulas de silicio.

Adems de sus usosen el transporte, en donde su ligereza y resistencia podran transformar la fabricacin de coches y aviones para hacerlos ms eficientes en cuanto a consumo de combustible, se ha estudiado el grafeno como revestimiento anticorrosinen embalajese inclusoen condonessper finos.

En la medicina, los investigadores afirman que se podra utilizar para administrar frmacos en zonas especficas del cuerpo; y ya se est desarrollando como tratamiento para personas con afecciones cerebrales.

Tambin se est estudiando su uso en forma de membrana como mediopara purificar el aguae incluso para extraer la sal y otros elementos del agua de mar con el fin de convertirla en agua potable.2.5.4 Contribucin de la investigacin

De todas las aplicaciones sugeridas de grafeno, el uso de grafeno como un electrodo delgado parece el ms cercano a emerger. Ello se debe a las propiedades elctricas (es un excelente conductor de la electricidad) y a las propiedades magnficas en la regin de la luz visible, con una transparencia mayor al 90 %.

2.5.5 Rigurosidad de la investigacin

El estudio fue conducido por cientficos del Centro de Investigacin de Nanotecnologa del Pas Vasco en Espaa, NanoGUNE. Y fue publicado en la revista Science, considerada una de las ms importantes del mundo en trminos de rigurosidad e impacto.

2.5.6 Comunicacin de Resultados

Las investigaciones del grafeno an estn en prueba, por ende los resultados sern diversos y de alta revolucin en todos los campos de la tecnologa.