UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO
FACULTAD
DE
INGENIERÍA
ELÉCTRICA
Y
ELECTRÓNICA
ESCUELA
PROFESIONAL
DE
INGENIERÍA
ELECTRÓNICA
PLAN DE TESIS
―GRAFENO;
EL
MATERIAL
DEL
FUTURO;
PROBABLE REEMPLAZO DEL COBRE.‖
AUTOR : CARRILLO GONZALES, JEAN POOL
1223220571.
ASESOR : Ing. ALFARO RODRÍGUEZ
CARLOS HUMBERTO
CALLAO – PERÚ JULIO 2013
ÍNDICE CARÁTULA………...….…………...……1 ÍNDICE……….………...…...……2 INTRODUCCIÓN………...……...…5 I. PLANTEAMIENTODEL PROBLEMA………...8 1.1 Determinación del problema………...…...…8 1.2 Formulación del problemas……....………...…...……9 1.2.1 Problema General………...…………...….…….…9 1.2.2 Sub-problemas………....……...………....….…9 1.3 Objetivos de la investigación………....………...…....……...…..…9 1.3.1 Objetivo General………..………...…………...…9 1.3.2 Objetivos Específicos…………....…………...………..….10 1.4 Justificación………....…………...…………..…….10 1.4.1 Limitaciones y facilidades………...……..……...……..11 1.4.2 Delimitaciones de la investigación……...………..……....…..……...11 1.4.2.1 Delimitación espacial…………...………..………...……...11 1.4.2.2 Delimitación temporal…………..…...…….…...……11 1.4.2.3 Delimitación social………...……...……….………11 1.5.2 Facilidades………...……...…13
II. FUNDAMENTO TEÓRICO………...………...13 2.1 Antecedentes de la Investigación…...……...…………...13 2.2 Marco conceptual………...16 2.3 Marco Teórico………...…...……....23 2.4 Definición de términos………...………...26 III. HIPÓTESIS………...…....28 3.1 Hipótesis General………...……….…..28 3.2 Sub – Hipótesis………...…...………….…....28 IV. METODOLOGÍA………...…...29 4.1 Relación entre las variables de la
investigación……...……...29 4.2 Operacionalización de variables………...………...30 4.3 Tipo de investigación………..…...31 4.4 Nivel de Investigación………...32 4.5 Etapas de la investigación…………...32 4.6 Población y Muestra………...34 4.7 Técnicas e instrumentos de recolección de
4.8 Serie de Articulos sobre el Grafeno………..35 FUENTES DE
INFORMACIÓN...………...81
INTRODUCCIÓN
El cobre abunda, por lo que es una opción relativa comparada con
otros buenos conductores, tales como el oro y la plata. Es dúctil
aunque relativamente fuerte, los fabricantes pueden transformarlo
fácilmente en alambre fino que resista la fractura. El cobre tiene
mayor conductividad eléctrica y térmica que la mayoría de los
metales, puede transportar electricidad y calor con una considerable
eficacia y relativa seguridad, especialmente en comparación con otras
alternativas tales como el aluminio.
Al seleccionas un buen conductor, los fabricantes van en busca de
algo más que el mecanismo de conductividad eléctrica. El alambre de
cobre usado como un conductor tiene beneficios prácticos. Es un
material barato, seguro y fiable que ha demostrado dichas cualidades
durante más de un siglo de aplicaciones comerciales, desde los
primeros telégrafos hasta las súper computadoras modernas.
¿Existen otros materiales que puedan ser utilizados como
conductores eléctricos?
Sí, casi todos los materiales conducen la electricidad en un cierto
grado. Pero para ser un serio candidato a ser utilizado como
conductor eléctrico, un material debe combinar una conductividad
muy alta con pocas pero importantes características mecánicas. Por
esa razón, prácticamente, los materiales más utilizados como
conductores
son
los
metales.
Los llamados superconductores son materiales especiales que tienen,
en ciertas circunstancias específicas, una conductividad eléctrica casi
perfecta. Algunos de los materiales superconductores son aleaciones
de cobre. Los superconductores deben ser operados a muy bajas
temperaturas (temperaturas inferiores a - 200º C para algunos
materiales) y eso es muy difícil desde el punto de vista práctico en un
gran
sistema.
Europa, por ejemplo, tiene 7 millones de kilómetros entre líneas y
cables de electricidad, imagine tratar de mantenerlos a -200 º C . Esto
no sólo es virtualmente imposible, sino que además requeriría de una
gran cantidad de energía para mantener el enfriamiento. Los
superconductores, sin embargo, son muy útiles en circunstancias
específicas, por ejemplo, donde debe ser transportada una gran
cantidad de energía eléctrica o dónde los espacios son limitados,
como es el caso de grandes áreas urbanas con gran densidad de
energía,
y
en
subestaciones
de
transmisión.
Aparte de los superconductores, cuatro metales sobresalen por su
gran conductividad: la plata, el oro, el cobre y el aluminio. Debido a
que la plata y el oro son demasiado costosos, el cobre y el aluminio
son los principales candidatos. Otros metales tienen mucha mayor
resistencia, por lo que son menos pertinentes.
La resistencia del aluminio es 65% más alta que la de cobre. Como
resultado de esto, para conducir la misma corriente eléctrica, un cable
de aluminio necesitará una sección transversal un 65% más grande
que
la
de
un
cable
de
cobre.
Pero esa no es toda la historia. Además de menos conductivo, el
aluminio es tres veces más liviano que el cobre. Como resultado de
esto, el cobre y el aluminio tienen cada uno sus propias áreas de
aplicación.
El cobre posee excelentes características que lo convierten en el
conductor por excelencia en equipos eléctricos. Mecánicamente, es
un material más fuerte que el aluminio, y consecuentemente más
durable. Esto es especialmente verdadero para aplicaciones en
entornos exigentes, tales como guarniciones de alambre para coches,
alambre magnético para motores eléctricos o cables de poder en
entornos
industriales.
Además, posee un bajo coeficiente de dilatación térmica, que implica
una baja expansión cuando se calienta; esto implica proveer menos
espacio libre para la expansión del material en los equipos. El cobre,
además, tiene una mayor capacidad térmica que el aluminio (cuando
se hace referencia a unidad por volumen), lo que significa que se
puede
disipar
más
calor
durante
procesos
pasajeros.
Los diseños en cobre generalmente derivan en aplicaciones eléctricas
más compactas. Esta compactación, además, economiza en los
materiales no conductores del aparato. Como resultado, un diseño
basado en el uso de cobre puede terminar siendo más liviano que su
equivalente en aluminio, a pesar del mayor peso específico que tiene
el cobre.
I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1 Determinación del problema
Actualmente sabemos que uno de los mejores conductores de la electricidad y principal material en el uso de cableados de las grandes empresas, es el cobre,
Es el que posee menor resistencia eléctrica por ello mayor gran conductividad eléctrica, sumado a ello el bajo costo que produce el uso de este material.
A pesar de ello, hoy en día sabemos que existe un material 400 veces más duro que el acero, tan flexible como una goma, capaz de transformarse en pequeños hilos conductores de corriente eléctrica mucho más eficiente que el cobre y aluminio, El GRAFENO.
Incluso se menciona por medio de los científicos descubridores, Andréy Gueim y Konstantín Novoslovóv quienes ganaron en 2010 el premio nobel de física; lograron aislarlo y sintetizarlo, punto en el cual descubren que este material puede ser incluso mucho menos costoso su elaboración como hilo conductor de electricidad.
Los especialistas señalan que la industrialización y comercialización del grafeno producirá una verdadera revolución tecnológica y económica durante la primera mitad del siglo XXI.
1.2 Formulación del problema
1.2.1 Problema General
¿Es posible industrializar a gran escala el grafeno, extraerlo, tanto como sintetizarlo en hilos conductores de corriente eléctrica y comercializarlo a gran escala en todo el mundo reemplazando al cobre?
1.2.2 Sub – Problemas
¿Las Empresas estarán dispuestas a invertir en la extracción y la síntesis del Grafeno?
¿Sabiendo que prácticamente no se rompería jamás los hilos conductores debido a la gran dureza del material, los empresarios estarían dispuestos a comercializarla?
¿De aceptar comercializarlo, el precio colocado estaría al alcance de todos?
1.3 Objetivos de la investigación
Poner en conocimiento que probablemente en un futuro no muy lejano (5 o 10 años) sea posible la industrialización y reemplazo total del cobre por el grafeno. Y dejar en claro que el grafeno no solo tiene esa propiedad de conductividad eléctrica sino también su dureza, flexibilidad y aplicaciones en nanotecnologías (Microchips).
1.3.2 Objetivos específicos
Motivar al estudio sobre este interesante material que es el grafeno, ya que no ha sido sintetizado en su totalidad según dicen sus descubridores.
Observar su importante aplicación en la tecnología actual y en la vida cotidiana.
Promover su extracción y comercialización a gran escala.
1.4 Justificación
En el año 2010 se otorgó el premio Nobel de Física a los científicos rusos Andréy Gueim y Konstantín Novoslovóv por sus aportes, experimentos y trabajos con el grafeno (que es un compuesto del carbono) donde lograron aislarlo, sintetizarlo y probar su gran conductividad eléctrica.
De hecho la Academia Sueca cuando anunció el Nobel para los científicos rusos señaló, a propósito del grafeno, que: ―como conductor de electricidad rinde tanto como el cobre. Como conductor de calor rinde más que cualquier otro material. Es casi totalmente transparente y muy denso‖. Si bien desde un punto de vista científico, la sustitución del cobre por el grafeno – como conductor de electricidad – ya es posible, todavía faltan algunos años para que sea una tecnología aplicada, y otros años más para que sea una industria instalada. El problema es que no se puede
determinar en qué plazos pueden ocurrir dichos procesos y cualquier guarismo de años es meramente especulativo.
Por lo anterior, tiene que haber un estricto seguimiento de la evolución del conocimiento sobre el grafeno. Los diversos actores vinculados al mercado del cobre ya lo están haciendo.
En tal sentido, el grafeno debiese ser un tema de preocupación en el diseño y elaboración de las políticas públicas relacionadas con el cobre y, en cierta forma, potencia el debate sobre la renacionalización del cobre. En efecto, entendiendo la renacionalización del cobre como un debate sobre una nueva política hacia la utilización del cobre, que implique un rol más activo del Estado, cuyo estatuto jurídico debe considerar la protección de dicho recurso para fortalecer un modelo de desarrollo conforme a los intereses de la mayoría del país y no de los grupos económicos, el grafeno nos plantea la urgencia del debate.
Actualmente, casi el 80% del cobre se utiliza en usos eléctricos y electrónicos. Si bien no es el único conductor de electricidad presente en el mercado, es sin duda la industria más eficiente – hasta el momento – para satisfacer las demandas en el área.
1.5 Limitaciones y facilidades
1.5.1 Delimitaciones de la investigación
1.5.1.1 Delimitación espacial
El trabajo de Investigación se realizará en base a información suministrada en internet, profundamente redactada y ordenada.
1.5.1.2 Delimitación temporal
El desarrollo de la presente investigación abarcó el periodo del mes de junio – julio.
1.5.1.3 Delimitación social
Uso y conocimiento de todos los científicos del mundo interesados en el estudio de nuevas tecnologías. (Chips, paredes invisibles, construcciones de gran resistencia,… etc.) .
o Variable Independiente:
Grafeno:
Sustancia formada por carbono puro, con átomos dispuestos en un patrón regular hexagonal similar al grafito, pero en una hoja de un átomo de espesor. Es muy ligero, una lámina de 1 metro cuadrado pesa tan sólo 0,77 miligramos.
Es un alótropo del carbono, un teselado hexagonal plano (como panaldeabeja)formado por átomos de carbono y covalentes que se generan a partir de la superposición de los híbridos sp2 de los carbonos enlazados.
o Variable Dependiente:
Probable reemplazo del cobre:
Se trata de un metal de transición de color rojizo y brillo metálico que, junto con la plata y el oro, forma parte de la llamada familia del cobre, se caracteriza por ser uno de los mejores conductores de electricidad (el segundo después de la plata). Gracias a su alta conductividad eléctrica, ductilidad y maleabilidad, se ha
convertido en el material más utilizado para fabricar cables eléctricos y otros componentes eléctricos y electrónicos.
1.5.1.5 Facilidades
Para el desarrollo de la investigación se cuenta con el tiempo necesario, el acceso a las fuentes de información y la disponibilidad total para la lectura de cada artículo revisado.
II. FUNDAMENTO TEÓRICO
2.1 Antecedentes del estudio
La Academia Sueca de Ciencias otorgó el Premio Nobel de Física 2010 a los científicos –de origen ruso– Andrei Geim (51) y Konstantin Novoselov (36), por haber aislado el grafeno –―graphene‖, uno de los compuestos del carbono– en los laboratorios de la Universidad de Manchester en 2004. La Academia señaló que se le había otorgado el Premio Nobel a Geim y Novoselov ―por experimentos innovadores en relación al grafeno, material de dos dimensiones‖.
Si bien desde antes se sabía teóricamente que este compuesto del carbono podía existir, nadie había logrado aislarlo y sintetizarlo. Más aún, se creía que el grafeno, si se sintetizaba, podía ser inestable. Geim (quien se propuso aislar el grafeno) y Novoselov (quien diseñó un original método para aislarlo) lograron sintetizar el grafeno en 2004
y demostraron que el producto obtenido si era estable. Tan sólo seis años después de aislar el grafeno se les concedió el Premio Nobel por su contribución –lo que es raro, ya que porque por lo general se demoran decenios en reconocer estos aportes científicos– pero la Academia Sueca supo desde un principio que el descubrimiento del grafeno está abriendo una nueva era en la historia de la ciencia, de la tecnología y de la economía mundial.
Ahora surge una nueva dimensión del carbono con el aislamiento del grafeno, que promete inducir diversas aplicaciones en todos los campos, que podrían ser infinitas. Cabe destacar que el carbono es un elemento químico tan versátil que es el responsable de los compuestos orgánicos vivos y de la vida humana (originador del ADN), de materiales blandos y baratos como el carbón y el grafito, como también de materiales cristalinos y duros como el diamante.
La síntesis del grafeno está llamada a ser la contribución científica más relevante de la historia de la humanidad desde la invención de la rueda y del descubrimiento del ADN, tanto es así que podría abrirse paso a una nueva revolución tecnológica, superior a la que gatilló el surgimiento de internet. ¿Por qué?
El grafeno podría usarse en innumerables aplicaciones, alterando la estructura de costos de toda la industria y de los servicios globales, en virtud de las siguientes propiedades:
• Conductividad térmica única, superior a la de cualquier otro material.
• Conductividad eléctrica tan potente como la del cobre.
• Potente elasticidad y dureza.
• Su capacidad para generar reacciones químicas con otras sustancias originaría compuestos de propiedades nuevas, que le darían una aplicación industrial insospechada y de potencial inimaginable.
• Es ligero y extraordinariamente flexible.
• Tiene un ―Efecto Joule‖ más moderado, o sea, se calienta menos al conducir los electrones. Es más eficiente que el silicio, ya que consume menos electricidad, a la hora de realizar la misma función.
• Es tan 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.
• Otro sinnúmero de propiedades físicas, químicas y electrónicas, que convertirían al grafeno en una fuente de nuevos cambios tecnológicos que abrirían una nueva era.
Por ahora, se sabe que el grafeno podría utilizarse como componente de los circuitos integrados. Se estima que la principal aplicación del grafeno sería reemplazar al silicio en muchos transistores y microprocesadores. La IBM ya anunció que había construido microprocesadores y transistores con grafeno.
Aún es incierto el alcance, magnitud y diseminación de la revolución tecnológica que originaría el grafeno. Los plazos asociados al cambio tecnológico son una gran incógnita y también lo son las industrias y los servicios que se verían impactadas. Es pertinente señalar decir que el grafeno podría inducir una nueva espiral de crecimiento económico similar a la que generó la revolución industrial en el siglo XIX, la electricidad post guerra de secesión en Estados Unidos o la
informática e internet en la segunda mitad del siglo XX. Es el compuesto del siglo XXI.
2.2 Marco conceptual:
En la primera semana de octubre de este año los participantes del mercado del cobre estaban reunidos en su reunión anual en Londres. Los productores estaban eufóricos. Las perspectivas para el mercado no podían ser mejores. Gracias al balance con significativo déficit entre oferta y demanda global –para 2011-2015– se podía esperar varios años de altos precios. Los constructores, los inversionistas en telecomunicaciones y los consumidores industriales de cobre estaban resignados.
En medio de este desbordante optimismo, la Academia Sueca anunció el Nobel para Geim y Novoselov por haber aislado el grafeno. El comunicado de la Academia señalaba que: ―El grafeno es una forma de carbono. Como material, es completamente nuevo, no sólo es el más delgado –su ancho tiene la dimensión de un átomo– sino que también es el más duro y resistente. Como conductor de electricidad rinde tanto como el cobre. Como conductor de calor rinde más que cualquier otro material. Es casi totalmente transparente y muy denso. El carbono, la base de toda la vida en la tierra ha sorprendido una vez
más‖.
Tan sólo algunos participantes de la industria de producción y de consumo de cobre –los más especializados que trabajan en laboratorios y en áreas de desarrollo– sabían de la existencia del grafeno. Es pertinente decir, incluso, que más del 99% de la población mundial –e incluso muchos de los participantes del mercado del cobre– jamás había escuchado la palabra ―grafeno‖.
Sin embargo, la mención de la Academia Sueca de que el grafeno era tan excelente conductor de la electricidad como lo es el cobre alarmó a los especialistas del mercado de productores. Desde entonces, con la más absoluta discreción, proliferaron las llamadas de los actores del mercado cuprífero a científicos y a ingenieros especialistas en tecnología, electricidad y en física cuántica y del estado sólido, con el objeto de verificar el alcance y la magnitud de una eventual sustitución del cobre por el grafeno.
Cabe señalar, en todo caso, que el aislamiento del grafeno no se hizo con el objetivo de sustituir al cobre.
Simplemente se detectó que el grafeno tiene las propiedades necesarias para sustituir al cobre en la conducción eléctrica que, en principio, se concentraría en los microcircuitos, por la vía de la introducción de los ―nanotubos‖, uno de los componentes cuasi-unidimensionales del grafeno. En el resto de la conducción eléctrica, la sustitución sería posible, pero faltaría aún más tiempo –¿Decenas de años tal vez? – para concretar las aplicaciones tecnológicas.
La pregunta que surgió en Londres y que aún ronda en el mercado es: ¿Hasta que punto el grafeno es una amenaza de sustitución para el cobre? Por ahora, los participantes de la minería del cobre respiran
tranquilos porque el déficit global de cobre persistirá en los próximos cuatro años. Además, aún es temprano para determinar el alcance de los cambios tecnológicos en la conducción de la electricidad. Sin embargo, en estos tiempos, los cambios tecnológicos corren rápido. Los productores –y los demandantes– no saben que podría pasar con el consumo global de cobre a partir de diez años más, en medio de la introducción masiva del grafeno. Puede que las aplicaciones del grafeno se concentren en áreas diferentes a la conducción eléctrica –bueno para el cobre– o bien, se desarrolle toda una industria de conductores eléctricos en base al nuevo compuesto del carbono. En el intermedio, podría haber varias combinaciones.
Casi el 80% de la demanda global de cobre (15 millones de las casi 19 millones de TM de cobre que se consumen en el mundo) se destina a usos eléctricos de sistemas de potencia o bien a usos electrónicos. De allí surgen las aprensiones respecto de la amenaza de las aplicaciones originadas por el grafeno, que tiene el atributo de ser un excelente conductor eléctrico. Los usos electrónicos del cobre y en los sistemas de potencia y transmisión eléctrica de baja tensión (en transmisión de alta tensión ya fue sustituido por el aluminio) representan la parte medular del consumo de cobre.
Hasta ahora, a pesar de ser más barato y liviano, el aluminio no ha sido capaz de penetrar en el mercado del cobre en los usos electrónicos y eléctricos de baja tensión porque es conductivamente menos eficiente y se sobrecalienta. Por otra parte, la fibra óptica, que también surgió en los ‗70 como sustituto en redes telefónicas, tiene aplicaciones limitadas y en muchos usos es muy cara para sustituir al cobre. Los superconductores (otra alternativa de sustitución) no fueron capaces de desarrollar una tecnología que pueda sustituir al cobre en forma eficiente.
tuberías para agua caliente y el aire acondicionado. En tuberías para agua fría, el cobre está siendo reemplazado por el PVC, que es mucho más barato, aunque los plásticos son estimuladores de la producción de bacterias. En tuberías para agua caliente el cobre aún tiene presencia relevante. Hay desarrollos emergentes para el cobre, tales como los autos híbridos y las jaulas para salmones. En este último caso, se aprovechan las propiedades bactericidas del cobre, lo que lo hace cada vez más demandado desde el punto de vista de la conservación ambiental. La utilización del grafeno como sustituto del cobre orientado a usos mecánicos es aún más incierta, pero el nuevo compuesto es tan versátil que también podría ser posible esa sustitución.
En este contexto, los nuevos usos del cobre son mayores a los que su mercado pierde por la actual sustitución. Por lo tanto, en el mediano plazo, la debilidad de la oferta (asociada a la reducción de las leyes minerales y la escasa introducción de nuevos proyectos) y la irrupción de China e India en el mundo con la opción por satisfacer su demanda por infraestructura ha generado expectativas de que se tenga un creciente déficit de cobre en el futuro –aún en medio de la debilidad del consumo en los países desarrollados– lo que ha disparado su precio a niveles históricos, cercanos a US$4/libra. Sin embargo, en el corto plazo, la debilidad puntual de la demanda china podría hacer retroceder al precio a niveles de US$3,60/libra, lo que no impediría que a fines de 2011 el precio del cobre podría alcanzar los US$5/libra.
El cobre es un elemento químico –no un compuesto químicamente sintetizable, como lo era el salitre– lo que lo hace más difícil de sustituir. Siempre tendrá múltiples aplicaciones derivadas del cambio tecnológico. Sin embargo, el grafeno es un compuesto de nueva estirpe, cuya aislación parece algo propio de los métodos derivados la ―alquimia‖ científica del siglo XXI. No se trata del aluminio o de la fibra óptica, que no tuvieron la capacidad para penetrar en el feudo del
mercado del cobre: la conducción eléctrica.
En cambio, el grafeno sí tiene las propiedades necesarias para invadir el mercado del cobre. La pregunta es si la tecnología será capaz de producir grafeno en grandes cantidades –lo que aún es técnicamente inviable– y si se podrían desarrollar redes conductoras de electricidad con grafeno, a un costo inferior al que actualmente requieren las redes de cobre. Aún es temprano para validar estas aprensiones, pero hay razones para vislumbrar que las propiedades del grafeno como conductor eléctrico sí podrían tener el potencial para sustituir al cobre en los usos eléctricos y electrónicos.
En 2010, la producción y el consumo global de cobre serían del orden de las 19 millones de TM. Sin introducción del grafeno como sustituto, la producción y el consumo deberían subir a niveles en torno a los 40 millones de TM en 2025. Sin embargo, en presencia de un hipotético escenario en que el grafeno se disemine como eficiente sustituto del cobre, más de la mitad de ese consumo se evaporaría y los precios se irían al suelo, de tal forma que la mayoría de las mineras cerraría. En Chile, gran parte de las mineras de cobre terminarían igual que las de salitre. Sólo sobrevivirían las mineras por debajo de la mediana del cuartil de costos, o bien, las mineras que tienen oro y uranio, como crédito asociado a su calidad de subproducto.
Hasta la fecha, a pesar del alza de los precios, no se vislumbraban amenazas de sustitución para el cobre. Sin embargo, el grafeno tiene el potencial de cambiar esta historia. ¿Es el grafeno una amenaza para el cobre, de tal forma que gran parte de la demanda por cobre orientado a la conducción eléctrica se oriente al grafeno?
¿Puede el grafeno convertirse en el sustituto del cobre? ¿En qué plazo? Por ahora, son preguntas sin respuesta, pero muy probablemente, dado el rápido y vertiginoso cambio tecnológico, en
diez años más los empresarios mineros tomarán decisiones de inversión en proyectos cupríferos con parte de estas preguntas ya respondidas.
También existe el escenario –más positivo– de que el grafeno se introduzca en aleaciones de cobre tan sólo para mejorar su conductividad, lo que mejoraría aún más la demanda por cobre.
Lo único que está claro es que el grafeno, de generarse la tecnología para una producción masiva, tendría el potencial de provocar un cambio tecnológico en todos los procesos de producción, que no sólo podría afectar al consumo de cobre, sino también a la estructura de producción de múltiples industrias y servicios, no sólo a la del cobre.
¿Puede el grafeno provocar el mismo impacto que el cobre ejerció en sus inicios? Aún es temprano para saberlo. Todavía no está claro cuáles podrían ser los costos de producción del grafeno en grandes cantidades, es incierta la forma en que se manifestaría su aplicación como conductor eléctrico y también es incierto el plazo en el cual se desarrollarán masivamente las primeras aplicaciones, las que se concentrarían en los microcircuitos, por la vía de la introducción de los
―nanotubos‖ de carbono.
Sin embargo, al revés del aluminio, la fibra óptica o los superconductores, el grafeno sí tiene los atributos necesarios para sustituir al cobre. Lo que no está claro aún es cuál sería el camino del futuro desarrollo tecnológico y si la conducción eléctrica sería uno de esos caminos.
ImpactoFinanciero
Europa, Japón, China y el resto de Asia que se han propuesto desarrollar aplicaciones para usar el grafeno en nuevos procesos de producción y de generación y transmisión de energía. Sin embargo, por ahora, aún no se ha logrado generar el método para producir grandes cantidades de grafeno (que puede generarse a partir del grafito, o bien, de la quema de carbón en una ―parrillada‖), pero podría ser tan sólo cuestión de tiempo. En este contexto, cabe esperar que aquellos que logren aplicaciones relevantes con el grafeno puedan generar un valor similar al que tuvieron las .con en los ‗90. Las aplicaciones del grafeno tienen el potencial de cambiar la totalidad de la estructura de costos y de producción de toda la industria, en todos los sectores. Aleaciones de acero, el aluminio y los plásticos, además del cobre, podrían ser sustituidos, o bien, mejorados (en este último caso, la demanda por cobre podría incluso aumentar). También podría esperarse la sustitución de la sílice por el grafeno en los microprocesadores.
En el caso del cobre, si se llegara a sustituir su uso como conductor eléctrico por compuestos derivados del grafeno, el consumo global y sus precios caerían significativamente, originándose así la reducción forzada de la producción global. Sólo las minas más eficientes –con subproductos de oro- podrían sobrevivir. Por lo tanto, todavía es temprano para vislumbrar que el grafeno sustituya al cobre en el largo plazo. En todo caso, será una amenaza latente a partir de diez años más. Las consecuencias políticas, económicas y financieras de una masiva sustitución de cobre por el grafeno serían Inesperadas. Muchas minas podrían cerrar. El cobre pasaría a ser tan sólo un producto más de exportación.
Por ahora, este escenario es de economía ficción. Pero es un escenario posible, dentro de un abanico de posibilidades, desde el
2020-2030 en adelante.
Más allá de un shock de demanda inducido por China, el grafeno tiene el potencial de generar el shock de oferta más relevante de la historia
de la humanidad, si es que se convierte en un barato conductor
eléctrico de aplicación masiva.
2.3 Marco Teórico
2.3.1 Conceptualización de la variable Independiente: Grafeno:
Es difícil describir todo lo que se puede hacer con el grafeno.
Considerado el material del siglo XXI, para el mundo científico una de sus principales cualidades es su alto nivel conductivo, tan bueno o mejor que el del cobre. Esto ha significado que la Unión Europea y países como Corea del Sur inviertan millones en la investigación y desarrollo de este material.
Con cautela, los que habían escuchado de este material, de antemano buscaron información al respecto para entender los verdaderos
alcances que puede tener su desarrollo futuro para la industria del cobre. Pocos sabían en ese entonces lo que era el grafeno, ni menos que los científicos habían logrado alcanzar un revolucionario método para sintetizar y estabilizar este material bidimensional formado por carbono puro. Hasta ese momento, su existencia se mantenía en teoría, pues las pruebas químicas que se habían realizado no lograban dar estabilidad suficiente a la sustancia, lo que hacía poco factible su uso como conductor eléctrico en futuros desarrollos comerciales.
Fig. 1: Lámina de grafeno
2.3.2 Conceptualización de la variable dependiente:
Probable reemplazo del cobre:
A André Geim y Konstantin Novoselov se les ocurrió tomar un trozo de grafito, el mismo material con él están hechos los lápices mina, y una tira de papel celofán convencional. Con esto, conseguirían extraer una delgada capa de grafeno.
No se trata de cualquier ociosidad. Más bien, de una simple acción que les valió el premio Nobel de Física en 2010 y que podría
revolucionar, entre muchas áreas, el mercado de los metales. Según expertos, este material podría reemplazar fácilmente al cobre en unos diez años más.
El grafeno es una sustancia resistente y dotada de la mayor conductividad eléctrica y térmica que existe. Es prácticamente transparente, su cristal es extremadamente delgado (tanto como un átomo) y tan denso que ni siquiera el helio, el componente más pequeño, podría atravesarlo.
Todas sus características apuntan a que es el reemplazante natural del viejo conocido cobre, quien reviste hasta el día de hoy todas las características del mejor material para fabricar conductores y
Fig. 2 Uso del grafeno.
En el estudio "La minería del Cobre 2012", publicado por el Grupo de Estudios Internacionales del Cobre, la industria cuprífera cubre un 54 por ciento de la comercialización de equipamiento electrónico,
componentes de vehículos y de maquinaria industrial para todo el mundo.
Dadas las propiedades del grafeno y su versatilidad, podría competir en esta misma cancha con este meta.
No obstante, hasta el momento, este componente que Geim y Novoselov extrajeron con un simple papel celofán, aún no se encuentra en un estado de producción a gran escala dado que los costos son altos. Paradójicamente, el grafeno está hecho por uno de los compuestos más abundantes del planeta: el carbono
2.4 Definición de términos
Premio nobel
Se otorga cada año a personas que efectúen investigaciones, ejecuten descubrimientos sobresalientes durante el año precedente, lleven a cabo el mayor beneficio a la humanidad o contribución notable a la sociedad en el año inmediatamente anterior.
Microprocesador
Es el circuito integrado central y más complejo de un sistema informático; a modo de ilustración, se le suele llamar por analogía el
«cerebro» de un computador. Es un circuito integrado conformado por millones de componentes electrónicos. Constituye la unidad central de procesamiento (CPU) de un PC catalogado como microcomputador.
Shock de oferta
Tipo de perturbación exógena que afecta positiva o negativamente la oferta de bienes de la economía. Ejemplo de shock de oferta es la variación en los precios del petróleo.
Nanotubos
Son una forma alotrópica del carbono, como el diamante, el grafito o los fullerenos. Su estructura puede considerarse procedente de una lámina de grafito enrollado sobre sí misma.1 Dependiendo del grado de enrollamiento, y la manera como se conforma la lámina original, el resultado puede llevar a nanotubos de distinto diámetro y geometría interna. Estos están conformados como si los extremos de un folio se uniesen por sus extremos formando el susodicho tubo, se denominan nanotubos monocapa o de pared simple
Aleación
Es una combinación, de propiedades metálicas, que está compuesta de dos o más elementos, de los cuales, al menos uno es un metal.
Transistor
Es un dispositivo electrónico semiconductor que cumple funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. El término «transistor» es la contracción en inglés de transfer
resistor («resistencia de transferencia»). Actualmente se encuentran
prácticamente en todos los aparatos electrónicos de uso diario: radios, televisores, reproductores de audio y video, relojes de cuarzo, computadoras, lámparas fluorescentes, tomógrafos, teléfonos celulares, etc.
Componente electrónico
Aquel dispositivo que forma parte de un circuito electrónico. Se suele encapsular, generalmente en un material cerámico, metálico o plástico, y terminar en dos o más terminales o patillas metálicas. Se diseñan para ser conectados entre ellos, normalmente mediante soldadura, a un circuito impreso, para formar el mencionado circuito.
Efecto Joule
fenómeno irreversible por el cual si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por el que circulan, elevando la temperatura del mismo. El nombre es en honor a su descubridor, el físico británico James Prescott Joule.
Alotropía
Es la propiedad de algunos elementos químicos de poseer estructuras químicas diferentes.
Glosario de Acrónimos
1. IBM : International Business Machines
2. ADN: ácido desoxirribonucleico
III. HIPÓTESIS
3.1 Hipótesis General
Como puede apreciarse en todo lo leído, es muy probable la síntesis y la industrialización del grafeno a gran escala por las empresas; reemplazando al cobre en algunos años más (10 o más), a pesar de todas las consecuencias económicas, políticas, y estructurales que pueden afectar a aquel Estado que las aplique. Gracias a la gran conductibilidad del cobre se buscara disminuir el costo de extracción y elaboración del grafeno en hilos conductores para por fin ponerlo al mercado mundial.
3.2 Sub - Hipótesis
Se puede observar que los hilos conductores son muy resistentes y respecto a ello ―el precio variaría según los costos de producción del grafeno‖, así lo afirman algunas empresas en conferencias hechas en Europa.
Las empresas están entrando en una etapa de conversaciones y abordando muchas conferencias respecto a este tema, pues la introducción del grafeno puede indicar el cierre de algunas empresas y el florecer de otras; con los cual se podría afectar la economía de un país.
Aparte de la gran capacidad de conducción de la electricidad del grafeno se buscan más aplicaciones, quisiera agregar que actualmente también se comienza a aplicar este material en la producción de microchips para el cerebro, debido a que es inoxidable, transparente y muy flexible.
IV. METODOLOGÍA
4.1 Relación entre variables de la investigación
Unidad de análisis:
Conductibilidad del Grafeno
Variable Independiente : ( VI )
Variable Dependiente : ( VD )
Reemplazo del cobre
Elementos lógicos:
La relación entre X con Y, es de dependencia, CAUSA – EFECTO. X determina a Y.
Por el tipo de hipótesis es de investigación e informativa
A: Se estimará como causa que va explicar el problema
B: Se estimará como el problema.
Delimitación espacial:
Empresas emergentes.
4.2 Operacionalización de variables
A continuación se muestra la Operacionalización de las variables identificadas.
Cuadro No. 1
Operacionalización de variables e indicadores
VARIABLES DEFINICION CONCEPTUAL DEFINICION OPERACIONAL INDICADORES
Variable
Es un alótropo del carbono, un teselado hexagonal plano (como panal de abeja)
Material
novedoso, duro, bidimensio nal y
independiente
Grafeno (X)
formado
por átomos de carbono y enlaces covalentes que se generan a
partir de la superposición de
los híbridos sp2 de los carbonos Enlazados. El Premio Nobel de Física de 2010 se le otorgó a Andréy Gueim y a Konstantin Novosiólov por sus revolucionarios descubrimientos
acerca de este material.
Sin embargo, los estudios sobre su posible existencia y sus magníficas propiedades se remontan a la mitad del siglo XX. Durante este tiempo, los físicos estudiaron sus propiedades matemáticas e, incluso, algunos llegaron a concluir que un material de estas características no podía existir. Según Elsa Prada, investigadora del Instituto de Ciencia de
Materiales de
Madrid (CSIC), ―se pensaba que, si se conseguía aislar una sola capa de grafito, estaría tan llena de defectos que sería inestable a temperatura ambiente‖. Ahora, el grafeno no sólo es una realidad, sino que puede significar una completa revolución
tecnológica. Para Elsa Prada, es un material ―tan prometedor en distintas ramas de la ciencia y la tecnología que puede llegar
a abrumar‖.
VARIABLES DEFINICION CONCEPTUAL DEFINICION OPERACIONAL INDICADORES
Variable Dependiente Posible reemplazo del cobre (Y) Es el elemento químico de número atómico 29. Se trata de un metal de transición de color rojizo y brillo metálico que, junto con la plata y el oro, forma parte de la llamada familia del cobre, se caracteriza por ser uno de los mejores conductores de
Si bien desde un punto de vista científico, la sustitución del cobre por el grafeno – como conductor de
electricidad – ya es posible, todavía faltan algunos años para que sea una tecnología aplicada, y otros años más para que sea una industria instalada. El problema es que no se puede determinar en qué plazos pueden
electricidad (el segundo después de la plata). Gracias a su alta conductividad eléctrica, ductilidad y
maleabilidad, se ha convertido en el material más utilizado para fabricar cables eléctricos y otros componentes eléctricos y electr ónicos.
ocurrir dichos procesos y cualquier guarismo de años es meramente especulativo.
Elaboración propia.
4.3 Tipo de Investigación
Esta investigación está basada en brindar conocimiento sobre las propiedades del grafeno, y sobre su posible reemplazo a futuro sobre el cobre. El presente estudio es mucho más sobre información de actualidad.
Este planteamiento da como resultado el sustento empírico y cuantitativo que nos permitirá llegar a las conclusiones finales de nuestro trabajo de investigación.
4.4 Nivel de investigación
En el desarrollo nuestro proyecto, hemos aplicado los niveles informativo, explicativo y descriptivo.
Nivel Informativo: A través del cual busco brindar información
Nivel Explicativo: Se busca la forma mas facil de poder expresar
ciertas propiedades de los materiales a exponer.
Nivel Descriptivo: Nos permite establecer el grado de relación que
existe entre las variables: El grafeno por su mayor conductividad eléctrica podría sustituir al cobre.
4.5 Etapas de la Investigación
Las etapas de la investigación según Hernández Sampieri, Roberto (2002) y otros en su obra Metodología de la Investigación comprende lo siguiente:
Cuadro No. 2
ETAPAS DE LA INVESTIGACIÓN ETAPAS DE LA
INVESTIGACIÓN DESCRIPCIÓN EN TÉRMINOS GENERALES
01 Concepción de la idea a investigar
Reemplazo del cobre por el grafeno.
02 Planteamiento del
problema de Investigación
Industrialización y reemplazo del cobre por el grafeno.
03 Elaboración del marco teórico
VI: VD:
04 Definición de la investigación
Investigación informativa, principal y explicativa
06 Selección del diseño de investigación
Diseño: Informativo y actualizado
07 Selección de la muestra Usuarios de Internet doméstico
08 Recolección de los datos Cuestionario
09 Análisis de los datos SPSS
10 Presentación de los resultados Tesis Elaboración propia. 4.6 Población y Muestra: 4.6.1 Población
La población del estudio de investigación, está compuesta por los lectores del trabajo. (Pues es informativa)
4.6.2 Muestra
El Estudio realizado por los investigadores en el 2010, de un poco de carbono extraído para la ocasión de una mina de las montañas de Rusia.
4.7 Técnicas e Instrumentos de Recolección de datos
Las principales técnicas y/o instrumentos que se han utilizado y utilizarán posteriormente en nuestra investigación son:
Lectura apropiada y minuciosa de los artículos encontrados. El Orden y buena redacción del documento.
Revisión documental: Se ha utilizado esta técnica para obtener
información a través de las normas, libros, tesis, manuales, reglamentos, directivas y otro tipo de información relacionado con nuestro tema de investigación ―Grafeno, futuro reemplazo al cobre‖.
Descripción de los instrumentos
Ficha bibliográfica: Este instrumento se ha utilizado para recopilar datos en formatos o fichas ordenadas metodológicamente relacionadas con: ―Desarrollo de un Software Educativo para optimizar la enseñanza de la Química General a nivel de Educación Superior en Lima Metropolitana y Callao‖.
Guía de conferencias : Es un formato especialmente diseñado para recopilar las entrevistas que se realizarán a eruditos y expertos e nuestro tema. También se considera importante este instrumento para la elaboración de las recomendaciones en el informe final (tesis).
Procedimientos de comprobación de validez y confiabilidad de los instrumentos de recopilación de información.
Los instrumentos elaborados (encuestas) serán consultados a docentes especializados en el tema de nuestra investigación quienes revisaran y emitirán un juicio acerca de las preguntas
elaboradas y aplicadas a siete representantes de la muestra quienes serán escogidos al azar, con la finalidad de comprobar la calidad de la información en relación a los objetivos planteados en nuestra investigación.
4.8 Procedimiento estadístico y análisis de datos
4.8.1 Técnicas de análisis
Se aplicarán las siguientes técnicas: Análisis documental
Conciliación de datos Indagación
Rastreo
4.8.2 Técnicas de procesamiento de datos
En el desarrollo del trabajo de investigación se procesarán los datos obtenidos de las diferentes fuentes de información a través de las técnicas que presentamos a continuación.
Ordenamiento y clasificación Registro manual
Análisis documental
Tabulación de Cuadros con porcentajes Comprensión de gráficos
4.8.3 Serie de artículos Relacionados al Grafeno.
Avances en vidrios ultradelgados
Exhiben un vidrio ultradelgado que envuelve objetos
Llamado Willow Glass, el cristal fue exhibido en la semana de laSociety for
Information Display’s DisplayWeek, una feria industrial que se celebró en esa
ciudad estadounidense.
Corning, cuya sede está en Nueva York, es la compañía que desarrolló el Gorilla Glass, un cristal delgado y transparente.
De acuerdo con la compañía, el material podría ser usado no sólo en teléfonos celulares inteligentes, sino en pantallas de visualización que no son planas. Pero hasta que esas pantallas aparezcan en el mercado, el vidriopodría ser usado para la fabricación de dispositivos celulares.
―Cada día las pantallas se vuelven más y más omnipresentes y los fabricantes tienden a hacer tanto los dispositivos como sus pantallas más delgadas‖, indicó Dipak Chowdhury, director del programa Willow Glass en Corning.
El prototipo expuesto en la feria era tan delgado como una hoja de papel. La compañía indicó que el material puede llegar a medir sólo 0,05 milímetros de grueso, mucho más delgado que las actuales pantallas de 0,2 milímetros o 0,5 milímetros.
El material usado para hacer Willow Glass es el resultado del proceso de fabricación de vidrios que la empresa denomina Fusion.
La técnica consiste en derretir los ingredientes a 500 grados y producir una lámina continua que puede enrollarse en un mecanismo similar al que posee una imprenta tradicional.
El método de enrollamiento es mucho más sencillo y rápido en términos de producción en masa que el proceso convencional de crear láminas de vidrio superdelgadas, indicó la empresa.
En el futuro, Willow Glass podría reemplazar el ampliamente usado Gorilla Glass, que actualmente se encuentra en varios teléfonos inteligentes y tabletas. En la feria tecnológica Consumer Electronics Show que este año se celebró en
Las Vegas, Corning develó el Gorilla Glass 2, el cual es 20% más delgado que el producto original, pero con la misma resistencia.
La primera generación de Gorilla Glass, que se lanzó en 2007, ha sido usada en más de 575 productos de 33 fabricantes. Se calcula que más de 500 millones dispositivos están hechos con él.
El primero en ver su potencialidad fue el fundador de Apple, Steve Jobs, quien contactó a Corning cuando la empresa estaba desarrollando la pantalla para su primer iPhone en 2006.
Otros desarrollos
Willow Glass no es el primer intento de producir una pantalla flexiblefuturista. En los últimos años, científicos en todo el mundo han estado trabajando con un material conocido como grafeno, producido por primera vez en 2004.
Se trata de una forma de carbono superconductora hecha a partir de láminas de un solo átomo de espesor.
En una entrevista con la BBC, la investigadora de la Universidad de Cambridge Andrea Ferrari señaló que los prototipos de pantallas táctiles flexibles hechas con grafeno ya han sido desarrollados y que además de ser ultraresistentes y flexibles, en el futuro podrán incluso darle a sus usuarios una ―sensacional‖ experiencia de retroalimentación.
―Pasamos de botones físicos a pantallas táctiles, el siguiente paso será integrar algunas capacidades sensoriales‖, indicó la profesora Ferrari.
―Su teléfono será capaz de sentir si usted lo está tocando, captará el ambiente a su alrededor, no tendrá que presionar un botón para apagarlo o prenderlo, él sabrá si usted lo está usando o no‖.
En un proyecto diferente, científicos del Laboratorio de Medios Humanos de la universidad canadiense Queen‘s University y del grupo de Investigación de Ambientes Motivacionales de la Universidad del Estado de Arizona, crearon en 2011 un prototipo flexible de milímetros de grosor de un teléfono inteligente hecho a partir de un material llamado papel electrónico.
Los científicos señalaron que han usado la misma tecnología de tinta electrónica (e-ink) que la usada en el Kindle de Amazon.
―Esta computadora se ve, se siente y opera como una pequeña lámina de papel interactivo‖, indicó el doctor Roel Vertegaal.
―Interactúas con él al doblarlo como un teléfono celular, pasando la página desde la esquina o escribiendo sobre él con un bolígrafo‖.
Crean material conductor de electricidad
Ultra delgado e invisible a simple vista
basado en grafeno
Crean material conductor de electricidad ultra delgado e invisible a simple vista basado en grafeno
Los investigadores de la Universidad de Exeter usaron una capa de átomos de carbono para construir el GraphExeter.
El material es colocado sobre grafeno, una lámina plana de carbono con un grosor de un solo átomo y que, gracias a sus propiedades singulares, ha tenido una amplia gama de aplicaciones.
Se espera que el GraphExeter sea usado en el futuro para mejorar la tecnología de pantalla táctil, así como para telas, espejos y otros materiales si los científicos consiguen crear una versión impregnable.
Convierten agua salada en agua potable
con un filtro de grafeno
Convierten agua salada en agua potable con un filtro de grafeno
A pesar de que los océanos y mares contienen alrededor del 97%
del agua existente sobre la Tierra, en la actualidad apenas un 1%
del suministro mundial de agua potable proviene del agua desalada.
Realmente muy poco. Los científicos creen que este recurso podría
ser más y mejor explotado, con técnicas de desalinización más
eficientes y menos costosas. Dos investigadores del Instituto de
Tecnología de Massachusetts (MIT) han dado un interesante paso
en ese camino. En simulaciones, dicen haber demostrado que los
nanoporos de grafeno pueden filtrar la sal del agua a una velocidad
de 2 a 3 veces mayor que la mejor tecnología de desalinización
comercial que existe en la actualidad (la ósmosis inversa).
Los investigadores creen que la superior permeabilidad al agua del
grafeno podría conducir a técnicas de desalinización que requieren
menos energía y equipos, según explican en Physorg. «Este
trabajo muestra que algunos de los inconvenientes de las técnicas
de desalinización actuales se podrían evitar con la invención de
materiales membrana más eficientes y precisos», dice Jeffrey C.
Grossman, del MIT. Los investigadores creen que este material
permite el flujo real de agua, evita por completo que se filtre la sal y
tiene una permeabilidad mucho mayoren comparación a la ósmosis
inversa. Y todo ello mucho más rápido que con las técnicas
actuales.
Una sola capa de grafeno, que tiene un átomo de carbono de
espesor, resulta muy delgada, por lo que es ventajoso para la
desalinización del agua. En la eficacia de la deslinización participan
el tamaño de los poros del material y la presión aplicada. Claro que
esto tiene un pequeño inconveniente: hace falta que la humanidad
consiga fabricar grafeno de forma sencilla y barata.
Los científicos esperan probar la capacidad de desalación con
grafeno en los próximos meses. Si realmente es una técnica
exitosa, podría ayudar a conseguir agua potable en aquellos lugares
del mundo azotados por la desertización y la sequía. La
investigación aparece publicada en NanoLetters.
Fig. 4 Agua y grafeno.
Científicos gallegos dan un paso más hacia
los dispositivos de grafeno
Científicos de IBM y del Centro de Investigación en Química Biológica y Materiales Moleculares (CIQUS) de laUniversidad de Santiago de Compostela (USC) han diferenciado, por primera vez, los enlaces químicos existentes en moléculas individuales utilizando una técnica conocida como microscopía de fuerza atómica (AFM).
Explica el profesor de la USC Diego Peña Gil:
“El grafeno es el material con las propiedades más prometedoras. Estas están estrechamente relacionadas con la distribución de los electrones en la estructura molecular; de ahí la importancia de visualizar detalles con resolución atómica”.
Asegura el científico gallego Peña Gil:
“La técnica que se desarrolló permitirá a científicos identificar moléculas individuales con gran precisión y observar su comportamiento químico y físico de forma aislada, dicha técnica supone una poderosa herramienta para controlar nuestro entorno en la escala atómica”.
Este descubrimiento es importante para el estudio de los dispositivos fabricados con grafeno, considerado el material del futuro por sus características:
transparente, flexible, ligero, muy resistente e impermeable. Los resultados de este descubrimiento son publicados en la revista ―Sciencie―, llevan más lejos las investigaciones sobre la utilización de las moléculas y átomos a la escala más reducida.
Hoy en día, se está estudiando la aplicación de estos dispositivos en ámbitos como las comunicaciones inalámbricas de banda ancha y las pantallas electrónicas.
Leo Gross, científico de IBM, añade:
Los científicos visualizaron el orden y longitud de enlaces individuales entre átomos de carbono en nanoestructuras de fullerenos C60, conocidas también como buckyball -por su forma de balón de fútbol- y en dos hidrocarburos policíclicos aromáticos (PAHs) planos, que se asemejan a pequeños copos de grafeno.
El grupo del CIQUS, que dirigen los profesores Peña Gil, Guitián
Rivera y Pérez Meirás, es especialista en la síntesis de PAHs de tamaño nanométrico. En los últimos años estos materiales acaparan un gran interés de la comunidad científica debido a sus propiedades únicas en el campo de los materiales moleculares. Concretamente se utilizan en la fabricación de
dispositivos electrónicos como los transistores orgánicos de efecto campo, las células solares y los diodos orgánicos emisores de luz.
Descubren que el grafeno es capaz
de autorepararse
Descubren que el grafeno es capaz de autorepararse
Investigadores de la Universidad de Manchester han podido comprobar que cuando una lámina de grafeno recibe algún daño que quiebra su estructura produciendo un agujero consigue atraer átomos de carbono situados en las
proximidades para así reparar los huecos. Casi como si se tratase de magia,
dichos átomos capturados van situándose en los huecos donde son requeridos. Los investigadores han realizado este descubrimiento por accidente, como muchas otras veces ha sucedido en la Historia de la Ciencia. Estaban investigando cómo se forman los agujeros en las láminas de grafeno cuando añadieron metal en contacto con el material de marras y cuál no sería su sorpresa al constatar que átomos sueltos de carbono que quedaban cerca de los agujeros en la superficie del grafeno rápidamente pasaban a cubrir los
agujeros, reparando así la integridad de la lámina.
Recordemos que el grafeno se presenta en láminas del grosor de un átomo, de ahí su fragilidad y la facilidad con que puede dañarse, pero al mismo tiempo parece ser que de ahí procede la facilidad que tiene para repararse a base de ―capturar‖ átomos sueltos de carbono que ocupen el lugar del agujero causado. Fig.6: Grafeno reparándose.
Por accidente
El estudio lo llevó a cabo un grupo de investigadores de la Universidad de Manchester, Reino Unido, –incluyendo a Konstantin Novoselov, quien compartió un premio Nobel por ser uno de los descubridores del grafeno– y del Laboratorio SuperSTEM de Ingeniería y Ciencias Físicas del Consejo de
Investigación en Daresbury, Reino Unido.
El equipo estaba inicialmente interesado en los efectos de agregar contactos de metal a tiras de grafeno, que es la única manera de explotar sus fenomenales propiedades electrónicas.
Ese proceso crea de manera rutinaria agujeros en las tiras, que son del grosor de un átomo. Por eso, los investigadores trataron de entender cómo se forman esos agujeros, por lo cual dispararon corrientes de electrones en las hojas de grafeno. Después estudiaron los resultados con un microscopio electrónico. Para su sorpresa, encontraron que, cuando átomos de carbono pasan cerca de las hojas de grafeno, los átomos encajan en ese lugar, logrando la reparación de la hoja de dos dimensiones.
―Simplemente ocurrió sin que nos diéramos cuenta,‖ dijo el coautor del estudio Quentin Ramasse del laboratorio SuperSTEM. ‖Lo hemos repetido unas cuantas veces y luego tratamos de comprender cómo ocurrió‖, dijo a la BBC.
Dos dimensiones
Las formas irregulares en las hojas de grafeno se generan por unas moléculas llamadas hidrocarburos, que son producto del carbono que se puede presentar a su alrededor. Algo parecido ocurre cuando los átomos de metal pasan cerca, creando agujeros en los bordes.
Sin embargo, los átomos de carbono puro chocan con los átomos de metal fuera del camino, reparando a la perfección los agujeros y formando un enrejado fresco e ininterrumpido de hexágonos.
―Si usted puede controlar el reservorio de carbón de un agujero, reduciéndolo a pequeñas cantidades, se podrían arreglar los bordes del grafeno o reparar los agujeros ―, dijo Ramasse.
―Sabemos cómo conectar pequeñas tiras de grafeno, perforarlo, adaptarlo, esculpirlo; y ahora parece que podríamos ser capaces de hacer volver a crecer de una manera razonablemente controlada.
Mejoran los disipadores gracias al
grafeno y al cobre
Fig.7: Disipador de grafeno .
A medida que los dispositivos electrónicos avanzan la necesidad de una disipación mejor es mucho mayor. Los actuales disipadores de aluminio o
cobre suelen ser suficientes, pero un investigador de la universidad de Carolina del Norte, Estados Unidos, ha encontrado una manera más eficiente de refrigerar cualquier tipo de dispositivo, comenzando por los ordenadores, utilizando una interesante aleación de cobre y grafeno que debería ser bastante más eficiente y económica que los productos fabricados con otras aleaciones más tradicionales.
El grafeno, material futurista que se está explotando en investigación y desarrollo desde hace algunos años — y dando resultados óptimos desde no hace tantos — es la sustancia con la que el Dr. Jag Kasichainula ha mezclado el típico cobre de cualquier disipador actual, creando un compuesto que junto a una película hecha con una mezcla de indio y grafeno es capaz de mejorar la eficiencia térmica de un disipador.
Los dos materiales, cobre y grafeno, tienen unas cualidades de conducción térmicas excelentes, y por lo tanto su aleación permite disipar el calor generado por cualquier circuito eléctrico de una manera mucho más eficiente que los sistemas de refrigeración tradicionales, hasta un 25% más rápido que un
bloque de cobre puro según las pruebas llevadas a cabo. Por si fuera poco, el estudio del Dr. Kasichainula también asegura que la aleación resultante de la deposición electroquímica de los dos elementos resulta más económica, pues reemplazar parte del costoso cobre por grafeno rebaja el coste total. Ya conocíamos las capacidades de conducción eléctrica y térmica del grafeno, pero este avance hace que su aplicación en la electrónica de consumo sea más sencilla, mejorando productos existentes como los socorridos disipadores de cobre que todos hemos podido ver cubriendo un módulo de memoria, un núcleo gráfico, la CPU de un reproductor multimedia, y por supuesto en el ámbito industrial.
Diseñan batería de grafeno que funciona
recargándose mediante el calor del
ambiente
Diseñan batería de grafeno que funciona recargándose mediante el calor del ambiente
Los resultados del diseño están en proceso de ser revisados por pares, pero si se confirma, por ejemplo, el dispositivo tendrá uso en una amplia gama de aplicaciones, incluyendo la alimentación energética de órganos artificiales mediante el calor del cuerpo, la generación de energías renovables y la alimentación eléctrica en aparatos electrónicos.
Los iones en solución acuosa se mueven a velocidades de cientos de metros por segundo a temperatura ambiente y presión. La energía térmica de estos iones puede alcanzar varios kilojulios por kilogramo por grado. Sin embargo, hasta ahora, se había hecho poco el trabajo para encontrar la manera de aprovechar esta energía y producir electricidad.
Zihan Xu y sus colegas hicieron su batería conectando electrodos de plata y oro a una tira de grafeno – que es una película de carbono de sólo un átomo de espesor. En sus experimentos, los investigadores mostraron que seis de estos dispositivos en serie coloca dos en una solución de iones de cloruro de cobre podría producir una tensión de más de 2 V. Esto es suficiente para conducir electricidad a un diodo rojo emisor de luz.
La tecnología es muy diferente a las baterías convencionales de iones de litio, por ejemplo, que convierten la energía química en electricidad. ―La salida de nuestro dispositivo es también continua y funciona exclusivamente por la recolección de la energía térmica de los alrededores mediante iones de cloruro de cobre, los cuales, en teoría, es ilimitado‖, dice Xu.
Según los investigadores, la batería funciona más bien como una célula solar. Los iones de cobre (Cu + 2 ) continuamente chocan con la tira de grafeno en la batería. Esta colisión tiene energía suficiente para desplazar a un electrón del grafeno. Este electrón puede entonces combinarse con los iones de cobre o viajar a través de la tira de grafeno y entrar en el circuito.
Dado que los electrones se mueven a través del grafeno a velocidades extremadamente altas (gracias al hecho de que se comportan como partículas relativistas sin masa en reposo), viajan mucho más rápido en el material basado en carbono que en la solución iónica. El electrón liberado por lo tanto, naturalmente, prefiere viajar a través del circuito de grafeno en lugar de a través de la solución. Así es como el voltaje es producido por el dispositivo,
Aumentar la tensión de salida
Los investigadores también hallaron que la tensión producida por el dispositivo podría ser aumentado por el calentamiento de la solución iónica y la aceleración de los Cu 2 + iones con ultrasonido. Ambos métodos funcionan porque aumentan la energía cinética de los iones.
La tensión también aumenta si la solución de cobre-cloruro está más concentrada con iones de Cu + 2 , debido a que la densidad de Cu 2 + en el grafeno es entonces mayor. Otras soluciones catiónicos se pueden emplear también, como Na + , K + , Co 2 + y Ni 2 + , aunque estos producen menos salidas de tensión.
La única capa atómica de la naturaleza del grafeno es crucial para esta batería, dicen los investigadores, quienes también experimentaron con películas delgadas de grafito y nanotubo de carbono -. Ellos descubrieron que estos materiales sólo producen bajas tensiones de alrededor de microvoltios, que podrían ser considerados como ruido.
Bor Jang de Nanotek Instrumentos en Dayton, Ohio, quien ha trabajado en la fabricación de supercondensadores de grafeno, dice que el concepto descrito parece ―muy interesante‖ pero que ―más trabajos serán necesarios para evaluar si el método podría proporcionar suficiente energía o densidad de potencia para aplicaciones prácticas ―.
Por su parte, el equipo de Hong Kong, planea ahora para mejorar la potencia de salida de su dispositivo basado en el grafeno y seguir investigando cómo funciona.
