Panel solar del futuro a base de Grafeno


Categoría: Pandilla Juvenil (1ro. 2do. y 3ro. de nivel Secundaria)
Área de participación: Ciencias de los Materiales

Asesor: Marisa Calle Monroy.

Miembros del equipo:
Lizbeth Osorio Benavides(2do), Cozumel,
Claudia Madrid Flores(2do), Cozumel,
Amalinalli Ramírez Vargas(2do), Cozumel,

Resumen

El grafeno se integra por átomos de carbono ordenados de tal manera que forman una malla hexagonal y con un solo átomo de espesor, es el material más delgado del mundo, es muy flexible, casi irrompible, ya que es de la misma familia de materiales que el diamante, conduce la electricidad mejor que el arseniuro de galio y el calor mejor que la plata.

Hasta ahora es la industria de los teléfonos la que está provocando un interés comercial más evidente y la que concentra la mayoría de las más de mil patentes sobre el grafeno que se han registrado en los últimos años, ya que los teléfonos más actuales que se han sacado a la venta, están hechos de este material.

Nosotras nos centraremos en el campo de las energías, especialmente la solar, en la cual los paneles solares comunes podrían ser más resistentes y económicos, ya que las láminas de grafeno serán flexibles.

Intentaremos lograr que este tipo de láminas conduzcan el calor y lo transformen en energía eléctrica, ya que el grafeno es un material semiconductor. Además de que esto tendría el beneficio de ser económico, todos sus materiales serán  de acceso fácil y a un bajo costo.

Si todas las personas consumieran energía por medio de los paneles solares habría menos contaminación y una mejora en la economía ya que el gasto de la energía eléctrica es demasiado, porque hoy en día existen más aparatos electrónicos de los que dependemos, por lo tanto, consumimos más energía.

Pregunta de Investigación

¿Cómo podremos reemplazar las láminas del panel solar común por láminas a base de grafeno?

Planteamiento del Problema

La electricidad que la mayoría de nosotros utilizamos se tiene que pagar mensualmente de acuerdo a la cantidad que uno utiliza, además de que contamina, por esta razón se han creado paneles solares, los cuales tienen un costo muy elevado y se cobra la instalación.

Para lograr elaborar paneles caseros y de menor costo reemplazaremos las láminas de estos por otras elaboradas a base de grafeno.

Para reemplazarlas empezaremos por elaborar grafeno, el cual combina una gran cantidad de propiedades que no se encuentran en cualquier otro compuesto además de que es capaz de mejorar por completo las condiciones de cualquier superficie donde se aplique y de generar electricidad a través de energía solar, lo que lo convierte en un material prometedor en el campo de las energías limpias. Por esta razón el material ha de ser maleable y transparente.

Antecedentes

Detergente, agua y grafito: así se hace grafeno con una batidora

El grafeno es conocido por sus excepcionales cualidades que le otorgan el honor de ser uno de los materiales más delgado y al mismo tiempo resistente del mundo. Hasta ahora, su uso estaba limitado a los laboratorios, pero un equipo de científicos británicos asegura que es tan fácil de fabricar que cualquiera podría hacerlo en su cocina, con una simple batidora.

Una investigación publicada en Nature Materials y financiada por la compañía Thomas Swan, ha demostrado cómo se pueden fabricar láminas microscópicas de este codiciado material desde casa con tan solo unos pocos elementos al alcance de todos.

Concretamente, los científicos han usado grafito en polvo (el material del que está hecha la punta de los lápices), medio litro de agua y de 10 a 25 ml de detergente que, mezclados a alta velocidad, permiten fabricarlo.

El resultado son hojas minúsculas de grafeno, cada una de un nanómetro de espesor y 100 nanómetros de longitud, suspendidas en un líquido. Aunque eso sí, aseguran que la calidad no es la mejor.

“El grafeno por definición debería de tener una única calidad ya que estamos hablando de una monocapa de átomos de carbono. Pero no es así. Actualmente, existen distintas calidades. Al fabricarlo, puedes obtener láminas de grafeno pegadas unas a otras u otras impurezas. Esto sin embargo, para muchas aplicaciones no importa”, ha explicado a Teknautas José Ygnacio Pastor, catedrático en Ciencias Materiales de la UPM.

“El principal problema que conlleva este material es su precio, que es muy caro. En esta investigación han demostrado que se puede crear de forma económica. Cuando logren crear láminas más grandes habrán resuelto uno de los grandes problemas del grafeno. De momento, por lo  menos han reducido el precio, lo que es un primer paso. Quizás, el siguiente sea saber cómo ensamblar esas láminas minúsculas”.

El material que cambiará el mundo

No se crean que conseguirlo fue fácil. El autor principal del trabajo, Jonathan Coleman, ha explicado que su equipo llevó a cabo previamente varias pruebas, pero que tras varios intentos repitieron con éxito el experimento con una batidora de cocina de alta potencia. “En el laboratorio produjimos gramos. Sin embargo, podrían llegar a producirse toneladas con este proceso”, ha señalado Coleman.

Conocido como el material del futuro, el grafeno no deja de asombrar a la comunidad científica y tecnológica por sus increíbles propiedades e infinidad de aplicaciones potenciales Es más, los investigadores creen que éste supone un importante paso adelante para producir grafeno no solo sin límites, sino también de forma barata.

Conocido como el material del futuro, el grafeno no deja de asombrar a la comunidad científica y tecnológica por sus increíbles propiedades e infinidad de aplicaciones potenciales. Es un alótropo del carbono, es decir una de las formas divergentes que procede de ese elemento químico, como lo son también el carbón o el diamante.

Añadido a otros compuestos, como materia prima principal o como componente de nuevos procesos de laboratorio y producción, este revolucionario material permitirá, entre muchas otras cosas, fabricar filtros que separarán la sal del agua dos o tres más rápido que las desalinizadoras actuales, así como obtener combustibles que permitirán que los aviones alcancen mayores velocidades, optimizando el funcionamiento del motor y reduciendo el consumo y la contaminación ambiental. Además, es cien veces más eficaz como conductor eléctrico que el silicio y más fuerte que el diamante.

GRAFENO: Membranas perfectas para el futuro

Una membrana 100.000 veces más delgada que el cabello humano con posibilidades de revolucionar la industria textil y métodos de filtración atómica.
Esta vez han sido los científicos del ETH de Zurich, liderados por el profesor HYUNG GYU PARK los que consiguieron hacer nano poros en el material milagroso, con un potencial abrumador sobre sus semejantes.
Todo el mundo conoce el goretex, que es una membrana cuya gran cualidad es que las gotas de agua no son capaces de penetrar en ella y en cambio da una transpirabilidad a los elementos donde se aplica (ropa, calzado….).
Según comentan en sus estudios los investigadores del ETH Zurich, su membrana basada en GRAFENO no sólo es más ligero y flexible, sino que es mil veces más transpirable que la membrana más conocida del planeta.
Con un grosor de solo dos átomos, subrayan que es la membrana porosa más delgada posible técnicamente.
La técnica empleada para dicho material, es una película de doble capa de GRAFENO de gran pureza, usaron el método conocido como focused ion fresado para conseguir grabar los poros en el material atómico, dicha técnica en la que un haz de iones de helio y galio sirven para producir con una precisión sin precedentes nano poros en esta membrana futurista con aplicaciones espectaculares.
La posibilidad de elementos nanométricos abre un nuevo campo de control para gases y fluidos, que gracias a su eficiencia energética y a la posibilidad de hacer poros de distintos tamaños, hacen soñar con una revolución industrial en todos los campos donde se aplique.

Las 10 Propiedades del Grafeno

El grafeno es un material con una enorme potencialidad. Si los científicos implicados en la investigación sobre este producto logran producirlo de una forma más eficiente y barata, en pocos años se convertirá en habitual en gran parte de los objetos de nuestra vida cotidiana.

A continuación, te explicamos las principales propiedades con las que cuenta el grafeno:

  1. Dureza:Se puede definir la dureza de un material como la cantidad de energía que es capaz de absorber antes de romperse o deformarse. El en caso del grafeno su dureza se estima en aproximadamente unas 200 veces la del acero, casi similar a la del diamante. Es decir, que hablamos de un material muy resistente al desgaste y que puede soportar grandes pesos. Se estima que para atravesar una lámina de grafeno con un objeto afilado sería necesario establecer un peso sobre él de aproximadamente cuatro toneladas.
  2. Elasticidad:Al igual que pasa con la dureza, el grafeno presenta una elevada elasticidad. Esto hace que se pueda aplicar en muy diferentes superficies, de las cuales aumentará también la durabilidad, ya que al ser elástico tendrá menos posibilidades de quebrarse.
  3. Flexibilidad:Al tener una elevada elasticidad puede moldearse de diversas maneras, lo que aumenta enormemente los campos en los que se puede utilizar.
  4. Conduce muy bien el calor:La conductividad térmica es una propiedad física que mide la capacidad de un cuerpo de conducir el calor, es decir, de permitir el paso del calor a través de él. Es elevada en los metales, pero muy baja en el resto de los materiales, por lo general. La excepción a esto es el grafeno.
  5. Conduce muy bien la electricidad:Conduce mucho mejor la electricidad que el cobre, material que habitualmente se utiliza como base de los cables. Por otra parte, necesita una menor cantidad de electricidad para transportar energía que la mayoría de los materiales empleados actualmente, como es el caso del silicio. ¿Qué significa esto? Que si en el futuro se aplicara, por ejemplo, en las baterías de los móviles o de los ordenadores portátiles, ésta duraría mucho más tiempo.
  6. Transparente y ligero:Se trata de un material con estas características, lo que permitiría su utilización para crear pantallas mucho más ligeras. Si lo unimos a otras de sus propiedades ya mencionadas, como es el caso de la flexibilidad, una de sus aplicaciones sería la de la creación de pantallas plegables o enrollables.
  7. Reacciona químicamente con otras sustancias:Esto le permite servir de base para la creación de materiales nuevos o introducir impurezas dentro de su estructura para modificar las propiedades originales del grafeno, lo que abre un abanico prácticamente ilimitado de campos de aplicación.
  8. Soporta bien la radiación ionizante:El grafeno ofrece una gran resistencia a ser modificado por este tipo de radiación, por lo que se puede aplicar en ámbitos como el sanitario, en el que se utilizan aparatos que emiten radiaciones ionizantes, como es el caso de los sistemas de radioterapia, por ejemplo. En la actualidad, los materiales que se encuentran alrededor de los aparatos que emiten radiaciones ionizantes se desgastan muy pronto, lo que supone un coste muy elevado que se podría ahorrar con su construcción con grafeno.
  9. Elevada densidad:El grafeno es un material muy denso. Tanto, que ni siquiera los átomos más pequeños conocidos, los de Helio, son capaces de atravesarlo. Del mismo modo sí que permite el paso del agua, que se evapora a la misma velocidad que si estuviera en un recipiente abierto.
  10. Efecto antibacteriano:Al estudiar el comportamiento del grafeno con organismos vivos, se comprobó que las bacterias no crecen en él, lo que abre las posibilidades de su utilización en la industria alimentaria o en la biomedicina.

Los 10 Usos y Aplicaciones del Grafeno

Como ya hemos comentado anteriormente, dadas sus numerosas propiedades, los ámbitos de aplicación del grafeno son prácticamente ilimitados y ya hay una multitud de empresas que están investigando sus posibilidades. ¿Qué significa esto? Que en pocos años podremos ver en el mercado gran cantidad de dispositivos compuestos total o parcialmente de grafeno.

Ahora bien, se puede realizar una estimación de cuáles serían los principales campos en los que este material podría aplicarse. Y, en todos ellos, sería revolucionario.

  1. Electrónica:Podría emplearse en la fabricación de microchips o de transistores, ambos elementos imprescindibles en prácticamente todos los dispositivos electrónicos. Existen diversas empresas que ya están desarrollando tintas conductoras, que es un tipo de tinta que conduce la electricidad y que se emplea para imprimir circuitos, a partir de grafeno. Además, por sus especiales características los componentes electrónicos de este material permitirán el desarrollo de dispositivos flexibles que podrán enrollarse o plegarse según las necesidades.
  2. Informática:El uso del grafeno permitirá el desarrollo de ordenadores mucho más rápidos y con un menor consumo eléctrico que los actuales de silicio. Además, se estima que un disco duro de este compuesto, del mismo tamaño que uno de los empleados actualmente, podría almacenar hasta mil veces más información.
  3. Telefonía móvil:Con el grafeno se crearía una nueva generación de dispositivos adaptados a la fisionomía del ser humano, sin formas ni colores preestablecidos, con pantallas flexibles, plegables y táctiles. Además, diversos estudios recientes han comprobado cómo nano circuitos de grafeno podrían mejorar de manera significativa la velocidad y calidad de las comunicaciones inalámbricas. Realmente, este tipo de productos suena casi a ciencia ficción, pues medirían mil millones de veces menos que un metro.
  4. Sector energético:Es otro de las que cambiarán de manera visible. Por sus propiedades energéticas, el grafeno permitirá la creación de baterías de larga duración que apenas tardarán unos segundos en cargarse. Además, las energías renovables pasarán a un plano más relevante, ya que, entre otros, las placas solares recubiertas de este material serán mucho más eficientes y permitirán una forma más ecológica de consumo energético.
  5. 5Industria del blindaje:La extrema dureza del grafeno, unida a su capacidad de moldearse y a su ligereza, lo hace un compuesto ideal para ser empleado en esta industria. Chalecos antibalas, cascos y multitud de elementos de protección que se emplean por diversos profesionales pasarán a ser mucho más ligeros y seguros.
  6. Industria automovilística:Su aplicación en el chasis de los vehículos los haría mucho más resistentes, por lo que el número de muertes en accidente de circulación anuales se podría reducir drásticamente. Por otra parte, los coches híbridos se convertirán en una alternativa real en vez de ser relegados a una representación minoritaria. Baterías de larga duración, con tiempos de carga mínimos facilitarán que los conductores más reacios a estos vehículos los vean con otros ojos.
  7. Industria del motor y los combustibles:Hará de ambos más ecológicos y eficientes. Actualmente, es de dominio público que el Pentágono ha invertido una gran cantidad de dinero para fomentar el desarrollo de un aditivo basado en el grafeno que mejore el rendimiento de los aviones militares en cuanto a consumo y rendimiento.
  8. Industria alimentaria:Posibilitará la creación de envases para alimentos más seguros o recubrimientos para los muebles del hogar que impidan el desarrollo de bacterias en su superficie.
  9. Tratamiento de aguas:Debido a su peculiar estructura de alta densidad permeable al agua, se estudia su posible uso para la desalinización del agua. Algunos datos obtenidos a partir de estos proyectos predicen que se podrá realizar esta tarea en un tiempo muy inferior y con un coste mucho más reducido.
  10. Desarrollo de la ciencia:La alta reactividad del grafeno con otros elementos químicos distintos del carbono es una de las características que más atrae la atención en el campo de la investigación. Ya se han descubierto algunos derivados del grafeno, como es el caso del grafano, que mediante la adición de hidrógeno en su estructura molecular da como resultado un nuevo material aislante.

 

En resumen, pese a que el grafeno aún se encuentra en fase de estudio y no se conocen todas las oportunidades que ofrece, se prevé que las posibilidades de su utilización afectarán a prácticamente todos los campos conocidos sustituyendo a gran parte de los materiales empleados hoy en día.

El Grafeno en Medicina y Biomedicina

Recientes investigaciones determinan que el grafeno podrá emplearse para mejorar los tratamientos contra el cáncer. El tratamiento de esta enfermedad tiene como objetivo, de manera general, la destrucción de las células enfermas intentando afectar lo menos posibles a las células sanas.

La búsqueda incesante de un método que permita dirigir el tratamiento contra una zona concreta del organismo sin afectar a las demás podría encontrar respuesta en el grafeno, ya que diversos estudios han puesto de manifiesto que combinando este material con diversos fármacos es posible aumentar la carga de medicación que llega a las células cancerígenas, incrementando las posibilidades de éxito del tratamiento.

Por otro lado, es posible crear moléculas con una elevada afinidad por las células cancerígenas en las que el grafeno forma parte de sus componentes. Una vez administradas, mediante un proceso de fototerapia térmica, que consiste en someter al cuerpo a una determinada longitud de onda que sea inocua para las células sanas, pero que afecte al grafeno, de modo que solo las células cancerígenas previamente marcadas sufrirán un proceso de destrucción celular.

Otra de sus aplicaciones en el ámbito de la biomedicina podría ser la creación de implantes neuronales que sustituyan a los tejidos orgánicos dañados.

Las células nerviosas funcionan básicamente por medio de una corriente eléctrica. Las propiedades del grafeno lo hacen un candidato idóneo para la creación de este tipo de implantes, pudiendo ser un reemplazo para circuitos nerviosos lesionados o incluso creando implantes de retina que contribuyan a devolver la vista a los pacientes que la han perdido.

Pero su uso no solo se limita a la regeneración del tejido nervioso, sino que ya se especula con la posibilidad de crear implantes musculares y de huesos a partir de este material, cuyas propiedades superan las de los materiales actuales. De hecho, como si de una película de ciencia ficción se tratara, ya se habla incluso de la creación de implantes que realicen chequeos periódicos del estado del ADN y del organismo en general.

Por sus propiedades antimicrobianas, científicos chinos decidieron hace unos meses desarrollar una forma de grafeno en forma de hoja de papel qué tiene sus aplicaciones en el ámbito sanitario como, por ejemplo, recubrimiento para vendajes y apósitos, facilitando la cura de heridas disminuyendo la posibilidad de que se produzcan infecciones.

Logran fabricar grafeno, el material del futuro, de forma fácil y barata

El grafeno es considerado por muchos como el material del futuro. Compuesto por nano estructuras de carbono, podría sustituir al silicio en la fabricación de semiconductores y revolucionar la informática y la electrónica dando un paso de gigante en esos campos. El problema es que sigue siendo una sustancia costosa y difícil de fabricar. Los científicos buscan de forma infatigable la manera de obtener grafeno en grandes cantidades de forma barata y eficaz, y un grupo de investigadores europeos ha dado un nuevo paso al respecto. Han desarrollado un método de bajo coste para la fabricación de láminas de grafeno de varias capas. Lo ventajoso del nuevo método es que es simple, no requiere ningún equipo especial y puede ser implementado en cualquier laboratorio de cualquier parte del mundo.

 

El método, desarrollado por científicos del Instituto de Química Física de la Academia Polaca de Ciencias (IPC PAS) en Varsovia y del Instituto de Investigación Interdisciplinaria (IRI), en Lille (Francia) puede ser otro paso prometedor para la fabricación de grafeno a gran escala.

Láminas de grafeno

El grafeno fue descubierto en 2004, al quitar las capas de grafito de carbono utilizando una cinta adhesiva normal. «En lo que se había desprendido los investigadores fueron capaces de encontrar láminas de un átomo de espesor. Y eso era grafeno. Si estamos pensando en sus aplicaciones industriales, tenemos que encontrar mejores métodos para la producción de este material a gran escala, sin necesidad de utilizar un equipo caro y especializado», dice Isabela Kamińska, uno de los investigadores del estudio.

Teniendo en cuenta la estructura, el grafeno forma una red hexagonal que se asemeja a un panal, con la diferencia de que la hoja de grafeno tiene el menor espesor posible: un único átomo.

Las propiedades inusuales del grafeno están estrechamente relacionadas con esta estructura única. El grafeno es casi totalmente transparente, más de cien veces más fuerte que el acero y muy flexible. Al mismo tiempo muestra una excelente conductividad térmica y eléctrica, lo que lo convierte en buen material para aplicaciones en electrónica, por ejemplo, para la fabricación de pantallas delgadas, flexibles y fuertes o circuitos de procesamiento rápido. También es adecuado como material para diversos sensores.

Un limpiador ultrasónico

Los métodos existentes para la fabricación de grafeno requieren un equipo costoso, especializado y con complejos procedimientos de fabricación. En el nuevo método propuesto, la máquina más compleja para producir láminas de grafeno es un limpiador ultrasónico, un equipo común en muchos laboratorios.

Según explican los científicos, a nivel molecular, el grafito se asemeja a un sándwich compuesto de muchos estratos de grafeno. Estos estratos son difícilmente separables. Para debilitar las interacciones entre ellos, oxidaron el grafito. El polvo obtenido de este modo – óxido de grafito – se suspendió en agua posteriormente y se colocó en un limpiador ultrasónico. Los ultrasonidos separaron las láminas oxidadas de grafeno unas de otras y se obtuvieron escamas de óxido de grafeno con un espesor de aproximadamente 300 nanómetros.

Los investigadores tuvieron que superar algunas dificultades, como la presencia de oxígeno en los compuestos, que cambiaba las propiedades físico-químicas del material de conductor a aislante.

 

El grafeno es un material formado por una única capa de átomos de carbono dispuestos en forma hexagonal o de panal de abejas.

Además, es el material más delgado del mundo y también el más fuerte. Su eficiencia conductora de electricidad se asemeja a la del cobre, y supera a la de cualquier otro material en lo referente a la conducción de calor.

Por todas estas características, muchos consideran que el grafeno podría mejorar exponencialmente la electrónica y la microelectrónica; y que permitiría remplazar al silicio‎. Así, hay un gran interés en él, pues se cree que podría servir para fabricar los semiconductores de la próxima generación de ordenadores, pantallas táctiles, baterías o células solares (con semiconductores de grafeno podrían, por ejemplo, fabricarse ventanas que funcionen también como paneles solares).

Pero, hasta ahora, el grafeno ha presentado problemas de producción a gran escala por la siguiente causa: cuanta más cantidad de grafeno se produce, peor es la calidad del resultado. Así lo ha demostrado el uso de las técnicas más tradicionales de fabricación de este material, como la exfoliación con cinta adhesiva -Scotch Tape- o la deposición desde la fase vapor.

Una receta sencilla

Ahora, científicos del Trinity College Dublín, en Irlanda, han creado un método de producción de grafeno tan sencillo que podría desarrollarse en una simple cocina… y usando una batidora común.

El método consiste, publica Nature, en mezclar con dicha batidora (debe tener una potencia de unos 400 vatios) de 20 a 50 gramos de grafito en polvo -el material del que están hechas las puntas de los lápices-; medio litro de agua; y entre 10 y 25 mililitros de detergente.

Aunque hay un aspecto clave de esta receta que aún no ha sido revelado (el del delicado equilibrio que debe mantenerse entre el surfactante‎ o emulsionante y el grafito), los investigadores afirman que de esta mezcla surgen minúsculas láminas de grafeno, de alrededor de un nanómetro (la milmillonésima parte de un metro) de espesor, y de unos 100 nanómetros de longitud.

Las láminas, que quedan suspendidas en el líquido resultante, se originan gracias a que la fuerza generada por las cuchillas giratorias separa el grafito en capas de grafeno, sin dañar su estructura bidimensional, se explica en Physorg. De este modo, y con unas cuatro o cinco capas de espesor como media, dichas láminas mantendrían su alta conductividad.

 

Descubrimiento y repercusión del Grafeno

  1. Descripción del grafeno. ¿Qué es el grafeno?El grafeno es un alótropo (propiedad de algunos elementos químicos de poseer estructuras químicas diferentes) del carbono, un teselado hexagonal plano (como un panal de abeja) formado por átomos de carbono y enlaces covalentes que se forman a partir de la superposición de los híbridos sp (2) de los carbonos enlazados.En realidad, la estructura del grafito es una pila de gran cantidad de láminas de grafeno superpuestas y los enlaces entre las distintas capas de grafeno apiladas se deben a las fuerzas de Van der Waals e interacciones de los orbitales π de los átomos de carbono.Entre las propiedades más sobresalientes se encuentran que es transparente, flexible, extraordinariamente resistente, impermeable, abundante, económico y conduce la electricidad mejor que ningún otro metal conocido, el Grafeno tiene muchas propiedades que no se habían encontrado antes en ningún otro material, en la actualidad el Grafeno tiene fascinados a científicos y a la industria debido a sus fantásticas propiedades.Aunque fue sintetizado por primera vez en 2004, saltó a la fama en 2010 cuando sus descubridores, los investigadores de origen rusoAndre Geim(Sochi, 1958) y Konstantin Novoselov (Nizhny Tagil, 1974) recibieron el Premio Nobel de Física.Este versátil material permitirá fabricar desde dispositivos electrónicos con pantallas flexibles y transparentes y baterías ultrarrápidas a potentes paneles solares, sin olvidar aplicaciones en aeronáutica, medicina y otros sectores que se investigan en la actualidad. Además, supone una base excelente para crear nuevos materiales a medida, en función de las necesidades específicas. El estudio de las propiedades del grafeno mantiene ocupados a una gran cantidad de científicos en todo el mundo, entre los que destacan las aportaciones de los físicos teóricos españoles.La hibridación sp2 (ángulos de 120°) explica la estructura hexagonal del grafeno. Cada uno de los carbonos contiene cuatro electrones de valencia en el estado hibridado, tres de esos electrones se alojan en los híbridos sp2, y forman enlaces covalentes simples. El electrón sobrante se aloja en un orbital atómico de tipo «p» perpendicular al plano de los híbridos. El solapamiento lateral de dichos orbitales da lugar a formación de orbitales de tipo π.
    Algunas de estas combinaciones propician un gigantesco orbital molecular deslocalizado entre todos los átomos de carbono que constituyen la capa de grafeno.2. Historia y descubrimiento del grafenoEl grafeno ya fue descrito y se conocía desde la década de 1930 y en 1889 ya se mencionaba la posibilidad de formar filamentos de carbono por descomposición térmica de hidrocarburos gaseosos. Además, la palabra grafeno fue oficialmente adoptada en 1994 después de haber sido usada como monocapa de grafito en las ciencias superficiales. Pero no ha sido hasta hace unos años 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 exfoliación mecánica. Geim y Novoselov extrajeron el grafeno de un trozo de grafito, como el que se encuentra en cualquier mina de lápiz, utilizando una cinta adhesiva que les permitió extraer una lámina de un solo átomo de carbono.Entonces se creía imposible fabricar una lámina de un solo átomo de grosor porque era inestable, sin embargo, Geim y Novoselov lograron lo inesperado y recibieron el Premio Nobel de Física en 2010 por el descubrimiento de esta estructura del carbono.3. Comercialización y producción.
    El problema principal que impide la explosión del grafeno es que la producción de grandes muestras es limitada ya que son de poca calidad.En un principio existen varias formas de producir grafeno. La cinta adhesiva (exfoliación mecánica) fue el método que utilizó Geim para aislarlo por primera vez y puede servir para algunos experimentos, pero no es válido para la industria. Básicamente se comercializa de dos maneras: en formato lámina y en polvo.Recientemente, investigadores de la Universidad de Rice han conseguido sintetizar grafeno a partir del azúcar común a 800 ºC siendo el grafeno resultante de alta calidad. Otra nueva técnica es que utilizaron fue la oxidación del grafito obteniéndose un polvo llamado óxido de grafito. Posteriormente se suspendió en agua y se colocó en un limpiador ultrasónico. Los ultrasonidos separan las láminas oxidadas de grafeno y permiten la obtención de escamas de grafeno de 300 nm de espesorEn la actualidad hay empresas ligadas al I+D que se dedican a buscar métodos de producción más eficaces para el Grafeno y su comercialización, entre sus principales clientes se encuentran las principales compañías en el campo de la telecomunicación y de la electrónica. Graphenea, con base en San Sebastián, es una de las tres principales productoras de grafeno en lámina a nivel mundial (sus dos principales competidoras son estadounidenses).

 

  1. Propiedades del grafeno.El grafeno es un material nuevo, aparte de ser el material más delgado del mundo es el más resistente. El Grafeno es tan buen conductor como el cobre y como conductor de calor “supera a todos los materiales conocidos”, señaló la Academia.Entre las propiedades más destacadas de este material se incluyen:Alta conductividad térmica y eléctrica, el material es semiconductor.Entre las propiedades físicas del material se pueden observar:
    -Alta elasticidad, dureza y resistencia, ya que es el material más resistente.
    -Es un material muy flexible, y es casi transparente, y es altamente elástico, y sobre todo duro (200 veces mayor que el acero, casi igual al diamante.
    -Es muy ligero, como la fibra de carbono pero más flexible.
    El grafeno puede reaccionar químicamente con otras sustancias para formar compuestos con diferentes propiedades, lo que da a este material un fuerte desarrollo.Soporta la radiación ionizante.Es muy ligero, como la fibra de carbono, pero más flexible, y también es muy denso, ni una partícula de helio lo puede atravesar.Se calienta menos el material al conducir los electrones, por lo que posee un menos efecto Joule, por lo que no se recalentaría al usarlo como aparato electrónico, y también consume menos electricidad, incluso menos que el silicio, por lo que su uso será más eficiente.Auto enfriamiento, el material se podría auto enfriar el mismo (según algunos científicos de la Universidad de Illinois)El grafeno, al ser alcanzado por la luz, el haz de luz, produciría electricidad.Su ratio superficie/volumen es muy denso, por lo que hace que el grafeno tenga un buen futuro en el campo de los condensadores.Se puede dopar introduciendo impurezas para cambiar su comportamiento primigenio de tal manera que se pueda hacer que no repela el agua o que incluso mejore todavía más la conductividad.Desde el punto de vista teórico posee el grafeno propiedades interesantes:Comportamiento como cuasi partículas sin masa de los electrones que se trasladan sobre el grafeno. Son los denominados fermiones de Dirac, que se mueven a velocidad constante, de manera independiente de su energía (como ocurre con la luz), en este caso a unos 106 m/s. A este respecto, la importancia del grafeno consiste en que propicia el estudio experimental de este comportamiento, predicho teóricamente hace más de 50 años.Efecto Hall cuántico, por el cual la conductividad perpendicular a la corriente toma valores discretos, o cuantizados. Esto permite medirla con suma precisión. La cuantización implica que la conductividad del grafeno nunca puede ser nula (su valor mínimo depende de la constante de Planck y de la carga del electrón).
    Hay una movilización libre de electrones por todas las partes del grafeno por lo que no quedan aislados en zonas de las que no puedan salir. Es el efecto conocido como localización de Anderson, que representa un problema en sistemas bidimensionales con impurezas.
    Aunque no deja pasar el helio, sí permite paso al agua: en un recipiente de grafeno cerrado se evapora prácticamente a la misma velocidad que si estuviese abierto.
    Generalmente las propiedades del grafeno como norma general varían dependiendo del sustrato sobre el cual se deposita.5. Inconvenientes del grafeno.Muchos investigadores creen que el Grafeno puede rivalizar con el principal producto de la electrónica, el silicio, pero a pesar de sus numerosas y prometedoras propiedades, se tienen que superar ciertas barreras asociadas a la misma naturaleza del material, sobre todo en lo que se refiere a sus posibles aplicaciones en electrónica. Por ejemplo, a diferencia del silicio, el grafeno no es un material que se pueda detener fácilmente el flujo de la corriente eléctrica, por lo que el Grafeno “puro” no es apropiado para su uso en electrónica.

    En contra de esto numerosos investigadores están intentado saltarse este tipo de “barreras”, como por ejemplo intentando alterar químicamente las propiedades del material para hacerlo más apto y funcional.
    En el grafeno es difícil ‘detener’ los electrones. Y en un transistor, éstos tienen que ser controlados como con una llave que a veces hay que cerrar y abrir

    “Aún se está trabajando por encontrar una forma práctica de fabricarlo a escala industrial y a bajo coste”.

    6. Aplicaciones del grafeno.

  • Aplicaciones en la electrónica:

Las propiedades del grafeno son ideales para utilizarlo como componente de circuitos integrados. Está dotado de alta movilidad de portadores, así como de bajo nivel de «ruido». Ello permite que se le utilice como canal en transistores de efecto de campo (FET). La dificultad de utilizar grafeno estriba en la producción del mismo material en el sustrato adecuado. Investigadores están indagando métodos tales como transferencia de hojas de grafeno desde grafito (exfoliación) o crecimiento epitaxial (como la grafitización térmica de la superficie del carburo de silicio.

  • Batería duradera:

Se ha demostrado que con electrodos de grafeno se consiguen baterías diez veces más duraderas. Una de las desventajas de los actuales móviles inteligentes o smartphones es la poca duración de su batería, ya que si el móvil es usado frecuentemente no suele superar muchos más de 24 horas. El grafeno podría ser la solución a este problema ya que los prototipos de baterías fabricadas con electrodos de grafeno son 10 veces más duraderas que las baterías de ion-litio que usan la mayoría de los móviles actuales, además el proceso de carga sería inferior al de éstas (aproximadamente media hora frente a una hora y media aproximada de las de ion-litio). Aun así no se esperan baterías basadas en grafeno hasta dentro de 5 años.

  • Blindaje:

Para que podamos hacernos una idea de la dureza del grafeno, Jaffrey Kysar y James Hone, propusieron una curiosa analogía. Comparó las pruebas realizadas por su equipo con poner una cubierta de plástico sobre una taza de café y medir la fuerza que requeriría pinchar esa cubierta con un lapicero. Pues bien, según explicó Hone, si en lugar de plástico lo que se pusiera sobre la taza de café fuera una lámina de grafeno, después situáramos encima un lápiz, y en lo alto de éste colocáramos un automóvil que se sostuviera en equilibrio sobre él, la lámina de grafeno ni se inmutaría. Se puede decir, sin duda, que el grafeno es el material más duro del mundo

  • Aviación:

El Pentágono ha asignado tres millones de dólares a la Universidad de Princeton para que desarrolle diminutas hojas de grafeno que, añadidas al combustible empleado en los motores de los aviones supersónicos, consigan una optimización en su funcionamiento y una reducción en el consumo y la contaminación ambiental. Según los científicos, este desarrollo puede alumbrar el nacimiento de una nueva era en los motores de combustión de las aeronaves. Los aditivos de combustible fabricados con partículas minúsculas de grafeno podrían lograr que los aviones supersónicos vuelen aún más rápido y que sus motores lleguen a contar con mejores condiciones de eficiencia y protección de la sostenibilidad ambiental.

  • Energía:

Los investigadores ven una amplia variedad de aplicaciones para el papel de óxido de grafeno, incluyendo su uso en membranas con permeabilidad controlada, y para las baterías o ultra condensadores destinados a usos en el ámbito energético. Estos dispositivos de almacenamiento de energía podrían ayudar al almacenar brotes repentinos de energía, por tanto, supondría una ayuda para aprovechar el irregular suministro por parte de las fuentes “verdes”. Esto revolucionará el concepto de energía renovable y la elevará a unas cotas de eficiencia nunca vistas.

  • Detectar enfermedades:

Mike McAlpine, ingeniero investigador de la universidad de Priceton ha desarrollado sensores basados en el Grafeno que se “tatuarían” en los dientes para la detección de enfermedades, las bacterias se pegarían a la superficies de los sensores a modo de velcro. Estos sensores irían sobre una fina capa de seda que se adhiere al diente mediante la saliva, quedaría fuertemente pegado al diente, y adherido a la superficie mediante fuerzas de Wan der Waals.

  • Estudio de líquidos:

En un estudio de la universidad de California publicado en la revista “Science” se señala que el grafeno puede ayudar al estudio de los líquidos. Al intentar estudiar un determinado líquido en la misma resolución que un sólido, antes de observarlo con un microscopio hay que encapsularlo entre dos “pantallas”, estas suelen ser silicio, pero el problema radica en que las pantallas hechas con este material son demasiado gruesas para obtener una resolución óptima. Pues el sustitutivo de estas “pantallas” de silicio pueden ser láminas de grafeno, que debido a se presenta en capas de extrema delgadez, es prácticamente transparente y los líquidos se podrían ver a través de los TEM (microscopios electrónicos de transmisión) con una alta resolución.
Como vemos, la promesa de una nueva era basada en el carbono (y no en el silicio) se acerca a marchas forzadas. En un plazo medio, nos podemos ver inundados de dispositivos, mecanismos y tecnologías basadas en el grafeno, con unos rendimientos varios órdenes de magnitud por encima de lo que estamos acostumbrados ahora.

Objetivo

Reemplazar las láminas del panel solar común por láminas elaboradas a base de grafeno para obtener electricidad.

Justificación

La mayoría de nosotros utilizamos energía eléctrica común, e incluso hay algunas regiones que no tienen acceso a esta; por esta razón elegimos este tema ya que los paneles solares de hoy en día tienen un precio muy alto y está lejos del alcance económico de la personas.

El grafeno es un material que es más fuerte que el acero, mejor conductor de la electricidad y de calor, además de ser maleable, por eso pensamos sustituir las láminas del panel solar común por láminas elaboradas a base de grafeno para poder obtener electricidad con mejor calidad y a menor costo con mayor facilidad.

Este tipo de láminas ayudara a reducir la contaminación gracias a que este material captura el dióxido de carbono además de que esta energía será fácil de obtener.

Hipótesis

Si logramos reemplazar las láminas del panel solar común por láminas elaboradas a base de grafeno, entonces obtendremos electricidad de mejor calidad y a menor costo.

Método (materiales y procedimiento)

Para el grafeno:

  • Materiales
  1. ½ litro de agua
  2. 20 mililitros de detergente líquido
  3. 35 gramos de grafito
  4. Licuadora
  5. Centrifugadora
  • Procedimiento
  1. Mezclar los ingredientes en la licuadora.
  2. Dejarlos reposar un día.
  3. Separarlos con la centrifugadora.

 

Para las láminas:

  • Materiales
  1. Tabla
  2. Gotero
  3. Tijeras
  4. Papel aluminio
  5. 200ml de agua destilada
  6. 150 ml de ácido hidroclorhídrico
  7. 2 vasos de precipitados de 200 ml
  8. Brocha
  9. Barniz para piso de Madera
  10. Cinta adhesiva
  11. Pinzas
  12. Guantes de cirujano
  • Procedimiento
  1. Ponerse los guantes de cirujano
  2. Pegar un cuadrado de papel aluminio a la tabla de con ayuda de la cinta adhesiva, en el lado opaco del aluminio por arriba
  3. Esparcir con el gotero el grafeno de manera uniforme
  4. Dejar reposar hasta que se seque
  5. Aplicar una capa de barniz de piso de madera  con la brocha, dejar reposar, aplicar una segunda, dejar reposar, aplicar la tercera y dejar secar otra vez
  6. Cortar las láminas del tamaño deseado
  7. En un vaso de precipitados, pone 150 ml de ácido hidroclorhídrico, y en otro, 200ml de agua destilada
  8. Con las pinzas, poner una lámina en el ácido y esperar a que determine la reacción de burbujas
  9. Cuando termina la reacción, ponerla en el agua destilada y dejar reposar.
  10. Sacar las láminas del agua destilada y dejarlas reposar en un lugar con base de plástico, ya que su textura es pegajosa.

 

Para la celda solar:

  • Materiales
  1. 2 limones
  2. 3 cucharadas de sal
  3. Agua potable
  4. 2 láminas de cobre
  5. 2 láminas de grafeno
  6. vaso de vidrio
  7. mechero
  8. Multímetro
  • Procedimiento
  1. Poner las láminas de grefeno al sol
  2. Exprimir los limones en el vaso y agregar agua, revolverlos.
  3. Calentar la lámina de cobre por 15 minutos
  4. Lavar la lámina calentada con abundante agua
  5. Poner la lámina calentada y la que no calentamos en el vaso con la solución de limón.
  6. Medir las láminas con el multímetro.
  7. Quitar las láminas de cobre y agregar la sal, revolver.
  8. Medir con el multímetro
  9. Con las láminas de grafeno cubrir las láminas de cobre.
  10. Meterlas al vaso
  11. Medir con el multímetro y comparar

Galería Método

Resultados

La capacidad de las láminas de cobre obtuvieron más energía cuando les colocamos las láminas de grafeno ya que funcionan mejor en un lugar cálido que en un lugar fresco debido a que se estimulan con los rayos del sol o con calor.

Galería Resultados

Discusión

Durante el desarrollo de nuestra fase experimental se nos presentaron diversos obstáculos por lo tanto tuvimos que buscar diferentes opciones para resolverlos a base de prueba y error, confiando en nuestro conocimiento, pero debido a los cambios climáticos, el proyecto tuvo que posponerse hasta obtener las condiciones óptimas para que se desarrollara de manera correcta y con los resultados esperados.

Conclusiones

Llegamos a la conclusión de que el grafeno es un excelente conductor de calor y puede generar energía eléctrica por lo tanto puede ser utilizado en paneles solares.



Panel solar del futuro a base de Grafeno

Summary

The graphene is made of carbon atoms they form an hexagonal mesh and with only one atom of thickness, it is the thinnest material in the world, it is so flexible, almost unbreakable, it is in the same family of materials that the diamond, conducts electricity better than the gallium arseniuro and the heat better than the silver.

Until now is the industry of the phones which is causing a commercial interest more evident and concentrate most of the thousands patents about graphene that have been registered in the last years, being that the most current phones that have been sold, are made of this material.

We will focus in energies, especially solar, in which the solar panels could be more resistant and cheaper, being that the graphene sheets will be flexible.

We will try to achieve that this type of sheets conducts the heat and transform it to electric energy, as the graphene is a semiconductor material. In addition it would have benefit of being cheaper, all its materials will be easily accessible and a low cost.

If all the people consumed energy through solar panels, It would be less pollution and a improve in the economy being that the spending of the electric energy is too much, because nowadays exists more electric devices that we depend, therefore we waste more energy.

Research Question

How can we sustitute the plates of common solar panel by plates made of graphene?

Problem approach

The electricity that the most of us use has to be pay every  month and it depends of the amount  that someone waste, in addition that it pollutes, for this reason it have been created solar panels, which have a high cost and charge the installation .

In order to evolve homemade panels and lower cost of replacing the blades of these by others elaborated on the basis of graphene, which combines a large number of properties that are not found in any other compound in addition to that is capable of improving the conditions of full any surface where it applies, and to generate electricity through solar energy, which makes it a promising material in the field of clean energy. For this reason, the material has to be malleable and transparent.

Background

Objective

To substitute the plates from a common solar panel, by plates made of graphene to get electricity.

Justification

Most of people use common electrical energy, even there are some places that don’t have access to this, for this reason, we choose this topic, because the solar panels of these days are too expensive and is beyond the economic situation of people.

The graphene is a material that is stronger than the steel, better conductor of electricity and heat, besides to be malleable, for this reason we think to change the common solar panel plates by some made of graphene, to get electricity with better quality and lower cost of an easier way.

This type of plates will help to reduce the pollution thanks because they kind capture the carbon dioxide, the energy will be easier to it get, these will generate electricity through the solar energy that makes them very promising in the area of clear energy.

They are used in the field like the informatics electronic and computing or even the aeronautic where is needed a material too resistant.

Hypothesis

If we can substitute the plates from a common solar panel, by plates made of graphene then we will get electricity from better quality and a lower cost.

Method (materials and procedure)

For the graphen:

  • Materials:
  1. ½ l of water
  2. 20 ml of liquid detergent
  3. 35g of graphite
  4. A blender
  5. Centrifuge

Procedure

  1. Mix all the materials in the blender
  2. Let settle for one day
  3. separate the liquid

 

For the plates:

  • Materials:
  1. Plank
  2. Dropper
  3. Scissors
  4. Aluminium foil
  5. 200 ml of distilled water
  6. hydrochloric acid
  7. Two beakers of 200 ml
  8. Brush
  9. Varnish for wood floor
  10. Masking tape
  11. Laboratory pincers
  12. Latex gloves

 

  • Procedure:
  1. Put on latex gloves
  2. Paste a square of aluminium foil  with the masking tape, on the darkest side
  3. Spread with the dropper  the graphene uniformly
  4. Let it dry
  5. Apply a coat of varnish, let it dry, apply the second one, let it dry, apply the third and let it dry
  6. Cut the plates at the size that you want
  7. Put 150 ml of hydrochloric acid in one of the beakers, and with another glass, distilled water
  8. With the tweezers, put a plate on the hydrochloridric acid  and wait till the reaction finish
  9. When the reaction finishes, take out, and put on the distilled water, and let it repose in something of plastic because their texture is sticky

 

For the solar cell:

  •         Materials
  1. 2 lemons
  2. 3 salt tablespoons
  3. Water
  4. 2 copper plates
  5. 2 graphene plates
  6. Glass
  7. Lighter
  8. Multimeter
  •         Procedure
  1. Put the graphene plates to the sunlight
  2. Squeeze the lemons in the glass, add water and mix them
  3. Warm the copper plate for 15 minutes
  4. Wash the plate with plenty of water
  5. Put the heated plate and the other that is not heated in the glass
  6. Measure it with the multimeter
  7. Remove the copper plates, add salt, mix
  8. Measure with the multimeter
  9. With the graphene plates cover the copper plates
  10. Put them in the glass
  11. Measure with the multimeter and compare them

 

Results

The capacity of the copper plates were obtained more energy when they are we put the sheets of graphene already that work best in a warm place that in a cool place because of that are stimulated with the rays of the sun or heat.

 

Discussion

During the development of our experimental phase diverse obstacles appeared before us therefore we had to look for different options to solve them by means of test and error, trusting in our knowledge, but due to the climate changes, the project had to be postponed up to obtaining the ideal conditions so that it was developing in a correct way and with the expected results.

 

Conclusions

We got to the conclusion that Graphene is an excellent conductor of heat and can generate electricity so it can be used in solar panels.