Transcript grafeno18 - energia renovable no convencional

grafeno
José Sepúlveda Basáez
objetivo
Fabricar grafeno en cantidades
industriales y a bajo costo
Insertar grafeno en el mercado nacional
Fabricar baterías de grafeno
Fabricar filtros desalinizadores
Satisfacer demanda de empresas
tecnológicas
Aplicar tecnología en energías renovables
teoría
Es transparente, flexible, extraordinariamente resistente,
impermeable, abundante, económico y conduce la
electricidad mejor que ningún otro metal conocido.
Hablamos del grafeno, el material que 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 ruso Andre Geim (Sochi, 1958)
y Konstantin Novoselov (Nizhny Tagil, 1974) recibieron
el Premio Nobel de Física. Como ya apuntó entonces
Andre Geim, las aplicaciones potenciales del grafeno
son tantas que ni siquiera eran capaces de enumerarlas.
agregando carbono se auto repara (último
descubrimiento)
teoría
El grafeno es un material formado por capas,
que comprende desde una hasta 10 capas
superpuestas. sus propiedades están en función
de su dimensionalidad. tomando como base
discriminatoria la especificidad de sus
propiedades, el grafeno puede ser clasificado en
3 tipos: monocapa, bicapa y multicapa (entre 3
y 10). sin embargo, presentan un conjunto de
propiedades comunes que permiten
caracterizar los tres tipos como grafeno.
teoría
Este material es extraordinariamente conductor
tanto eléctrico (sus electrones se mueven cien
veces más rápido que en el silicio) como
térmico, es muy transparente, resulta mas
resistente que el mismo diamante y doscientas
veces más que el acero, muy flexible, tan denso,
que ni siquiera el gas helio( el átomo más
pequeño) lo puede atravesar, muy sensible a
cualquier molécula que se deposite en su
superficie y todo ello en finísimas capas de un
átomo de espesor (un millón de veces más fino
que una hoja de papel).
teoría
Otra interesante propiedad es que si al grafeno se le
aplica una señal eléctrica de cierta frecuencia, genera
otra onda del doble o el triple de frecuencia (es un
multiplicador de frecuencias) por lo que permite trabajar
a frecuencias de reloj mucho más altas de las actuales.
A nivel cuántico, el grafeno presenta nuevas
propiedades aún mas interesantes que hacen que el
electrón se comporte como una partícula sin masa
(como los fotones y los fermiones), con una velocidad
unas cuatrocientas veces menor que la de la luz pero
mucho mayor que la de los electrones en los metales, y
que permiten realizar en un pequeño trozo de grafeno
muchos experimentos que hasta ahora solo se podían
hacer en aceleradores de partículas como el cern
CIRCUITOS ELECTRÓNICOS
TRANSPARENTES Y FLEXIBLES
PANTALLAS TÁCTILES
ENROLLABLES
Técnicas de producción del grafeno
El problema principal que impide la explotación del grafeno es que la producción de
grandes muestras es limitada. Las diferentes técnicas tradicionales de fabricación
por orden ascendente de escalabilidad son:
Scotch Tape
CVD (Chemical Vapor Deposition)
Liquid Phase Exfoliation
Plasma
Oxidisation-Reduction
Thin Graphite
La calidad de las muestras va en sentido contrario al de la escalabilidad: a más
escalabilidad del proceso menor calidad de las muestras.
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 (la glucosa del azúcar es una molécula de 6 átomos de carbono, cuando esta
se calienta se deshidrata exhaustivamente formando grafeno. Otra nueva técnica
procede del IPCPAS-Instituto de Química Física de la Academia Polaca de Ciencias
conjuntamente con el IRI-Instituto de Investigación Interdisciplinaria de Lille. La
técnica de fabricación que utilizaron fue la oxidación del grafito obteniéndose un
polvo llamado óxido de grafito. Posteriormente se suspende en agua y se coloca en
un limpiador ultrasónico. Los ultrasonidos separan las láminas oxidadas de grafeno y
permiten la obtención de escamas de grafeno de 300 nm de espesor.
quemar magnesio metálico puro en hielo seco
quemar magnesio metálico puro en
hielo seco
convierte el dióxido de carbono directamente en capas de grafeno
(de menos de 10 átomos de espesor) quemando magnesio metálico
puro en hielo seco.
«Está científicamente comprobado que la combustión de magnesio
metálico en dióxido de carbono produce carbono, pero la formación
de este carbono con capas de grafeno como producto principal no
ha sido identificada ni probada como tal hasta nuestra
investigación»
«El proceso sintético se puede utilizar para producir potencialmente
grafeno en grandes cantidades», añade. «Hasta ahora, el grafeno
se ha sintetizado mediante diversos métodos que utilizan productos
químicos peligrosos y técnicas tediosas. Este nuevo método
es simple, ecológico y rentable».
un limpiador ultrasónico
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 físicoquímicas del material de conductor a aislante.
Chemical Vapor Deposition
Para producirlo no se utiliza grafito, sino gas metano,
que se transforma mediante una tecnología denominada
deposición química en fase vapor (Chemical Vapor
Deposition, CVD): "Es una de las grandes ventajas,
pues no dependemos de ningún producto mineral",
señala.
Muestra de grafeno sobre lámina de silicio. | Graphenea
"Se realiza en un reactor CVD donde se introduce un
gas con carbono. Mediante la aplicación de energía se
depositan los átomos de carbono sobre un substrato
metálico. El siguiente paso es transferir la lámina de
grafeno al substrato final, que puede ser un polímero,
vidrio, silicio u otros, dependiendo de la aplicación",
cvd
Hay tres pasos esenciales en la transferencia de rollo a
rollo (fig. 1ª): (i) adhesión del polímero de soporte al
grafeno en el papel de cobre, (ii) remover las capas de
cobre; y (iii) soltar las capas de grafeno y transferirlo al
sustrato final. En el paso de la adhesión, la película de
grafeno, crecida en el papel de cobre, es unido a una
delgada película de polímero, la cual está recubierta con
una capa adhesiva, haciéndolos pasar entre 2 rodillos,
en el paso siguiente, las capas de cobre son removidas
mediante una reacción electroquímica con una solución
acuosa 0.1 molar de persulfato de amonio (NH4)2S2O8.
Finalmente las películas de grafeno son transferidas del
polímero de soporte en el sustrato final, removiendo las
fuerzas que sostienen las películas de grafeno.
Fabricación de grafeno masivo
Sumergiendo grafito en una mezcla de
ácido orgánico diluido, alcohol, y agua, y
luego exponiéndolo al sonido ultrasónico,
el equipo descubrió que el ácido actúa
como una “cuña molecular”, que separa
hojas de grafeno del grafito padre. El
proceso resulta en la creación de grandes
cantidades de grafeno intacto y de alta
calidad disperso en el agua
solución
Grafito (polvo de oxido de grafito)
Piscina con liquido conductor (agua,
alcohol, acido orgánico)
Transductor de sonar (piezoeléctrico) con
gama de frecuencia
Hélice giratoria (velocidad de cavitación)
Resultado grafeno en cantidades
Solución integral
Dique principal (producción de electricidad
mareomotriz)
Dique2 (producción de agua potable con
filtros de grafeno)
Dique3 (producción de grafeno)
Fabricación de grafeno masivo
“Existen otras técnicas conocidas para la fabricación de
grafeno, pero nuestro proceso es ventajoso para la
producción en masa, ya que es de bajo costo, se realiza
a temperatura ambiente, carece de productos químicos
perjudiciales, y por lo tanto es amistosa a un número de
tecnologías donde existen limitaciones ambientales y de
temperatura”, dijo Kar. “El proceso no necesita cámaras
de ambiente controlado, lo que aumenta su sencillez sin
comprometer su capacidad de ampliación. Esta
simplicidad nos permitió demostrar directamente
aplicaciones de alto rendimiento relacionadas con
detección ambiental y almacenamiento de energía, que
se han convertido en temas de importancia global”.
Fabricación de grafeno masivo
Una delgada lámina de estructura similar a un panal
de abejas y del grosor de un átomo que supone
una panacea tecnológica, tal es el potencial de un
material flexible, transparente, 200 veces más
resistente que el acero y dotado además de
propiedades semiconductoras. El problema podría venir
de las dificultades para poder fabricar en masa el
preciado material pero dos hermanos de Yecla con su
empresa, Graphenano, afincada en Alicante, han
resuelto el problema siendo capaces de producir en
serie grandes láminas de hasta 2.500 centímetros
cuadrados que dejan minúsculos los 100 de que es
capaz la competencia.
Otras cualidades
Un logro interesante es que han logrado
obtener grafeno en polvo, lo que permite
componer una mezcla con otros componentes
mejorando sus características, mejorando la
resistencia de materiales aeronáuticos y de
construcción, con paredes y ventanas que
pueden convertirse en pantallas interactivas y
receptores fotovoltáicos, así como baterías,
prótesis médicas… el futuro parece estar
hecho de grafeno.
Grafeno en polvo
parte del grafito como materia prima y
básicamente consiste en realizar una
oxidación violenta y un proceso de
ultrasonificación para separar las
pequeñas láminas de grafeno que
componen el grafito"
Filtro de grafeno
Filtros de grafeno
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).
este material permite el flujo real de agua, evita por
completo que se filtre la sal y tiene una
permeabilidad mucho mayor en 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 desalinización participan el tamaño de los poros
del material y la presión aplicada
Filtros de grafeno
denominado ‘Perforeno’, es un filtro de grafeno
con poros de nanómetros de diámetro.
Suficiente para que las moléculas de agua
puedan pasar, pero retenga la sal y otros
compuestos.
«500 veces más fino que el mejor filtro del
mercado, y mil veces más fuerte». El hecho
de que el filtro se componga de una única capa
de átomos de carbono hace más fácil el proceso
de filtrado, ya que exigen menos energía
empujar el agua de un lado a otro.
Filtros de grafeno
Esta tecnología puede suponer un importante
avance en las zonas del planeta donde el
acceso al agua potable es limitado. El filtro de
Perforeno, en principio, haría innecesaria la
instalación de grandes plantas
desalinizadoras, que consumen bastante
energía y recursos.
Por otro lado permitiría fertilizar zonas áridas o
secas, desiertos etc.…
Filtros de gases
Los resultados de esta investigación son un gran avance hacia la creación
de membranas más eficientes energéticamente para la producción de gas
natural y para reducir las emisiones de dióxido de carbono en chimeneas
de centrales térmicas o de fábricas de ciertas clases, así como en los tubos
de escape de vehículos.
El grafeno consiste en una sola capa de átomos de carbono colocados en
una retícula hexagonal, similar a la de un panal de miel.
El equipo de Scott Bunch, John Pellegrino, Steven Koenig y Luda Wang, de
la Universidad de Colorado en Boulder, Estados Unidos, creó poros
nanométricos en láminas de grafeno mediante un proceso de grabado
oxidativo inducido por luz ultravioleta, y entonces midió la permeabilidad a
varios gases en las membranas de grafeno poroso. Se hicieron
experimentos con diversos gases incluyendo hidrógeno, dióxido de
carbono, argón, nitrógeno, metano y hexafluoruro de azufre, cuyas
moléculas están en el rango de entre 0,29 y 0,49 nanómetros, para
demostrar el potencial que tiene el nuevo descubrimiento para permitir
separar gases basándose en el tamaño de las moléculas.
Las antenas de grafeno permitirían descargas
inalámbricas de terabits en segundos
¿Quieres subir cientos de películas a un aparato móvil
en solo unos segundos y de forma inalámbrica?
Investigadores de la Universidad Georgia Tech (EE.UU.)
han creado los planos para una antena inalámbrica
hecha con láminas del grosor de un átomo de carbono,
o grafeno, que podrían permitir velocidades de
transferencia de terabits por segundo en distancias
cortas.
Un terabit por segundo se podría conseguir a una
distancia de aproximadamente un metro usando una
antena de grafeno, con lo que podrías trasferir 10
películas en alta definición pasando tu teléfono por
delante de otro aparato durante un segundo. Akyildiz y
sus compañeros también han calculado que a distancias
más cortas, unos centímetros, por ejemplo, en teoría se
pueden conseguir tasas de transferencia de datos de
hasta 100 terabits por segundo.
Transferencia inalámbrica
Según el grupo, para fabricar una antena, se
podría dar al grafeno la forma de estrechas
bandas de entre 10 y 100 nanómetros de
anchura y un micrómetro de largo, lo que la
permitiría transmitir y recibir en la frecuencia de
terahercios, que corresponde aproximadamente
a esas escalas de tamaño. Las ondas
electromagnéticas en la frecuencia de
terahercios interactuarían así con las ondas
plasmónicas -oscilaciones de los electrones en
la superficie de la tira de grafeno- para enviar y
recibir información.
aplicaciones
Cristales irrompibles
Refuerzos de estructuras
Suelos irrompibles
Cargadores de energía autosuficientes
Pantallas de iluminación
Placas solares
Cables híper conductores
Baterías de alta eficiencia
Barcos mas ligeros, irrompibles, veleros
Carrocerías de vehículos
Circuitos integrados de móviles
Televisores
Relojes
Ordenadores
Tablets
Aviones mas ligeros, alas irrompibles
Etc……
proyectos
Central mareomotriz con desalinizadores
de agua de mar para consumo humano.
Acumuladores para submarinos
convencionales autosuficientes
Turbinas para centrales eléctricas
Bombas de ariete irrompibles
Fertilizar zona norte con agua de mar
desalinizada
Fin presentación