Obtaining
graphene layers through the mechanical exfoliation of graphite
=
Edmundo Guacho Gu=
ado.[1],
Celin Padilla Padilla. [2], =
Luis
Buenaño Moyano.[3]
& Bolívar Cuaical Angulo. [4]
Recibido: 28-10-2018 / Revisado: 29-1=
1-2018
/Aceptado: 18-12-2018/ Publicado: 05-01-2019
Graphene contains a flat laminar structure which is
formed by hexagonal rings, thanks to which it is an ultralight material.
Through alloys this material can contribute to improve the properties of ot=
her materials
since a perfect graphene gram could only be broken with a diamond. Graphene
highlighted its importance in the year 2004 since then studies are made abo=
ut
this element that could be applied in all areas of engineering in order to
fully enter the market and make improvements in most products. This article
aims to demonstrate the structure and properties of graphene in order to re=
ach
an alloy with a metal and verify its strength. There are several methods to
verify the structure of graphene, which are based on graphite. In this
research, minimum amounts of graphite were used to detach a sample layer by
layer until reaching a very thin layer in such a way that it can be analyzed
through a microscope. In addition, it seeks to venture and find elements wi=
th
which alloys can be made, because graphene is considered one of the element=
s of
the future as it could replace several metals to be able to form light
structures five hundred times more resistant.
Keywords:
Resumen.
El
grafeno contiene una estructura laminar plana la cual está formada por anil=
los
hexagonales, gracias a lo cual logra ser un material ultraligero. Mediante aleaciones este material puede
contribuir a mejorar las propiedades de otros materiales ya que un gramo
perfecto de grafeno solo se podría romper con un diamante. El grafeno resal=
tó
su importancia en el año 2004 desde entonces se realizan estudios acerca de
este elemento que podría aplicarse en todos los ámbitos de la ingeniería co=
n el
fin de adentrarse por completo en el mercado y hacer mejoras en la mayor pa=
rte
de productos. Este articulo pretende demostrar la estructura y las propieda=
des
del grafeno para poder llegar a una aleación con un metal y verificar su
resistencia. Existen varios métodos para verificar la estructura del grafen=
o,
los cuales parten del grafito. En esta investigación se usó cantidades míni=
mas
de grafito para desprender una muestra capa por capa hasta llegar a una
finísima capa de tal manera que se pueda analizar mediante un microscopio.
Además, se busca incursionar y buscar elementos con los cuales se pueda
realizar aleaciones, ya que el grafeno es considerado uno de los elementos =
del
futuro ya que podría llegar a reemplazar a varios metales al ser capaz de f=
ormar
estructuras ligeras quinientas veces más resistentes.
Palabras claves:
Grafeno, Estructura Laminar, Anillos Hexagonales, G=
rafito
Introducción.
El grafeno se conoce desde la década de 1=
930,
muchos investigadores han buscado llegar a tener un grano perfecto, ya que
demuestra propiedades que puede contribuir de gran manera a todas las ramas=
de
ingeniería, medicina en especial a toda la nanotecnología con la creación de
nanomateriales a través del uso de carbón mineral. Al momento de descubrir =
un
método de producción del grafeno la tecnología crecerá de manera increíble.
Este elemento es una forma alotrópica del carbono, lo que determina al carb=
ono es
las distintas estructuras en las que se puede presentar desde el elemento más simple como es=
el
grafito hasta el diamante. Este elemento se presenta en grandes cantidades
dentro del cuerpo humano formando cadenas complejas, formando el ADN hasta
ayudando a la producción grasas, el carbono se encuentra presente en muchos
combustibles como combustible fósil, estos combustibles colaboran con
importantes propiedades termodinámicas lo que les hace que estos tengan un =
gran
poder calorífico.
El grafeno es un elemento novedoso ya q=
ue
presenta una ordenación de átomos de carbono distinta en su estructura,
formando una figura que se asemeja a un panal de abejas con formas ondulada=
s,
estos anillos se enlazan por una fuerza dipolar. Tiene un espesor de un áto=
mo
de carbono también conocido como monocapa de tal manera posee dos dimension=
es:
longitud, anchura; en si debe poseer tres dimensiones, pero la tercera
corresponde a la altura, siendo esta altura que tiende a cero. Por otro lad=
o,
este material es muy estable pese a que su altura solo es del grosor de un
átomo de carbono.
F=
igura 1. Estructura laminar del grafen=
o
Los electrones del grafeno tienen un comportamiento distinto a
cualquier material, así como otros materiales se rigen mediante ecuaciones.
Este material se relaciona con el comportamiento de una partícula, es muy
difícil detectar y generar. Para realizar este estudio es necesario un
acelerador de partículas, utilizando un campo magnético para estimular
partículas cargadas con electricidad de este modo las partículas empiezan a
chocar y después alcanzar una velocidad extremadamente elevada. Estos equip=
os se
pueden encontrar en otros países en laboratorios de investigación.
El uso de los metales en una gran parte han sido un problema por sus
propiedades como el desgaste al paso de los años, deformaciones, mayor peso=
. En
los vehículos puede ser usado el grafeno con resina epoxi como una aleación
para ser elementos resistentes, ligeros y sin sufrir un mayor desgaste.
De la misma manera una capa de grafeno puede ser insertada en una c=
apa
de pintura por lo que los vehículos pueden resistir grandes colisiones o ser
empleadas como aleaciones a metales ligeros como marco de la cabina de un
vehículo, el grafeno es el futuro para crear tecnología favorable a nuestro
bienestar.
El grafeno es un material ultraligero que busca incluirse en el mer=
cado
con el fin de proporcionar elementos estructurales livianos, termorresisten=
tes.
Por otro lado, este elemento puede sufrir aleaciones con otros materiales c=
omo
cobre y níquel. El compuesto de c=
obre y
grafeno es el que alcanza con 1,5 GPa., =
una
resistencia 500 mayor que la del propio material por separado y un 50 % más
fuerte que el titanio, pero el segundo tampoco se queda atrás, al ser 200 v=
eces
más fuerte que el acero o tres veces más fuerte que las aleaciones de alumi=
nio
empleadas en construcción de estructuras.
El grafeno puede ser considerado como la base de distintas formas de
carbono, considerada solo de dos dimensiones incluso si se juntan 3 millone=
s de
láminas del grafeno se lograría obtener un milímetro de grosor; si este
material es envuelto en de manera arqueada en estructuras de cero dimension=
es
da como resultado fullerenos, mientras que si se realiza un dobles de la
estructura de una dimensión se obtiene nanotubos, de la misma manera se pue=
de
apilar el grafeno en capas lo que daría como resultado el grafito como se p=
uede
encontrar en las puntas de los lápices formando una estructura en 3D como se
puede observar en la figura 2.
<= o:p>
F=
igura 2. Distintas formas de carbono
El grafeno se distingue por tres tipologí=
as:
· =
Una capa (Monocapa)
· =
Dos capas (Dicapa)
· =
De tres a cuatro capas (Pocas capas)
· =
Intervalo de cinco a diez capas (Multicapa)
Las fuerzas con las que se unen estas capas son de suma importancia,
aparte de la distribución, esto también denota al material, por ejemplo, el
grafito tiene fuerzas muy fáciles de romper producto de tener un rozamiento=
con
una superficie existe desgaste, por otro lado, el diamante es un material e=
n el
cual las capas están unidas por fuerzas muy grandes, esta configuración esta
descrita por un enlace covalente en todas las direcciones. Por lo que si se
desearía transformar el grafito de nuestro lápiz en un diamante se necesita=
ría
una fuerza que supere 150000 veces la presión atmosférica. Sin embargo, var=
ios
investigadores buscan un método más sencillo para alcanzar la distribución =
del
diamante. Es por esta razón que los diamantes se forman bajo tierra a tempe=
raturas
altísimas al igual que una presión elevada, es así que se forman los diaman=
tes
gracias a la colisión de las placas tectónicas.
Figura 3. Diferencia atómica del diaman=
te y
grafito
El grafito es el montaje de distintas capas de carbono, muy finas q=
ue
se entrelazan con facilidad, es decir, las fuerzas con las que actúan son m=
uy
débiles, hoy en día es usada en los lapiceros, la razón por la que se desga=
sta
la punta del lápiz es porque estas capas de carbono se desprenden con
facilidad. Cumple con una estructura cristalina de tal modo que se juntan de
manera ordenada los átomos, este elemento se encuentra en tres dimensiones.=
En la mayor parte de lápices se usa el grafito para incorporar la p=
unta
en el fragmento de madera, se trata de una mina que está compuesta por carb=
ono,
arcilla y como producto de la cocción tenemos agua, estos son los ingredien=
tes
fundamentales de las puntas de los lápices comunes, entonces el carbono es =
el
elemento que va a desprender un color gris con brillo mientras que la arcil=
la
es el elemento que va a brindar dureza a la punta.
Figura 4. Porcentaje de arcilla en las
minas de los lapiceros
Es necesario analizar sus propiedades para de mejor manera buscar l=
as
aplicaciones que este elemento puede tener ya sea grafeno puro o con aleaci=
ones
con metales ligeros, esta es la premisa para continuar con la investigación.
Por la cantidad de propiedades que amerita este material el campo en el cua=
l se
le puede aplicar es muy amplio, con la ventaja de ser un elemento transpare=
nte
y muy fino.
En su propiedad bidimensional, el grafeno está compuesto por una fi=
na
capa de un átomo de espesor, como esta medida es extremadamente pequeña sol=
o se
considera su existencia en dos dimensiones. Este elemento corresponde a una
gran lista de elementos bidimensionales, pero tiene un comportamiento disti=
nto
a los otros. Si se apilan varias capas de grafeno se pueden lograr varias
estructuras útiles para la tecnología.
El grafeno es ultraligero, ya que una lámina de grafeno de 1 metro
cuadrado pesa solo 0,77 miligramos, lo que, en comparación con el acero (co=
n la
misma superficie), supondría un peso 200 veces menor. Este material consta =
con
la capacidad de auto enfriado. En una aleación no tendría mayor repercusión=
ya
que el peso no se podría distinguir en una balanza común.
Es maleable, su constante elástica es enorme, tanto que una lámina =
de
grafeno puede estirarse un 10% de su tamaño normal de forma reversible y pu=
ede
doblarse hasta un 20% sin sufrir daño alguno. Al momento de realizar una
aleación el material puede ubicar sus granos de manera uniforme por todo el
material, cubriéndolo y aumentando su resistencia.
Es una de las propiedades que menor numero de
investigaciones posee, gracias a pruebas de microscopia se ha logrado
determinar valores numéricos que cuantifican las grandes presiones que este
elemento puede resistir la resistencia a la tracción, 130 GPa,
y el módulo de Young, 1 TPa que se encuentra entre los valores más =
altos
de todos los materiales debido a un módulo de Young grande, el grafeno puede
sufrir una gran elongación sin sufrir una ruptura, alcanzando una mayor
pendiente en la gráfica de elongación.
Es resistente, este material es muy duro incluso más que el diamant=
e,
puede llegar a sustituir el acero estructural ya que el diamante es 100 vec=
es
más duro que el acero Tiene una resistencia mecánica de 42 N/m (tensión de
rotura), mientras que una lámina del acero más resistente y del mismo espes=
or
que el grafeno, tendría aproximadamente una resistencia de 0,40 N/m, inclus=
o el
grafeno tiene una alta resistencia a ser rayado por lo que sería un excelen=
te
material para proteger una superficie. Varios estudios compilan que si se d=
esea
romper el material se necesita de un gran peso, aproximadamente cuatro
toneladas.
Como su estructura está conformada por un espesor de un átomo de
carbono, se forma una capa muy fina por lo cual se asemeja a un vidrio, es =
una
de las razones por las que las empresas telefónicas desean ingresar con est=
as
nuevas tecnologías además de tener flexibilidad, esta transparencia se debe=
a
la velocidad con la que se mueven los electrones por toda la estructura
brindando una mayor calidad. Incluso existen varias empresas que han encont=
rado
muestras a nivel de laboratorio para iniciar con pantallas a base de grafen=
o.
Otra característica es la protección de la radiación, la ionización=
es
el fenómeno en el que el átomo no llega a desprenderse del electrón, la
estructura de anillos hexagonales empieza a sufrir una radiación por lo que=
los
electrones devuelven sus estímulos, pero sin que estos se separen incluso
cuando tienen como ejemplo una incidencia por parte de luz, nos ayuda a gen=
erar
una reactividad química.
El campo eléctrico el graf=
eno
tiene una forma alotrópica del carbono (el carbono por ser un elemento no
metálico, es mal conductor de la electricidad) sin embargo este elemento
presenta propiedades que corresponden a los metales, comportándose como
semiconductor gap superficial o como semimetal de pequeño traslape , forman=
do
un campo eléctrico ambipolar o también conocido=
como
tobera magnética, este término hace referencia al campo magnético
convergente-divergente, es decir, guía, expande y acelera el estado de flui=
do
similar a un gas o llamado plasma.
Así mismo esta propiedad aplica a la multiplicación de frecuencias,=
la
señal eléctrica atraviesa por el segmento por lo que la estructura del graf=
eno
genera otra onda doble o triple, generando señales, pulsos, recepción de
información a una velocidad increíble no comparada a la que tenemos en la
actualidad.
La auto reparación de la capa es otra propiedad muy importante que
tiene el grafeno, hace referencia al reemplazo de átomos por si algún átomo
sufrió un desprendimiento total de la capa viene otro a sustituirlo de tal
manera que la vida útil del material el cual sufrió la aleación aumenta de
manera considerable, pero lo hará por un tiempo limitado, en comparación con
otros metales el tiempo de durabilidad aumenta, representando una ventaja p=
ara
el grafeno.
En el grafeno se pueden observar ondas que son dominadas onda de Di=
rac
sin masa, pero no es tan simple de observar, es necesario confinarlas, se
tienen registrado dos artículos científicos que han realizado dicha experim=
entación
para lo cual se usa un punto cuántico para atrapar estas cuasipartículas,
además es necesario tener un microscopio de efecto túnel, el punto cuántico=
es
una unión p-n en el grafeno adoptando una forma circular, esto actúa como un
potencial que mueve el nivel fermi por encima y por debajo de la energía
asociada a los vértices de los conos de Dirac, fermi es el nivel de energía
máximo.
Lo que hace el punto cuántico es dotas de un momento angular, cuando
las cuasipartículas que tienen un gran momento angular colisionan se logran
rebotes en el contorno, de este modo se logra de forma temporal atrapar las
cuasipartículas. Al momento de atrapar la función se pueden observar nodos y
antinodos con simetría circular, en este articulo hacen referencia a las on=
das
que son producidas al momento de botar una piedra en un rio.
F=
igura 5. Onda de los fermiones de Dira=
c
En el efecto Hall cuántico se ha observado en el grafeno a temperat=
ura
ambiente, los electrones dentro del grafeno se comportan como fermiones de
Dirac sin masa.
El
óxido de grafeno resulta de la oxidación y exfoliación de muchas capas de
grafito, su nomenclatura es GO, además el oxido=
de grafeno tiene sus usos dependiendo del grado de oxida=
ción
que el grafeno contenga a continuación se presentan ciertas características=
:
· =
Hidrofílico, esta característica lo hace un elemento amig=
able
con el agua y otros solventes orgánicos, al momento de combinarlos se pueden
formar dos fases, la fase más grande que corresponde al liquido mientras que
una fase pequeña hace referencia a pequeños granos sólidos.
· =
Gran área superficial.
· =
Capacidad de mezcla con polímeros y otros materiales.
· =
En capacidad eléctrica lamentablemente no se cumple como =
en
el grafeno.
· =
Aplicando reducción, se puede bajar el oxígeno de este
elemento y llegar al grafeno conocido como oxido de grafeno reducido.
Para
obtener grafeno es necesario reducir el oxígeno presente del grafito, al
obtener el grafeno a partir de óxido de grafeno reducido, varias afirmacion=
es
nos dicen que las propiedades si se cumplen, pero en la actualidad el óxido=
de
grafeno reducido es muy difícil en su obtención además se necesita otros
equipos muy costosos, por lo que se usa otro tipo de métodos para la obtenc=
ión
de grafeno.
El grafeno puede ser usado como conductor de electricidad en forma =
de
pintura, varios investigadores han logrado combinar grafeno con un metal, de
tal manera que al trazar una fina línea como si se tratara de un marcador e=
sta
puede conducir electricidad como si de un cable de cobre se tratase, incluso
muchos elementos pueden ser montados sobre este segmento el cual les va a
proporcionar energía ya sea solar almacenada o por una fuente de
alimentación.
El grafeno se puede combinar con resina epoxi con el fin de crear
plásticos mas ligeros y ma=
s
resistentes capaces de reemplazar a un metal, de esta manera se podrían cre=
ar
piezas para ser usadas en automóviles, aviones, barcos, entre otras. La res=
ina
epoxi suele endurecerse cuando se combina con un catalizador o endurecedor =
en
nuestro caso con el grafeno que hace referencia a un catalizador, tal como =
son
los nanotubos de carbono. Incluso estos están tomando el lugar del platino =
en
las pilas de hidrogeno, siendo esta una gran ventaja para usar un hidrolisi=
s y
de tal manera eliminar el motor de combustión interna, permitiendo que el
hidrogeno impulse un vehículo. Lo que se busca es apilar una cantidad defin=
ida
de capas de nanotubos. Se ha elegido este tipo de material ya que como esta formado por un solo átomo de espesor cualquier l=
iquido
o gas puede traspasar la capa sin sufrir ningún daño, caso contrario esto p=
uede
activar otras propiedades como la conducción eléctrica.
El grafeno puede ser usado para filtrar agua, es una gran ventaja ya
que nuestro planeta tiene una cantidad elevada de agua salada, con lo cual =
una
fina capa de grafeno permitiría que sea posible la desalinización. Es decir,
que se elimina toda la sal con la que esta comp=
uesta
el agua de mar y transformarla en agua potable.
Existen varias empresas telefónicas que han buscado durante varios =
años
el elemento que sea capaz de reemplazar las pantallas rígidas y frágiles us=
adas
en los celulares, el grafeno es capaz de reemplazar este cristal, brindando=
al
usuario un dispositivo ligero y resistente.
En el sector automovilístico se busca incursionar por aleaciones más
resistentes y ligeras en especial por el chasis que es la base del automóvi=
l,
en especial por la seguridad de los ocupantes, si se logra un elemento alea=
do
con el grafeno cuando exista una colisión las pérdidas humanas van a reduci=
r de
manera considerable, y no solo en los automóviles, en el campo de la mecáni=
ca
estas aleación tendrían una gran aceptación, como se observó en las
propiedades, la mayoría de estructuras podrían tener un recubrimiento de
grafeno o una mezcla interna con otro elemento.
Este trabajo ha sido avalado por varios estudios, independientemente
con un área respectiva de investigación en nuestro caso este estudio busca
aleaciones con metales ligeros para verificar mediante un microscopio
electrónico por lo cual es necesario tener sustentación acerca de las
propiedades mecánicas que el grafeno posee, como también el análisis de
estudios ya realizados. Nuestro enfoque no solo va orientado a la aleación =
con
los metales, la resina epoxi con grafeno es una aleación con un gran potenc=
ial
que podría dar un giro completo a la ingeniería.
Uno de los estudios más importantes es Measure=
ment
of the Elastic Properties and Intrinsic =
Strength of Monolayer Gra=
phene
por
Al final de cada capa se pueden diferenciar dos tipos distintos de
terminado de la estructura, no hay que confundir las propiedades que estos
presentan ya que estas solo influyen en los anillos más cercanos a los bord=
es,
se pueden encontrar dos estructuras como son en zigzag y armchair
como se puede observar en la Figura 6, también se debería analizar los bord=
es
como se realizo con el microscopio de fuerza at=
ómica
para verificar su resistencia en estos diferentes terminados.
Figura 6.=
Estructura del grafeno zigzag y grafeno =
armchair
Además de haberse realizado varios estudios teóricos sobre el grafe=
no,
muchos investigadores han buscado la forma más fácil de poder crear este
compuesto sin necesidad de equipos sofisticados, en sí, estas obtenciones se
las pueden realizar de forma solida o liquida, transformando grafito en
grafeno.
Uno de los procesos más prometedores corresponde al grafeno que cre=
ce,
hace referencia al crecimiento del grafeno en una superficie de metal en es=
te
caso se usa el níquel ya que en su estructura presenta átomos libres los cu=
ales
tejen una nueva estructura y este proceso se repite hasta extender esta cap=
a.
Como se muestra en la Figura 7, estas estructuras se enganchan formando una
barrera tan fuerte difícil de separar.
Figura =
7. Incrustaciones de grafeno en =
el
níquel
Se puede observar la estructura gris que corresponde al níquel y la
estructura roja que corresponde al grafeno.
En la capa roja se pueden observar las estructuras de los bordes, en
los círculos blancos son los puntos en los que se generan crecimiento de
grafeno. El enganche se genera por la fuerza de la energía con la que giran=
los
átomos libres de níquel, es lo que atrae a los átomos de carbono, de esta
manera se logra extender la capa de grafeno, es necesario realizar varios
estudios para conocer hasta que punto se va a
producir este crecimiento, además se deben analizar otros metales que cumpl=
an
con el mismo comportamiento y saber si el grafeno actúa de la misma manera.=
El
grafeno cumple con todas sus propiedades si su organización atómica es la
correcta, pero siempre se van a encontrar anillos que no conservan su
uniformidad, los defectos se dan en la primera dimensión también conocidos =
como
defectos lineales.
F=
igura 8. Dislocaciones del grafeno, desplazamiento de dipolos
Estos defectos vienen de la mano con las longitudes de los dipolos,=
es
decir, la aproximación de las moléculas polares. Cumpliendo la siguiente re=
gla:
Se trata de una interacción atractiva cuando sus polos positivo y
negativo se unen. La manera en la que ocurre cuando, la carga de una molécu=
la
polar es la que provoca la distorsión en la molécula apolar a través de su =
nube
electrónica.
Hablamos de una interacción repulsiva cuando sus polos positivo y
positivo se juntan o cuando sus polos negativo y negativo se aproximan. Por=
lo
general en los líquidos y sólidos cumple con la interacción atractiva busca=
ndo
una organización correcta.
Como se muestra en la Figura 8, los dipolos pueden influir en la
estructura con su longitud, muchas veces se da este fenómeno por
desplazamientos de ciertos átomos ubicados en esta finísima capa de grafeno,
los anillos tienden a estirarse en una punta más que en la otra.
El espesor que este elemento posee tiende a cero, pero en esta aun
influyen las leyes de la física, con su estructura se forma un gran campo
magnético, velocidad elevada en sus electrones, transparencia, es esta la r=
azón
por la que se han realizado varios estudios en la Universidad de Manchester
logrando verificar su estructura y propiedades como las que ya se describie=
ron.
Por su elevada velocidad se asemeja a las partículas elementales relativist=
as
ya que cumple con dos reglas principales como una velocidad cercana a la lu=
z,
no interactúa con otros sistemas.
Además, las cuasipartículas han sido
estudiadas solo por dos artículos en Nature
El grafeno es un gran campo y se lo puede aplicar de distintas mane=
ras,
es una finísima capa de recubrimiento que se le puede emplear sobre un meta=
l de
tal manera que esta estructura puede absorber energía solar, y ser un excel=
ente
conductor de electricidad, y lo mejor es que una capa de grafeno no sufre en
grandes cantidades el efecto Joule siendo una gran ventaja incluso para
sustituir cables por una finísima línea que conduzca electricidad y varios
elementos puedan ir montado en esta segmentación.
El grafeno puede tener aleaciones con resina epoxi, es una gran man=
era
de reemplazar los metales, como ya tuvo su explicación, esta aleación puede=
ser
usada en lugar de piezas metálicas, la importancia de la estructura del gra=
feno
como un catalizador ayuda al mercado de gran manera, aunque aún no existe un
método de producción industrial se han podido verificar todas las propiedad=
es
ya antes dichas. Si se encuentra el método para una producción a gran escal=
a,
varias tecnologías se lograrán combinar siendo ahora menos costosas y mas eficientes, un ejemplo es la pila de combustible =
de
hidrogeno, para sustituir un catalizador muy costoso como es el platino por
nanotubos de carbono.
Es de suma importancia continuar con la investigación, se busca for=
mar
un grano perfecto a través del grafito de tal manera que todas sus propieda=
des
puedan ser explotadas al máximo y así revolucionar la industria, sustituyen=
do
varios elementos que serían innecesarios al momento en que este grano se fo=
rme
con gran exactitud.
La metodología que se va a usar para avalar nuestro artículo es una
metodología experimental en la que se usa exfoliación mecánica para verific=
ar
una monocapa de grafeno, es uno de los métodos pioneros y sencillos de real=
izar
sin necesidad de usar sofisticados aparatos de un laboratorio, lo que se bu=
sca
con este método es desprender capa por capa de materia prima que en nuestro
caso es el grafito.
Los materiales que se usan en la experimentación son:
· =
Una mina de lápiz 3H
· =
Una mina de lápiz HB
· =
Una mina de lápiz 2B
· =
Cinta Adhesiva
· =
Microscopio electrónico
· =
Placa de cobre (usada en el campo de electrónica para
implementar circuitos)
El microscopio electrónico usualmente es usado en investigaciones p=
or
su gran poder de aumento en los lentes, superando la calidad de un microsco=
pio
óptico, además posee una resolución mayor, la forma en la que este disposit=
ivo
funciona es mediante el uso de electrones que son acelerados a gran velocid=
ad,
al momento en que estos electrones sufren el impacto se crea una luz para la
iluminación, estos electrones son reflejados por la muestra o bien estos pu=
eden
atravesar, además estos equipos son capaces de analizar los compuestos de l=
os
cuales está formado la muestra que es expuesta.
Al momento de realizar la exfoliación mecánica se está cambiando la
distribución, tan solo con la ayuda de una cinta adhesiva se desprenderá
grafeno en polvo las veces que sea necesario hasta verificar que exista una
capa tan fina, de tal manera verificar los resultados alojados por un micro=
scopio
electrónico alojado en las instalaciones de la Facultad de Mecánica ESPOCH,
para verificar las capas usaremos distintos grados de dureza del grafito qu=
e se
encuentra en las puntas de los lapiceros.
Como se explicó anteriormente la dureza que se generan en estas min=
as
son gracias a la arcilla por lo que usaremos distintos tipos de dureza de un
lápiz para verificar su estructura e identificar las diferencias y similitu=
des
que existen en las capas.
Por otro lado, se va a realizar una exfoliación directa a una mina,=
es
decir, vamos a fijar un trozo de cinta adhesiva a la mina compacta para
desprender una capa fina, los resultados también serán avalados en el
microscopio para verificar su estructura, se va a realizar esta prueba porq=
ue
se supone que la mina solida tiene pequeñas partículas adheridas, lo que se
presume es que van a salir muy separadas por la misma razón que no existe un
desprendimiento constante como se lograría en la punta del lapicero.
La presente investigación está enfocada en analizar la estructura d=
el
grafeno usando las distintas técnicas que se explican en el apartado siguie=
nte,
para después lograr una combinación con resina epoxi de tal manera se
necesitaran realizar pruebas para comprobar las propiedades ya explicadas. =
Por
otro lado, se puede realizar recubrimientos de grafeno sobre metales ligero=
s,
en si se busca reemplazar los elementos pesados por algo ligero y muy
resistente, para mejorar el bienestar de nuestro entorno.
Se desprende material de una mina de lápiz en manera de rayado en u=
na
hoja de papel para obtener una capa casi uniforme ya que si desprendemos
grafito con una cuchilla se van a obtener granos muy grandes que en la cinta
adhesiva no se va a poder separar de la mejor manera por lo que quedara mon=
tado
un grano de grafito sobre la estructura de grafeno, al momento de realizar =
el
rayado sobre el papel tomamos la cinta adhesiva para desprender el grafito =
del
papel, se empieza a unir y desprender la mancha de grafito en distintos tra=
mos
de la cinta adhesiva hasta obtener la capa más fina de esta manera poder
visualizarla en el microscopio electrónico, este procedimiento se va a real=
izar
con las minas HB 3H y 2B.
Para la segunda técnica no es necesario desprender el grafito de la
mina de lápiz tan solo vamos a impregnar un pedazo de cinta adhesiva, esta
técnica no ha sido aplicada antes por lo que vamos a experimentar, al parec=
er
en la mina solida solo existen una fina capa, en la cinta adhesiva solo se
marca una pequeña mancha, los resultados que se esperan es una monocapa de
grafeno. De la misma manera esta técnica se va a realizar en las tres disti=
ntas
minas 3H HB y 2B, para después sacar semejanzas y diferencias con la técnica
anterior, el microscopio electrónico es la herramienta fundamental para
identificar la estructura del grafeno.
Al
momento de insertar la muestra al microscopio electrónico, como se observa =
en
la figura 9, no se pudo distinguir ninguna diferencia, al momento de acerca=
r y
tener una mejor toma si se logró verificar unas pequeñas manchas sobre el
cobre, para asegurarnos que las manchas eran de grafeno se encerró en un
recuadro de color turquesa para hacer un análisis, el cual nos dio cobre y
carbono como resultado, y se mostro como si se
tratase de una aleación, en el recuadro de la derecha se detecta como una
aleación, se puede observar una monocapa de grafeno, cuando se impregno la =
fina
capa en cobre a simple vista no se pudo verificar ninguna diferencia, pero a
nivel microscópico se observó finas capas.
Figura 9. Análisis de la muestra en el =
microscopio
electrónico
Como se observa en la figura10, al momento de mover la placa dentro=
del
microscopio se encontraron varias muestras unas más finas que otras, en la
placa de cobre existían grietas en las cuales pequeñas capas de grafeno
ingresaban y se acoplaron de mejor manera como se puede observar en la capa=
del
recuadro de color naranja la caja adopta la forma de las grietas de la placa
mostrándose elástica.
F=
igura 10. Muestras con finas capas de <=
span
class=3DSpellE>grafeno
En la figura 11, se pueden verificar los distintos tamaños de las c=
apas
de grafeno mostradas en micrómetros, incluso existen pequeños puntos que no
fueron medidos y se los observa tan delgados, lo ideal sería buscar un méto=
do
para esparcir la capa de grafeno de la manera más uniforme, ya que por este
método se verifican multicapas y lo primordial es encontrar una monocapa,
además el grafeno debería cubrir una mayor área para realizar pruebas y
verificar sus propiedades. Para cubrir una mayor área se debe realizar otro=
método
de obtención del grafeno.
Figura 11. Tamaño de capas de grafeno<= o:p>
Para realizar un mejor análisis a nivel estructural se necesita un
equipo adecuado, en nuestro caso un microscopio con efecto túnel
Lo recomendable es realizar la experimentación con un lápiz de
numeración 2B porque como ya se explicó antes es necesario que el carbono q=
ue
contenga en su estructura sea el más puro además al momento de rayar en el
papel y adherirlo a la cinta se puede observar la mancha de mejor manera,
mientras que si hacemos con el 3H el lápiz es muy oscuro y no se puede segu=
ir
las marcas en la cinta adhesiva.
Adherir y separar las capas de grafito de la manera más uniforme,
aplastar con la misma fuerza en todas las secciones de la cinta ya que si n=
o se
realiza de esta manera no se podrá verificar capas uniformes y se verán
multicapas de grafeno.
Para el uso del microscopio es necesario tener una placa de cobre
pequeña en la cual se realicen varias pruebas y pueda girar la placa, ya qu=
e si
la placa es muy grande y queremos analizar el otro extremo se debe apagar el
equipo para girar, y esto demanda de mucho tiempo ya que no es un microscop=
io
común.
Al momento de insertar al microscopio verificar la estructura de la
cual se está analizando ya que las monocapa pueden ser confundidas con el
material del cobre, al inicio de la experimentación se empezó a visualizar
hexágono por lo cual se pensó que era grafeno hasta realizar la prueba de
composición y nos dio como resultado cobre, después se movió la placa hasta
encontrar estas manchas que eran el grafeno.
Buscar una zona en la cual la placa tenga un poco de imperfecciones
para adherir la cinta en este lugar, presionar con fuerza en esta zona y
desprender, entonces al momento de analizar en el microscopio electrónico s=
e va
a poder visualizar que el grafeno cumple con la propiedad de elasticidad, y=
a que
se debe acoplar a la imperfección formando un recubrimiento.
Al momento de realizar este experimento es necesario usar guantes, y
sacar las muestras en ese momento para que no se adhieran impurezas en la
composición.
Se puede realizar otras investigaciones con otras formas de carbono
para usar el método de exfoliación mecánica y de la misma manera llegar a o=
tras
conclusiones.
Conclusiones.
· =
Las pruebas realizad=
as
con los distintos tipos de lápices fueron las mismas, no se encontró mayor
diferencia todo está en la manera en la uniformidad con la que se desprende=
y
adhiere las capas de grafito en la cinta adhesiva, ya que si se realiza un
análisis de compuestos también nos dará carbono como resultado.
· =
Las pruebas realizad=
as
sobre las minas no fueron tan efectivas ya que las capas de grafito encontr=
adas
fueron muy pocas, además se encontraron granos más grandes por la misma raz=
ón
que al rayar en el papel se sufrió desprendimientos de grafito que quedaron
sobre la mina.
· =
El grafeno en una fu=
tura
investigación podrá tener una aleación con la resina epoxi ya que la manera=
en
la que se acopla al material es efectiva como en este caso, se nota que es =
una
capa elástica que adopta la forma en la que se le coloca, se busca un enfoq=
ue
de aleación con la resina epoxi ya que de esta manera se podrán crear eleme=
ntos
resistentes, ligeros. Si la investigación y experimentación son efectivas e=
sta
aleación podrá reemplazar el metal.
· =
Si se encuentra oxíg=
eno
en el análisis de los compuestos es normal ya que las minas están expuestos=
al
ambiente por lo que en los compuestos existe adherencia de oxígeno, en el
microscopio electrónico solo se va a encontrar carbono, cobre, oxigeno.
· =
El agradecimiento va
dirigido a la Escuela Superior Politécnica de Chimborazo en especial a la
Facultad de Mecánica por permitirnos realizar esta investigación con la ayu=
da
del microscopio electrónico ubicado en los laboratorios de materiales, se l=
ogró
sacar varias conclusiones que serán constructivas para futuras investigacio=
nes
con resina epoxi, y recubrimiento en otros metales para realizar pruebas,
asegurando así las propiedades expuestas en este documento.
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Para citar el artículo indexado.
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Ciencia Digital=
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Recuperado desde: http://cienciadigital.org/revistacienciadigital2/index.php/CienciaDigi=
tal/article/view/294/700
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ial
y/o total en otro medio tiene que ser autorizado por el director de la Revista Ciencia Digital.
[1] Escuela Superior
Politécnica de Chimborazo, Grupo de Investigación
SAPIA,
Chimborazo, Ecuador, edmundo.guacho@espoch.edu.ec
[2] Escuela Supe=
rior
Politécnica de Chimborazo, Grupo de Investigación SAPIA, Chimborazo, Ecuado=
r, bcuaical@espoch.edu.ec
[3] Escuela Supe=
rior
Politécnica de Chimborazo, Grupo de Investigación SAPIA a, Chimborazo, Ecua=
dor,
lfbuenanio@es=
poch.edu.ec
[4] Escuela Supe=
rior
Politécnica de Chimborazo, Grupo de Investigación SAPIA, Chimborazo, Ecuado=
r, bcuaical@espoch.edu.ec
www.cienciadigital.org =
Vol.
3, N°1, p. 313-332, =
enero -
marzo, 201