Mi primera lámina de grafeno, mi primer nanotubo de carbono

Este post  se basa en el libro, "PARA JUGAR CON LAS NANO" que fue un trabajo de la Red Nanodyf
El libro pretende acercar la nano a través de talleres y actividades lúdicas. Seguimos la serie con el capítulo: Mi primera lámina de grafeno, mi primer nanotubo de carbono de María Ana Sáenz-Nuño.


Principios a revisar 

  • Características dimensionales del grafeno y los na- notubos de carbono. 

Material 

  • Bolitas de Unicel de distintos colores
  • Mondadientes
  • Cola blanca (opcional)  

Procedimiento 

  1. Seleccionar los colores de las bolitas a utilizar. Cada nanotubo puede hacerse con un color distinto, como suele mostrarse en las reconstrucciones virtuales de dichas estructuras. 
  2. Cortar los palillos con los extremos aflados, a una longitud que sea aproximadamente el doble del diámetro de cada bolita, de forma que el resultado tenga un aspecto proporcional al real.
  3. Formar los hexágonos base de la estructura de carbono pinchando las bolitas con los palillos. Para que el montaje sea más estable, puede echarse una gota de cola blanca en el extremo del palillo, de forma que quede frmemente unido a la bolita cuando estos se ensamblen.
  4. Para el grafeno se deberán unir los hexágonos formando un plano.
  5. Para el nanotubo de carbono, unir los hexágonos formando un cilindro.

Preguntas 

  • ¿Es fácil construir una estructura basada en hexágonos? 
  • ¿Con cuántas bolitas (carbonos) se relaciona cada átomo? 
  • ¿Qué sucede cuando nuestro nanotubo empieza a crecer en altura? 
  • ¿Qué pasaría si en nuestro nanotubo quitásemos un solo átomo de carbono en el centro? 
  • ¿Se destruiría el nanotubo? Prueba hacerlo con tu modelo. 
  • ¿Y si sustituimos una de las bolitas por otra del mismo tamaño pero de distinto color? ¿Se destruye? Prueba hacerlo con tu modelo.  

 Marco teórico. Grafeno 

El repentino aumento del interés científco por el grafeno puede dar la impresión de que se trata de un
material nuevo; sin embargo, este se conoce y se ha descrito desde hace más de medio siglo. Tanto el enlace químico como su estructura se describieron durante el decenio de 1930. Philip Russell Wallace calculó por primera vez, en 1949, la estructura electrónica de bandas. Al grafeno se le prestó poca atención durante décadas, ya que se pensaba que era un material inestable termodinámicamente y que sus fuctuaciones térmicas destruirían el orden del cristal, dando lugar a que el cristal 2D se fundiese. Bajo este prisma, se entiende la revolución que significó que Andre Gueim y Konstantín Novosiólov consiguieran aislar el grafeno a temperatura ambiente. La palabra grafeno se adoptó ofcialmente en 1994, después de haber sido designada de manera indistinta como monocapa de grafito. El grafeno es una sustancia formada por carbono puro, con átomos dispuestos en patrón regular hexagonal, similar al grafito, pero en una hoja de un átomo de espesor; es muy ligero: una lámina de 1 metro cuadrado pesa tan solo 0.77 miligramos; se considera 200 veces más fuerte que el acero y su densidad es aproximadamente la misma que la de la fibra de carbono. Además, es casi 5 veces más ligero que el aluminio. El nombre proviene del cambio en el vocablo grafito del sufijo –ito por –eno, propio de los carbonos con enlaces dobles. En realidad, la estructura del grafito puede considerarse una pila de gran cantidad de láminas de grafeno superpuestas. Los enlaces entre las capas de grafeno apiladas se deben a fuerzas de Van der Waals e interacciones de los orbitales 丌 de los átomos de carbono.

Entre las propiedades destacadas de este material están:
  • Es extremadamente duro: 100 veces más resistente que una hipotética lámina de acero del mismo espesor. 
  • Es muy fexible y elástico.
  • Es transparente.
  • Tiene capacidad de autoenfriamiento (según algunos científcos de la Universidad de Illinois).
  • Tiene conductividad térmica y eléctrica altas.
  • Hace reacción química con otras sustancias para producir compuestos de diferentes propiedades, lo que lo dota de gran potencial de desarrollo.
  • Sirve de soporte de radiación ionizante.
  • Tiene gran ligereza, como la fibra de carbono, pero esta es más flexible.
  • Se presenta con menor medida el efecto Joule, es decir, se calienta menos al conducir los electrones.
  • Para una misma tarea que el silicio, el grafeno tiene un menor consumo de electricidad.
  • Genera electricidad al ser alcanzado por la luz.
  • La razón superfcie/volumen es muy alta en él, lo que le otorga un buen futuro en el mercado de los supercondensadores.
  • Se puede dopar introduciendo impurezas para cambiar su comportamiento primigenio de manera que, por ejemplo, no repela el agua o que incluso cobre mayor conductividad.
  • Se autorrepara: cuando una lámina de grafeno sufre daño y su estructura se quiebra, se genera un agujero que atrae átomos de carbono vecinos para tapar los huecos.
  • En su forma óxida, absorbe residuos radiactivos.
El grafeno es de los materiales más duros y fuertes que existen; incluso supera la dureza del diamante y es 200 veces más resistente que el acero. Es altamente rígido; de hecho, tiene un módulo de young de 1 TPa, por lo tanto, soporta grandes fuerzas sin apenas deformarse. Se trata de un material ligero con una densidad de tan solo 0.77 miligramos por metro cuadrado (densidad indicada en unidades de superfcie como causa de su estructura laminar). También cabe destacar que soporta grandes fuerzas de fexión, lo que signifca que se puede doblar sin romperse. Para hacerse una idea de la capacidad de estas propiedades mecánicas, el premio Nobel hizo una comparación con una hamaca de grafeno de un metro cuadrado de superficie y un solo átomo de espesor. Esta hamaca de grafeno podría soportar hasta 4 kilogramos antes de romperse (lo que equivale al peso de un gato). En total, esta hamaca pesaría lo mismo que uno de los pelos del bigote del gato, que es menor a un miligramo. Además, muchas nanoestructuras recientemente descubiertas, como los nanotubos de carbono, están relacionadas con el grafeno. Tradicionalmente, estos nanotubos se han descrito como hojas de grafeno enrolladas sobre sí mismas. De hecho, las propiedades de los nanotubos de carbono se explican y entienden fácilmente a partir de las inherentes al grafeno. Se ha descrito también, haciendo uso de un microscopio de efecto túnel, la preparación de nanotiras de grafeno mediante nanolitografía.

Marco teórico. Nanotubo 

En química, se denomina nanotubos a estructuras tubulares cuyo diámetro es del tamaño del nanómetro. Existen nanotubos de muchos materiales, tales como el silicio o el nitruro de boro, pero generalmente el término se aplica a los nanotubos de carbono. Los nanotubos de carbono son una forma alotrópica del carbono, como el diamante, el grafito o los fullerenos; su estructura puede considerarse procedente de una lámina de grafito enrollada sobre sí misma. Dependiendo del grado de enrollamiento y de la manera en la que se conforma la lámina original, el resultado puede llevar a nanotubos de distinto diámetro y geometría interna; estos estarán conformados de una manera tal que pareciese que los extremos de un folio se uniesen por sus extremos formando el mencionado tubo; estos se denominan nanotubos monocapa o de pared simple. Existen también nanotubos cuya estructura se asemeja a la de una serie de tubos concéntricos incluidos unos dentro de otros, a modo de muñecas matrioskas, lógicamente, de diámetros crecientes desde el centro a la periferia; estos son los nanotubos multicapa. De estos nanotubos se conocen dos tipos de derivados: los que presentan el tubo cerrado por media esfera de fullereno y los que no están cerrados.

Abordaje sugerido 

El hombre, al disponer de la naturaleza, cuenta con la capacidad tecnológica necesaria para construir estructuras espectaculares. Desde este punto de vista, los átomos son unos ladrillos estupendos; la nanotecnología ha puesto a nuestro alcance la posibilidad de situarlos donde queramos, dando lugar a todo un nuevo mundo de posibilidades. El principio de estos ladrillos son las láminas de grafeno y los nanotubos. Partiendo de las propiedades de los átomos de carbono, la estructura más sencilla y robusta en la que se aglutinan seis de estos átomos es la hexagonal, que es la primera figura geométrica que ya nos recuerda casi inmediatamente un círculo, mientras que el pentágono parece quedarse lejos. Sin embargo, no es solo una bonita construcción sin utilidad, sino que fácilmente se pueden unir estos hexágonos hasta llegar a tener una lámina tan grande como la tecnología nos lo permita. El resultado ha sido el grafeno. Ahora, ¿por qué no hacer un tubo enrollando una lámina de grafeno? Y así fue como nacieron los nanotubos. Tenemos por fin las primeras nanopiezas para construir todo un nanomundo de nanomáquinas.

Datos curiosos 

Las estructuras basadas en hexágonos son muy comunes en la naturaleza; de hecho, son las más
utilizadas cuando se busca ligereza y, al mismo tiempo, robustez en la construcción. Sirva de ejemplo que este tipo de estructura es la que usan las abejas en sus colmenas, por lo que se conoce también como estructura de panel de abeja.

Dinámicas útiles 

Es muy recomendable que el instructor se familiarice, antes de este ejercicio, con el material a utilizar en la sesión. Es incluso deseable que grabe un pequeño video propio sobre el proceso, especialmente si el grupo al que se le va a impartir es numeroso o le cuestan las manualidades. Si hay suficientes niños, se recomienda formar grupos de dos a cuatro niños que giren agarrados de la mano formando un corro para que experimenten ser un anillo de dos, tres y hasta seis átomos girando. Al finalizar esta dinámica, se aconseja pedir a los niños que cuenten su experiencia.




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