Què és el grafè?

El grafè és un material que té diverses propietats capaços de revolucionar la tecnologia

grafè

Imatge OpenClipart-Vectors a Pixabay

El grafè és un material compost per una capa bidimensional d'àtoms de carboni disposats en estructures hexagonals, l'alçada de les quals és equivalent a la d'un àtom. Aquest material es pot produir extraient capes superficials de grafit, un mineral abundant a la Terra i un dels al·lòtrops més comuns del carboni.

Els enllaços químics i el gruix del grafè són els responsables de diverses propietats importants d'aquest element, com ara la resistència mecànica i les conductivitats tèrmiques i elèctriques. Aquestes característiques han atret els científics i la indústria tecnològica per les seves infinites possibilitats d'ús.

El descobriment del grafè

El grafè estable i bidimensional va ser descobert accidentalment l'any 2004 pels físics russos Andre Geim i Konstantin Novoselov. Aquest descobriment va valdre als investigadors el Premi Nobel de Física l'any 2010. Tanmateix, l'existència d'aquest al·lòtrop de carboni es coneix des de 1930.

Propietats del grafè

El grafè té nombroses propietats que el converteixen en un material amb diverses aplicacions tecnològiques. Conèixer les principals propietats d'aquest al·lòtrop.

Propietats mecàniques

El grafè és el material més fort que s'ha conegut mai. Aquesta resistència prové dels forts enllaços formats entre els seus àtoms de carboni. Els materials molt utilitzats en la construcció civil, com l'acer, suporten només un terç d'aquesta pressió.

Una altra propietat interessant del grafè és el seu elevat mòdul de Young, que indica que, a més de ser resistent, aquest material és molt elàstic. Per tant, és capaç de tornar a la seva mida original amb relativa facilitat.

Les petites àrees de cada hexàgon de carboni són les responsables de l'alta impermeabilitat del grafè, que es pot utilitzar com una petita xarxa capaç de contenir gasos que es desprenen fàcilment dels seus contenidors, com el gas hidrogen. A més de ser extremadament resistent, el grafè és molt lleuger: la seva densitat és de 0,77 g/m², és a dir, unes mil vegades més lleuger que un full de paper.

propietats elèctriques

Els electrons són capaços de propagar-se a través del grafè gairebé lliurement sense patir deflexió ni col·lisions. A causa de l'estructura hexagonal dels enllaços de carboni, els electrons es mouen dins d'aquestes capes fines a velocitats relativistes, és a dir, properes a la velocitat de la llum.

A temperatura ambient, la resistivitat elèctrica del grafè és la més baixa que hi ha. Així, aquest element es pot considerar el millor conductor metàl·lic.

propietats òptiques

En deixar passar el 97,5% de la llum incident, el grafè és invisible a simple vista. Aquest comportament òptic sorgeix de les propietats relativistes dels electrons del grafè. Això implica que, apilant diverses làmines de grafè, és possible produir un cos perfectament negre, capaç d'absorbir gairebé tota la radiació que hi incideix.

propietats tèrmiques

A causa de les seves propietats elèctriques, el grafè és un excel·lent conductor tèrmic. Aquest material és capaç de dissipar la calor més ràpidament que qualsevol material conegut. A més, alguns estudis suggereixen que la seva temperatura de fusió és de 3851 °C.

Per tant, les principals propietats i característiques del grafè són:

  • És extremadament prim: és el gruix d'un àtom;
  • És altament resistent: unes 200 vegades més resistent que l'acer;
  • És flexible;
  • És impermeable;
  • És transparent: transmet al voltant del 97,5% dels raigs de llum;
  • Té una alta conductivitat tèrmica i elèctrica: condueix l'energia elèctrica 100 vegades més ràpid que el coure. Els estudis també han demostrat que la velocitat a la qual viatgen els electrons a través del grafè és de 1000 km/s (60 vegades més ràpid que el silici);
  • Té una alta duresa
  • Té menys efecte Joule: perd menys energia en forma de calor en conduir electrons.

Aplicacions del grafè

Per les seves propietats i característiques, el grafè és un dels materials més prometedors coneguts. Les seves aplicacions tecnològiques són vastes, però limitades per la capacitat de produir aquest material a gran escala. Dispositius com ara pantalles LED plegables, cèl·lules fotovoltaiques, transistors més eficients, supercondensadors, dissipadors de calor i bateries de súper mòbils són alguns exemples de tecnologies desenvolupades amb grafè.

A més, el grafè es pot aplicar en altres àrees d'estudi, com ara:

Aigua potable

Les membranes formades per grafè són capaços de dessalar i purificar l'aigua de mar

Emissions de CO2

Els filtres de grafè són capaços de reduir les emissions de CO2 separant els gasos generats per indústries i empreses

detecció de malalties

Els sensors biomèdics molt més ràpids es basen en grafè i poden detectar malalties, virus i altres toxines.

Construcció

Els materials de construcció com el formigó i l'alumini es tornen més lleugers i forts amb l'addició de grafè

Estètica

La coloració del cabell mitjançant la polvorització de grafè dura fins a 30 rentats

Microdispositius

Xips més petits i més forts a causa de la substitució del silici pel grafè

Energia

Les cèl·lules solars tenen una millor flexibilitat, més transparència i menors costos de producció amb l'ús del grafè

Electrònica

Bateries amb millor i més ràpid emmagatzematge d'energia

Mobilitat

Les bicicletes poden tenir pneumàtics i quadres més ferms amb un pes de 350 grams amb grafè

Entre els estudis relacionats amb el grafè, destaquen els que impliquen el desenvolupament de nous cables de transmissió de dades per a internet. Segons una enquesta publicada per la revista Comunicació Natura, la idea és aprofitar tota la velocitat que assoleixen els electrons del grafè: les cèl·lules es mouen centenars de vegades més ràpid que en els cables que s'utilitzen actualment.

Importància del grafè per al Brasil

Brasil forma part de la carrera tecnològica a la recerca de mètodes més barats i eficients per a la producció de grafè. Segons l'informe elaborat pel Departament Nacional de Producció Mineral (DNPM), el mercat del grafè hauria de ser un dels més rendibles del món, amb el potencial d'arribar fins a 1 bilió de dòlars en 10 anys. A més, el Brasil té les reserves de grafè més grans del món.

Preu del grafè

A causa del seu complex mitjà d'obtenció, el preu del grafè encara és elevat. Les tècniques més actuals que permeten la producció de capes pures i fines d'aquest material treballen amb deposició de vapor sobre substrats metàl·lics, com ara làmines de coure.

Actualment, un full de grafè de 2,08 cm per 1,54 cm pot costar fins a 275 dòlars: una mitjana de 21 dòlars per polzada quadrada. Tanmateix, factors com ara les impureses i les asimetries poden reduir dràsticament aquest preu. El grafè també es pot obtenir del grafit: amb 1 kg de grafit, que costa aproximadament 1 dòlar, es poden produir 150 g de grafè, el valor dels quals supera els 15 mil dòlars.

Curiositats sobre el grafè

  • El projecte Graphene Flagship, de la Unió Europea, va destinar uns 1.300 milions d'euros a la investigació relacionada amb el grafè, les aplicacions i el desenvolupament de la producció a escala industrial. En total, 150 institucions de 23 països participen en aquest projecte.
  • La primera maleta desenvolupada per a viatges espacials té grafè en la seva composició. El seu llançament està previst per al 2033, quan la NASA té previst dur a terme expedicions a Mart.
  • El borofè és el nou competidor del grafè. Aquest material, descobert el 2015, es veu com una versió millorada del grafè, sent encara més flexible, resistent i conductor.

Els processos d'obtenció del grafè, les seves aplicacions i la seva importància per al Brasil


$config[zx-auto] not found$config[zx-overlay] not found