Graphene, a brief history and applications

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UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS
FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS
PROGRAMA DE DOCTORADO

• PRESENTACIóN DE AVANCE GLOBAL

ASESOR Dr. Carlos Landauro Sáenz
COASESOR Dr. Justiniano Quispe
TESISTA Miguel Angel Mosquera Molina
2016
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Problemática
El impacto de la minería, en particular de la
extracción de oro, en nuestra salud y medio
ambiente, es de mayor preocupación de las
poblaciones rurales alrededor de la zona de
explotación minera. Aunque debería ser
considerado un problema de impacto nacional.
En los últimos años, esto se refleja en los
numerosos conflictos sociales referidos a la
minería del oro, la tension social entre
comunidades, confrontaciones y mobilizaciones
sociales de los campesinos en contra de la
explotación minera.
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Arsénico en la Minería
El impacto de la minería, en particular de la
extracción de oro, en nuestra salud y medio
ambiente, es de mayor preocupación de las
poblaciones rurales alrededor de la zona de
explotación minera. Aunque debería ser
considerado un problema de impacto
nacional. http//www.uclm.es/users/higueras/MAM/
Mineria_Toxicidad4.htmAs http//www.miningfacts
.org/Ambiente/Que-papel-juega-el-arsenico-en-la-in
dustria-minera/ http//es.slideshare.net/edivas24
/as-1768242
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Qué es el arsénico?

• En qué formas se encuentra el arsénico?

Inorgánico
Orgánico
Generalmente más tóxico.
Generalmente menos tóxico.
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Por qué estudiar el arsénico?
Cáncer
No-Cáncer
Cáncer de piel Cáncer de pulmón Cáncer de vejiga
Efectos en la piel Efectos gastrointestinales Efec
tos cardiovasculares Efectos neurológicos
Toxicidad del Arsénico
El arsénico inorgánico es un conocido
carcinógeno humano. La carcinogenicidad del
arsénico orgánico no ha sido clasificada.

• Los efectos ocurren dependiendo de la dosis y de
  la duración de la exposición.

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Arsénico en el medio ambiente

• Orgánico vs. inorgánico
• Niveles típicos

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Arsénico en el aire

• Formas presentes
• Normalmente trióxido de arsénico (As2O3) en
  partículas.
• Las formas orgánicas y el vapor son menos
  comunes.
• Gama de concentraciones típicas
• Otras consideraciones
• Contribución del tabaco y de otras fuentes (p.
  ej., quema de carbón y de combustible).

Entorno Urbano (2 a 2,320 ng/m3).
Entorno rural (1 a 28 ng/m3).
Entornos remotos (0.007 a 1.9 ng/m3).
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Arsénico en aguas subterráneas

• Formas presentes
• Normalmente arsénico inorgánico (arseniato,
  AsO4-3).
• Formas orgánicas y vapores son mucho menos
  comunes.
• Gama de concentraciones típicas
• Generalmente menos de 10 µg/L.
• Niveles mucho más altos en áreas concretas
• Bengala Occidental, India lt10 a 2.040 µg/L.
• Bangladesh lt10 a 3.700 µg/L.
• Otras consideraciones
• Puede ser fuente de exposiciones indirectas.

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Arsénico en aguas superficiales

• Formas presentes
• Normalmente inorgánico y unido a las partículas
  en suspensión.
• Arsénico orgánico en pequeñas proporciones.
• Gama de concentraciones típicas
• Concentraciones en cuerpos de agua dulce lt10
  µg/L.
• Niveles más altos cerca de industrias, minas y
  depósitos de minerales.
• Otras consideraciones
• Ciclos de arsénico a través de sistemas acuáticos.

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Arsénico en alimentos

• Formas presentes
• Varía de un alimento a otro.
• Considerable variabilidad, incluso con un mismo
  alimento (p. ej. arroz).
• Predominantemente orgánico (gt75) en pescados y
  mariscos.
• Gama de concentraciones típicas
• Abordadas en los ejercicios (ver ejercicios).
• Otras consideraciones
• Unidades de medida peso húmedo versus
• peso seco.
• Puede ser encontrado en medicamentos
  tradicionales.

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Arsénico en suelo

• Formas presentes
• Generalmente inorgánicas arseniato (AsO4-3) y
  arsenito (AsO2-).
• Frecuentemente adherido al suelo, pero también se
  puede colar al agua subterránea.
• Gama de concentraciones típicas
• Nivel promedio en la corteza terrestre 2 mg/kg.
• Niveles típicos en el suelo 1 a 40 mg/kg.
• Niveles mayores en áreas concretas.
• Otras consideraciones
• Fuente de contaminación para las plantas.

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Efectos nocivos del Cromo
Los efectos biológicos del Cr dependen de su
estado de oxidación.
El Cr(VI) es considerado la forma más tóxica del
metal, debido a que atraviesa fácilmente las
membranas biológicas y puede ser transportado
activamente al interior de las células por medio
del transportador de sulfato. (Borst- Pauwels,
1981)
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Efectos nocivos del Cromo
El Cr(VI) es altamente tóxico para todas las
formas de vida, siendo mutagénico y carcinogénico
en humanos y mutagénico en bacterias ( Losi et
al. 1994).
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Efectos biológicos del Cromo
El Cr(III) es relativamente inocuo debido a su
insolubilidad e incapacidad para atravesar las
membranas biológicas, dicha especie constituye un
oligoelemento indispensable para procesos
bioquímicos y fisiológicos en células superiores.
El Cr(III) específicamente tiene acciones en el
metabolismo de la glucosa, el colesterol y los
ácidos grasos, además de desempeñar un papel
importante en diferentes reacciones enzimáticas.
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Soluciones
Grafeno Óxido de grafeno. Óxido reducido de
grafeno.
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Inicios del grafeno
Sir Harold Walter Kroto, miembro de la Real
Sociedad de Londres (Harold Walter Krotoschiner
7 de octubre de 1939 30 de abril de 2016),
conocido como Harry Kroto, fue un químico inglés.
Compartió el Premio Nobel de Química en 1996 con
Robert Curl y Richard Smalley, por el
descubrimiento de los fullerenos en 1985 (tercera
forma del carbono).
Harry Kroto
Sumio Iijima Profesor en la Universidad Meijo,
director del Centro de Investigación para el
Avance de los Materiales de Carbón del Instituto
Nacional de Ciencia Industrial Avanzada y
Tecnología de Japón y decano del Instituto
Avanzado de Nanotecnología de la Universidad de
Sungkyunkwan (Seúl, Corea del Sur). Iijima
descubre los nanotubos de carbono en 1991.
Sumio Iijima
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Grafeno
A pesar de que se observó en 1991 que los CNT
(del inglés carbon nanotubes) se formaron por
laminación de una hoja de grafeno bidimensional
(2D), con una sola capa tener grafito en 3D, el
aislamiento de grafeno era bastante difícil de
alcanzar, resistiendo cualquier intento con
respecto al trabajo de investigación experimental
hasta 2004. El grafeno es el elemento estructural
básico de algunos alótropos de carbono,
incluyendo el grafito, nanotubos de carbono, y
los fullerenos.
El grafeno y sus descendientes, (a) grafeno
envuelto fullerenos (b) grafeno laminado
nanotubos y (c) apilar grafeno grafito.
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Grafeno
En octubre de 2004, Geim publicó un artículo que
anuncia el logro de láminas de grafeno en la
revista Science, titulado "efecto de campo
eléctrico en las películas de carbono de grosor
atómico. Ahora es uno de los documentos más
citados en la física de los materiales, y para el
año 2005, los investigadores tuvieron conseguido
aislar láminas de grafeno. El grafeno es una
lámina de espesor atómico, quizás el material más
delgado en el universo y forma una red cristalina
de alta calidad, sin vacantes o dislocaciones en
la estructura. Esta estructura le confiere
propiedades interesantes, y produjo una nueva
física sorprendente.
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Propiedades ópticas del grafeno
La transmisión óptica de una monocapa es del
97,7 (Nair et al., 2008), y la razón fundamental
los premios Nobel de A. Geim y Novoselov K. en
2010, fue que (Geim 2011) (Novoselov 2011)
encontraron un enfoque práctico en óptica para
identificar claramente una sola monocapa de
grafeno, colocado sobre una superficie de Si
oxidado
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Propiedades potenciales del grafeno
Alto módulo de Young ? 1000 Gpa. Eficaz barrera
de humedad. Conductividad eléctrica (9,60  107
S/m) emejante al cobre (5,96  107 S/m). Densidad
cuatro veces más baja que la del
cobre. Conductividad térmica más alta que el
cobre. Alta área superficial ? 2500 m2/g. Menor
densidad que el acero, puede ser 50 veces más
intenso.
21
Potenciales del grafeno en función a su
resistencia
Potential graphene applications and corresponding
resistance range required for each application.
22
Aplicaciones potenciales del grafeno
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Oxido de grafeno (GO) y óxido de grafeno reducido
(rGO)
24
Oxido de grafeno (GO) y óxido de grafeno reducido
(rGO)
Reduced graphene oxide (RGO)-Ag and RGO-MnO2
composites have been successfully utilized for
Hg(II) removal and graphene-silver composites
have been used to disinfect water.
25
Técnicas de obtención de GO y rGO
26
Técnicas de producción de grafeno
Schematic illustration of the main graphene
production techniques. (a) Micromechanical
cleavage. (b) Anodic bonding. (c)
Photoexfoliation. (d) Liquid phase
exfoliation.(e) Growth on SiC. Gold and grey
spheres represent Si and C atoms, respectively.
At elevated T, Si atoms evaporate (arrows),
leaving a carbon-rich surface that forms graphene
sheets. (f) Segregation/precipitation from carbon
containing metal substrate. (g) Chemical vapor
deposition. (h) Molecular Beam epitaxy. (i)
Chemical synthesis using benzene as building
block.
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Síntesis y reducción de óxido de grafeno
Synthesis and reduction. Graphite can be oxidized
with different procedures in the presence of
strong acids. The GO flakes are functionalized
with epoxy and hydroxyl groups both above and
below, and at the edges. A partial recovery of
the electronic properties can be reached
following a reduction treatment. However, none of
the current approaches can fully remove the
defects.
28
óxido de grafeno
Síntesis de óxido de grafeno a partir de grafito
natural.
Graphite oxide is chiefly composed of carbon,
oxygen, and hydrogen atoms retaining a C/O ratio
in between 1.8 to 2.5. In this context, it should
be noted that the stoichiometric ratio between
the constituent elements of graphite oxide is not
fixed and varies depending upon the oxidation
level. Graphite oxide is highly populated with
hydroxyl (-OH) and epoxide (C-O-C) functions,
while the edge-plane consists of carbonyl (CO)
and carboxylic acid (-COOH) groups
Graphene oxide (GO), an exfoliated form of
graphite oxide, is another important intermediate
between graphite and grapheme.
29
Propuesta estructural del óxido de grafeno
A proposed schematic (Lerf-Klinowski model) of
graphene oxide structure
30
Síntesis de Hummer - Graphene Oxide (GO)
31
Síntesis modificada de Hummer - Graphene Oxide
(GO)
32
Síntesis de Tour - Graphene Oxide (GO)
33
Chemical vapor deposition
Chemical vapor deposition techniques are emerging
as ideal processes for large area graphene films
for touch screen and other large display
applications, while graphene derived from SiC
single crystals maybe better suited for resistor
standards, and high frequency device
applications. Many issues still remain to be
addressed in the growth of graphene by CVD to
improve the electrical and optical
characteristics.
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Application for graphene and derivates
Graphene and its derivatives have been reported
to be functionalized with avidinbiotin, peptides,
NAs, proteins, aptamers, small molecules,
bacteria, and cells through physical adsorption
or chemical conjugation. Functionalized graphene
biosystems with unique properties have been used
to build biological platforms, biosensors, and
biodevices.
35
área superficial específica de compositos de
grafeno
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Óxido de grafeno (GO) y óxido reducido de grafeno
(rGO)
SEM images of GOs (A) and rGOs (B) AFM images of
GOs (C) and rGOs (D), the corresponding height
profiles are shown as insets and XRD patterns of
GOs and rGOs (E). The rGOs were reduced at the
ratio of H2 to Ar 21, pressure of 4.7 Pa. Los
GOs and rGOs show an intense peak (001) at 2?
10.3. However, the intense peak at 10.3
disappears and a broad peak at 2? 24.1.
37
Caracterización del grafeno SEM/conductividad
(a) Low (top) and high (bottom) magnification SEM
images obtained from a fracture surface of
composite samples of 0.48 vol. graphene
(phenyl isocyanate treated and 1,1
dimethylhydrazine-reduced graphene oxide) in
polystyrene (b) Electrical conductivity of the
polystyrene graphene composites as a function
of filler volume fraction.
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Caracterización del grafeno Espectroscopia
Ramman
La banda D (1363 cm-1) esta asociado a los
desordenes referente a la hibridización sp3, la
banda G (1594 cm-1) da referencia a la
hibridación sp2, y como esta es característica de
la estructura del grafeno, la observamos
perfectamente definida durante todo el proceso.
La banda 2D (2700 cm-1), presenta mayor
intensidad, ya que es una frecuencia
característica, e indica la simetría del grafeno
(a) Grafito precursor. (b) Óxido de grafito. (c)
Óxido de grafeno. (d) Lamina de grafeno
exfoliado.
La tasa ID/IG cambia considerablemente en
presencia de agentes reductores, como la
hidrazina (N2H4), borhidruro de sodio (NaBH4), e
hidruro aluminio de litio (LiAlH4).