Més grafè per a l’emmagatzematge d’hidrogen. Ara, arrugat.

Precisament ahir en parlàvem, tal i com hem fet en moltes ocasions.
Des de que el passat 2010 el Premi Nobel de Física fos per Geim i Novoselov pels seus sobre el grafè, s’ha fet molta recerca i difusió al voltant d’aquest material bidimensional i ja en veiem algunes aplicacions a la vida quotidiana.

Ara llegeixo un article a la RSC que investigadors del NEST, National Enterprise for nanoScience and nanoTechnolog (Itàlia), amb els seus càlculs teòrics computacionals publiquen que làmines de grafè arrugades podrien ésser una bona base per a l’emmagatzematge d’hidrogen.

Now, Valentina Tozzini and Vittorio Pellegrini of NEST, have used density functional theory and molecular dynamics simulations to show that distorted sheets of graphene – single layers of carbon atoms in a honeycomb configuration – might provide another approach.

The team’s calculations suggest that if layers of graphene are compressed laterally to form corrugations, hydrogen would find it energetically favourable to chemically bind to the convex tops of the ridges. In flat sheets of graphene, carbon’s electronic orbitals are sp2 hybridised. If the sheet is buckled, the orbitals at the convex surfaces assume a geometry closer to sp3 hybridisation – which hydrogen finds attractive.

Computer simulations suggest that it would be energetically favourable for graphene to bind to the convex structures but not concave ones. © J. Phys. Chem. C

Més info:

http://www.rsc.org/chemistryworld/News/2011/December/graphene-hydrogen-storage.asp

Article original:

V. Tozzini and V. Pellegrini, J. Phys. ChemC, 2011, DOI: 10.1021/jp208262

Grafè per a tots els públics!

M’agrada molt, igual que tots els al·lòtrops del carboni. Tot i que el meu preferit és el futbalè, el grafè m’agrada especialment per la manera com el vaig conèixer, en el seguiment de l’anunci del Premi Nobel de Física del passat 2010.

Avui, gràcies a Scientific American descobreixo aquest vídeo sobre el grafè. El trobo molt interessant des del punt de vista didàctic. Les bones i clares explicacions de la científica, fan que el concepte s’entengui molt bé.

Grafè per a tots els públics!

H2O@C60 i grafè extraterrestre

Ahir en parlaven al bloc Ciencia Kanija, però dissabte passat Miquel Duran (@miquelduran) ja ens en parlava al seu bloc Edunomia i al bloc col·lectiu CatQuímica.

Investigadors de l’Institut d’Atrofísica de Canàries han publicat (The Astrophysical Journal Letters, 27/07/2011) la detecció de molècules de buckminster ful.lerè (C60) i C70 extragal.làctics (als núvols de Magallanes) a més d’un trosset de grafè (C24) de forma hexagonal. És a dir làmina hexagonal, del gruix d’un àtom de C, formada per 24 àtoms de C disposats formant 7 hexagons. És a dir, una espècie de fractal hexagonal.

Molècula de C24, en primer pla. Imatge, http://www.agenciasinc.es

Per altra banda, recentment també s’ha presentat un altre descobriment interessant del mateix tema. Investigadors de la Universitat de Kioto la setmana passada van publicar a Science el procés químic per a l’encapsulament d’una molècula d’aigua en un futbalè, és a dir, l asíntesi de H2O@C60. Es tracta d’una notícia molt rellevant ja que tenir una única molècula d’aigua, aïllada, no és tasca fàcil i permetrà estudiar-la. Per altra banda, aquest pot ser un pas més per anar veient els ful·lerens com a nanonaus espacials, amb les quals molts àtoms i petites molècules podrien haver arribat al nostre planeta.

Unes de les etapes del procediment per a la síntesi de H2O@C60. Paper en pdf: http://www.sciencemag.org/content/333/6042/613.full.pdf?sid=af625661-7abe-41a3-8d0f-2054d1b280e1

Per cert, l’any passat, durant la nevada general al nostre país, jo ja vaig aconseguir encapsular aigua en un futbalè. Aquí en tenim la prova 😉

H2O@C60; Girona, 09/03/10

Referències:

Grafè; el futur de l’emmagatzematge d’energia?

El carboni, base de tota la vida coneguda a la terra, ens ha tornat a sorprendre.

L’Acadèmia Sueca de les Ciències, amb els anteriors mots, el passat octubre de 2010 va anunciar que els guardonats amb el Premi Nobel de Física 2010 serien Andre Geim i Konstantin Novoselov pels seus reeixits estudis en un nou material bidimensional, el grafè.

Investigadors d’arreu ens vàrem sentir atrets pel descobriment i pel nou material, sobretot pel senzill i, alhora, genial mètode d’obtenció que varen seguir els guardonats. L’exfoliació de les capes de carbonis d’una peça de grafit amb un tall de cinta adhesiva… procediment de pel·lícula.

En diverses ocasions hem parlat del garfè al bloc PepQuímic i avui tornem a fer-ho mirant-lo des del punt de vista d’un dels grans reptes sobre els quals la química i la tècnica haurà de respondre els propers anys. Concretament parlem del gran repte energètic.

Llegeixo una entrada al bloc NeoFronteras que em porta a conèixer un recent article publicat a Nano letters (Nano Lett., 2011, 11 (7), pp 2644–2647), titulat Graphene-Wrapped Sulfur Particles as a Rechargeable Lithium–Sulfur Battery Cathode Material with High Capacity and Cycling Stability.

Els autors d’aquest article (investigadors de la Stanford University) ens preseneten una bateria de liti millorada amb sofre i grafè. En aquestes bateries trobem el càtode format per grafè i sofre, mentre que l’ànode està fet de silici.

Per altra banda, al bloc també descobreixo la recerca d’investigadors de la Monash University, basada en la utilització del grafè i l’aigua per a obtenir un condensador per a emmagatzemar energia elèctrica. Es tracta de fer servir l’aigua com a medi per evitar que diverses capes de grafè s’enllacin entre elles per formar grafit (al·lòtrop més estable del carboni que no pas el grafè) i, aquesta espècie de gel de grafè, és un bon material per a emmagatzemar electricitat. D’aquesta manera s’aconsegueix un emmagatzematge d’energia com el que obtenim amb les bateries de liti convencionals amb l’avantatge afegit de la més gran velocitat de càrrega i la, gairebé il·limitada, vida del sistema.

Es tracta d’un tema que m’interessa molt ja que passaré els propers 3 anys de la meva vida desenvolupant una recerca al voltant de l’emmagatzematge d’hidrogen, tema central de la meva Tesi Doctoral al Departament de Química de la Universitat de Girona.

Veient el gruix del grafè

La primera pregunta que ens vàrem fer tots plegats quan es va atorgar el Nobel de Física 2010 a Geim i Novoselov per l’exfoliació d’1 única làmina de les que formen el grafit, aïllant així el grafè, va ésser “com pots determinar que ja tens una única capa de grafè?”.

Llegeixo a EureKalert que investigadors de National Physical Laboratory (NPL) -centre de recerca del Regne Unit-, en col·laboració amb la Linköping University de Suècia, han demostrat que regions del grafè de diferent gruix poden ésser identificades en condicions normals mitjançant un Electrostatic Force Microscopy (EFM).

L’article original el trobareu a Nano Letters.  http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl200581g

Grafè, article pel Recvll de Blanes

Adjunto l’article titulat Grafè. Premi Nobel de Física 2010 que vaig escriure per la secció “Des del Laboratori” de la revista mensual blanenca Recvll i que va ser publicat al número del mes d’octubre de 2010. L’objectiu de l’article divulgatiu era fer arribar a tota la població la notícia i el motiu de la recent entrega del Premi Nobel de Física 2010 al parell d’investigadors russos pels seus estudis sobre el grafè. Vaig començar l’article amb una introducció al món del carboni, les seves formes al·lotròpiques, com el grafit o el diamant (acompanyat d’una figura amb diferents models moleculars), així com les possibles futures aplicacions d’aquest nou material.

Quan l’Acadèmia Sueca de les Ciències va anunciar els guardonats del Nobel de Física 2010 ja vaig fer aquesta entrada al bloc. Però aquí tenim aquest article publicat al Recvll del mes d’octubre, una imatge en format pdf per a ser descarregat:

Descarrega’t l’article sencer en pdf.

Entrades relacionades al bloc Pq:

 

 

Grafè, Nobel de Física 2010

El carboni, base de tota la vida coneguda a la terra, ens ha tornat a sorprendre.

Avui fa exactament una setmana que l’Acadèmia Sueca de les Ciències va anunciar, pronunciant l’anterior frase, els guardonats amb el Premi Nobel de Física 2010. Va ser atorgat a Andre Geim i Konstantin Novoselov pels seus reeixits estudis en un nou material bidimensional, conegut amb el nom de grafè. Segons el mateix anunci de l’Acadèmia, “for groundbreaking experiments regarding the two-dimensional material graphene”.

Els 2 investigadors llorejats i el revers de la medalla que s’entrega als Nobels de Física i Química.

Però, què és el grafè? Quines aplicacions pot tenir a la nostra vida quotidiana? I, tant imporatnt és aquest descobriment perquè hagi merescut el Nobel de Física 2010? Aquí intentarem respondre aquestes preguntes:

Potser no havíem sentit a parlar mai del grafè però el seu nom ens pot recordar a la paraula grafit, i que els seus noms s’assemblin no és pas una coincidència. El grafit és una de les formes elementals en les que trobem el carboni, les anomenades formes al•lotròpiques del carboni, però no és l’única. Segur que en coneixem una altra, que és molt apreciada; el diamant. El grafit i el diamant tenen la mateixa composició química, únicament àtoms de carboni, amb la diferència de l’ordenació d’aquests àtoms en l’espai. L’estructura del grafit, a nivell atòmic, consta de diferents làmines d’àtoms de carboni situades paral•lelament, una sobre de l’altre i unides entre elles per interaccions dèbils. Els àtoms de carboni es troben organitzats de tal forma que delimiten forats hexagonals, com si d’un rusc d’abelles o d’una tela metàl•lica de gàbia de pollastres es tractés. Les forces d’unió entre aquestes làmines són tan dèbils que ens permeten utilitzar el grafit per a escriure. Quan escrivim amb un llapis no fem res més que, al prémer el grafit sobre el paper, anar deixant làmines d’aquest material les quals s’adhereixen sobre el full i presenten la coloració negra de l’escriptura en llapis.

Però aquests dos no són els únics al·lòtrops del carboni. N’hi un altre que a mi m’apassiona, des de que la vaig conèixer al primer any d’estudis de química és la meva molècula preferida. Es tracta d’una pilota de futbol nanoscòpica, amb interessantíssimes aplicacions encapsulants, com si d’una caixeta es tractés… i tota ella construida amb àtoms de Carboni. És el ful·lerè. De ful·lerens n’hi ha diversos, en funció del nombre d’àtoms de C de l’estructura. Però el meu preferit és el Buckminster ful·lerè, amb fòrmula molecular C60, altrament conegut com a futbalè, per tenir la mateixa esctructura que la pilota del conegut esport, tal i com hem dit anteriorment. (Precisament el descobriment dels ful·lerens va merèixer el premi Nobel de Química 1996).

Després d’aquesta petita introducció al món del carboni tornem al cas que ens ocupa, el grafè. Aquest “nou” material no és res més que una única làmina de les moltes que formen el grafit. Per tant podem afirmar que aquest nou material, el grafè, es trobava amagat dins del grafit.

Representació de les estructures químiques del grafit, el grafè i el nanotub de carboni. On les boletes simbolitzen àtoms de carboni. Fixem-nos que a partir del grafit obtenim el grafè i que, per plegament d’aquest últim podem obtenir els nanotubs de carboni, una altra forma al·lotròpica del C, els quals podrien tenir una interessant aplicació com a substituts del coure en el cablejat de llum i telefonia.

Durant molts anys s’ha intentat aïllar una única làmina de les que està format el grafit mitjançant mètodes i processos de laboratori més o menys laboriosos. Però no va ser fins a 2004 quan els investigadors Geim i Novoselov de la Universitat de Manchester (Regne Unit) varen triomfar en la seva fantàstica idea. Utilitzarien una cinta adhesiva, el celo de tota la vida, per a anar exfoliant un tros de grafit. I, després d’una bona dosi de paciència, aconseguiren la fita d’aïllar una única làmina de les que componen el grafit, la batejaren amb el nom de grafè. I aquest parell d’invesigadors no només aconseguiren aïllar el grafè sinó que també varen descobrir que tenia unes sorprenents propietats i que obria un món de possibilitats en la nanotecnologia. Es tracta del material més fi que es coneix (té el gruix del diàmetre de l’àtom de carboni), tan que és transparent, és tant bon conductor elèctric com el coure i com a conducció tèrmica supera tots els materials coneguts. A més a més és extremadament resistent (els àtoms de carboni de la seva xarxa estan units per forces molt fortes) i flexible. Es tracta d’un material perfecte per a ser aplicat en el món de les noves tecnologies, per a la construcció de pantalles tàctils de telefonia mòbil o plaques solars. I al marge de l’electrònica, les seves propietats el porten a ser un bon candidat per a desenvolupar materials més lleugers i resistents per a automòbils, avions i satèl•lits. Aquest descobriment va merèixer una publicació a la prestigiosa revista Science l’any 2004.

Al laboratori amb el model molecular del grafè.

Cal remarcar que un dels guardonats, Novoselov, només té 36 anys. Realment és un investigador molt jove per hever rebut un premi Nobel, però no és pas el més jove de la història en rebre’n un. És curiós repassar la llista dels 12 personatges m´s joves guardonats amb un premi Nobel i adonar-se que 7 d’aquests són premis Nobel de Física, el més jove de tots inclòs (Bragg amb només 25 anys, a 1915).

Llista al web dels Nobel.

També voldria destacar, com a curiositat, que Geim és el primer investigador en rebre un premi Nobel i un Antinobel individualemnt. Sí, sí, això sembla un xic estrany… m’explico. La revista cientificohumorística Annals of Improbable Research, anualment entrega els premis Ig Nobel als estudis, duts a terme en rigorositat científica, més estrafolaris i inútils de l’any. Geim va merèixer el premi l’any 2000 per la seva recerca sobre com fer levitar una granota, que va publicar a 1997 a la revista científica European Journal of PhisicsDescàrrega de l’article “Of flying frogs and levitrons” de Geim en pdf (1997).

Per acabar aprofito per a reivindicar la necessitat de l’esperit jove i creatiu en la recerca científica. És fantàstic que els llorejats d’enguany siguin els investigadors que un dia agafaren una mina de llapis i un tall de celo per a començar el seu llarg camí cap a l’obtenció del grafè, camí que els ha conduit al premi Nobel de Física 2010.

Vídeo on el meu professor de química preferit, el Professor Poliakoff de Priodicvideos, simula l’experiment dut a terme per Geim i Novoselov per aïllar el grafè.

 

Referències: