Universidad Catolica Nuestra Senora de la AsuncionFacultad de Ciencias y Tecnologıas

Departamento de Electronica e InformaticaAsuncion - Paraguay

Octubre - 2017

Teorıa y Aplicacion de laInformatica 2

Grafeno

Miguel Arrua

Indice general

1. Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32. ¿ Que es el Grafeno ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43. Formas de obtener el Grafeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

3.1. Exfoliacion de grafito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43.2. Deposicion de atomos de carbono . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.3. Oxidacion-Reduccion de oxido de grafeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.4. Obtencion de grafeno de forma artificial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

4. Materiales a los cuales reemplazarıa el Grafeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64.1. Silicio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64.2. Fibra optica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64.3. Cobre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

5. Propiedades del Grafeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65.1. Dureza: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65.2. Elasticidad: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75.3. Flexibilidad: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75.4. Conductor de calor: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75.5. Conductor de la electricidad: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75.6. Transparente y ligero: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75.7. Reacciona quımicamente con otras sustancias: . . . . . . . . . . . . . . . . . 85.8. Soporta la radiacion ionizante: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85.9. Elevada densidad: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85.10. Efecto antibacteriano: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

6. Usos y Aplicaciones del Grafeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86.1. Electronica: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86.2. Informatica: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96.3. Telefonıa movil: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96.4. Sector energetico: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106.5. Industria del blindaje: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106.6. Industria automovilıstica: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106.7. Industria del motor y los combustibles: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106.8. Industria alimentaria: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116.9. Tratamiento de aguas: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116.10. Desarrollo de la ciencia: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

7. Aplicaciones del Grafeno en la Medicina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117.1. Biomarcador corporal basado en Grafeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117.2. Implantes de retina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117.3. Musculos artificiales con grafeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

8. Paises productores de Grafeno a nivel Mundial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129. Problemas que se enfrenta la adopcion del Grafeno . . . . . . . . . . . . . . . . . 1310. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

Teorıa y Aplicacion de la Informatica 2Grafeno

Miguel Angel Arrua Benitezmarruabenitez@hotmail.com

Ingenierıa ElectronicaUniversidad Catolica Nuestra Senora de la Asuncion

Resumen Grafeno, Formas de obtener el Grafeno, Materiales a los cua-les reemplazarıa el Grafeno, Propiedades del Grafeno, Usos y Aplicacio-nes del Grafeno, Aplicaciones del Grafeno en la Medicina, Paises produc-tores de Grafeno a nivel Mundial, Problemas que se enfrenta la adopciondel Grafeno, Conclusiones.

1. Introduccion

Uno de los objetivos de la ciencia es crear productos que aporten un mayorconfort a las personas, hay muchos materiales que se utilizan para crear estosproductos, pero o bien no presentan las caracterısticas necesarias para que suaprovechamiento sea mayor; o dichos materiales escasean y se preve que se ago-taran en un futuro. Es aquı donde toma protagonismo el Grafeno, un materialcuyas caracterısticas nos permite avanzar con respecto a la tecnologıa y crearnuevos productos.

El carbono es la base de la vida, sin el no existirıa tal y como la conocemos,y es de los elementos mas abundantes de la tierra. Los avances cientıficos estandemostrando que variando sus diferentes formas de combinarse a nivel atomi-co, puede suponer un cambio radical de nuestro futuro tecnologico en multitudde areas. Una de las areas que mas interes esta suscitando en la investigacionnanotecnologica, los distintos materiales que se crean a partir de las distintasconfiguraciones moleculares que este elemento puede adoptar.

El grafito y el diamante estan compuestos por, y solo por, atomos de carbono.La unica diferencia es la forma en que se unen los atomos entre sı. El grafito es elmaterial del que se componen las minas de los lapiceros, negro y especialmenteindicado para ser depositado sobre el papel porque las finas laminas molecularesde las que se compone se desescaman con facilidad. Al otro extremo se encuentrael diamante, transparente y uno de los compuestos de mayor dureza conocidosen el mundo. Esto nos puede servir para hacernos una idea de lo versatil queel carbono puede llegar a ser. Es curioso que dependiendo de su configuracionmolecular y pese a tratarse del mismo elemento.

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2. ¿ Que es el Grafeno ?

El grafeno es un cristal de carbono en el que los atomos estan dispues-tos en un plano de forma hexagonal. Esta compuesto por atomos de carbono ehidrogeno ordenados en forma de panel de abeja.El grafeno se obtiene a partir del grafito, un material abundante en la naturalezaque podemos encontrar, por ejemplo, en las minas de los lapices.Este nuevo material se descubrio de casualidad en la decada de 1930, cuando uninvestigador decidio analizar que quedaba en las tiras adhesivas que se utilizabanpara conseguir un grafito mas puro. Sin embargo, no fue hasta 2004 cuando unoscientıficos rusos de la Universidad de Manchester Andre Geim y Konstantin No-voselov, consiguieron aislarlo a temperatura ambiente.El Premio Nobel de Fısica del 2010 ha sido concedido a los dos investigadoresque realizaron los primeros experimentos sobre el grafeno.[1],[2].

Figura 1: Lamina plana de atomos de carbono ordenados.

3. Formas de obtener el Grafeno

3.1. Exfoliacion de grafito

Este metodo consiste basicamente en arrancar de forma mecanica (mediantealgun tipo de material adherente) laminas de un trozo de grafito. Este proceso deobtencion del grafeno es realmente simple (se puede hacer en casa) y se consigueun grafeno bastante puro. El problema es que las cantidades resultantes suelenser ınfimas y ademas, no siempre se consiguen monocapas de grafeno.

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3.2. Deposicion de atomos de carbono

Aquı la idea es calentar el carbono lo suficiente como para tenerlo suspendidoen el aire y despues dejar que se enfrıe para que, al depositarse sobre un sustrato,se formen laminas de grafeno bastante homogeneas. Utilizando este proceso defabricacion de grafeno se pueden conseguir mayores cantidades de material. Sinembargo, los costes de produccion son relativamente altos.

3.3. Oxidacion-Reduccion de oxido de grafeno

Utilizando reacciones redox se puede conseguir que el oxido de grafeno (quees un material bastante mas facil de conseguir en grandes cantidades) sea puri-ficado hasta convertirse en grafeno. Para ello, se oxida el grafeno con sustanciasquımicas, por ejemplo, que contengan hidrogeno (que, junto al oxıgeno, formaraagua) y posteriormente se reduce con elementos compuestos de carbono pararellenar los huecos formados en el proceso anterior.

3.4. Obtencion de grafeno de forma artificial

Ademas de los procesos anteriores, se puede operar sobre el grafeno cualcirujano, manipulando moleculas de oxido de grafeno hasta conseguir el resultadodeseado. Evidentemente se trata de un proceso mucho mas costoso, pero permitemanipular el grafeno hasta dotarlo de las caracterısticas mecanicas y electricasque se deseen. Se trata, sin duda, de uno de los metodos que mas esta destacandopara obtener grafeno.[3]

Figura 2: Maquina para obtener de grafeno de forma artificial

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4. Materiales a los cuales reemplazarıa el Grafeno

4.1. Silicio

Lograron crear un transistor con una densidad de carga 1,9 veces superior alas de los tradicionales transistores de silicio.[4]El grafeno carece de una banda de resistividad, propiedad esencial que le esinherente al silicio. Eso implica que el grafeno no puede dejar de conducir elec-tricidad: no se puede apagar.[5]

4.2. Fibra optica

Investigadores de la Universidad de Cambridge lograron que el grafeno fueracapaz de captar una gran cantidad de luz, lo que se puede utilizar en la crea-cion de cables de fibra optica muy veloces, se prometen cables de grafeno quepodrıan mover informacion cientos de veces mas rapido que uno actual, lo quepodrıa implementarse en el area de las telecomunicaciones para la instalacion deredes mas veloces, aumentando ası la capacidad y rapidez de internet, la tele-fonıa movil y en definitiva, todas las comunicaciones que se llevan a cabo sobrenuestro planeta.[5]

4.3. Cobre

Las cualidades de conduccion electrica y termica del grafeno eran iguales omejores que las del cobre, cada material posee propiedades y funcionalidadesunicas. El grafeno no sustituira al cobre. Al contrario, solo anade nuevas posibi-lidades al uso de otros materiales. El grafeno anade una propiedad mas al cobre,que lo hace mas interesante como metal. En efecto, la adicion de una lamina degrafeno incrementa las propiedades anticorrosivas, anticontaminacion y antibac-terianas de los materiales.[6]

5. Propiedades del Grafeno

5.1. Dureza:

Se puede definir la dureza de un material como la cantidad de energıa que escapaz de absorber antes de romperse o deformarse. El en caso del grafeno su du-reza se estima en aproximadamente unas 200 veces la del acero, casi similar a la

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del diamante. Es decir, que hablamos de un material muy resistente al desgastey que puede soportar grandes pesos. Se estima que para atravesar una laminade grafeno con un objeto afilado serıa necesario establecer un peso sobre el deaproximadamente cuatro toneladas.

5.2. Elasticidad:

Al igual que pasa con la dureza, el grafeno presenta una elevada elastici-dad. Esto hace que se pueda aplicar en muy diferentes superficies, de las cualesaumentara tambien la durabilidad, ya que al ser elastico tendra menos posibili-dades de quebrarse.

5.3. Flexibilidad:

Al tener una elevada elasticidad puede moldearse de diversas maneras, lo queaumenta enormemente los campos en los que se puede utilizar.

5.4. Conductor de calor:

La conductividad termica es una propiedad fısica que mide la capacidad deun cuerpo de conducir el calor, es decir, de permitir el paso del calor a traves deel. Es elevada en los metales, pero muy baja en el resto de los materiales, por logeneral. La excepcion a esto es el grafeno.

5.5. Conductor de la electricidad:

Conduce mucho mejor la electricidad que el cobre, material que habitual-mente se utiliza como base de los cables. Por otra parte, necesita una menorcantidad de electricidad para transportar energıa que la mayorıa de los mate-riales empleados actualmente, las baterıas de los moviles o de los ordenadoresportatiles, durarıan mucho mas tiempo.

5.6. Transparente y ligero:

Se trata de un material con estas caracterısticas, lo que permitirıa su uti-lizacion para crear pantallas mucho mas ligeras. Si lo unimos a otras de suspropiedades ya mencionadas, como es el caso de la flexibilidad, una de sus apli-caciones serıa la de la creacion de pantallas plegables o enrollables.

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5.7. Reacciona quımicamente con otras sustancias:

Esto le permite servir de base para la creacion de materiales nuevos o introdu-cir impurezas dentro de su estructura para modificar las propiedades originalesdel grafeno, lo que abre un abanico practicamente ilimitado de campos de apli-cacion.

5.8. Soporta la radiacion ionizante:

El grafeno ofrece una gran resistencia a ser modificado por este tipo de ra-diacion, por lo que se puede aplicar en ambitos como el sanitario, en el quese utilizan aparatos que emiten radiaciones ionizantes, como es el caso de lossistemas de radioterapia, por ejemplo. En la actualidad, los materiales que seencuentran alrededor de los aparatos que emiten radiaciones ionizantes se des-gastan muy pronto, lo que supone un coste muy elevado que se podrıa ahorrarcon su construccion con grafeno.

5.9. Elevada densidad:

El grafeno es un material muy denso. Tanto, que ni siquiera los atomos maspequenos conocidos, los de Helio, son capaces de atravesarlo. Del mismo modosı que permite el paso del agua, que se evapora a la misma velocidad que siestuviera en un recipiente abierto.

5.10. Efecto antibacteriano:

Al estudiar el comportamiento del grafeno con organismos vivos, se comproboque las bacterias no crecen en el, lo que abre las posibilidades de su utilizacionen la industria alimentaria o en la biomedicina.[7]

6. Usos y Aplicaciones del Grafeno

6.1. Electronica:

Podrıa emplearse en la fabricacion de microchips o de transistores, amboselementos imprescindibles en practicamente todos los dispositivos electronicos.Existen diversas empresas que ya estan desarrollando tintas conductoras, quees un tipo de tinta que conduce la electricidad y que se emplea para imprimircircuitos, a partir de grafeno, diversos estudios recientes han comprobado comonanocircuitos de grafeno podrıan mejorar de manera significativa la velocidad ycalidad de las comunicaciones inalambricas.

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Figura 3: Transistores de Grafeno

6.2. Informatica:

El uso del grafeno permitira el desarrollo de ordenadores mucho mas rapidosy con un menor consumo electrico que los actuales de silicio. Ademas, se estimaque un disco duro de este compuesto, del mismo tamano que uno de los emplea-dos actualmente, podrıa almacenar hasta mil veces mas informacion.

6.3. Telefonıa movil:

Unos investigadores en Corea del Sur integraron con exito electrodos hechosde grafeno en paneles de visualizacion OLED, un gran paso hacia adelante enel uso de grafeno flexible, fuerte y extremadamente delgado en pantallas OLED,posiblemente permitiendo su uso en todo tipo de dispositivos, desde la proxi-ma generacion de tecnologıa portatil hasta ropa inteligente. Los investigadoresreemplazaron con electrodos de grafeno los tradicionales electrodos de oxido deestano e indio. Para que las prendas de vestir sean mas inteligentes, necesita-mos pantallas que se doblen y se flexionen para adaptarse a nuestros cuerpos, yahı es donde entran en juego estos suaves y flexibles substratos reforzados congrafeno, encerrados en materiales manejables como el plastico. El siguiente pasodel equipo de investigacion es tratar de usar un sustrato de plastico en lugar devidrio, aumentando ası aun mas la flexibilidad y la dureza de la pantalla.[8]

Figura 4: Pantallas flexibles, plegables

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6.4. Sector energetico:

Es otro de las que cambiaran de manera visible. Por sus propiedades energeti-cas, el grafeno permitira la creacion de baterıas de larga duracion que apenastardaran unos segundos en cargarse. Ademas, las energıas renovables pasaran aun plano mas relevante, ya que, entre otros, las placas solares recubiertas de estematerial seran mucho mas eficientes y permitiran una forma mas ecologica deconsumo energetico.

6.5. Industria del blindaje:

La extrema dureza del grafeno, unida a su capacidad de moldearse y a suligereza, lo hace un compuesto ideal para ser empleado en esta industria. Chale-cos antibalas, cascos y multitud de elementos de proteccion que se emplean pordiversos profesionales pasaran a ser mucho mas ligeros y seguros.

6.6. Industria automovilıstica:

Su aplicacion en el chasis de los vehıculos los harıa mucho mas resistentes,por lo que el numero de muertes en accidente de circulacion anuales se podrıareducir drasticamente. Por otra parte, los coches hıbridos se convertiran en unaalternativa real en vez de ser relegados a una representacion minoritaria. Baterıasde larga duracion, con tiempos de carga mınimos facilitaran que los conductoresmas reacios a estos vehıculos los vean con otros ojos.

Figura 5: Industria automovilıstica

6.7. Industria del motor y los combustibles:

Hara de ambos mas ecologicos y eficientes. Actualmente, es de dominio publi-co que el Pentagono ha invertido una gran cantidad de dinero para fomentar eldesarrollo de un aditivo basado en el grafeno que mejore el rendimiento de losaviones militares en cuanto a consumo y rendimiento.

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6.8. Industria alimentaria:

Posibilitara la creacion de envases para alimentos mas seguros o recubri-mientos para los muebles del hogar que impidan el desarrollo de bacterias en susuperficie.

6.9. Tratamiento de aguas:

Debido a su peculiar estructura de alta densidad permeable al agua, se es-tudia su posible uso para la desalinizacion del agua. Algunos datos obtenidos apartir de estos proyectos predicen que se podra realizar esta tarea en un tiempomuy inferior y con un coste mucho mas reducido.

6.10. Desarrollo de la ciencia:

La alta reactividad del grafeno con otros elementos quımicos distintos delcarbono es una de las caracterısticas que mas atrae la atencion en el campo dela investigacion. Ya se han descubierto algunos derivados del grafeno, como esel caso del grafano, que mediante la adicion de hidrogeno en su estructura mo-lecular da como resultado un nuevo material aislante.[9]

7. Aplicaciones del Grafeno en la Medicina

Las aplicaciones del grafeno en la medicina hacen parte de los novedosos usosque se le dan a esta sustancia. Recientes estudios han abierto la puerta para suintroduccion en la elaboracion de sistemas para la prevencion de enfermedades ypara desarrollar indicadores presentes en la sangre que muestren datos en tiemporeal.

7.1. Biomarcador corporal basado en Grafeno

Es un dispositivo capacitado para medir la presion arterial, el nivel delazucar en la sangre o dar cuenta de posibles enfermedades como la anemia almedir el oxido nıtrico presente en el oxıgeno.

7.2. Implantes de retina

Gracias a la biocompatibilidad del grafeno, la aplicacion de este compuestoen el campo de la oftalmologıa es una realidad. De acuerdo con estudios de fısicos

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de la Universidad Tecnica de Munich, los implantes de retina que esten basa-dos en grafeno tendrıan la capacidad de convertir la luz incidente en impulsoselectricos que luego serıan transmitidos al cerebro por medio del nervio optico.Esta senal se transformarıa en imagenes. Asimismo, por las caracterısticas delgrafeno, es un material ideal para suplir implantes oculares, razon por la que suaplicacion en protesis opticas es otra puerta que se abre para su utilizacion.

7.3. Musculos artificiales con grafeno

Entre las aplicaciones del grafeno en la medicina una de las que mas sor-prende es que en caso de ser puesto sobre caucho, serıa la sustancia ideal paracrear musculos artificiales. Esto se debe a la estimulacion electrica que se puedeestablecer sobre el grafeno y la posibilidad de controlar la tension resultante y surespectiva relajacion. Con las anteriores condiciones se podrıa hacer un musculobionico sumamente eficiente.[10].

8. Paises productores de Grafeno a nivel Mundial

(a) (b)

Figura 6: Productores de grafeno (6a) En funcion del tamano del pais (6b)

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9. Problemas que se enfrenta la adopcion del Grafeno

Segun algunas investigaciones se necesita asegurar el volumen de produc-cion para que surjan las apuestas ganadoras. Obviamente, a un precio razonable,aunque se haya reducido en los ultimos anos, pero no lo suficiente para aplica-ciones que requieren gran cantidad de material.Tambien tiene que luchar con la resistencia de los productores de las materiasprimas predominantes, como el cobre, el silicio o el ITO (oxido de indio y estano,a precio muy competitivo).Otro problema puede ser como transportarlo. Si es en polvo no habrıa problema,pero no es tan practico ni tan seguro para los trabajadores, que tambien es unpunto importante a tener en cuenta. El problema viene con otras variantes, quese pueden manipular en seco o en agua, un dilema que puede hacer variar laviabilidad economica de su transporte.[11].

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10. Conclusion

El grafeno es uno de los descubrimientos mas impresionantes ya que sepuede usar en casi todos los ambitos para desarrollar nuevas tecnologıas o me-jorar las ya existentes.

Por sus propiedades, puede servir como material en la fabricacion de avio-nes, satelites espaciales o automoviles, haciendolos mas seguros. Tambien en laconstruccion de edificios, pues los convertirıa en mas resistentes, sus aplicacionesen el campo de la electronica, donde a traves de su capacidad para almacenarenergıa puede dotar a las baterıas de una mayor duracion y un menor tiempo decarga, establecer conexiones mas rapidas e incluso contribuir a mejorar el medioambiente sustituyendo a materiales contaminantes que hoy en dıa nos vemosobligados a utilizar. El grafeno es capaz de generar electricidad a traves de laenergıa solar, lo que le convierte en un material muy prometedor en el campode las energıas limpias.

En el area de la medicina las investigaciones han demostrado que, al serfuncionalizado, puede ser usado para transportar farmacos, utilizarse como bio-sensores, servir para la creacion de protesis, e incluso se podrıa aplicar paramejorar el tratamiento de algunas enfermedades y para rastrear el entorno celu-lar para la regeneracion de tejidos.

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Referencias

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2. K. Bourzac, “El grafeno gana el premio nobel.” https://goo.gl/VBqeDH, Octubre2010. Consultado: 25-09-2017.

3. Grafeno.com, “Como se obtiene el grafeno. el grafeno, un viaje al futuro..” https:

//goo.gl/4idYHz, Septiembre 2017. Consultado: 29-09-2017.4. J. PASTOR, “Estos nuevos nanotubos de carbono ponen en jaque al silicio:mas

carga, mas eficiencia.” https://goo.gl/1QdN81, Septiembre 2016. Consultado:17-10-2017.

5. Wikipedia, “Grafeno.” https://goo.gl/5AYz1o, Octubre 2017. Consultado: 17-0-2017.

6. M. Class, “Nuevos estudios ubican al grafeno como aliado del cobre.” https://

goo.gl/LvneSy, Marzo 2017. Consultado: 17-10-2017.7. I. Grafeno, “Las 10 propiedades del grafeno.” https://goo.gl/FpU8ZT, 0. Consul-

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https://goo.gl/QouHgN, Julio 2017. Consultado: 30-09-2017.