Nanotubos de Carbono (página 2)

Ya en 1958, Hillert y Lange realizan una
caracterización estructural de los filamentos ya
mencionados, corroborando así la presencia de una
partícula metálica en la punta. Los
diámetros de los filamentos llegaban entre 10 y 100 nm y
poseían una estructura grafitica.

En la década de los 70, se comenzó a
estudiar profundamente la generación de filamentos de
carbono por procesos catalíticos, a partir de
hidrocarburos o monóxido de carbono y usando como
catalizadores diversos metales.

La participación de estos estudios estuvo
destacado por dos grupos los cuales lo conformaban el grupo de
RTK Baker, del Departamento de Energía Atómica
Británico que siempre trabajo a nivel de laboratorios y
quien definió los filamentos de carbono y el grupo de
Oberlin, de la Universidad de Orleans, quien propuso el modelo de
crecimiento del filamento interior catalítico, entre
otros.

Todo esto llevo a que en 1985 se descubrieran los
fullerenos y mas adelante en 1991 se realizara el descubrimiento
final de nanotubos.

Línea de tiempo de los nanotubos.*
1952 Primeros indicios de nanotubos de carbono en Rusia por
Radushkevich y Lukyanovich.* 1991 Descubrimiento reconocido.*
1991-2000 Producto mayormente de interés
académico.* 2000-2005 Se investiga su uso industrial.*
2005-2010 Desarrollo de aplicaciones industriales (proyectado).*
2010 Gran desarrollo de aplicaciones integradas a productos
(proyectado).

Producción
de nanotubos y nanofibras por CVD
catalítico.

La deposición catalítica en fase de vapor,
o Catalytic Vapor Phase, (a partir de ahora, CVD) fue descrita
por primera vez en 1959, pero no fue hasta 1993 cuando los
nanotubos se pudieron sintetizar mediante este proceso. En 2007,
un grupo de investigadores de la Universidad de Cincinati
desarrollaron un proceso de crecimiento que permitía
obtener matrices de nanotubos de carbono alineados, de una
longitud media de unos 18 mm.

Este procedimiento consta de preparar un sustrato con
una capa de metal, como el níquel, cobalto, oro o
combinación de estos. Los diámetros de los
nanotubos que van a formarse, por crecimiento controlado,
están relacionados con el tamaño de las
partículas de metal. Este tamaño se puede controlar
por deposición de patrones (o mascaras) de metal, o por la
adición de agua fuerte sobre la capa de metal. El sustrato
se calienta aproximadamente a unos 700 ºC.

Para iniciar el procedimiento de crecimiento de
nanotubos, se mezclan dos gases en el reactor. Un gas de proceso
(tal como amoníaco, nitrógeno, hidrógeno,
etc) y otro gas que se usa como fuente de carbono (tal como
acetileno, etileno, etanol, metano, etc.). Los nanotubos crecen
en el lado del catalizador de metal. El gas que contiene carbono
se rompe sobre la superficie de las partículas
catalíticas, y el carbono es transportado a los
límites de la partícula, donde se forman los
nanotubos.

Producción de nanotubos por
microondas

Es otro tipo de método de reproducción de
nanotubos, la cual consiste en el calentamiento de alguna materia
prima, como por ejemplo el ferroceno, sin contacto directo con la
fuente de energía. Luego de haber pasado un tiempo en un
microondas domestico se pueden observar el incremento de
nanotubos que se produjeron por el calentamiento, desconociendo
exactamente de que manera estos nanotubos se forman. Al observar
el crecimiento de los nanotubos se dieron cuenta que era del tipo
punta, ya que las partículas del catalizador, en este caso
se uso hierro, se encuentra en la parte superior del
nanotubo.

La producción de nanotubos por microondas tiene
las ventajas de que es rápido y es fácil, no hay
contacto directo entre la fuente de energía y el material,
es un proceso limpio, práctico, y sencillo. Pero
todavía este método no ha sido muy utilizado para
la producción de nanotubos.

Ablación por láser

Este es un segundo procedimiento de vaporización,
el cual partió en 1992. Este procedimiento consiste en
separar un blanco de grafito con un láser de fuerte
energía pulsado o continuo. Los nanotubos se forman cuando
el grafito vaporizado entra en contacto con la superficie
fría, condensando sobre las paredes del reactor. Cuyo
rendimiento es superior tiene el 70 %. Sin embargo, este necesita
la utilización de un láser muy poderoso, lo que
provoca que sea una técnica muy costosa

Este procedimiento permitió hacer bajar la
temperatura de la reacción a 1 200 °C.

La técnica de ablación por láser
produce nanotubos monocapa con un diámetro que puede
controlarse variando la temperatura en el interior del
reactor.

Ablación por Arco
eléctrico

Este método al principio fue utilizado para los
fullerènes, y fue utilizado la primera vez por los
investigadores de NEC en el momento del descubrimiento de la
molécula famosa.

Consiste en establecer un arco eléctrico entre
dos electrodos de grafito. Un electrodo, el ánodo, se
consume para formar un plasma en donde la temperatura puede
alcanzar 6 000 °C. Este plasma se condensa sobre el otro
electrodo, el cátodo, en un depósito gomoso y
filamentoso que provoca una telaraña muy densa que
contiene los nanotubos (los átomos se recombinan para
formar los nanotubos).

La ablación por arco eléctrico es un tipo
de descarga eléctrica continua que genera luz y calor muy
intensos. Estimamos su rendimiento del 30 al 90 %. Los productos
obtenidos son tanto nanotubos monocapa como multicapa de una
longitud típica de unas 50 micras. Los nanotubos nacidos
de este proceso tienden (alargar) a ser finos y muy
cortos.

Este procedimiento permite evaporar las diferentes
clases de fullerenos y dejar los nanotubos aislados.
También se emplea para evaporar las paredes más
externas de los nanotubos de tipo multicapa y, también,
para abrir los extremos de los mismos.

Propiedades

(Conducción eléctrica

En dirección del eje los nanotubos demuestran lo
que se llama la conducción balística que es la
falta de defectos en el cristal, lo que hace que la resistencia
sea muy baja por falta de efectos de dispersión, cuando
los nanotubos están de esta forma. Parecido a los
superconductores, pero sin el efecto Meissner (expulsión
de cualquier campo magnético fuera del
conductor).

La densidad de corriente es altísima (107 -1013
A/cm2 ), unos 1000 veces mejor que el cobre. Los electrones
están confinados a la superficie, por lo que la
conductancia decrece con el diámetro. Cuando se habla de
un conductor "unidimensional" se refiere a que se aproximar con
poliacetilieno en donde cada segundo enlace es doble con una
pareja de electrones deslocalizados. Las propiedades
eléctricas influyen mucho a las térmicas; pues los
nanotubos tienen también una alta conductividad
térmica: 1800 – 6000 W/(mK) que es 20 veces mas que la del
cobre. Esta conductividad depende de la corriente que pasa por el
tubo y de la temperatura. Estas propiedades son aplicadas en
dirección del eje, ya que al estar en dirección
lateral los nanotubos no son buenos conductores térmicos.
En cuánto a estabilidad aguantan hasta 2800°C en el
vacío y 750°C en el aire.

(Mecánicas

Como ya fue mencionado, los nanotubos son muy estables
en dirección del eje. Tiene una resistencia que es 300
veces más alta que la del acero cuando está es de
elongación (resistencia por peso), siendo de 48.462
kN·m/kg comparado con 154 kN·m/kg. Viendolo de
manera microscópica, un nanotubos puede extenderse hasta
4700 km en el campo gravitatorio en dirección vertical sin
romperse. En base a esto se formuló la idea de construir
un ascensor espacial.

En la foto se aprecia un conjunto de nanotubos que mide
1,2 cm cada uno, casi un millón de veces su
diámetro. En dirección lateral son débiles
(es muy fácil de entender si uno pisa un rollo de papel
higiénico).

Electroquímicas: la electroquímica
es aplicada a los nanotubos por su gran superficie y su baja
resistividad; esta puede ser utilizada de distintas maneras,
tales como:

( Supercondensadores: consisten en dos electrodos de
carbono separados por una membrana permeable de iones sumergidos
en un electrolito. Se mide en términos de la potencia y de
la densidad de energía almacenada. Los SWNTs comparado a
cualquier material de carbono tienen una mayor relación
superficie/volumen, formando la superficie del electrodo a
través de sus átomos. Actualmente son fabricados
con carbón activado, que es extremadamente poroso (siendo
irregulares en tamaño y forma, reduciendo así la
eficiencia) y con una gran área superficial. En cambio, si
los CNTs son alineados verticalmente en el supercondensador
poseen formas muy regulares y un ancho del orden de varios
diámetros atómicos, presentando una menor
resistencia lo que incrementa su densidad de energía. Los
CNTs tanto de pared simple o múltiple tienen larga
durabilidad, alta potencia y una mayor densidad de almacenamiento
propia de las baterías químicas; por lo que pueden
utilizarse en diversas aplicaciones de almacenamiento de
energía.

(Células solares: por las propiedades
eléctricas de los nanotubos pueden resultar eficaces en la
conversión de energía solar en eléctrica.
Para construir una célula solar, primero hay que ensamblar
nanotubos de carbono sobre un sustrato que haría las veces
de electrodo, formando una fina capa (los nanotubos obtenidos
comercialmente se solubilizan en una suspensión que se
transfiere a una célula de electroforesis con dos
electrodos ópticos transparentes paralelos. Al aplicar un
voltaje de corriente continua, los nanotubos en suspensión
se mueven hacia el electrodo positivo, al mantener este voltaje
por un tiempo se obtiene la separación de una capa de SWNT
sobre la superficie del electrodo, pudiéndose modificar la
forma de la capa. Si se prolonga el tiempo de la electroforesis
se aumenta el grosor de la capa, o si se aplican campos
superiores a 100V/m, se obtiene un alineamiento de los nanotubos
perpendicular a la superficie del electrodo. En las
células solares pueden utilizarse los nanotubos de dos
formas: excitar los nanotubos semiconductores, o bien usarlos
como conductos para mejorar el transporte de carga en los
colectores de luz nanoensamblados. Los nanotubos poseen una
estructura de bandas que permiten la formación de pares
electrón-hueco y su posterior separación por
excitación de la luz; se puede utilizar para obtener una
corriente, así como sucede en las aplicaciones
fotovoltaicas de otros semiconductores.

La fotoconversión (IPCE) se mide como la
eficiencia fotón-portador y se obtiene midiendo la
fotocorriente a diferentes longitudes de onda, el valor
máximo es de 0.15% a 400 nm (siendo lo usual encontrado en
las células solares de 80% a 90%). Los resultados pueden
mejorarse al incluir una lámina de óxido de
estaño (SnOen el OTE que aumentará el área
para recolectar portadores; también por el uso de
stacked-cup nanotubs (SCCNTs) ya que presentan huecos en su
estructura, ofreciendo una larga porción de reactivos de
borde en la superficien interna y externa, donde minimiza la
interacción entre nanotubos al permaneces separados en la
deposición sobre el electrodo.

(Almacenamiento de hidrógeno: gracias a la
superficie y estructura tubular de los CNTs son útiles
para almacenar el hidrógeno. El hidrógeno es
añadido a los nanotubos por quimisorcion, ya que los
enlaces de los carbono ofrecen capacidad hasta su
saturación incorporando hidrógenos. El
análisis de espectroscopia de rayos X muestra una
disminución de la resonancia en los enlaces C-C, y un
aumento de intensidad en los enlaces C-H. Por medio de esta
técnica se puede ver un pico correspondiente al carbono no
hidrogenado, que aparece a mayor energía, y otro pico
debido al carbono hidrogenado de menor energía; la
proporción entre los dos picos indica la cantidad de
hidrógeno absorbido, próximo al requerido para ser
aceptado como un dispositivo de almacenamiento de
hidrógeno en vehículos. El Instituto de Ciencias de
Materiales de Barcelona (ICMAB), realizó el experimento de
depositar nanotubos en el interior de una cámara a
presión, dejando entrar hidrógeno y pasado un
tiempo se deja salir. La cantidad de gas saliente es menor que la
entrante, por lo que se comprobó que el hidrógeno
queda incorporado al nanotubo (la absorción depende de la
estructura del nanotubo). Un DWNT de empaquetamiento más
ligero puede absorber hasta el doble que un SWNT, ya que la
matriz de nanotubos presenta poros a los que pueden unirse las
moléculas de H2, siendo la absorción mucho mayor, a
pesar de tener un área un 40% menor que los
SWNTs.

Otras aplicaciones

Hay diversas aplicaciones para los nanotubos, basadas en
alguna de sus propiedades extraordinarias.

Gracias a la alta resistencia específica de los
nanotubos, se han hecho interesantes para construir materiales
muy estables, encontrándose ya en muchos productos como
raquetas de tenis, bicicletas, etc. Otra aplicación es la
separación de gases, ya que solo las moléculas
inferiores al diámetro del nanotubo pasan por él,
construyéndose filtros.

Por otra parte los podemos aplicar ala
biotecnología como contenedor microscópico,
llenándose con una substancia y cerrando los extremos;
pudiendo transportar moléculas a sitios donde no
llegarían por si solas. Se sabe que al tener una distancia
de 100 nm entre un nanotubo y otro en un conjunto de ellos, posee
propiedades antiadherentes; siendo hasta cuatro veces mejor que
un teflón.

Por su alta densidad de corriente permite usar los
nanotubos como cables microscópicos. Con la
tecnología actual se pueden fabricar circuitos integrados
con una precisión de hasta 45 nm, en cambio, con circuitos
hechos por nanotubos serían mucho mas pequeños
(orden de pocos nanómetros). La dificultad está en
que aún no se sabe como realizar la producción en
masa. Al fabricar chips de silicio, se ocupa la técnica de
"etching" o grabación al aguafuerte (quitar de una placa
todo lo que sobra y lo que queda es el circuito), en cambio con
nanotubos sería al revés, hay que colocarlos uno a
uno, lo que es muy difícil por la falta de herramientas
eficaces que trabajen a esta escala.

Muy importante para los circuitos integrados son los
transistores, ya que el tamaño de un chip viene
determinado principalmente por el número y tamaño
de los transistores que contiene. El funcionamiento de un
transistor es sencillo; hay 3 puntos de conexión (que
llevan nombres distintos según el tipo de transistor) y al
ser aplicado una tensión en uno, fluye una corriente entre
los otros dos, permitiendo controlar una corriente con una
tensión (u otra corriente, según tipo de
transistor). Un transistor híbrido (nanotubo+ elementos de
silicio) es parecido al anterior, solo que este es hecho solo con
nanotubos; se aplica una tensión en la puerta (gate),
pudiendo haber flujo de corriente entre la fuente (source) y el
drenador (drain) que pasa por el nanotubo.

Otra aplicación importante es el oscilador
ultra-rápido, puesto que en los circuitos integrados se
necesita algo que da una señal de paso, entre más
alta sea esta señal mas operaciones se pueden ejecutar.
También sirven para sintonizar radiofrecuencias,
usándose normalmente cristales piezoeléctricos
(como el Quartz) que una vez puestos en marcha oscilan a una
frecuencia determinada. Utilizando nanotubos se ha conseguido el
oscilador más rápido conocido: 50 GHz!

Consiste en 2 nanotubos, uno dentro de otro, en donde la
cavidad contiene un gas o un líquido que al ser expandida
esta substancia, su fuerza de expansión actúa sobre
el nanotubo interior y lo empuja hacía fuera. La fuerza de
empuje disminuye con el volumen de la cavidad y llega a un valor
inferior a la fuerza de van der Waals del gas que exerje una
fuerza de succión que tira el tubo hacía dentro,
repitiéndose todo el proceso. Como apenas hay
fricción entre las paredes de los nanotubos, no se pierde
mucha energía. De hecho, la mayor pérdida de
energía está causada por el movimiento al azar que
tiene la parte exterior del tubo interior.

Nanotubos, un semiconductor ?Los nanotubos de
carbono son formas a partir de carbono sp2 esta
hibridación nos informa inmediatamente sobre la naturaleza
de la unión al interior de un nanotubo este tiene enlaces
simples "sigma" y dobles "pi". Los enlaces "pi" se organizan de
tal manera que producen un efecto mesómero en toda la
molécula es posible, lo que justifica las propiedades
eléctricas de la molécula. Sin embargo, los
nanotubos pueden transmitir la electricidad de dos maneras
diferentes en función de su vector quirales. De hecho, si
los nanotubos con la pareja (n, m) quirales vector verifica la
ecuación: m = 2n + 3T (cuando q es un número
entero) y, a continuación, el conductor de otro nanotubo
es semiconductor es. Así, mientras que el SWNT "silla" es
el conductor, y algunos "zig-zag" y también son quirales.
)

Proyecciones

Las proyecciones que pueden existir en este tema son muy
variadas, ya que es un descubrimiento medianamente reciente en
tiempo cronológico, pero muy reciente en cuanto a tiempo
de investigación. Las proyecciones son muy diversas y
variadas y toca temas tan distintos como son el espacio, a temas
tan terrenales como la terapia genética. Para entender
mejor de lo que se habla, se presentan los siguientes
casos:

• Los Nanotubos de carbono ofrecen nuevas
  técnicas de terapia

Gracias a últimos avances
científicos en la medicina, se ha logrado identificar
muchos genes relacionados con ciertas enfermedades, y con ese
conocimiento se están realizando investigaciones para
desarrollar nuevos tratamientos.

Se cree que se podría reemplazar
genes defectuosos o ausentes a través de la
implantación en células humanas desde el exterior
del mismo tipo de gen. Esto se torna complicado porque el ADN no
puede traspasar las membranas células, por se requiere la
ayuda de un transportador. Uno de estos transportadores pueden
ser los nanotubos de carbono ya que un equipo europeo de
investigadores ha desarrollado un nuevo método para
introducir el ADN en células de mamíferos a
través de éstos.

Para que esto sea posible deben modificar
los NTC para que sean solubles.

Los nanotubos no dañan a las
células porque, a diferencia de otros sistemas de
transporte genética, no desestabilizan la membrana al
penetrarla. Una vez dentro de la célula, los genes
resultaron ser funcionales. El uso de nanotubos de carbón
como transportador no se limitará al trasplante de genes.
Nuevos avances científicos lograrán que sea posible
el transporte de medicamentos y el desarrollo de otras nuevas
técnicas médicas.

• Los Nanotubos de carbono en ascensor
  espacial

Uno de los aspectos más curiosos
sobre los nanotubos de carbono es la posibilidad de fabricar un
futurista ascensor espacial que se desplazaría por una
cinta basada en materiales compuestos con nanotubos de carbono,
muy ligera y tremendamente resistente. El Ascensor podría
ser construido a base de casi 40.000 kilómetros de
nanotubos de carbono y sería capaz de transportar hasta 20
toneladas al espacio sin emplear motores.

El concepto, simple y elegante, consiste en
conectar una estación espacial a la Tierra mediante un
cable lo suficientemente largo que permita colocar en
órbita naves de transporte. Para elevar el ascensor se
emplearía un sistema de propulsión
electromagnético. La base del dispositivo estaría
en el Ecuador, sobre una plataforma marina, en el Océano
Indico, a 70 grados de longitud este, al sur de India, cerca de
las islas Maldivas. Uno de los principales problemas a los que se
enfrenta la tecnología es la ausencia de materiales lo
suficientemente resistentes para diseñar el cable. En
cambio la nanotecnología podría solucionar el
problema, dado que los nanotubos de carbono, son 100 veces
más resistentes que el acero. Sin duda el ascensor
espacial seria la solución al problema que supone el
desorbitado coste que tiene actualmente la puesta en
órbita de cualquier tipo de objeto o nave. Mientras con
los sistemas de propulsión actuales poner en órbita
un kilo cuesta 22.000 dólares por kilo, al ascensor lo
haría por algo menos de 1,5 dólar por kilo. Este es
sin duda un complicado proyecto, para el que no obstante ya se
están dando los primeros pasos mediante la convocatoria de
un concurso

Agua de Nanotubos

Unos científicos de Argonne han
descubierto una nueva forma de agua llamada, agua de nanotubos.
Esta agua está formada por dos átomos de
hidrógeno y un átomo de oxígeno pero no se
convierte en hielo, incluso a temperaturas que se aproximan al
cero absoluto.En vez de formarse hielo, al bajar la temperatura
hasta 8º Kelvin, dentro de un tubo monocapa de
carbón, el agua forma una capa helada (pero no congelada)
de moléculas de agua con una cadena de moléculas
líquidas que fluye por el centro. Al subirse la
temperatura hasta temperatura ambiental, el agua helada de
nanotubos se convierte paulatinamente en líquido.
Biólogos y geólogos investigan el comportamiento
del agua en espacios confinados controlados por materiales
hidrofóbicos porque esta situación ocurre en la
naturaleza. Un ejemplo sería cuando raíces
diminutas transportan agua a plantas. También algunas
proteínas de membrana como por ejemplo aquaporina, que
controla el flujo de agua a través de las paredes
celulares. Este estudio supone el primer experimento con agua en
un nanotubo.

Conclusión

La nanotecnología es la ciencia que esta
destinada a cambiarnos la vida. Mediante nanomaquinas podremos
llevar a cabo tareas que hoy ni siquiera alcanzamos a imaginar.
Se dice que esta tecnología cambiara el mundo como en su
momento lo hicieron los materiales plásticos. Una de las
nano-estructuras que ya se están utilizando son los
nanotubos.

Hemos estudiado los distintos métodos de
obtención de nanotubos de carbono, como son por CVD, por
microondas, por ablación por laser y por ablación
por arco eléctrico.

Reconociendo así la técnica de
obtención CVD como la más prometedora para la
escala industrial en términos de relación
precio/unidad.

Hay ventajas adicionales para la síntesis de
nanotubos por CVD. De los diferentes métodos de
obtención de nanotubos, CVD es la única
técnica capaz de lograr un crecimiento directamente sobre
un sustrato determinado. Además no hay otros
métodos de crecimiento, por ahora, que se hayan
desarrollado para producir nanotubos alineados
verticalmente.

Otro de los puntos importantes tocados, se refiere a las
características y resultados de los nanotubos de carbono,
dentro de las características, se pueden encontrar
propiedades, como lo son las eléctricas,
electroquímicas, mecánicas y térmicas, que
se pueden explicar mejor de la siguiente manera:

• Eléctricas: Los NTC presentan gran capacidad
  para transportar corriente, incluso llegando a los mil
  millones de A/cm2, mientras que los alambres de cobre
  convencionales se funden al llegar a densidades de corriente
  del orden del millón de A/cm2. También hay que
  decir que todas estas propiedades no dependen del largo del
  tubo, a diferencia de lo que ocurre en los cables de uso
  cotidiano

• Electroquímicas: Debido su gran superficie y
  su baja resistividad los NTC se han desarrollado incluso como
  supercondensadores, dispositivos para el almacenamiento de
  hidrógeno y fabricación de células
  solares.

• Mecánicas: La estabilidad y robustez de los
  enlaces entre los átomos de carbono, les proporciona
  la capacidad de ser unas de las fibras más resistentes
  que se pueden fabricar hoy día. Por otro lado, frente
  a esfuerzos de deformación muy intensos son capaces de
  deformarse notablemente y de mantenerse en un régimen
  elástico:

• Térmicas: Los nanotubos tienen también
  una alta conductividad térmica: 1800 – 6000 W/(mK) que
  es 20 veces mas que la del cobre. Esta conductividad depende
  de la corriente que pasa por el tubo y de la temperatura,
  aunque al estar en dirección lateral los nanotubos no
  son buenos conductores térmicos. En cuánto a
  estabilidad aguantan hasta 2800°C en el vacío y
  750°C en el aire.

Finalmente y en cuanto a las proyecciones, la
investigación sobre los nanotubos de carbono esta
recién empezando, por lo que la gama de posibilidades es
muy amplia y las esperanzas que se tienen puestas en este
revolucionario hallazgo son enormes. Por lo que solo queda
esperar a ver como se desarrolla esta nueva clase de
nanotecnología.

Autor:

Edmundo Hernández