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Nanotubos de Carbono (página 2)

Enviado por Edmundo Hernandez



Partes: 1, 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.

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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

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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).

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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.

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(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).

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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 (SnOMonografias.comen 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

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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.

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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.

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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

Partes: 1, 2


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