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Tendencias Científicas y Tecnológicas en el campo de los nanoonions de carbono



  1. Resumen
  2. Introducción
  3. Panorama de las investigaciones sobre
    nanoonions de carbono
  4. Propiedad industrial referente a los nanoonions
    de carbono
  5. Correlación artículos – patentes
    y análisis de tendencias
  6. Conclusiones
  7. Referencias

Resumen

Entre la notable familia de los nanomateriales de
carbono se encuentran los nanoonions. Este tipo de nanoestructura
se caracteriza por estar constituida por varias capas
concéntricas de átomos de carbono que en muchos
casos tienen un núcleo de fullereno. Sus propiedades la
hacen muy atractiva para diversas aplicaciones:
biomédicas, en calidad de catalizador, como aditivo para
lubricantes, en el almacenamiento de hidrógeno y para el
desarrollo de súper condensadores entre otras. Se analiza
la situación de las publicaciones y patentes de este tipo
de nanomateriales, sobre la base de las principales bases de
datos internacionales: la Oficina Europea de Patentes (EPO), la
Oficina de Patentes Japonesa (PAJ), la Oficina de Patentes de los
EE.UU. (USPTO) y la información ofrecida por el Tratado de
Cooperación de Patentes (PCT) de la Organización
Mundial de la Propiedad Intelectual (OMPI). También se
consideraron las revistas científicas de impacto en la
materia. El análisis de la correlación entre
patente y publicaciones en revistas de impacto fue usado para
visualizar el comportamiento actual de las tendencias
fundamentales en este campo de investigación. Dichas
tendencias son sometidas a análisis.

Palabras Claves: nanotecnología, nanoonions,
carbono, tendencias.

SCIENTIFIC AND TECHNOLOGICAL
TENDENCIES IN THE FIELD OF CARBON NANOONIONS

ABSTRACT

Among the notable family of carbon nanomaterials are
nanoonions. This type of nanostructure is characterized by being
composed of several concentric layers of carbon atoms and in many
cases have a core of fullerene. Its properties make it very
attractive for various applications: biomedical, as a catalyst,
as an additive for lubricants, hydrogen storage and the
development of super capacitors and others. It was analyzed the
status of publications and patents of this type of nanomaterials.
The work was done on the basis of the main international
databases: European Patent Office (EPO), Japan Patent Office
(PAJ), U.S. Patent Office (USPTO) and information provided by the
Patent Cooperation Treaty (PCT) of the World Intellectual
Property Organization (WIPO). We also considered the scientific
journals of impact in the field. The analysis of the correlation
between patents and publications in scientific journals of impact
was used to visualize the current behavior of the basic trends in
this field of research. Such trends are submitted to
analysis.

Keywords: nanotechnology, nanoonions, carbon,
trends

Introducción

La nanociencia consiste en el estudio de los
fenómenos y la manipulación de materiales a escala
atómica, molecular y supramolecular, donde sus propiedades
difieren significativamente de las que exhiben a escalas macro
[1].

Uno de sus hitos principales ocurrió en 1985 con
el descubrimiento de los fullerenos (C60 ) [2], con el que las
nanoestructuras de carbono se convirtieron en tema de suma
actualidad científica. Las investigaciones ulteriores
demostraron la gran capacidad del carbono para existir en
diferentes formas alotrópicas de variadas texturas y de
dimensiones nanométricas con propiedades
fascinantes.

Los nanoonions de carbono (CNOs) también
conocidos como "bucky onions", "multishell fullerenes" y
"onion

– like graphitic particles" son una de las
estructuras menos estudiadas de la familia de los
alótropos del carbono [3]. Ello se debe a que sólo
recientemente se lograron desarrollar métodos de
síntesis que permiten obtener cantidades significativas
para su estudio y para la exploración de sus potenciales
aplicaciones.

Un nanoonions de carbono (CNO) ideal consiste en una
serie de capas concéntricas grafitadas con una
separación aproximada a 0.34 nm que contiene como
núcleo a una molécula de fullereno. Sin embargo, la
estructura real de los nanoonions como regla difiere de este
modelo, pudiendo asumir formas cuasi esféricas o
poliédricas [4]. Las dimensiones y estructura peculiar de
los CNOs los convierten en candidatos para múltiples
aplicaciones. En la Figura 1 se muestra la imagen de
CNOs.

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Figura 1. Imagen obtenida con
microscopia electrónica de transmisión de CNOs
sintetizados por los autores empleando el método de
descarga sumergida.

En el trabajo se realiza un análisis de la
situación de las publicaciones y patentes referentes a los
CNOs y sus potenciales aplicaciones.

Para determinar las tendencias de la
investigación y la actividad inventiva que se perfilan en
este campo, se procedió a efectuar un análisis de
las patentes concedidas en la EPO, PAJ, USPTO y las reportadas
por la OMPI. Los datos obtenidos se correlacionaron con los
recopilados a partir del análisis de las publicaciones
efectuadas en revistas de impacto sobre dicha temática. En
particular, se enfatizó en los aspectos de
síntesis, funcionalización y aplicación de
este tipo de nanomateriales.

El análisis se encuentra focalizado en nanoonions
compuestos exclusivamente de carbono. No se aborda la amplia
problemática de nanocápsulas de carbono con otros
elementos o compuestos contenidos en su interior.

Panorama de las
investigaciones sobre nanoonions de carbono

A diferencia de otros nanomateriales de carbono, para
los cuales la comunidad científica ha adoptado
denominaciones universalmente aceptadas, en el caso de los CNOs
prevalece una diversidad de nombres con las consecuentes
inconvenientes que ello entraña. Entre los términos
empleados se encuentran "carbon onions" y "onion – like
graphitic particles" [5], "nano onions – like fullerenes"
[3], "spherical carbon onions" [6],

"onion like particles" y "bucky onions" [7]. El universo
de las publicaciones científicas de CNOs no sobrepasa los
800 trabajos, distribuidas en 51 revistas. Las revistas en que se
han publicado la mayor cantidad de artículos de
repercusión son por orden de importancia: Nature; J.
Chemical Physics Letters, Carbon y J. Applied Physics. De dicho
universo, aproximadamente el 30% corresponde a publicaciones en
chino y japonés con solo resúmenes en
inglés. En la Figura 2, se muestra la distribución
de artículos por países.

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Figura 2. Distribución de
la producción de artículos científicos
dedicados a CNO por países.

El comportamiento de las publicaciones en revistas de
alto impacto se muestra en la Figura 3, Su acumulado es
pequeño con respecto al de otros nanomateriales de carbono
como los nanotubos, pero refleja una tendencia robusta de
crecimiento.

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Figura 3. Acumulado del
número de publicaciones en revistas de impacto consagrados
a los CNO.

Las publicaciones se clasificaron de acuerdo a los
objetivos propuestos en las siguientes temáticas:
síntesis, purificación, caracterización,
funcionalización y aplicaciones. Sin embargo, este intento
de agrupamiento tiene un carácter rudimentario pues en
muchas de ellas se solapan las temáticas, por lo que
deberá adoptarse con las pertinentes reservas. En la
Figura 4 se muestra la distribución de publicaciones por
temáticas. El predominio de la síntesis y la
caracterización es coherente con la fase de surgimiento de
la tendencia que se aprecia en la Figura 3.

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Figura 4. Principales
temáticas tratadas en los artículos
científicos referentes a CNOs.

Los métodos de síntesis de CNOs presentan
una notable variedad, situación análoga a la
observada en las otras nanoestructuras de carbono tales como los
nanotubos. En esta variedad se destacan algunas tendencias
relevantes como la basada en la descarga de arco sumergida [8],
la irradiación con haces de electrones [4], la
deposición química de vapores [9], la
radiofrecuencia y plasma generado por microondas [10], el uso de
molinos de bolas [11] y un grupo que denominaremos
"miscelánea" que contempla desde el uso de la
irradiación láser [12] hasta el recocido de
nanodiamantes obtenidos por detonaciones [13]. En la Figura 5 se
observa el balance entre los diferentes métodos de
síntesis.

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Figura 5. Balance entre los
diferentes métodos de síntesis.

Los diferentes procedimientos empleados en la
síntesis de CNOs conducen a que los productos de
síntesis difieran por sus estructuras, dimensiones,
presencia de defectos y reactividad, lo que en última
instancia condicionará sus potenciales aplicaciones. Tales
diferencias obedecen a diferentes mecanismos de crecimiento, por
lo que existe un paralelismo entre los trabajos de
síntesis y los del estudio de los mecanismos de
formación [14]. La lógica consiste en conocer los
mecanismos de crecimiento para regular los parámetros
cruciales de los procesos de síntesis y obtener los CNOs
con las propiedades deseadas.

Los tamaños y las ordenaciones estructurales
distintivas de los CNOs les convierten en candidatos para
variadas aplicaciones. En investigaciones biomédicas se
les considera una macromolécula promisoria en calidad de
principio activo para tratamiento antitumorales [15]. Sus
propiedades tribológicas son objeto de intensas
investigaciones con vistas a su aplicación en
nanolubricantes de sistemas micro mecánicos (MEMS) [16] y
como aditivo para lubricantes de la industria aeroespacial
[17].

Su área específica resulta elevada, por lo
que se estima como un material prometedor para el almacenamiento
de gases [18]. Sus propiedades catalíticas están
siendo investigadas en la tecnología de producción
de estireno con el objetivo de reducir su temperatura de
síntesis e incrementar el rendimiento [19]. Además,
los CNOs y sus composites embebidos en medios dieléctricos
se estudian como materiales para la absorción de ondas
electromagnéticas en un amplio espectro debido a sus
adecuadas propiedades y a su ligereza [20]. En [21] se sugiere su
uso en celdas fotovoltaicas y de combustible. También se
les considera apropiados para el desarrollo de súper
condensadores [22]. Los CNOs se les asocia a la
explicación de la absorción interestelar que se
observa en la zona ultravioleta del espectro en el entorno de los
217.5 nm [23].

Propiedad
industrial referente a los nanoonions de
carbono

Recientemente la Clasificación Internacional de
Patentes (CIP) introdujo el clasificador B82 para la
Nanotecnología y específicamente el B82B para
"nanoestructuras formadas por manipulación de
átomos o moléculas individuales, o colecciones
limitadas de átomos o moléculas como unidades
discretas; su fabricación o tratamiento" [24]. La ausencia
de una clasificación que aglutinara a este tipo de
patentes anteriormente, originó una gran dispersión
en su tipificación. En la Figura 6 se muestra la
distribución de las patentes de CNOs según su
clasificación CIP. En ella se observa como la
dispersión mencionada se refleja en el grupo denominado
"otras", que engloba a 22 clasificaciones.

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Figura 6. Distribución de
patentes según clasificación CIP.

Dentro de las principales clasificaciones aparecen las
siguientes: C01B, B01J, B82B y H01B. El mayor grupo pertenece al
código C01B que corresponde a los procesos de
síntesis de compuestos de carbono y al periodo inicial de
surgimiento de este campo. El B01J corresponde a procedimientos
químicos, físicos o físico químicos
en general y está asociado a equipamiento. El
pequeño valor de la fracción B82B se debe a su
reciente aparición.

El conjunto de patentes registradas sobre CNOs en las
bases de datos seleccionadas (Espacenet, USPTO, Patentscope, PAJ)
fue de 41. En la Figura 7 se ilustra la evolución de la
actividad inventiva referente a CNOs por su acumulado desde
1992.

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Figura 7. Evolución de la
actividad inventiva en el campo de los CNOs.

Posterior al año 2000 se observa un incremento en
el número de patentes. Ello está dado por la
aparición de métodos de mayor productividad, lo que
estimuló a su vez el desarrollo y registro de invenciones
sobre aplicaciones de CNOs, que pasan a ocupar una
fracción importante del total de patentes como se aprecia
en la Figura 8.

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Figura 8. Principales
temáticas de patentes sobre CNOs.

En esta se expuso el porcentaje del número de
patentes en función de las principales temáticas
(síntesis, purificación, funcionalización y
aplicaciones). En dicha figura también se observa que los
procesos de síntesis constituyeron el foco principal de
las invenciones. La actividad de patentes de CNOs se concentra en
Japón, EE.UU. y China tal y como se refleja en la Figura
9.

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Figura 9. Distribución de
patentes de CNO por países.

Al igual que en las publicaciones científicas, en
las patentes predominan las temáticas de síntesis
[25-30] y aplicaciones [31-36] en correspondencia con la fase de
surgimiento de un nuevo campo.

Correlación artículos –
patentes y análisis de tendencias

La diversidad de denominaciones para los CNOs ha estado
presente en las publicaciones científicas y patentes como
un síntoma típico en un campo naciente.

El número de publicaciones supera en un factor de
10 al de patentes, observándose una correspondencia entre
el acumulado de las publicaciones Figura 2 y las patentes Figura
6, con un lógico retardo de las publicaciones con respecto
a las patentes. En ambos casos se observa un punto de
inflexión en el 2002 como consecuencia del descubrimiento
de un método [8] que permite obtener cantidades
significativas de CNOs con alta pureza. Este hecho
estimuló el estudio de sus propiedades y de sus
potenciales aplicaciones.

Se han reportado pocos artículos y patentes
dedicados a los problemas de purificación de CNOs, ya que
se parte en gran medida de la amplia experiencia adquirida en el
trabajo con nanotubos. Y aunque los métodos físicos
no destructivos, la separación química efectiva y
la purificación tienen sus propias ventajas, por lo visto
el óptimo se logra por una combinación de estos
procedimientos [37].

Para la caracterización de los CNOs se emplean
las mismas técnicas que para otros nanomateriales de
carbono

[38].

Los artículos y patentes referentes a la
funcionalización de CNOs son escasos. Entre los
métodos principales reportados se encuentra la
funcionalización orgánica en una solución
mixta de aminoácidos y paraformaldehído [39], una
técnica combinada de recocido térmico, tratamiento
con microondas y tratamiento acido [21]. Además, un
procedimiento de fluoración de una etapa con temperaturas
variables [40]. Las diferentes reactividades que presentan los
CNOs sintetizados por diferentes métodos influyen
significativamente en las estrategias de funcionalización.
La ausencia de patentes en la temática de
caracterización se debe a que es conocimiento bien
establecido que no difiere en lo esencial del resto de los
nanomateriales de carbono.

Los países líderes en el número de
publicaciones son los mismos que los de las patentes (Figuras1 y
8). Sin embargo, esta información no deberá ser
interpretada literalmente, debido a que muchos de los
artículos y patentes son resultado de colaboraciones
multinacionales en unos casos y en otros están perturbados
por la gran movilidad del personal científico en la
contemporaneidad.

Se considera que el estado actual de las legislaciones
sobre propiedad intelectual [41], permite que proliferen patentes
con perfiles muy amplios en el campo de la Nanotecnología.
Las invenciones referentes a CNOs reflejan dicha tendencia,
así por ejemplo se recurre a términos muy generales
como nanomateriales de carbono y nanoestructuras de carbono en
las reivindicaciones, cuando realmente se están refiriendo
específicamente a los CNOs.

Conclusiones

La diversidad de denominaciones y clasificaciones
vigentes en artículos y patentes para los CNOs, dificulta
la búsqueda y recuperación de información y
refleja un campo científico – tecnológico
emergente. Aunque el número de publicaciones y patentes es
pequeño con respecto a otros nanomateriales de carbono, se
constató una tendencia robusta de crecimiento.

A partir del análisis de la información de
artículos y patentes se identificaron las tendencias
tecnológicas en los campos de síntesis,
funcionalización, purificación,
caracterización y aplicaciones. La información de
artículos y patentes reflejó que los procesos de
purificación y caracterización son semejantes a los
empleados en los otros tipos de nanomateriales de carbono,
concentrándose la mayor actividad de investigación
en la síntesis y caracterización, mientras que la
actividad de patentes se enfocó principalmente en la
síntesis y las aplicaciones.

Al igual que en otros campos de la
Nanotecnología, las patentes referentes a CNOs
están redactadas en términos muy generales con la
pretensión de abarcar un espacio muy amplio y generar
múltiples interferencias a futuras invenciones en este
campo.

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Resumen Gráfico (Graphical
Abstract)

 

 

Autor:

Verónica Mariela Ramírez
Campos*,

Luis Felipe Desdín
García

Centro de Aplicaciones Tecnológicas
y Desarrollo Nuclear (CEADEN). P.O.B. 6122, Miramar, Habana,
Cuba

 

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