Resumen
Un nanotubo de carbono es una muy
pequeña configuración de átomos de este
elemento en forma cilíndrica. En este documento se hace
una revisión de la estructura y principales
características de estos elementos, así como de su
descubrimiento y las distintas aplicaciones, actuales y futuras,
en las que pueden ser utilizados, además se hace
mención de los distintos inconvenientes actuales y de como
el avance de esta tecnología podría cambiar
drasticamente el futuro.
Palabras Clave: Configuración,
Nanotubos, Características, Aplicaciones,
Futuro.
Abstract_A carbon nanotube is a very small
set of atoms of this element in a cylindrical shape. In this
paper we review the structure and main characteristics of these
elements, their discovery and the current and future applications
of this elements, also makes mention of the various current
problems and how this technology will be able to change
drastically the future.
Keywords: Configuration, Nanotubes,
Features, Applications, Future.
1.
Introducción
La nanotecnología promete ser la
revolución tecnológica de los años venideros
por ello es de vital importancia el notar como se han mejorado
las distintas características de los materiales con el uso
de la nanociencia y las nanotecnologías, el objetivo de
este trabajo es hacer una revisión de la estructura,
principales características y aplicaciones de los
nanotubos de carbono, este documento pretende ser una guía
informativa para todo aquel que este interesado en el desarrollo
de esta reciente tecnología. [9, 8]
Figura 1: Algunos alótropos del
carbono: a)Diamante, b)Grafíto, c)Nanotubo de
carbono
2. Nanotubos de
Carbono
2.1. Definición
Los nanotubos de carbono (del inglés
Carbon Nanotube o CNT) son alótropos de este mismo
elemento con una nanoestructura cilíndrica, la
alotropía es la propiedad que poseen algunos elementos
químicos de presentarse bajo estructuras químicas
diferentes, citando el ejemplo del carbono algunos
alótropos del mismo son grafíto, diamante, grafeno
y fulereno, algunas de estas estructuras se pueden observar en la
figura 1.[10, 11]
Debido a su estructura los nanotubos poseen
características extraordinarias que son muy útiles
para el desarrollo de potenciales aplicaciones en diversos campos
de la nanociencia y la nanotecnología.[3]
2.2. Clasificación y Estructura Los
nanotubos se clasifican básicamente de acuerdo a su
estructura en dos tipos: los nanotubos de pared única y
los de pared múltiple.[3][6][7]
2.2.1. Nanotubos de Pared
Única
Un nanotubo de carbono de pared
única (del inglés Single Walled Carbon Nanotube o
SWCNT) se puede considerar como un cilindro que resulta al
enrollarse una lámina de grafeno1 sobre si misma. Las
dimensiones típicas del mismo son un átomo de
grosor, unas decenas de átomos de circunferencia y algunas
micras de longitud. En comparación con el diámetro
del nanotubo el largo del mismo es muchísimo mayor, por lo
que simplemente se los suele considerar como si estos fueran
elementos de una sola dimensión, un nanotubo de este tipo
puede observarse en la figura 1.[3]
Las propiedades de esta clase de nanotubos
de carbono dependen principalmente de dos parámetros que
son el diámetro (dt) y el ángulo quiral (0) llamado
también ángulo de helicidad, de estos dos
parámetros nacen los llamados índices de Hamada,
que no son más que un par de números enteros (n,m)
que describen el número de vectores unitarios a lo largo
de las direcciones a1 y a2, véase la figura 2.
[7]
Figura 2: Vectores unitarios y vector
quiral
Figura 3: Tipos de Estructuras de
Nanotubos: (a) armchair, (b) zigzag, (c) quiral
El vector vector quiral, comunmente llamado
Ch, el cual define la posición relativa entre dos puntos
en la lámina que será enrollanda (n,m) está
dado por:
Ch = na1 + ma2 (1)
Dependiendo de los valores que n y m tomen
se pueden tener tres distintos tipos de estructuras
básicas de nanotubos de pared única estas son:
zig-zag
(m=0, 0 = 0), "armchair" (m=n, 0 =
30º) y quirales (m6=n6= 0, 0 < 0 < 30º), para un
mejor entendimiento véase la figura 3.[3, 7]
En la actualidad las muestras de SWCNTs
contienen distribuciones de los distintos tipos de nanotubos
mencionados anteriormente, ya que por ahora no existe una
técnica que permita obtener nanotubos de una sola clase.
Cabe recalcar que los nanotubos producidos se presentan por
manojos, con sus ejes orientados en paralelo formando una red
triangular, por lo que para trabajar con nanotubos individuales
se suelen utilizar distintos métodos de dispersión
aplicando surfactantes, polímeros, etc.[3]
Figura 4: Nanotubos de Pared
Múltiple
2.2.2. Nanotubos de Pared
Múltiple
Los nanotubos de carbono de pared
múltiple no son más que un conjunto de nanotubos de
pared única concéntricos, ver figura 4. Estos
nanotubos están radialmente separados por aproximadamente
0.34 nm, además poseen un diámetro externo de 10 a
50 nm.[3] Cabe recalcar que estos fueron los primeros tipos de
nanotubos que fueron descritos en 1991 por Sumio Iijima, como
pequeños tubos con una estructura un forma parecida a la
de un aguja.[10, 15]
Se han observado otra clase de nanotubos de
pared múltiple, en esta estructura alternativa estos
elementos se presentan como una lámina enrollada varias
veces sobre si misma, sin embargo la formación de esta
estructura es poco común en el proceso de
fabricación de los nanotubos.[4]
2.3. Propiedades
2.3.1. Electrónicas
Se ha observado que los nanotubos de
carbono tienen características electrónicas
excepcionales. Debido a que las propiedades de los nanotubos de
pared múltiple son muy similares a las de pared
única en este apartado únicamente se tratará
acerca de las características de estos
últimos.[7]
Las propiedades electrónicas
dependen mayoritariamente de los índices de Hamada, si
estos índices son múltiplos de 3 el nanotubo se
considera metálico caso contrario es un semiconductor.
Todos los nanotubos de tipo "armchair" son metálicos,
mientras que los nanotubos tipo zig-zag y quirales pueden ser
metálicos o semiconductores. En los nanotubos de tipo
metálico el transporte de electrones es inmediato, lo que
posibilita el transporte de corrientes a través de grandes
distancias sin producir calentamiento en la
estructura.[7][4]
Diferentes tipos de nanotubos pueden ser
creados mediante la unión de dos tipos de los mencionados
anteriormente, formando así uniones metal-semiconductor,
semiconductor-semiconductor o metal-metal. Se ha observado
experimentalmente que la unión metal-semiconductor se
comporta como un rectificador de corriente eléctrica
debido a las anormalidades de la unión. Una
característica importante de la unión metal-metal
es que esta, dependiendo del arreglo de nanotubos que se conecten
para formarla, en ciertas circunstancias permite el paso de
electrones mientras que en otras bloquea totalmente el paso de
los mismos, esto posibilita el uso de estos materiales como
nano-interruptores.[4]
2.3.2. Mecánicas
Tanto los estudios teóricos como
prácticos han demostrado que los nanotubos son los fibras
mas fuertes conocidas hasta el momento, además se ha
observado que estos son capaces de variar su forma
acomodándose a la fuerza externa que provoca su
deformación, sin que esto represente un cambio
irreversible en su estructura molecular. Se han realizado muchos
experimentos en los que los nanotubos han sido sometidos a
torceduras, compresiones e incluso se han aplanado y sin embargo
estos han recuperado su forma original. Estudios recientes han
demostrado que los nanotubos no pueden soportar grandes fuerzas
normales ha su eje radial, esto significa que no pueden ser
comprimidos o estirados en la dirección de su eje, ya que
esto causa el pandeo o colapso del mismo, sin embargo
también es posible que estos elementos se deformen
irreversiblemente ante la presencia de una fuerza abrumadora que
exceda los límites de su resistencia ó debido a
altas temperaturas. [4][18]
Como aspecto adicional cabe citar su ligero
peso frente al de otros materiales de características
similares. Las mediciones de las fuerzas que soportan los
nanotubos todavía son difíciles de realizar debido
a que son estructuras tan pequeñas, que no pueden
ajustarse a las tensiones aplicadas en las mediciones
estándar, además de la falta de instrumentos de
medición para trabajar a escalas tan pequeñas, por
lo que esto aún sigue siendo un reto tanto teórico
como práctico.
Se han realizado mediciones, aunque con
márgenes de error muy amplio, y se ha notado que los
nanotubos soportan una presión máxima de 130 GPa2
frente a los 5 GPa e incluso menos que soporta el acero.
[18][17]
2.3.3. Ópticas
Las propiedades ópticas de los
nanotubos de carbono son mayoritariamente determinadas mediante
la Espectroscopia Raman, en donde la dispersión de una luz
monocromática concentrada sobre un punto del material,
generalmente la de un láser en el espectro visible,
provoca que la energía de los fotones experimente un
desplazamiento hacia arriba o hacia abajo, este desplazamiento de
energía permite estudiar las características del
material, cuando existe una excitación proveniente de una
fuente de luz.[14][17]
Los nanotubos presentan el fenómeno
de la luminiscencia, con lo que pueden ser utilizados como
fuentes de luz microscópicas para crear por ejemplo,
optomemorias de muy pequeño tamaño, pero debido a
la baja eficiencia de los nanotubos de carbono puros, este
sistema es comercialmente inviable.[17]
2.4. Métodos de
Producción
Los métodos de producción
actuales solo logran crear una pequeña fracción de
nanotubos útiles, esto impide su implementación a
gran escala, también debido a la generación de
grandes cantidades de impurezas al momento de la creación
de los nanotubos.[7][2]
Actualmente existen tres principales
métodos de generación o síntesis de
nanotubos, los cuales son:
2.4.1. Descargas por arco
eléctrico
Los primeros nanotubos descubiertos en
1991, fueron exactamente creados por este método.[10]Esta
técnica consiste en producir una descarga eléctrica
entre dos electrodos de grafito, mediante este método se
consigue que parte de los electrodos se evaporen formando
aproximadamente un 60% de nanopartículas y un 40% de
nanotubos de carbono. Este método típicamente
produce nanotubos de carbono de pared múltiple, para
obtener nanotubos de pared única con este método
generalmente se realiza el dopado del grafito con Cobalto o
Níquel. La temperatura que se alcanza al momento de la
evaporación del grafito esta entre los 3000 y 4000
ºC. Esta técnica es excelente para producir nanotubos
de pared única o múltiple de una excelente calidad,
para la purificación del producto se calientan los
nanotubos de manera que las impurezas se oxidan y se desprenden
de los mismos.[4][2]
2.4.2. Ablación por
láser
El método de ablación por
láser utiliza la luz de un laser pulsante, para vaporizar
el grafito, el cual es mezclado con una pequeña parte de
cobalto y/o níquel, esto último con el fin de
obtener nanotubos de pared única. Para esta técnica
el material es introducido en una cámara precalentada a
aproximadamente 1200 ºC, después se empiezan a dar
los pulsos con el láser y a la vez se hace circular un gas
que recoge los nanotubos producidos para depositarlos en otra
cámara fría, esta técnica fue demostrada por
un grupo de trabajo en 1996. A través de esta
técnica las condiciones de síntesis son controladas
y mantenidas durante un largo periodo de tiempo permitiendo una
vaporización más uniforme de los tubos y en
consecuencia una mejor calidad.[4][2]
2.4.3. Deposición de Vapor
Químico
La técnica de deposición de
vapor químico se basa en la descomposición de
hidrocarburos a altas temperaturas para la generación de
los nanotubos. En este procedimiento un catalizador es calentado
en un pequeño horno, luego la materia prima, un
hidrocarburo en estado gaseoso, se hace fluir a través del
horno durante un determinado periodo de tiempo, para
posteriormente obtener los nanotubos cuando el medio en el que
están contenidos se enfría hasta alcanzar una
temperatura ambiente, cabe citar que para poder emplear este
método se utilizan reactores de deposición
química, que son los instrumentos que realizan el proceso
ya citado, véase figura 5. Este método es el
más prometedor de los tres ya que permite la
creación de grandes cantidades de nanotubos con pocos
defectos y a un costo relativamente bajo.[4][7][2]
Figura 5: Reactor de Deposición
Química
Figura 6: Supercondensador basado en
nanotubos
3. Aplicaciones
de los Nanotubos
Debido a las extraordinarias
características de los nanotubos estos poseen aplicaciones
en una infinidad de campos, a continuación se citan las
más interesantes y las que prometen un mayor desarrollo
tecnológico:
3.1. Supercondensadores
Flexibles
Los supercondensadores son tradicionalmente
definidos como condensadores que poseen una capacidad dos o tres
veces mayor a la de un condensador común.
En los condensadores formados por
nanotubos, estos últimos son depositados en arrays
formando una especie de matriz, con esto se logra generar dos
electrodos entre los cuales se coloca un dieléctrico, ver
figura 6. Estudios recientes han demostrado que la respuesta de
los condensadores mejora en un 30% al utilizar condensadores
basados en nanotubos.[1]
3.2. Materiales con propiedades
físicas excepcionales
En muchos campos ya se han utilizado los
nanotubos para mejorar las propiedades mecánicas de los
materiales agregando en su composición una pequeña
fracción de nanotubos, por ejemplo se han creado varias
partes de bicicletas, veleros e incluso compuestos que se activan
proporcionando una mayor dureza.
Figura 7: Posible Ascensor
espacial
Se ha planteado que los nanotubos sean
utilizados como materia prima estructural para la
construcción de un posible ascensor espacial debido a que
serían los únicos materiales que podrían
soportan las inmensas fatigas a las que el dispositivo
esté expuesto en el espacio, debido a la gravedad y
rotación terrestre, ver figura 7. [17]
3.3. Almacenamiento de
Combustibles
Los nanotubos son capaces de absorber
cualquier gas debido al efecto de capilaridad que estos poseen,
por lo cual se ha considerado que estos sean utilizados en el
almacenamiento de combustibles a base de hidrógeno.[4,
16]. Un gran inconveniente es que la absorción del
hidrógeno en los nanotubos solo se produce en un ambiente
controlado, a una cierta temperatura y mediante la
estimulación de una corriente eléctrica, sin
embargo actualmente existen grandes avances que ya permiten la
absorción a temperatura ambiente.[13]
3.4. Microdispositivos de emisión de
campo eléctrico
Debido a las propiedades de poder ser
metales o semiconductores, los nanotubos han sido utilizados como
pequeños dispositivos de emisión de campo
eléctrico, mediante los cuales se han logrado crear
transistores sumamente pequeños. Esto ha posibilitado el
desarrollo de pequeñas pantallas con los nanotubos como
medio de emisión de los electrones necesarios para activar
diodos emisores de luz y producir así la
imagen.[4][12]
3.5. Bioquímica y
Biosensores
Las propiedades electrónicas y
estructurales de los nanotubos de carbono los hacen muy
atractivos para aplicaciones bioelectromecánicas, es mas
algunos electrones han demostrados ser capaces de mejorar la
síntesis de enzimas y otras proteínas, sin embargo
esto todavía es una cierta muy experimental debido a que
los nanotubos al adherirse completamente a la solución en
la que son diluidos dificultan la comunicación de las
enzimas.[5]
4.
Conclusiones
Se ha podido observar que los nanotubos
poseen características únicas, tanto en su
estructura física como en su configuración
electrónica, por esto poseen un número casi
ilimitado de aplicaciones siendo posible utilizarlos en la
totalidad de los campos ya sea para producir nuevos materiales y
dispositivos o para mejorar las propiedades físicas de un
material en cuestión. Sin embargo también existen
muchas limitaciones en especial en los métodos de
producción a gran escala y la determinación de
ciertas características de estos materiales por lo que
aún se requieren estudios y el desarrollo de nuevas
tecnologías para poder mejorar el entendimiento de esta
revolucionaria tecnología.
Como punto final un factor a tener en
cuenta sería el cambio económico que
produciría el desarrollo de materiales basados en
nanotubos ya que por un lado mejoraría la
producción y ventas de determinadas empresas al ofrecer un
producto de mayor calidad pero a su vez esto relegaría a
países en vías de desarrollo ya que estos
serían incapaces de producir artículos competentes,
esto agravaría aún más la desigual
distribución de riquezas que existe en la
actualidad.
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10
NOTAS:
1 Una lámina de grafeno es una capa
monoatómica de grafito
2 Un GPa equivale a 10^9 Pascales, una
unidad de presión
Autor:
Juan Orellana
Universidad Politécnica
Salesiana
Carrera de Ingeniería
Electrónica
Cuenca – Ecuador
4 de julio de 2012