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Los Nanotubos de Carbono




Enviado por Juan Orellana



  1. Resumen
  2. Introducción
  3. Nanotubos de Carbono
  4. Aplicaciones de los
    Nanotubos
  5. Conclusiones
  6. Referencias

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
cómo el avance de esta tecnología podría
cambiar drásticamente 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.

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 esté interesado en el
desarrollo de esta reciente tecnología. [9, 8]

Figura 1: Algunos alótropos del
carbono: a) Diamante, b) Grafito, c) Nanotubo de
carbono

Nanotubos de
Carbono

  • Definición

Los nanotubos de carbono (del inglés Carbon
Nanotube o CNT) son alótropos de este mismo elemento con
una nano estructura 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
grafito, 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]

  • 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]

  • 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 sí 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 (?) 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

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

  • 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
sí misma, sin embargo la formación de esta
estructura es poco común en el proceso de
fabricación de los nanotubos. [4]

  • Propiedades

  • 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 zigzag 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]

  • Mecánicas

Tanto los estudios teóricos como
prácticos han demostrado que los nanotubos son los fibras
más 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 a 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 o 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]

  • 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]

  • 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:

  • 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]

  • Ablación por
    láser

El método de ablación por láser
utiliza la luz de un láser 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]

  • 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

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:

  • 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]

  • 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. 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]

Figura 7: Posible Ascensor
espacial

  • 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]

  • 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]

  • Bioquímica y
    Biosensores

Las propiedades electrónicas y estructurales de
los nanotubos de carbono los hacen muy atractivos para
aplicaciones bioelectromecánicas, es más 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]

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.

Referencias

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Autor:

Orellana Calle Juan Diego

Universidad Politécnica
Salesiana

Carrera de Ingeniería
Electrónica

Cuenca – Ecuador

4 de julio de 2012

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