Nanotecnología: Nanotubos de carbono

Resumen

En la actualidad la necesidad de cada vez fabricar
dispositivos más pequeños nos da como prioridad
desarrollar más investigaciones sobre nuevas
tecnologías o realizar mejoras en tecnologías ya
pasadas, en el presente paper se habla sobre los nanotubos de
carbono, composición, y obtención, explicaremos sus
propiedades electrónicas y usos en la
ingeniería.

Índice de Términos— Carbono,
ingeniería, nanotecnología, nanotubos de
carbono

Introducción

La nanotecnología ha atraído
mucho interés en la comunidad científica, y sobre
todo en las últimas décadas se han hecho grandes
esfuerzos para lograr el control a un nivel atómico y
molecular en los procesos industriales. Con la aparición
de los nanomateriales, y su función, las nuevas
técnicas de tecnología de caracterización se
han diseñado e implementado.Uno de los frutos de este
interés en el ámbito de las pequeñas
dimensiones fue la obtención de nanotubos de carbono (NC)
primero sintetizado en 1991 por Iijima [1], utilizando el proceso
de plasma de grafito pirolítico en atmósfera
controlada de helio. A pesar de la contemporaneidad de este
descubrimiento, es 1889, se ha informado de una patente de EE.UU.
que los filamentos de carbono pueden formar a partir de
hidrocarburos, crisoles de metal con alto temperaturas
[2].

Las numerosas aplicaciones, reales o potenciales, de los
nanotubos de carbono yla necesidad de controlar la
morfología adecuada para su uso, dan rumbo a la
investigación del multidisciplinario conocimiento en el
área de trabajo involucrando factores que definen el
éxito de sus aplicaciones, como el procesamiento y la
calidad de síntesis de los NC.

El presente paper tiene como objetivo mostrar las
principales características de los nanotubos de carbono,
los métodos de síntesis, purificación y
aislamiento, la caracterización, la manipulación y
algunas de las nuevas aplicaciones de estos materiales en la
ingeniería.

Nanotubos de
carbono

¿Formación y
clases?

Los nanotubos de carbono se forman de arreglos de
pequeños cilindros hexagonales de carbono. Por lo general
tienen una amplia gama de diferentes magnitudes (variación
de diámetro y tamaños que van desde anstromgs hasta
decenas de nanómetros) [4]. Desde el punto de vista
estructural los nanotubos de carbono pueden ser de pared simple
(NTCPS), y los nanotubos de pared múltiple (NTCPM), los
nanotubos de carbono de pared simple puede ser considerado como
una sola hoja de grafito enrollada sobre sí misma para
formar un tubo cilíndrico (figura 1), los NTCPM dependen
del diámetro y el ángulo de helicidad [7],
están compuestos de una serie de nanotubo
concéntricos que están separados radialmente por
aproximadamente 0.34 nm, poseen un diámetro externo de 10
a 50 nm. (figura 2), Lijima los describió como
pequeños tubos con una estructura una forma parecida a la
de una aguja. [10], [15]. Dependiendo de los valores pares de
(n,m) podemos tener tres tipos de nanotubos de carbono: armchair
(n = m), zig-zag (n, m = 0), quirales (n ? m ? 0) (figura 3)
[10].

Figura 1. Nanotubos de carbono de pared
simple.

Figura 2. Nanotubos de carbono de pared
múltiple.

Figura 3. NTCPM: (a) armchair, (b)
zig-zag, (c) quiral [17].

Obtención

Una parte desafiante de muchos experimentos es el
crecimiento de los nanotubos de carbono. En la actualidad no hay
ninguna posibilidad de controlar la estructura de los nanotubos y
todos los métodos de fabricación dieron como
resultado mezclas de nanotubos con diferentes longitudes y
diámetros, helicidades. [30]

• Sustrato o síntesis

Se realiza mediante un proceso de dos etapas: en la
primera se preparan los catalizadores y en la segunda se crecen
los nanotubos, los catalizadores son preparados generalmente
dispersando nanopartículas de metal de transición
sobre un substrato. Dado que el elemento activo es el metal en
estado elemental, es necesario un tratamiento de reducción
con hidrógeno para inducir la nucleación de
partículas catalíticas en el sustrato. En la
siguiente etapa se introduce en el sistema la fuente de carbono
para producir el crecimiento de los nanotubos. El método
del sustrato es muy efectivo y permite obtener los distintos
tipos de filamentos con alta selectividad pero muy
pequeños, lo malo de este método es que se necesita
de mucho dinero para hacer posible la obtención (figura
4).[4][16]

Figura 4. Método de sustrato o
síntesis

• Descargas por arco

La descarga de arco fue el primer método
disponible para la producción de ambos tipos de nanotubos
de carbono. Vale la pena señalar que esta técnica
se ha utilizado durante mucho tiempo para la producción de
fibras de carbono y que es muy probable que se observaron los
nanotubos de antes de 1991, pero no reconocidos como tales. Los
NTCPM se pueden producir en un aparato de arco de carbono similar
a la que se representa a continuación usando el
método descrito por Ebbesen y Ajayan [29]. Un arco entre
dos electrodos de grafito en una atmósfera de gas. Los
NTCPM son producidos por descarga de arco largos y tubos rectos
cerrados en ambos extremos, con paredes de grafito que corre
paralela al eje del tubo. Iijima y Bethune informó en 1993
de que una descarga de arco con un cátodo que contiene
catalizadores de metales (tales como cobalto, hierro o
níquel) mezclados con polvo de grafito da como resultado
un depósito que contiene NTCPS [1][15]. Los NTCPS son por
lo general montados en cuerdas, pero algunos tubos individuales
también se pueden encontrar en los depósitos
[30].

Figura 5. Obtención de los dos
tipos de nanotubos por el método de descarga de arco,
visualización en un microscopio de los NTCPS y los NTCPM
[30]

• Obtención mediante (ablación)
  laser

Otro método para hacer crecer los nanotubos
mediante ablación con láser fue demostrado en 1996
por el grupo de Smalley y ha provocado un gran interés. Se
mostró que la síntesis podría llevarse a
cabo en un tubo de flujo horizontal bajo un flujo de gas inerte a
presión controlada. En este montaje el tubo de flujo se
calienta a aproximadamente 1200 ° C por un horno. Los pulsos
láser entrar en el tubo y golpean un objetivo que consiste
en una mezcla de grafito y un catalizador de metal tales como Co
o Ni. Los NTCPS se condensan a partir de la pluma de
vaporización con láser y se depositan en un
colector fuera de la zona del horno [14] [30].

Figura 6. Método de
ablación laser usado por Smalley [14]

• Crecimiento catalítico

Este método se basa en la descomposición
de un gas de hidrocarburo más de un metal de
transición para crecer nanotubos en una deposición
de vapor químico (CVD) de reactor como el que se muestra a
continuación: (figura 7)

Figura 7. Descomposición de horno
mediante CVD

Filamentos de carbono y fibras han sido producidos por
la descomposición térmica de hidrocarburos desde
los años 1960. Por lo general, un catalizador es necesario
para promover el crecimiento. Un enfoque similar fue utilizado
por primera vez en 1993 por Yacamán[6].

Para la producción de NTCPM acetileno se utiliza
normalmente como fuente de átomos de carbono a
temperaturas típicamente entre 600 – 800 º C. Para
hacer crecer los NTCPS la temperatura tiene que ser
significativamente mayor (900 – 1200 ° C) debido al hecho de
que tienen una energía mayor de la formación. En
este caso monóxido de carbono o metano deben ser
utilizados debido a su mayor estabilidad a temperaturas
más altas en comparación con acetileno
[13][15].

Propiedades
generales

En los nantotubos de carbono entres sus propiedades
tenemos que poseen una capacidad conductora estimada en mil
millones de amperes por centímetro cuadrado, densidad de
1.33 a 1.40 g/cm3, fuerza de 45 mil millones de pascales, la
transmisión de calor tan alta 6000 vatios metro / kelvin
en temperatura ambiente; puede doblarse a grandes ángulos
y vuelve a su estado original sin daño, una estabilidad
térmica aun a 2800 grados Celsius en el vacío y 750
en el aire [6].

• Propiedades Electrónicas

Analizaremos a los dos tipos de nanotubos como uno solo
ya que la formación del uno depende del otro (NTCPS y
NTCPM). Los índices de Hamada (n,m) son los que nos
darán la propiedad electrónica de los nanotubos de
carbono, si los índices de Hamada son múltiplos de
3 se puede decir que 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 de forma de bala en otras palabras inmediato la
cual que posibilita transportar corrientes en grandes distancias
sin emitir calor en la el nanotubo [7][4]. Haciendo la
unión entre semiconductores con semiconductores, metal con
metal y metal con semiconductor; se pueden obtener otros tipos de
nanotubos de carbono [14].

Usos en la
ingeniería

En microelectrónica ya se ha propuesto el uso de
los CTN en aplicaciones tan diversas como transistores TFT
flexibles, memorias no volátiles (NRAM), conectores
verticales de solo 150 nm compatibles con la tecnología
CMOS y disipadores térmicos de calor
para amplificadores de alta potencia.

También se han propuesto aplicaciones de los CNT
en la fabricación de baterías de iones de
litio para ordenadores portátiles y teléfonos
móviles, celdas de combustible, células solares, e
incluso para la purificación del agua. Sin
embargo, la mayoría de estas aplicaciones aún se
limita a los laboratorios de I+D, se espera que su
comercialización sea próxima.[26] 

Se habla también de la posible
construcción de un ascensor espacial por parte de la NASA
ya que este material es el único que posee las propiedades
para soportar las condiciones que existen en el espacio y en
nuestro planeta tierra.

Conclusiones

Debido al rápido crecimiento tecnológico
en nuestro planeta nos obliga a mejorar tecnologías ya
pasadas, el uso de los nanotubos es de suma importancia en la
nanotecnología, las propiedades físicas y
químicas de estos nos amplían los campos de
acción. Las limitaciones en las producciones a grandes
escalas debido a su gran costo y el no perfeccionamiento de estas
técnicas es el mayor impedimento en el desarrollo de los
nanotubos de carbono.

La producción de los nanotubos de carbono la
llevan a cabo en países que son grandes potencias
mundiales, países en vías de desarrollo son
incompetentes ante estos ya que la demanda tecnológica y
los gastos para la producción es bastante
amplia.

Agradecimiento

A mi señora madre Jenny Bustamante, mi esposa
María José Aguirre y mi hijo Pablo Ambrosi quienes
permitieron la investigación y desarrollo del tema con su
apoyo incondicional, al Ingeniero René Ávila
director de la Carrera Ingeniería Electrónica y
catedrático de la materia Electrónica
Analógica II quien motivó el desarrollo de este
paper.

Referencias

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http://ipn2.epfl.ch/CHBU/NTproduction1.htm

Autor:

Ambrosi Bustamante Pablo André.

Universidad Politécnica Salesiana

Sede Cuenca

Nació en Machala, Ecuador. Estudiante de 5to
ciclo de Ingeniería Eléctrica en la Universidad
Politécnica Salesiana sede Cuenca, miembro IEEE desde el
noviembre del 2012, asistente al Andescon (Consejo Andino IEEE
Bianual 2012) y Laticom 2012 (cuarta edición de la
conferencia más importante en las comunidades de
América Latina ) desarrollado en la ciudad de Cuenca en el
mes de noviembre. Tercer lugar en el concurso Burningbots 2.0
organizado por la rama IEEE de la UPS Cuenca.