Nanotubo

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Nanotubo
Nanotubos de carbono.
Representaci√≥n de las estructuras de las diversas formas alotr√≥picas del carbono. adiamante, bgrafito, c: diamante hexagonal, d: fulereno C60, e: fulereno C540, f: fulereno C70, g: carbono amorfo, y finalmente, h: nanotubo
Representación esquemática de un nanotubo de carbono

En qu√≠mica, se denominan nanotubos a estructuras tubulares cuyo di√°metro es del tama√Īo del nan√≥metro. Existen nanotubos de muchos materiales, tales como silicio o nitruro de boro pero, generalmente, el t√©rmino se aplica a los nanotubos de carbono.

Los nanotubos de carbono son una forma alotr√≥pica del carbono, como el diamante, el grafito o los fulerenos. Su estructura puede considerarse procedente de una l√°mina de grafito enrolladas sobre s√≠ misma.[1] Dependiendo del grado de enrollamiento, y la manera como se conforma la l√°mina original, el resultado puede llevar a nanotubos de distinto di√°metro y geometr√≠a interna. Estos tubos, conformados como si los extremos de un folio se uniesen por sus extremos formando un canuto, se denominan nanotubos monocapa o de pared simple. Existen, tambi√©n, nanotubos cuya estructura se asemeja a la de una serie de tubos conc√©ntricos, incluidos unos dentro de otros, a modo de mu√Īecas matrioskas y, l√≥gicamente, de di√°metros crecientes desde el centro a la periferia. Estos son los nanotubos multicapa. Se conocen derivados en los que el tubo est√° cerrado por media esfera de fulereno, y otros que no est√°n cerrados.

Están siendo estudiados activamente, como los fulerenos, por su interés fundamental para la química y por sus aplicaciones tecnológicas. Es, por ejemplo, el primer material conocido por la humanidad capaz, en teoría, de sustentar indefinidamente su propio peso suspendido sobre nuestro planeta; una condición necesaria para la construcción de un ascensor espacial.

Contenido

Propiedades de los nanotubos

Los nanotubos suelen presentar una elevada relación longitud/radio, ya que el radio suele ser inferior a un par de nanómetros y, sin embargo, la longitud puede llegar a ser incluso de 105 nm. Debido a esta característica se pueden considerar como unidimensionales.[2]

Propiedades eléctricas

Los nanotubos se caracterizan por presentar una gran complejidad electr√≥nica, si tenemos en cuenta las reglas cu√°nticas que rigen la conductividad el√©ctrica con el tama√Īo y la geometr√≠a de √©stos. Estas estructuras pueden comportarse, desde un punto de vista el√©ctrico, en un amplio margen de comportamiento, comenzando por el comportamiento semiconductor hasta presentar, en algunos casos, superconductividad. Este amplio margen de conductividades viene dado por relaciones fundamentalmente geom√©tricas, es decir, en funci√≥n de su di√°metro, torsi√≥n (quiralidad) y el n√ļmero de capas de su composici√≥n. As√≠, por ejemplo, existen nanotubos rectos (armchair y zigzag) en los que las disposiciones hexagonales, en las partes extremas del tubo, son siempre paralelas al eje. Esta distribuci√≥n, en funci√≥n del di√°metro, permite que dos tercios de los nanotubos no quirales sean conductores y el resto semiconductores. En el caso de los nanotubos quirales, los hex√°gonos tienen un cierto √°ngulo con respecto al eje del tubo, es decir, la distribuci√≥n de los hex√°gonos laterales que conforman la estructura presenta con respecto al eje central del tubo un enrollamiento de car√°cter helicoide. Este tipo de conformaci√≥n dificulta el paso de los electrones a los estados o bandas de conducci√≥n, por lo que, aproximadamente, tan s√≥lo un tercio de los nanotubos presenta conducci√≥n apreciable y siempre en funci√≥n del √°ngulo de torsi√≥n.

Hay que destacar que los nanotubos superconductores se podr√≠an utilizar para el estudio de efectos cu√°nticos fundamentales en una dimensi√≥n, as√≠ como para la b√ļsqueda de aplicaciones pr√°cticas en la inform√°tica cu√°ntica molecular. Esto es debido a que pueden actuar como ‚Äúconductores cu√°nticos‚ÄĚ, es decir, si se representa el voltaje, o diferencia de potencial frente a la intensidad de corriente no se obtiene una l√≠nea recta, sino escalonada. Como se ha dejado entrever, estas estructuras tienen multitud de propiedades el√©ctricas. En cuanto a la capacidad para transportar corriente, se sabe que puede llegar a cantidades de, aproximadamente, mil millones de A/cm2, mientras que los alambres de cobre convencionales se funden al llegar a densidades de corriente del orden del mill√≥n deA/cm2. Conviene precisar que todas estas propiedades no dependen del largo del tubo, a diferencia de lo que ocurre en los cables de uso cotidiano.

Propiedades mec√°nicas

Si las propiedades el√©ctricas son, de por s√≠, sorprendentes, las propiedades mec√°nicas pueden llegar a serlo a√ļn m√°s. La estabilidad y robustez de los enlaces entre los √°tomos de carbono, del tipo sp2, les proporciona la capacidad de ser la fibra m√°s resistente que se puede fabricar hoy d√≠a. Por otro lado, frente a esfuerzos de deformaci√≥n muy intensos son capaces de deformarse notablemente y de mantenerse en un r√©gimen el√°stico. El m√≥dulo de Young de los nanotubos podr√≠a llegar a oscilar entre 1,3 y 1,8 terapascales, si bien hasta la fecha s√≥lo se han podido obtener experimentalmente hasta los 0,8 TPa.[3] Adem√°s, estas propiedades mec√°nicas podr√≠an mejorarse: por ejemplo en los SWNTs (Single Walled NanoTubes o Nanotubos de pared simple), uniendo varios nanotubos en haces o cuerdas. De esta forma, aunque se rompiese un nanotubo, como se comportan como unidades independientes, la fractura no se propagar√≠a a los otros colindantes. En otros t√©rminos, los nanotubos pueden funcionar como resortes extremadamente firmes ante peque√Īos esfuerzos y, frente a cargas mayores, pueden deformarse dr√°sticamente y volver posteriormente a su forma original.

Diversos estudios han tratado de medir las propiedades mecánicas y la tensión máxima soportada por un nanotubo, con resultados heterogéneos,[4] [5] [6] si bien se podría asumir a modo orientativo que la tensión máxima podría rondar los 150 GPa.[7] Este dato implica que un cable de 1 cm² de grosor formado por nanotubos podría aguantar un peso de unas 1.500 toneladas. Por comparación, un cable equivalente del mejor acero conocido puede soportar 20 toneladas.

No obstante, no todos los estudios han mostrado unos valores tan optimistas: en general es com√ļnmente aceptada la afirmaci√≥n de que los nanotubos son 100 veces m√°s resistentes que el acero, y 6 veces m√°s ligeros,[8] aunque se trata de un material todav√≠a poco conocido, y estos valores podr√≠an variar.

Propiedades térmicas

Algunos modelos predicen que la conductividad t√©rmica de los nanotubos puede llegar a ser tan alta como 6.000 W/mK a temperatura ambiente (t√©ngase en cuenta, por comparar con otra forma alotr√≥pica del carbono, que el diamante casi puro transmite 3.320 W/mK). Asimismo son enormemente estables t√©rmicamente, siendo a√ļn estables a 2.800 ¬įC en el vac√≠o y a 750 ¬įC en el aire (mientras que los alambres met√°licos en microchip se funden entre 600 y 1.000 ¬įC). Las propiedades de los nanotubos pueden modificarse encapsulando metales en su interior, o incluso gases. En este sentido, ser√≠an unos extraordinarios almacenes de hidr√≥geno. Como se sabe, uno de los principales problemas t√©cnicos para el desarrollo de las pilas de combustible es el almacenaje de este elemento.

Línea de tiempo de los nanotubos

  • 1952 Primera imagen de nanotubos de carbono, por L. V. Radushkevich y V. M. Lukyanovich.[9]
  • 1991 Descubrimiento oficial por Iijima (MWCNT).[10]
  • 1993 Descubrimiento del primer nanotubo monocapa (SWCNT).[11]
  • 1991-2000 Producto de inter√©s principalmente acad√©mico.
  • 2000-2005 Se investiga su uso industrial.
  • 2005-2010 Desarrollo de aplicaciones industriales (proyectado).
  • 2010 Gran desarrollo de aplicaciones integradas a productos (proyectado).

Principales métodos de manufactura

  1. Ablación láser (Alta pureza, poca cantidad)
  2. Descarga de arco voltaico (Alta pureza, poca cantidad)
  3. CVD (Chemical vapor deposition) Deposición química de vapor (gran cantidad, buena calidad). Se puede hacer el aumento de escala fácilmente.


Ablación láser

La ablación láser es un proceso que consiste en vaporizar un blanco de grafito mediante la radiación de un pulso láser, en un reactor de alta temperatura y en presencia de un gas inerte. Los nanotubos se forman cuando el grafito vaporizado entra en contacto con la superficie fría, condensando sobre las paredes del reactor.

Este procedimiento suele presentar un rendimiento típico del 70% en peso y produce nanotubos monocapa con un diámetro que puede controlarse variando la temperatura en el interior del reactor.

Descarga de arco

Imagen de una punta de nanotubo realizada mediante un microscopio electrónico

Desde 1991, la presencia de nanotubos se ha podido observar en el holl√≠n producido al provocar un arco el√©ctrico entre dos electrodos de grafito. La corriente t√≠pica para producir dicho arco era de unos 100 amperios y, parad√≥jicamente, lo que se pretend√≠a era producir fulerenos. La primera vez que se produjeron nanotubos de carbono, de forma masiva, fue usando un m√©todo similar al anterior, por dos investigadores del Laboratorio de Investigaci√≥n B√°sica de la compa√Ī√≠a NEC.[10]

En dicho proceso se observó que el carbono contenido en el electrodo negativo sublimaba debido a las altísimas temperaturas producidas por la descarga que provocaban el arco voltaico. Esta técnica es el método más importante usado en la síntesis de nanotubos, puesto que fue la primera en la que la producción de esta forma alotrópica era apreciable.

La descarga de arco es un tipo de descarga el√©ctrica continua que genera luz y calor muy intensos. Se produce entre dos electrodos enfrentados dentro de una atm√≥sfera de gas inerte a baja presi√≥n. Por los electrodos de grafito, se hace pasar una corriente intensa, (cientos de amperios) la cual hace sublimar los √°tomos de carbono, de la superficie de los electrodos, formando un plasma alrededor de estos. En un arco abierto al aire, y a presi√≥n normal, (una atm√≥sfera) el electrodo positivo alcanza una temperatura de unos 3.000 ¬įC.

El rendimiento típico, usando esta técnica, es del orden del 30% en peso y los productos obtenidos son tanto nanotubos monocapa como multicapa de una longitud típica de unas 50 micras

Se puede combinar con el m√©todo de purificaci√≥n, por oxidaci√≥n, desarrollado por Ebbesen[12] en 1994, que consiste en el calentamiento de la fullerita extra√≠da despu√©s de la descarga a 1.000 K, en una atm√≥sfera de ox√≠geno durante 30 minutos.

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.

CDV

Esquema de un reactor CDV

La deposici√≥n catal√≠tica 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 permit√≠a obtener matrices de nanotubos de carbono alineados, de una longitud media de unos 18 mm.

En la CDV, normalmente, se prepara un sustrato con una capa de metal, como el n√≠quel, cobalto, oro o una combinaci√≥n de √©stos. Las nanopart√≠culas de metal se pueden producir, tambi√©n, por otros medios, incluidos la reducci√≥n de √≥xidos o soluciones de √≥xidos s√≥lidos. Los di√°metros de los nanotubos que van a formarse, por crecimiento controlado, est√°n relacionados con el tama√Īo de las part√≠culas de metal. Este tama√Īo se puede controlar por deposici√≥n de patrones (o mascaras) de metal, o por la adici√≥n de agua fuerte sobre la capa de metal. El sustrato se calienta aproximadamente a unos 700 ¬įC.

Para iniciar el 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. Este mecanismo está todavía en fase de estudio y discusión. Las partículas catalíticas pueden permanecer sobre las puntas de crecimiento de los nanotubos durante el proceso de crecimiento, o continuar sobre la base del nanotubo, dependiendo de la adhesión entre las partículas catalíticas y el sustrato.

La CDV es un método muy frecuente para la producción comercial de nanotubos de carbono. Para este propósito las nanopartículas de metal se mezclarán, cuidadosamente, con un soporte catalizador (por ejemplo MgO, Al2O3, etc.) para incrementar el área de superficie específica, en aras de una mayor producción de la reacción catalítica de feedstock con las partículas de metal. Otra cuestión de la ruta de síntesis es la eliminación del soporte catalítico mediante un tratamiento ácido, lo que algunas veces podría llevar a la destrucción de la estructura original de los nanotubos. Algunos soportes catalíticos alternativos, que son solubles en agua, han demostrado ser más efectivos para el crecimiento de nanotubos.

Si se genera un plasma, aplicando un intenso campo eléctrico, durante el proceso de crecimiento (deposición del vapor químico aumentada por plasma), entonces el crecimiento del nanotubo seguirá la dirección del campo eléctrico.

Fotografía de un reactor CVD para crecimiento de nanotubos inducidos por plasma

Ajustando adecuadamente la geometría del reactor es posible sintetizar nanotubos verticalmente alineados (por ejemplo, perpendiculares al sustrato), una morfología que ha sido del interés de los investigadores interesados en la emisión de electrones por parte de nanotubos.

De manera usual, sin la presencia del plasma, los tubos resultantes están orientados aleatoriamente. El resultado es parecido a un bol de espaguetis de carbono. Bajo ciertas condiciones de reacción, incluso en ausencia de campos eléctricos, o plasmas, los nanotubos crecerán espaciados estrechamente y mantendrán una dirección de crecimiento vertical. El resultado es una densa matriz de tubos reensamblados, a modo de alfombra o bosque.

De los m√©todos desarrollados para la s√≠ntesis de nanotubos, la t√©cnica CVD se muestra la m√°s prometedora para la escala industrial en t√©rminos de relaci√≥n precio/unidad. Hay ventajas adicionales para la s√≠ntesis de nanotubos por CVD. De los diferentes m√©todos de obtenci√≥n de nanotubos, CVD es la √ļnica t√©cnica capaz de lograr un crecimiento directamente sobre un sustrato determinado. Sin embargo, en las dem√°s t√©cnicas, los nanotubos deben ser recopilados posteriormente. Los lugares de crecimiento son controlables por deposici√≥n cuidadosa de un catalizador. Adem√°s no hay otros m√©todos de crecimiento, por ahora, que se hayan desarrollado para producir nanotubos alineados verticalmente.

En el a√Īo 2007, un grupo de la Universidad de Meijo desarroll√≥ una t√©cnica CVD para el crecimiento de nanotubos de carbono a partir del alcanfor. Otro grupo de investigadores de la Universidad de Rice, se ha concentrado en dise√Īar m√©todos para la producci√≥n de cantidades apreciables de nanotubos de gran longitud y pureza de una conformaci√≥n particular. La forma de acometer el problema se basa en hacer crecer fibras largas a partir de las semillas que provienen de un √ļnico nanotubo cortado. En los an√°lisis de las muestras se comprob√≥ que todas las fibras resultantes resultaron ser del mismo di√°metro y tipo del nanotubo original. M√°s adelante se espera una mejora en la producci√≥n y longitud de los nanotubos para que puedan usarse en aplicaciones industriales. El crecimiento CVD de nanotubos multicapa lo usan, actualmente, algunas compa√Ī√≠as para producir toneladas de materiales, entre las que se encuentran: Arkema, Bayer, Hyperion Catalysis, Mitsui, Nanocyl, NanoLab, Nanothinx, y Showa Denko.

Aplicaciones

Electroquímicas

Una importante aplicación de los nanotubos, dada su gran superficie y su baja resistividad, es la electroquímica, como el desarrollo de supercondensadores, dispositivos para el almacenamiento de hidrógeno y fabricación de celdas solares.

Supercondensadores

Un supercondensador consiste, esencialmente, en dos electrodos de carbono separados por una membrana permeable de iones sumergidos en un electrolito. La funci√≥n de un supercondensador se mide en t√©rminos de la potencia y de la densidad de energ√≠a almacenada. Los SWNTs tienen la mayor relaci√≥n superficie/volumen de cualquier material de carbono, de forma que sus √°tomos son los que forman la superficie del electrodo. Actualmente, los supercondensadores son fabricados con carb√≥n activado, que es extremadamente poroso y con una gran √°rea superficial. En esta clase de carb√≥n obtenido, los poros son irregulares en tama√Īo y forma, reduciendo, de esta manera, la eficiencia. En cambio, los CNTs alineados verticalmente en el supercondensador poseen formas muy regulares y un ancho del orden de varios di√°metros at√≥micos a la vez que presentan una menor resistencia, lo que incrementa su densidad de energ√≠a.

Los supercondensadores mejorados con nanotubos (tanto de pared simple o m√ļltiple) combinan la larga durabilidad y alta potencia de los supercondensadores comerciales con la mayor densidad de almacenamiento propia de las bater√≠as qu√≠micas. Por tanto, pueden ser utilizados en muchas aplicaciones de almacenamiento de energ√≠a.[13]

Almacenamiento de hidrógeno

La gran superficie y estructura tubular de los CNTs hace que puedan ser √ļtiles para el almacenamiento de hidr√≥geno. El hidr√≥geno se a√Īade a los nanotubos por quimisorcion, puesto que los enlaces de los carbonos que forman el nanotubo ofrecen capacidad hasta su saturaci√≥n incorporando hidr√≥genos. El an√°lisis de espectroscopia de rayos X revela una disminuci√≥n de la resonancia en los enlaces C-C, y un aumento de intensidad en los enlaces C-H.

En el espectro de absorción se puede apreciar 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.

Por ejemplo, en el Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB) se está trabajando acerca de ello. La idea consiste en depositar nanotubos en el interior de una cámara a presión. Se deja entrar el hidrógeno en dicha cámara y pasado un tiempo se deja salir de la misma. La cantidad de gas saliente es menor que la entrante. Por tanto, se cree que el hidrógeno queda incorporado al nanotubo.

Trabajando sobre esta idea, se ha comprobado la capacidad de absorci√≥n del hidr√≥geno en diferentes estructuras de nanotubos. As√≠, un paquete de double-walled carbon nanotubes (DWNT) puede absorber hasta el doble de lo que hacen los SWNTs. A partir de la comparaci√≥n de los planos de grafito de SWNTs, con extremada pureza, uniformidad y apenas trazas de impurezas, y de DWNTs, con un alto ordenamiento, pero con empaquetamiento m√°s ligero, en un conjunto hexagonal, se ha encontrado que estos √ļltimos presentan una mayor estabilidad para la absorci√≥n de H2. Esto se debe a que la matriz de nanotubos presenta poros a los que pueden unirse las mol√©culas de H2, y que dada la accesibilidad de √©stos y el m√°s profundo potencial molecular consecuencia del solapamiento de los potenciales moleculares por la doble pared, la absorci√≥n es mucho mayor, a pesar de tener un √°rea un 40% menor que los SWNTs.

Células solares

Gracias a las singulares propiedades el√©ctricas de los nanotubos se cree que puedan resultar eficaces en la conversi√≥n de energ√≠a solar en el√©ctrica. El primer paso para construir una c√©lula solar es ensamblar nanotubos de carbono sobre un sustrato que har√≠a las veces de electrodo, formando una fina capa. Los nanotubos obtenidos comercialmente se solubilizan en una suspensi√≥n que se transfiere a una c√©lula de electroforesis con dos electrodos √≥pticos transparentes paralelos (OTEs). Al aplicar un voltaje de corriente continua, los nanotubos en suspensi√≥n se mueven hacia el electrodo positivo. Manteniendo este voltaje durante un cierto tiempo, se consigue la deposici√≥n de una capa de SWNT sobre la superficie del electrodo. Se puede modificar la forma de la capa. Por ejemplo, si se prolonga el tiempo de la electroforesis se aumenta el grosor de la capa, o si se aplican campos superiores a 100 V/m, se obtiene un alineamiento de los nanotubos perpendicular a la superficie del electrodo.

Se pueden utilizar dos procedimientos para el uso de los nanotubos en las células solares, bien excitar directamente los nanotubos semiconductores, o bien usarlos como conductos para mejorar el transporte de carga en los colectores de luz nanoensamblados.

En el primer caso, se est√° investigando con los SWCNTs semiconductores, cuyas propiedades el√©ctricas han sido detalladas anteriormente. Estudios recientes han confirmado que los nanotubos poseen una estructura de bandas que permite la formaci√≥n de pares electr√≥n-hueco y su posterior separaci√≥n por excitaci√≥n de la luz. El siguiente paso es poder utilizar estos portadores para obtener una corriente, tal y como sucede en las aplicaciones fotovoltaicas de otros semiconductores. Utilizando la capa de nanotubos depositados sobre el OTE como un electrodo fotosensible se puede construir una c√©lula fotoelectroqu√≠mica. Un electrolito se sit√ļa entre la capa de nanotubos de carbono del electrodo y una l√°mina de platino. La luz incidente excita los SWNTs y genera portadores de carga, despu√©s de lo cual se observa una generaci√≥n de corriente. √Čsta corriente es cat√≥dica, lo que indica que los huecos fotogenerados son acumulados en la superficie del OTE y transportados al electrodo colector por un circuito externo. La reacci√≥n redox presente permite recuperar las cargas de la superficie del electrodo de manera que se mantiene una fotocorriente constante. La observaci√≥n de este tipo de corriente cat√≥dica supone que los SWNTs utilizados poseen propiedades de semiconductores tipo p.

La eficiencia de la fotoconversi√≥n (IPCE) se mide como la eficiencia fot√≥n-portador y se obtiene midiendo la fotocorriente a diferentes longitudes de onda. El m√°ximo valor obtenido por este m√©todo es del 0,15% a 400 nm, cuando lo usual en las c√©lulas solares es un valor, en torno al 80-90%.[14] Estos resultados se pueden mejorar incorporando una l√°mina de √≥xido de esta√Īo (SnO2) en el OTE que incrementa el √°rea para recolectar portadores. Tambi√©n, mediante el uso de stacked-cup nanotubes (SCCNTs), que presentan huecos en su estructura, ofreciendo una larga porci√≥n de reactivos de borde en la superficie interna y externa, y que minimizan la interacci√≥n entre nanotubos al permanecer separados en la deposici√≥n sobre el electrodo.

En un electrodo OTE/SnO2/SCCNT los electrones fotogenerados en los SCCNT son recogidos por los cristales de SnO2 generando una corriente anódica. Por tanto, presentan un comportamiento tipo n opuesto al de las capas de SWNT, con el que se consigue un IPCE de casi el 17%. Los dopantes introducidos durante la síntesis de los nanotubos, marcará sus propiedades tipo p o n.

Otro procedimiento que está en desarrollo es la utilización de los nanotubos como anclajes para colectores de luz nanoensamblados (e. g. partículas semiconductoras) otorgando una vía para la captura de las cargas fotogeneradas y su transporte hasta la superficie del electrodo. Un ejemplo muy interesante es el material compuesto CdS-SWNT que es capaz de generar una fotocorriente a partir de luz visible con una gran eficacia. La capa de SWNTs se deposita en el OTE usando el método de electroforesis descrito anteriormente. El electrodo se sumerge en una solución conteniendo iones de cadmio (Cd) y azufre (S) para formar los cristales de sulfuro de cadmio (CdS). La corriente anódica que se observa confirma que los electrones viajan desde CdS hasta el electrodo colector a través de la red de SWNTs.

Como puede comprobarse, y debido a la baja eficiencia, mostrada hasta ahora, la introducci√≥n de nanotubos en c√©lulas solares est√° a√ļn en fase experimental, en b√ļsqueda de un mejor rendimiento.

Electrónica

De entre las m√ļltiples aplicaciones de los nanotubos de carbono, quiz√° las m√°s interesantes se encuentren en el dominio de la electr√≥nica, ya que √©stos pueden desempe√Īar el mismo papel que el silicio en los dispositivos electr√≥nicos pero a escala molecular, donde los semiconductores dejan de funcionar.

Adem√°s, debido a que los avances en la industria electr√≥nica se basan en la miniaturizaci√≥n de los dispositivos, que conlleva un aumento en el rendimiento de la velocidad de proceso y la densidad de los circuitos, ser√° necesario utilizar nanotubos de carbono en su fabricaci√≥n. Los nanotubos de carbono pueden ser utilizados para fabricar m√ļltiples dispositivos entre los que destacan los transistores y las memorias inform√°ticas.

Transistores

En el terreno de los transistores, se pueden introducir SWNTs semiconductores entre dos electrodos (fuente y drenador) en transistores de efecto de campo (FET), llamados CNTFET, para crear una ‚Äúautopista‚ÄĚ para la circulaci√≥n de electrones. Esa corriente puede activarse, o desactivarse, aplicando un peque√Īo voltaje a la puerta, que hace que cambie la conductividad del nanotubo en un factor mayor de 106, comparable a los FET de silicio. Como resultado, los CNTFET conmutar√≠an sin errar y consumiendo menos energ√≠a que un dispositivo de silicio. Adem√°s, las velocidades de conmutaci√≥n pueden llegar a los terahertz, lo que supone conmutar 104 veces m√°s r√°pido que en los procesadores actuales.

Memorias

Otros dispositivos que podr√≠an experimentar grandes avances con la introducci√≥n de nanotubos de carbono en su construcci√≥n es, sin duda, la memoria de acceso aleatorio (RAM). Teniendo en cuenta que las caracter√≠sticas de una memoria ideal de este tipo ser√≠an una gran capacidad de almacenamiento, un acceso a los datos r√°pido y aleatorio, un escaso consumo energ√©tico, un precio bajo por bit almacenado, una f√°cil integraci√≥n en la tecnolog√≠a de circuitos integrados y, a ser posible, la no volatilidad de los datos despu√©s de apagar el ordenador, se han intentado dise√Īar memorias en cuyo funcionamiento juegan un papel esencial los nanotubos de carbono.

Una de las ideas, y puede que la m√°s importante, ha sido llevada a cabo por el grupo de investigadores que dirige Charles M. Lieber de la Universidad Harvard. El dise√Īo de esta memoria se basa en las propiedades el√°sticas de los nanotubos, que operar√≠an como conmutadores electromec√°nicos. Estos podr√≠an ser diseccionados individualmente.

Otra alternativa para crear una memoria ser√≠a pensar en un dispositivo nanomec√°nico basado en un fullereno incorporado en un corto nanotubo de carbono que pudiese ser dirigido a dos posiciones estables, en los extremos del mismo, mediante la aplicaci√≥n de un campo el√©ctrico, aunque todav√≠a esta idea no se ha aplicado a ning√ļn dispositivo.

Existe otro tipo de memorias que combinan nanotubos metálicos y semiconductores separados por un dieléctrico de tipo ONO (SiO2/Si3N4/SiO2).

Cabe destacar que los nanotubos de carbono se pueden utilizar para mejorar otros dispositivos como las interconexiones o los circuitos integrados.

Otras aplicaciones industriales

Al agregar peque√Īas cantidades de nanotubos a pol√≠meros, cambian sus propiedades el√©ctricas y esto da lugar a las primeras aplicaciones industriales:

  • Biomedicina: Investigadores de universidades italianas han hecho crecer c√©lulas nerviosas en sustratos, cubiertos por redes de nanotubos de carbono, encontrado un aumento de la se√Īal neuronal transferida entre c√©lulas. Como los CNTs son similares en forma y tama√Īo a las c√©lulas nerviosas pueden ayudar a reestructurar y reconectar neuronas da√Īadas.
  • Autom√≥viles: Mangueras antiest√°ticas de combustible
  • Autom√≥viles: Partes pl√°sticas conductoras para pintado spray electrost√°tico
  • Aeroespacio: Partes de aviones
  • Packaging: Antiest√°tico para electr√≥nicos
  • Tintas conductoras
  • Materiales extremadamente negros: La sustancia m√°s oscura conocida, hasta la fecha, se ha creado a partir de nanotubos de carbono. El material se fabric√≥ una matriz de nanotubos de carbono de baja densidad, dispuestos de forma vertical. El √≠ndice de reflexi√≥n del material es tres veces menor de lo que se hab√≠a logrado hasta ahora. Este "bosque" de nanotubos de carbono es muy bueno a la hora de absorber la luz, pero muy malo para reflejarla. El grupo de investigadores estadounidenses, pertenecientes al Instituto Polit√©cnico Rensselaer de Troy, Nueva York, que lo ha desarrollado aseguran que es lo m√°s parecido que existe al cuerpo negro. Un cuerpo ideal que absorbe la luz de todas las longitudes de onda y desde todos los √°ngulos posibles. Se espera que el desarrollo de estos materiales tengan aplicaciones en los √°mbitos de la electr√≥nica, la invisibilidad en la zona del visible, y en el campo de la energ√≠a solar.
  • Deportes: Debido a la alta resistencia mec√°nica de los nanotubos, se est√°n empezando a utilizar para hacer m√°s fuertes las raquetas de tenis, manillares de bicicletas, palos de golf, y flechas de ultima generaci√≥n.

Como adsorbentes

Los nanotubos de carbono poseen una elevada área superficial, su estructura porosa y en capas es ideal para almacenar diversos elementos y sustancias químicas.

En estudios recientes los nanotubos han sido adsorbentes de: nicotina y alquitr√°n del humo de los cigarrillos, tintas reactivas, compuestos org√°nicos vol√°tiles (n-pentano, n-hexano, n-heptano, n-octano, n-ciclohexano, benceno, tricloroetileno), microcistinas, iones met√°licos divalentes y Trihalometanos del agua (CHCl3, CHBrCl2, CHBr2Cl y CHBr3).

  • Remoci√≥n de metales pesados: Entre los adsorbentes de iones met√°licos t√≥xicos (carb√≥n activado, zeolitas, biomateriales, resinas, entre otros) los investigadores est√°n interes√°ndose por los CNTs debido a su alta capacidad de adsorci√≥n. Este proceso se ha estudiado con algunos iones divalentes como: Ni2+, Cu2+, Pb2+, Cd2+, Zn2+, Co2+.

En los estudios, los nanotubos han mostrado gran potencial en la adsorción, sus futuras aplicaciones se proyectan en el cuidado del medio ambiente; en la remoción de iones tóxicos de las aguas residuales de procesos industriales.[15]

Para mejorar la eficiencia de adsorci√≥n, los nanotubos se someten a una previa oxidaci√≥n. La oxidaci√≥n se ha hecho con soluciones de varios agentes qu√≠micos como: KMnO4, HNO3, NaOCl, HCl, H2SO4, O3 o H2O2; √©stas aumentan el n√ļmero de grupos funcionales que contienen ox√≠geno (C=O, COOH, OH) y elevan la carga negativa superficial. Los √°tomos de ox√≠geno incrementan la capacidad de intercambio i√≥nico.

Referencias

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Véase también

Enlaces externos


Software de Modelización Molecular de nanotubos:


Wikimedia foundation. 2010.

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