Nanotubo de carbono para niños
Un nanotubo de carbono es un material increíblemente pequeño, con forma de tubo, hecho solo de átomos de carbono. Su diámetro es tan diminuto que se mide en nanómetros, ¡unas 100.000 veces más pequeño que el grosor de un cabello humano! Son como láminas de grafeno (un material de carbono muy delgado) enrolladas para formar un cilindro hueco.
Existen dos tipos principales:
- Nanotubos de pared simple: Son un solo tubo.
- Nanotubos de pared múltiple: Son varios tubos, uno dentro del otro, como las muñecas rusas.
Los nanotubos de carbono tienen propiedades asombrosas. Son extremadamente fuertes, más que el acero, y pueden conducir el calor y la electricidad de manera excepcional. Algunas de sus estructuras conducen muy bien la electricidad, mientras que otras son semiconductoras (lo que significa que pueden controlar el flujo de electricidad). Estas características los hacen muy interesantes para la electrónica, la nanotecnología y la ciencia de materiales.
En 1993, los científicos Iijima e Ichihashi en NEC, y Bethune y su equipo en IBM, descubrieron de forma independiente cómo producir nanotubos de carbono de pared simple usando metales como el hierro y el cobalto. Este hallazgo impulsó muchísima investigación sobre estos materiales.
Contenido
- ¿Cómo se nombran los nanotubos de carbono?
- ¿Cuándo se descubrieron los nanotubos de carbono?
- ¿Cómo es la estructura de los nanotubos de pared simple?
- ¿Qué tan largos y densos pueden ser?
- ¿Qué otras formas pueden tener los nanotubos?
- ¿Qué propiedades especiales tienen los nanotubos de carbono?
- ¿Cómo se fabrican los nanotubos de carbono?
- ¿Se pueden modificar químicamente?
- ¿Cómo se miden y caracterizan los nanotubos?
- ¿Para qué se usan los nanotubos de carbono?
- ¿Existen riesgos para la salud?
- Galería de imágenes
- Véase también
¿Cómo se nombran los nanotubos de carbono?
No hay una única forma de nombrar los nanotubos de carbono en la ciencia. En inglés, se usan siglas como CNT (carbon nano-tubes), SWCNT (para los de pared simple) y MWCNT (para los de pared múltiple). En español, a veces se usan NTC, NTCPS y NTCPM. La Organización Internacional de Normalización prefiere llamarlos simplemente "paredes simples" o "paredes múltiples".
¿Cuándo se descubrieron los nanotubos de carbono?
Aunque Sumio Iijima es muy conocido por su trabajo en 1991, que impulsó la investigación moderna, las primeras observaciones de tubos de carbono a nanoescala son mucho más antiguas.
- 1952: Radushkevich y Lukyanovich publicaron imágenes claras de tubos de carbono de 50 nanómetros en una revista rusa. Su trabajo no fue muy conocido en ese momento.
- 1976: Morinobu Endo, un científico del CNRS, creó tubos huecos de láminas de grafito enrolladas. Los primeros que observó son lo que hoy conocemos como nanotubos de carbono de pared simple. También vio los de paredes múltiples. De hecho, el método para producir nanotubos de paredes múltiples en grandes cantidades se llama a veces el "Endo-proceso".
- 1979: John Abrahamson describió nanotubos de carbono como fibras producidas en ánodos de carbono.
- 1981: Un grupo de científicos soviéticos publicó sobre "cristales tubulares multicapa de carbono", sugiriendo que estaban hechos de capas de grafeno enrolladas.
- 1987: Howard G. Tennent obtuvo una patente en EE. UU. para producir "fibrillas de carbono discretas cilíndricas".
El descubrimiento de Iijima en 1991, junto con la predicción de Mintmire, Dunlap y White sobre las propiedades conductoras de los nanotubos de pared simple, aceleró enormemente la investigación.
En 2020, en una excavación arqueológica en la India, se encontraron cerámicas de hace unos 2500 años que parecían contener nanotubos de carbono en sus recubrimientos. Esto sugiere que estas estructuras podrían haber ayudado a conservar los objetos por tanto tiempo.
¿Cómo es la estructura de los nanotubos de pared simple?
Un nanotubo de carbono de pared simple es como una red hexagonal (similar a un panal de abejas) enrollada para formar un cilindro. Los átomos de carbono se colocan en los vértices de esta red. La forma en que se enrolla la lámina de grafeno determina el tipo de nanotubo.
Los nanotubos se pueden clasificar según cómo se "enrolla" la lámina de grafeno:
- Tipo zigzag: Si el camino alrededor del tubo sigue un patrón de zigzag.
- Tipo sillón: Si el camino alrededor del tubo sigue un patrón de "sillón" (como un brazo de sillón).
- Quiral: Son los que no son ni zigzag ni sillón, y tienen una forma "en espiral".
Cada nanotubo tiene un "tipo" único, que se describe con dos números (n, m). Estos números nos dicen cómo se enrolla la lámina de grafeno y, por lo tanto, cómo será el nanotubo.
Quiralidad y simetría
Un nanotubo es quiral si su estructura no es igual a su imagen en un espejo (como tu mano izquierda y derecha). Los nanotubos de tipo zigzag y sillón no son quirales, son simétricos.
Circunferencia y diámetro
El diámetro de un nanotubo se puede calcular a partir de sus números (n, m). Por ejemplo, el nanotubo de carbono más delgado que se ha observado es de tipo sillón (2,2), con un diámetro de 0.3 nanómetros. El más delgado aislado como molécula independiente mide aproximadamente 0.43 nanómetros.
¿Qué tan largos y densos pueden ser?
Longitud
Los nanotubos de carbono más largos observados hasta 2013 medían alrededor de 0.5 metros. Se cultivaron en superficies de silicio usando una técnica especial.
El nanotubo de carbono más corto es una molécula orgánica llamada cicloparafenileno, sintetizada en 2008.
Densidad
En 2013, se lograron nanotubos con una densidad de 1.6 gramos por centímetro cúbico. Esto es bastante denso para un material tan ligero.
¿Qué otras formas pueden tener los nanotubos?
Nanotubos de pared múltiple
Los nanotubos de pared múltiple están formados por varios tubos de grafeno concéntricos, como capas de una cebolla. La distancia entre estas capas es similar a la que hay entre las capas de grafito.
Los nanotubos de carbono de doble pared son muy interesantes porque son similares a los de pared simple, pero más resistentes a los cambios químicos. Esto es útil para añadirles otras sustancias sin dañarlos.
Uniones y entrecruzamientos
Los nanotubos pueden unirse entre sí, formando "uniones". Si se une un nanotubo que conduce electricidad como un metal con otro que es semiconductor, se crea una "heterounión" a nanoescala. Esto podría ser útil para construir circuitos electrónicos muy pequeños.
También se pueden usar nanotubos como "ladrillos" para construir estructuras tridimensionales más grandes. Estas estructuras pueden tener poros de diferentes tamaños y ser útiles para almacenar energía, como sensores o en medicina.
Otras morfologías
- Nanobrotes (Nanobuds): Son nanotubos de carbono con pequeñas esferas de fullereno (otro tipo de carbono) unidas a sus lados, como "brotes" en una rama. Combinan las propiedades de ambos materiales y son buenos para emitir electrones.
- Vainas de carbono: En este caso, el nanotubo encierra moléculas de fullereno en su interior, como guisantes en una vaina.
- Nanotoros: Son nanotubos de carbono doblados sobre sí mismos en forma de rosquilla o "toro". Tienen propiedades magnéticas únicas.
- Nanotubos con hojas de grafeno: Los nanotubos pueden tener hojas de grafeno creciendo a lo largo de sus paredes. Esto puede aumentar su capacidad para almacenar carga eléctrica.
- Nanotubos apilados (CSCNT): Son como una pila de copas. A diferencia de otros nanotubos, estos suelen ser semiconductores.
¿Qué propiedades especiales tienen los nanotubos de carbono?
Las propiedades de un nanotubo de carbono de pared simple dependen mucho de su estructura (sus números n, m). Dos nanotubos con diámetros muy parecidos pueden tener propiedades completamente diferentes.
Propiedades mecánicas
Los nanotubos de carbono son los materiales más fuertes y rígidos que se conocen. Su resistencia a la rotura es increíblemente alta, gracias a los fuertes enlaces entre sus átomos de carbono. Un cable de nanotubos de 1 milímetro cuadrado podría soportar un peso de más de 6.000 kilogramos.
Sin embargo, los nanotubos no son tan resistentes a la compresión (cuando se aprietan) o a la torsión (cuando se retuercen), ya que su forma hueca puede hacer que se colapsen.
Propiedades eléctricas
Los nanotubos de carbono pueden ser metales (conductores) o semiconductores, dependiendo de su estructura. Todos los nanotubos de tipo sillón son metálicos.
En teoría, los nanotubos metálicos pueden conducir la electricidad mucho mejor que el cobre. Por eso, hay mucho interés en usarlos en circuitos electrónicos. Los electrones se mueven solo a lo largo del eje del nanotubo, lo que los convierte en "conductores unidimensionales".
Se pueden modificar químicamente para cambiar sus propiedades eléctricas, añadiendo otros átomos como boro o nitrógeno.
Propiedades ópticas
Los nanotubos de carbono pueden emitir luz infrarroja cuando se les aplica electricidad y también pueden detectar luz. Esto los hace útiles para fabricar diodos emisores de luz y fotodetectores. Su ventaja es que se puede ajustar con precisión la longitud de onda de la luz que emiten o detectan.
Propiedades térmicas
Los nanotubos de carbono son excelentes conductores del calor a lo largo de su eje, pero son buenos aislantes en la dirección radial. Un nanotubo de pared simple puede conducir el calor mucho mejor que el cobre.
Se estima que los nanotubos de carbono son estables a temperaturas muy altas, hasta 2800 °C en el vacío. Esto es mucho más que los cables metálicos de los microchips, que se funden a temperaturas más bajas.
Los defectos en la estructura de los nanotubos pueden afectar sus propiedades térmicas, reduciendo su capacidad para conducir el calor.
¿Cómo se fabrican los nanotubos de carbono?
Existen varias técnicas para producir nanotubos en grandes cantidades:
- Ablación con láser: Se usa un láser para vaporizar grafito en un reactor caliente. Los nanotubos se forman cuando el carbono vaporizado se enfría.
- Descarga de arco: Se pasa una corriente eléctrica muy fuerte entre dos electrodos de grafito en una atmósfera de gas inerte. Esto hace que el carbono se sublime y forme nanotubos.
- Deposición química de vapor (CVD): Es una técnica muy usada porque permite controlar el diámetro, la longitud y la forma de los nanotubos. Se usan catalizadores (sustancias que aceleran las reacciones) para ayudar a su crecimiento.
- Proceso HiPCO: Utiliza monóxido de carbono como fuente de carbono y catalizadores de hierro o níquel. Produce nanotubos de pared simple de alta pureza en grandes cantidades.
Los nanotubos de carbono que se obtienen suelen tener algunas impurezas, como otros tipos de carbono o restos del metal catalizador. Estas impurezas deben eliminarse para que los nanotubos puedan usarse en diferentes aplicaciones.
¿Se pueden modificar químicamente?
Los nanotubos de carbono no se mezclan bien con muchos líquidos, como el agua, debido a sus fuertes interacciones. Para que sean más fáciles de usar en la industria, se pueden modificar químicamente. Esto implica añadir grupos químicos a su superficie, por ejemplo, usando ácidos fuertes. Estas modificaciones pueden mejorar su capacidad para dispersarse en diferentes líquidos.
¿Cómo se miden y caracterizan los nanotubos?
Existen estándares y materiales de referencia para medir y caracterizar los nanotubos de carbono. La ISO ha establecido métodos para medir el diámetro, la pureza y el tipo de nanotubos (metálicos o semiconductores) usando técnicas como la espectroscopia de absorción y la microscopía electrónica.
También hay materiales de referencia certificados, como polvos de nanotubos de carbono de pared simple, que se usan para asegurar que las mediciones sean precisas y comparables en diferentes laboratorios.
¿Para qué se usan los nanotubos de carbono?
Los nanotubos de carbono ya se usan en algunos productos y tienen muchas aplicaciones en desarrollo:
- Deportes: Se usan en componentes de bicicletas (manillares, bielas), esquís, palos de hockey, bates de béisbol y tablas de surf para hacerlos más resistentes y ligeros.
- Pinturas: Son un ingrediente de la pintura negra ultra-absorbente vantablack.
- Cintas adhesivas: La "cinta gecko" o "cinta nano" es una cinta de doble cara que se adhiere a superficies lisas sin dejar residuos.
- Microscopía: Se usan como puntas para sondas de microscopios de fuerza atómica.
Entre las aplicaciones en desarrollo:
- Electrónica: Se investigan para usarlos en transistores y otros componentes de circuitos, y para proteger chips durante su fabricación.
- Almacenamiento de energía: Podrían reemplazar al carbón activado en supercondensadores.
- Aeronáutica: Boeing ha patentado su uso para monitorear el desgaste de las aeronaves. También podrían usarse para construir embarcaciones ligeras.
- Medio ambiente: Son útiles para monitorear el ambiente debido a su capacidad para absorber gases.
- Medicina: Se han probado para detectar el cáncer de páncreas y como "andamios" para el crecimiento de huesos en ingeniería de tejidos.
- Cables y fibras: Se están desarrollando hilos y fibras de nanotubos que podrían reemplazar al cobre en bobinados de motores, ya que son fuertes, flexibles y buenos conductores.
- Fabricación de grafeno: Se pueden abrir los nanotubos para obtener láminas de grafeno.
¿Existen riesgos para la salud?
Los científicos están estudiando los posibles efectos de las nanopartículas, incluidos los nanotubos de carbono, en la salud. Se ha observado que la longitud y el diámetro de los nanotubos pueden influir en su toxicidad. Es un campo de estudio continuo.
Es importante saber que a veces la toxicidad atribuida a los nanotubos podría deberse a pequeñas cantidades de metales catalizadores que quedan como impurezas.
Agencias de seguridad y salud, como el NIOSH en EE. UU., han publicado recomendaciones sobre los límites de exposición a los nanotubos de carbono para proteger a las personas que trabajan con ellos.
Galería de imágenes
-
Imagen de microscopía de efecto túnel de un nanotubo de carbono de pared simple
-
Nanotubos de carbono de pared simple en zigzag
Véase también
En inglés: Carbon nanotube Facts for Kids
