Los nanotubos de carbono

 

Hoy en la Supergalaxia os hablaré de los nanotubos de carbono. Empezaré diciendo que es una de las formas alotrópicas del carbono. Las formas alotrópicas son las distintas reestructuraciones que puede adoptar un elemento químico, y en el caso del carbono son el grafito, el diamante, los fullerenos y los nanotubos de carbono. En esta sección os hablaré de estos últimos, que para mí es la forma alotrópica más importante de este elemento.

La estructura de los nanotubos de carbono puede considerarse como una lámina de grafito enrollada sobre sí misma. Dependiendo de la capacidad y del grado de enrollamiento de los nanotubos de carbono, obtendremos nanotubos de distinto diámetro y geometría interna.

Mi interés sobre esta forma alotrópica viene dado gracias a sus propiedades eléctricas, mecánicas y térmicas. Os voy a hablar un poco por encima de ellas:

PROPIEDADES ELÉCTRICAS:

Los nanotubos de carbono pueden comportarse tanto como semiconductores como superconductores. Esta propiedad tan poco definida y conocida, se debe a su grado de enrollamiento, su diámetro y el número de capas que lo componen.

Por ejemplo, hay nanotubos rectos cuyas disposiciones hexagonales son siempre paralelas al eje. Esta distribución, que dependerá también del diámetro, hace que dos tercios de los nanotubos no quirales sean conductores y el resto semiconductores.

Tengo que decir también de los nanotubos superconductores que podrían ser utilizados para el estudio de efectos cuánticos, y también en la búsqueda de aplicaciones prácticas en la informática cuántica molecular. Por otra parte, y esto si que es alucinante,  son capaces de transportar corriente eléctrica en cantidades aproximadas de mil millones de A/cm^².

PROPIEDADES MECÁNICAS:

Si las propiedades eléctricas les ha sorprendido, esperar a que os comente sus propiedades mecánicas. La estabilidad y robustez de los enlaces de carbono les proporciona la capacidad de ser la fibra más resistente que se puede fabricar hoy en día. Por poner un ejemplo, un cable de 1 cm cuadrado de grosor podría aguantar un peso de 1500 toneladas, mientras que el mismo ejemplo para un cable de acero sería de 20 toneladas. Fijense en la gran diferencia.

Además frente a esfuerzos de deformación, comentar que después de la deformación son capaces de volver a su estado original.

PROPIEDADES TÉRMICAS:

Las propiedades térmicas también sosn sorprendentes, ya que estos nanotubos tienen una conductividad térmica de 6000 W/mK.(W=Vatios, mK=milikelvin). Además son muy estables térmicamente, ya que son estables a temperaturas cercanas a los 2800 ºC en el vacío, y de 750ºC en el aire. Las propiedades de los nanotubos podría modificarse encapsulando metales en su interior e incluso gases. Siendo así, serían unos grandes almacenadores de hidrógeno, solucionando el principal problema del desarrollo de las pilas de combustible.

Los métodos más importantes de obtención de nanotubos de carbono son los siguientes:

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. Cuando el grafito vaporizado entra en contacto con la superficie fría, se condensa en las paredes y eso ya son nanotubos. Este método produce un rendimiento de un 70% en peso y produce nanotubos monocapa.

DESCARGA DE ARCO: Este es el método más importante de obtención de nanotubos de carbono. Se observan nanotubos en el hollín producido al provocar un arco eléctrico entre dos electrodos de grafito. En este proceso se puede observar que el carbono contenido en el electrodo negativo sublimaba debido a las altísimas temperaturas provocadas por las descarga.

La descarga de arco es un tipo de descarga eléctrica continua que genera luz y calor muy intensos. Se produce entre dos electrodos enfrentados dentro de una atmósfera de gas inerte a baja presión.

El rendimiento de este proceso suele ser de un 30% en peso y se obtienen tanto nanotubos monocapa, como multicapa de una longitud típica de unas 50 micras.

CVD: La deposición catalítica en fase de vapor, fue descrita por primera vez en 1959, pero no fue hasta 1993 cuando se  pudieron obtener nanotubos a través de este proceso.

En la CVD, se prepara un sustrato con una capa de metal, como el níquel, cobalto, oro o una combinación de estos. Las nanopartículas de metal se pueden producir, también, por otros medios, incluidos la reducción de óxidos o soluciones de óxidos sólidos.

Para iniciar el crecimiento de los nanotubos, se mezclan dos gases en el reactor: un gas de proceso que puede ser amoniaco, nitrógeno, hidrógeno,etc, y otro gas que se usa como fuente de carbono que puede ser acetileno, etileno, metano, etanol etc.

El gas que contiene el 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.

Y ahora os voy a hablar un poco de las aplicaciones de los nanotubos en la vida actual:

Se usa en aplicaciones electroquímicas, en los supercondensadores (dos electrodos de carbono separados por una membrana permeable de iones sumergidos en un electrolito), en el almacenamiento de hidrógeno, en las células solares, en los transistores y en las memorias(RAM) entre otras aplicaciones.

Animación obtenida de wikipedia.

Y ahora para terminar aquí os dejo unos vídeos sobre los nanotubos: