Propiedades Clave de los Nanotubos de Carbono
Propiedades Generales
- Elevada relación radio/longitud, lo que permite un mejor control de las propiedades unidireccionales de los materiales resultantes.
- Electrónicamente, pueden comportarse como metálicos, semimetálicos o aislantes, dependiendo de su diámetro y helicidad. Se ha demostrado su comportamiento electrónico-cuántico monodimensional. Recientes estudios sugieren que podrían ser utilizados en pantallas planas debido a su buena capacidad como emisores de electrones.
- Elevada fuerza mecánica. Se ha comprobado que poseen mayor resistencia mecánica y mayor flexibilidad que las fibras de carbono.
- Sus propiedades pueden modificarse encapsulando metales en su interior, llegando a obtener nanocables eléctricos o magnéticos, o bien gases, pudiendo ser utilizados para el almacenamiento de hidrógeno o como sistema de separación de gases.
Tenacidad
Los nanotubos son, actualmente, los elementos con mayor resistencia física encontrados sobre la Tierra. Los nanotubos de carbono son las fibras más fuertes que se conocen. Un solo nanotubo perfecto es de 10 a 100 veces más fuerte que el acero.
Cinética
Los nanotubos multicapa, si se encuentran anidados de forma precisa, pueden desplazarse unos dentro de otros sin apenas fricción. Esta propiedad tiene grandes aplicaciones en la nanotecnología molecular.
Propiedades Térmicas
Todos los nanotubos son buenos conductores térmicos, poseyendo una propiedad especial llamada conducción balística. Se predice que los nanotubos podrán transmitir alrededor de 20 veces más calor que metales como el cobre.
Defectos en Nanotubos de Carbono
Como cualquier material, los nanotubos de carbono pueden tener defectos en su composición que pueden variar en mayor o menor medida sus propiedades. Por ejemplo:
- Vacíos atómicos (vacancias): La inexistencia de átomos en lugares que deberían ocupar puede generar un gran descenso en la tenacidad de los nanotubos.
- Defecto de Stone-Wales: Se crea una disposición especial de átomos de carbono en forma de par heptágono-pentágono (en lugar de los habituales hexágonos). Este aparente pequeño cambio puede producir grandes variaciones en la tensión de los nanotubos, debido a que su estructura es muy pequeña y una alteración mínima en la cadena de átomos tiene como consecuencia grandes efectos en toda la estructura.
Métodos de Síntesis de Fullerenos y Nanotubos
Ablación Láser
También conocido como evaporación de grafito. Se calienta el grafito en una ampolla de cuarzo en un horno a 1200 °C en una atmósfera inerte y se dispara un láser específico. Los fullerenos se forman cuando el carbono vaporizado se deposita y condensa.
Descarga de Arco Eléctrico
Desde 1991, la presencia de fullerenos y nanotubos se ha podido observar en el hollín producido al generar un arco eléctrico entre dos electrodos de grafito. La corriente típica para producir dicho arco era de unos 100 A, y paradójicamente, el objetivo inicial era producir fullerenos. La primera vez que se produjeron nanotubos de carbono de forma masiva fue utilizando un método similar al anterior, por dos investigadores del Laboratorio de Investigación Básica de la compañía NEC. En dicho proceso, se observó que el carbono contenido en el electrodo negativo sublimaba debido a las altísimas temperaturas producidas por la descarga del arco voltaico. Esta técnica es el método más importante utilizado en la síntesis de nanotubos, puesto que fue la primera en la que la producción de esta forma alotrópica era apreciable.
El Grafeno: Propiedades, Descubrimiento y Aplicaciones
El grafeno es considerado el material de moda, uno de esos descubrimientos que pocas veces ocurren en la ciencia. Sus vastas propiedades prometen dar lugar a una nueva generación de dispositivos electrónicos decenas de veces más rápidos, pequeños o incluso plegables.
En el año 2004, se aisló por primera vez una fina lámina (tan delgada que tiene un átomo de espesor) proveniente de las minas de lápiz, con la ayuda de cinta aislante. El material fue caracterizado, y se estudiaron sus propiedades y aplicaciones.
Aplicaciones Potenciales del Grafeno
Estas son solo algunas de las posibilidades que ofrece este material fino, resistente, flexible, transparente y superconductor, por citar algunos de sus prodigios:
- Fibra óptica
- Ordenadores decenas de veces más rápidos
- Paneles solares
- Sensores de todo tipo
Estructura y Composición del Grafeno
En realidad, la estructura del grafito puede considerarse como una pila de un gran número de láminas de grafeno superpuestas. Los enlaces entre las distintas capas de grafeno apiladas se deben a fuerzas de Van der Waals e interacciones entre los orbitales π de los átomos de carbono. En el grafeno, la longitud de los enlaces carbono-carbono es de aproximadamente 1.42 Å. Es el componente estructural básico de todos los demás elementos grafíticos, incluyendo el grafito, los nanotubos de carbono y los fullerenos. Esta estructura también se puede considerar como una molécula aromática extremadamente extensa en las dos direcciones del espacio, es decir, sería el caso límite de una familia de moléculas planas de hidrocarburos aromáticos policíclicos, a menudo denominadas grafenos.
El grafeno es un material bidimensional que cuenta con solo un átomo de grosor. Su estructura laminar plana de grafito está compuesta por átomos de carbono que forman una red hexagonal. Su apariencia puede parecer frágil y delicada, ya que a simple vista el grafeno es como una tela transparente y flexible. Sin embargo, se trata de un material extremadamente resistente que, además, sirve de conductor de la electricidad. Cada una de esas capas de carbono, esté o no integrada al grafito, es una capa de grafeno, y su espesor es tal que un solo gramo bastaría para cubrir totalmente un campo de fútbol.
El Descubrimiento del Grafeno y su Impacto
El hallazgo del grafeno fue, sin lugar a dudas, algo sorprendente. Hasta ese momento, tanto la teoría como el experimento indicaban que no era posible la existencia de estructuras cristalinas bidimensionales desligadas del cristal volumétrico. Los cálculos sugerían que tal estructura sería inestable y que colapsaría para formar una estructura tridimensional normal.
Ventajas y Futuras Aplicaciones del Grafeno
Su alta transparencia óptica y gran conductividad eléctrica lo convierten en un excelente candidato para la confección de electrodos transparentes, aplicables a dispositivos tales como pantallas de cristal líquido, celdas fotoeléctricas orgánicas y diodos orgánicos emisores de luz (OLED).
Su flexibilidad y alta resistencia mecánica también resultan ventajosas en comparación con las de otros materiales utilizados en la microelectrónica. Otra posible aplicación podría ser la confección de ultracondensadores, con una capacidad de almacenar carga eléctrica y energía mucho mayores que los existentes hasta el momento.