Colecciones

¿Qué son los nanotubos de carbono y para qué se utilizan?

¿Qué son los nanotubos de carbono y para qué se utilizan?

Los nanotubos de carbono son cosas increíbles. Pueden ser más fuertes que el acero y más delgados que un cabello humano.

También son muy estables, ligeros y tienen increíbles propiedades eléctricas, térmicas y mecánicas. Por esta razón, tienen el potencial para el desarrollo de muchos materiales futuros interesantes.

También pueden ser la clave para construir los materiales y estructuras del futuro, como los ascensores espaciales.

A continuación, exploramos qué son, cómo se fabrican y qué aplicaciones suelen tener. Esto no pretende ser una guía exhaustiva y solo debe usarse como una descripción general rápida.

RELACIONADO: ESTOS NANOTUBOS DE CARBONO PODRÍAN ENCENDER GADGETS A TRAVÉS DE LA ROPA

¿Qué son los nanotubos de carbono y sus propiedades?

Los nanotubos de carbono (CNT para abreviar), como su nombre indica, son estructuras cilíndricas diminutas hechas de carbono. Pero no cualquier carbono, los CNT consisten en láminas enrolladas de una sola capa de moléculas de carbono llamadas grafeno.

Suelen presentarse en dos formas principales (crédito a nanowerk.com):

1. Nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT) - Suelen tener un diámetro inferior a 1 nm.

2. Nanotubos de carbono de paredes múltiples (MWCNT) - Estos consisten en varios nanotubos interconectados concéntricamente y tienden a tener diámetros que pueden alcanzar más de 100 nm.

En cualquier caso, los CNT pueden tener longitudes variables desde varios micrómetros hasta centímetros.

Como los tubos están fabricados exclusivamente con grafeno, comparten muchas de sus interesantes propiedades. Los CNT, por ejemplo, están unidos con enlaces sp2, que son extremadamente fuertes a nivel molecular.

Los nanotubos de carbono también tienden a unirse mediante fuerzas de van der Waals. Esto les proporciona una gran resistencia y un peso reducido. También tienden a ser materiales altamente conductores de electricidad y térmicamente conductores.

"Las paredes individuales de CNT pueden ser metálicas o semiconductoras dependiendo de la orientación de la red con respecto al eje del tubo, lo que se denomina quiralidad".

Los nanotubos de carbono también tienen otras sorprendentes propiedades térmicas y mecánicas que los hacen atractivos para desarrollar nuevos materiales.

Por ejemplo (crédito a nanowerk.com):

  • Los CNT pueden tener resistencia mecánica a la tracción 400 veces el del acero regular.

  • Son muy ligeros ya que su densidad es una sexta parte de la del acero.

  • La conductividad térmica de los CNT es mejor que la de un diamante.

  • Los nanotubos de carbono tienen una relación de aspecto muy alta de más de 1000. En otras palabras, en relación a su longitud, son extremadamente delgadas.

  • “El área de la superficie de la punta está cerca del límite teórico (cuanto menor es el área de la superficie de la punta, más concentrado es el campo eléctrico y mayor es el factor de mejora del campo).

  • Al igual que el grafito, son muy estables químicamente y resisten prácticamente cualquier impacto químico a menos que se expongan simultáneamente a altas temperaturas y oxígeno, una propiedad que los hace extremadamente resistentes a la corrosión.

  • Su interior hueco se puede rellenar con varios nanomateriales, separándolos y protegiéndolos del entorno circundante, una propiedad que es extremadamente útil para aplicaciones de nanomedicina como la administración de fármacos ".

¿Qué hacen los nanotubos de carbono?

Como ya hemos visto, los nanotubos de carbono tienen algunas propiedades muy inusuales. Debido a esto, los CNT tienen muchas aplicaciones interesantes y variadas.

De hecho, a partir de 2013, según Wikipedia a través de Science Direct, la producción de nanotubos de carbono superó varios miles de toneladas por año. Estos nanotubos tienen muchas aplicaciones, incluido el uso en:

  • Soluciones de almacenamiento de energía
  • Modelado de dispositivos
  • Estructuras compuestas
  • Piezas automotrices, incluso potencialmente en automóviles con celda de combustible de hidrógeno
  • Cascos de barcos
  • Artículos deportivos
  • Filtros de agua
  • Electrónica de película fina
  • Revestimientos
  • Actuadores
  • Blindaje electromagnético
  • Textiles
  • Aplicaciones biomédicas, incluida la ingeniería de tejidos de huesos y músculos, administración de productos químicos, biosensores y más

También hay muchas áreas prometedoras en las que los nanotubos de carbono podrían ayudar en otros campos interesantes.

¿Qué son los nanotubos de carbono de paredes múltiples?

Como ya hemos visto, los nanotubos de carbono de paredes múltiples son aquellos nanotubos hechos de varios nanotubos interconectados concéntricamente. Suelen tener diámetros que pueden superar los 100 nm.

Pueden alcanzar más de centímetros de longitud y tienden a tener relaciones de aspecto que varían entre 10 y 10 millones.

"Se pueden distinguir de los nanotubos de carbono de pared simple sobre la base de su estructura y rigidez de muñecas rusas de paredes múltiples, y forman nanofibras de carbono sobre la base de su estructura de pared diferente, diámetro exterior más pequeño y un interior hueco", señala Ákos Kukovecz et al.

Los nanotubos de paredes múltiples pueden contener entre 6 y 25 o paredes más concéntricas.

Los MWCNT tienen algunas propiedades excelentes que pueden explotarse en un gran número de aplicaciones comerciales. Estos incluyen (crédito a azonona.com):

  • Eléctrico: Los MWNT son altamente conductores cuando se integran correctamente en una estructura compuesta. Cabe señalar que la pared exterior por sí sola es conductora, las paredes interiores no son fundamentales para la conductividad.

  • Morfología: Los MWNT tienen una relación de aspecto alta, con longitudes típicamente superiores a 100 veces el diámetro, y en ciertos casos mucho mayor. Su rendimiento y aplicación se basan no solo en la relación de aspecto, sino también en el grado de entrelazamiento y la rectitud de los tubos, que a su vez es función tanto del grado como de la dimensión de los defectos en los tubos.

  • Físico: Los MWNT individuales y libres de defectos tienen una excelente resistencia a la tracción y cuando se integran en un compuesto, como un termoplástico o compuestos termoendurecibles, pueden aumentar significativamente su resistencia.

  • Térmico: Los MWNT tienen estabilidad térmica más de 600 ° C, basado en el nivel de defectos y hasta cierto punto en la pureza, como catalizador residual en el producto también puede catalizar la descomposición.

  • Químico: MWNT son un alótropo de sp2 carbono hibridado, similar al grafito y los fullerenos, y como tal tiene una alta estabilidad química. Sin embargo, se pueden funcionalizar los nanotubos para mejorar tanto la resistencia como la dispersabilidad de los compuestos.

¿Cómo se forman los nanotubos de carbono?

Hasta la fecha, existen tres métodos principales para producir nanotubos de carbono.

Estos son:

1. Descarga de arco

Dentro de este proceso, el grafito se quema electrónicamente. Los CNT se forman en la fase gaseosa, que luego se separa.

Este proceso también tiende a utilizar un metal como hierro, cobalto o níquel como catalizador.

2. Ablación láser de grafito

Al igual que la descarga de arco anterior, el grafito se quema, excepto que esta vez con el uso de un láser. La CNT se forma de manera similar y también se separa más tarde.

Esta técnica también utiliza catalizadores metálicos para facilitar el proceso.

3. Antorcha de plasma

De manera similar a los dos primeros métodos anteriores, el proceso para fabricar un soplete de plasma utiliza gas que contiene carbono en lugar de vapores de grafito para crear los nanotubos de carbono.

4. Deposición química de vapor (CVD)

La CVD es un proceso que tiene la mayor promesa para la producción de CNT. Permite un proceso de producción cuantitativo mucho mayor y es mucho más controlable.

También es más económico.

Durante la CVD, se prepara un sustrato con una capa de partículas de catalizador de metal, más comúnmente níquel, cobalto, hierro o una combinación.

"Los nanotubos crecen en los sitios del catalizador metálico; el gas que contiene carbono se rompe en la superficie de la partícula del catalizador y el carbono se transporta a los bordes de la partícula, donde forma los nanotubos", señala un volumen editado. sobre funcionalización química de nanomateriales de carbono.

Este proceso puede ser puramente catalítico o con plasma.

5. Electrólisis líquida

Esta técnica fue descubierta en 2015 por la Universidad George Washington para producir MWCNT a través de la electrólisis de carbonatos fundidos. El proceso básico es similar al de CVD.


Ver el vídeo: Nanotubos de carbono NTC - Presentación 12 (Enero 2022).