Original article: http://www.personal.rdg.ac.uk/~scsharip/tubes.htm

Una página de nanotubos de carbono

Microscopía electrónica de transmisión de nanotubos de carbono: una advertencia.

El último libro de Peter Harris sobre nanotubos

Ciencia y tecnología de los nanotubos de carbono

Los nanotubos de carbono son tubos de escala molecular de carbono grafítico con propiedades sobresalientes. Están entre las fibras más tiesas y más fuertes conocidas, y tienen características electrónicas notables y muchas otras características únicas. Por estas razones han atraído un gran interés académico e industrial, con miles de artículos sobre nanotubos publicados cada año. Sin embargo, las aplicaciones comerciales han sido bastante lentas para desarrollarse, principalmente debido a los altos costos de producción de los nanotubos de mejor calidad.

Historia

El enorme interés actual por los nanotubos de carbono es una consecuencia directa de la síntesis de buckminsterfullerene, C ₆₀ y otros fullerenos en 1985. El descubrimiento de que el carbono podría formar estructuras estables y ordenadas, además del grafito y el diamante, Formas de carbono.La búsqueda se dio un nuevo ímpetu cuando se demostró en 1990 que C ₆₀ podría ser producido en un simple aparato de evaporación de arco fácilmente disponible en todos los laboratorios. Utilizando un evaporador de este tipo, el científico japonés Sumio Iijima descubrió los nanotubos de carbono relacionados con el fullereno en 1991. Los tubos contenían al menos dos capas, a menudo muchos más, y variaban en diámetro exterior de aproximadamente 3 nm a 30 nm. Estaban invariablemente cerrados en ambos extremos.

En la figura (izquierda) se muestra una micrografía electrónica de transmisión de algunos nanotubos de múltiples paredes. En 1993, se descubrió una nueva clase de nanotubos de carbono, con una sola capa. Estos nanotubos de una pared son generalmente más estrechos que los tubos de múltiples paredes, con diámetros típicamente en el rango de 1-2 nm, y tienden a ser curvos en lugar de rectos. La imagen de la derecha muestra algunos típicos tubos de una sola pared. Pronto se estableció que estas nuevas fibras tenían una gama de propiedades excepcionales (véase más adelante), y esto provocó una explosión de investigación en nanotubos de carbono. Es importante señalar, sin embargo, que los tubos de carbono a nanoescala, producidos catalíticamente, se conocían durante muchos años antes del descubrimiento de Iijima. La razón principal por la que estos tubos tempranos no excitaron gran interés es que eran estructuralmente bastante imperfectos, por lo que no tenían propiedades particularmente interesantes. Investigaciones recientes se han centrado en mejorar la calidad de los nanotubos producidos catalíticamente.

Estructura

La unión en nanotubos de carbono es sp ² , Con cada átomo unido a tres vecinos, como en el grafito. Por lo tanto, los tubos pueden considerarse como hojas de grafeno enrolladas (el grafeno es una capa de grafito individual). Hay tres maneras distintas en las que una lámina de grafeno se puede enrollar en un tubo, como se muestra en el siguiente diagrama.

Los primeros dos de ellos, conocidos como "sillón" (arriba a la izquierda) y "zig-zag" (centro izquierda) tienen un alto grado de simetría. Los términos "sillón" y "zigzag" se refieren a la disposición de los hexágonos alrededor de la circunferencia. La tercera clase de tubo, que en la práctica es la más común, se conoce como quiral, lo que significa que puede existir en dos formas relacionadas con el espejo. Un ejemplo de un nanotubo quiral se muestra en la parte inferior izquierda.

La estructura de un nanotubo puede Ser especificado por un vector, (n, m), que define cómo se enrolla la hoja de grafeno. Esto se puede entender con referencia a la figura de la derecha. Para producir un nanotubo con los índices (6,3), digamos, la hoja se enrolla de modo que el átomo etiquetado (0,0) se superpone al marcado (6,3). Se puede ver en la figura que m = 0 para todos los tubos en zig-zag, mientras que n = m para todos los tubos de sillón.

Síntesis

El método de evaporación de arco, que produce los nanotubos de mejor calidad, implica pasar una corriente de unos 50 amperios entre dos electrodos de grafito en una atmósfera de helio. Esto hace que el grafito se vaporice, algo de él condensando en las paredes del recipiente de reacción y algo de él en el cátodo. Es el depósito en el cátodo que contiene los nanotubos de carbono. Los nanotubos de una sola pared se producen cuando se añade Co y Ni o algún otro metal al ánodo. Se sabe desde los años cincuenta, si no antes, que los nanotubos de carbono también pueden fabricarse haciendo pasar un gas que contiene carbono, tal como un hidrocarburo, sobre un catalizador. El catalizador consiste en partículas nanométricas de metal, usualmente Fe, Co o Ni. Estas partículas catalizan la descomposición de las moléculas gaseosas en carbono y un tubo empieza entonces a crecer con una partícula de metal en la punta. En 1996 se demostró que los nanotubos de una sola pared también se pueden producir catalíticamente. La perfección de los nanotubos de carbono producidos de esta manera ha sido en general más pobre que los producidos por la evaporación del arco, pero se han hecho grandes mejoras en la técnica en los últimos años. La gran ventaja de la síntesis catalítica sobre la evaporación de arco es que puede ampliarse para la producción de volumen. El tercer método importante para fabricar nanotubos de carbono consiste en utilizar un poderoso láser para vaporizar un blanco de metal-grafito. Esto se puede utilizar para producir tubos de una sola pared con alto rendimiento.

Propiedades

La fuerza de la sp ² Carbono-carbono da nanotubos de carbono sorprendentes propiedades mecánicas. La rigidez de un material se mide en términos de su módulo de Young, la tasa de cambio de tensión con esfuerzo aplicado. El módulo de Young de los mejores nanotubos puede ser tan alto como 1000 GPa que es aproximadamente 5 veces más alto que el acero. La resistencia a la tracción, o tensión de ruptura de los nanotubos puede ser de hasta 63 GPa, alrededor de 50 veces más alto que el acero. Estas propiedades, junto con la ligereza de los nanotubos de carbono, les da un gran potencial en aplicaciones como el aeroespacial. Incluso se ha sugerido que los nanotubos podrían ser utilizados en el "ascensor espacial", un cable Tierra-espacio propuesto por primera vez por Arthur C. Clarke. Las propiedades electrónicas de los nanotubos de carbono también son extraordinarias. Especialmente notable es el hecho de que los nanotubos pueden ser metálicos o semiconductores dependiendo de su estructura. Así, algunos nanotubos tienen conductividades superiores a la del cobre, mientras que otros se comportan más como el silicio. Existe un gran interés en la posibilidad de construir dispositivos electrónicos a nanoescala a partir de nanotubos, y se están haciendo algunos progresos en esta área. Sin embargo, con el fin de construir un dispositivo útil que se necesita para organizar muchos miles de nanotubos en un patrón definido, y aún no tenemos el grado de control necesario para lograrlo. Hay varias áreas de tecnología donde los nanotubos de carbono ya están siendo utilizados. Estos incluyen pantallas planas, microscopios de sonda de barrido y dispositivos de detección. Las propiedades únicas de los nanotubos de carbono indudablemente conducirán a muchas más aplicaciones.

Nanohorns

Peter Harris, Edman Tsang y sus colegas prepararon por primera vez los conos de carbono de una pared con morfologías similares a las de las tapas de nanotubos (haga clic aquí para ver nuestro artículo). Fueron producidos por tratamientos térmicos a alta temperatura de hollín de fullereno - haga clic aquí para ver una imagen típica. El grupo de Sumio Iijima demostró posteriormente que también podrían producirse mediante la ablación con láser de grafito, y les dio el nombre de "nanohorns". Este grupo ha demostrado que los nanohorns tienen propiedades adsortivas y catalíticas notables.