Una página de nanotubos de carbono
Microscopía electrónica de transmisión de nanotubos
de carbono: una advertencia.
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.
Nanotube enlaces
Historia de Nanotubos de Carbono de C & EN
Artículo de Wikipedia sobre
nanotubos de carbono
Un excelente programa llamado Nanotube Modeler de JCrystal .
Un compendio de propiedades físicas de los
nanotubos de carbono por Thomas A. Adams II
Galería de animación
Nanotube de Shigeo Maruyama
Nano sitios
Proveedores
comerciales de nanotubos de carbono y materiales relacionados
Renuncia
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Nanowerk: base de datos de
nanomateriales libres
Hyperion Catalysis International
Eikos (películas de
nanotubos)
Materiales Avanzados de Stanford.
Materiales Nanostructurados y
Amorfos Inc.
Thomas Swan & Co. Ltd. (Reino
Unido)
|
¡Átomos
de carbono para la paz! 2010 Meunier y
Costa-Girao |
Última
actualización 20 de julio de 2015
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