Nanotubos

En química, se denominan nanotubos a estructuras tubulares cuyo diámetro es del orden del nanómetro. Existen nanotubos de muchos materiales, tales como silicio o nitruro de boro pero, generalmente, el término se aplica a los nanotubos de carbono.

Los nanotubos de carbono poseen una estructura que puede considerarse procedente de una lámina de grafito enrollada sobre sí misma. Están siendo estudiados activamente por su interés fundamental para la química y por sus aplicaciones tecnológicas. Es, por ejemplo, la primera sustancia conocida por la humanidad capaz de sustentar indefinidamente su propio peso, una condición necesaria para la construcción de un ascensor espacial.

Propiedades de los nanotubos

Los nanotubos suelen presentar una elevada relación longitud/radio, ya que el radio suele ser inferior a un par de nanómetros y, sin embargo, la longitud puede llegar a ser incluso de 105 nm. Debido a esta característica se pueden considerar como unidimensionales.

Los nanotubos se caracterizan por presentar una gran complejidad electrónica. Estas estructuras pueden soportar un amplio margen de comportamientos. Comenzando por el comportamiento semiconductor hasta presentar, en algunos casos, superconductividad. Este amplio margen de conductividades viene dado por relaciones fundamentalmente geométricas, es decir, en función de su diámetro, torsión y el número de capas de su composición.

En cuanto a la capacidad para transportar corriente, se sabe que puede llegar a cantidades de, aproximadamente, mil millones de A/cm2. También hay que decir que todas estas propiedades no dependen del largo del tubo, a diferencia de lo que ocurre en los cables de uso cotidiano.

La estabilidad y robustez de los enlaces, entre los átomos de carbono, les proporciona la capacidad de ser unas de las fibras más resistentes que se pueden fabricar hoy día. Por otro lado, frente a esfuerzos de deformación muy intensos son capaces de deformarse notablemente y de mantenerse en un régimen elástico. Además, estas propiedades mecánicas podrían mejorarse uniendo varios nanotubos en haces, o cuerdas. De esta forma, aunque se rompiese un nanotubo, como se comportan como unidades independientes, la fractura no se propagaría a los otros colindantes. En otros términos, los nanotubos pueden funcionar como resortes extremadamente firmes ante pequeños esfuerzos y, frente a cargas mayores, pueden deformarse drásticamente y volver, posteriormente, a su forma original.

La conductividad térmica de los nanotubos puede llegar a ser tan alta como 6000 W/mK a temperatura ambiente. Así mismo son enormemente estables térmicamente, siendo aún estables a 2800 ºC en el vacío y 750ºC en el aire. Las propiedades de los nanotubos pueden modificarse encapsulando metales en su interior, o incluso gases. En este sentido, serían unos extraordinarios almacenes de hidrógeno. Como se sabe uno de los principales problemas técnicos, para el desarrollo de las pilas de combustible, es el almacenaje de este elemento.

Principales métodos de manufactura

La "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. Los nanotubos se forman cuando el grafito vaporizado entra en contacto con la superficie fría, condensando sobre las paredes del reactor.

La descarga de arco: 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. Por los electrodos de grafito, se hace pasar una corriente intensa la cual hace sublimar los átomos de carbono, de la superficie de los electrodos, formando un plasma alrededor de estos. En un arco abierto al aire, y a presión normal, el electrodo positivo alcanza una temperatura de unos 3.000 ºC.

La CVD (Catalytic Vapor Phase): para iniciar el crecimiento de nanotubos, se mezclan dos gases en el reactor. Un gas de proceso (tal como amoníaco, nitrógeno, hidrógeno, etc.) y otro gas que se usa como fuente de carbono (tal como acetileno, etileno, etanol, metano, etc.). Los nanotubos crecen en el lado del catalizador de metal. El gas que contiene 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. Este mecanismo está todavía en fase de estudio.

Aplicaciones

Supercondensadores: los supercondensadores mejorados con nanotubos (tanto de pared simple o múltiple) combinan la larga durabilidad y alta potencia de los supercondensadores comerciales con la mayor densidad de almacenamiento propia de las baterías químicas. Por tanto, pueden ser utilizados en muchas aplicaciones de almacenamiento de energía.

Almacenamiento de hidrógeno: la gran superficie y estructura tubular de los nanotubos de carbono hace que puedan ser útiles para el almacenamiento de hidrógeno. El hidrógeno se añade a los nanotubos por quimisorcion, puesto que los enlaces de los carbonos que forman el nanotubo ofrecen capacidad hasta su saturación incorporando hidrógenos.

Transistores: en el terreno de los transistores, se pueden introducir nanotubos semiconductores entre dos electrodos (fuente y drenador) en transistores de efecto de campo (FET), llamados CNTFET, para crear una “autopista” para la circulación de electrones. Como resultado, los CNTFET conmutarían sin errar y consumiendo menos energía que un dispositivo de silicio. Además, las velocidades de conmutación pueden llegar a los terahertz, lo que supone conmutar 104 veces más rápido que en los procesadores actuales.

Memorias: otros dispositivos que podrían experimentar grandes avances con la introducción de nanotubos de carbono en su construcción es, sin duda, la memoria de acceso aleatorio (RAM). Teniendo en cuenta que las características de una memoria ideal de este tipo serían una gran capacidad de almacenamiento, un acceso a los datos rápido y aleatorio, un escaso consumo energético, un precio bajo por bit almacenado, una fácil integración en la tecnología de circuitos integrados y, a ser posible, la no volatilidad de los datos después de apagar el ordenador, se han intentado diseñar memorias en cuyo funcionamiento juegan un papel esencial los nanotubos de carbono.

Otras aplicaciones industriales

Al agregar pequeñas cantidades de nanotubos a polímeros, cambian sus propiedades eléctricas y esto da lugar a las primeras aplicaciones industriales: biomedicina, automóviles, aeroespacio, packaging, tintas conductoras, materiales extremadamente negros, deportes.

Fuente: ESTEBAN LONGAR SOBERO