Propiedades y aplicaciones de nanomateriales: grafeno, coloides y nanotubos de carbono

Grafeno

El grafeno es un material bidimensional (2D) muy delgado, con una alta relación superficie/peso. Existen principalmente tres técnicas de aislamiento y crecimiento:

1. Exfoliación mecánica de capas individuales: se van quitando capas con celo. La monocapa, junto con el celo, se lleva a un sustrato de silicio (Si) con un espesor determinado.
2. Exfoliación con punta AFM (microscopio de fuerza atómica) sobre una base de grafito: la punta toca la muestra y deja una pequeña capa.

Estas dos técnicas permiten exfoliar poca cantidad. A mayor producción, menor calidad. Por ejemplo, el crecimiento epitaxial (formar una monocapa sobre una superficie de material con deposición química de vapor o CVD) es un método de alta producción, pero de menor calidad. En este proceso, se produce carbono (C) y se obtiene una capa del espesor deseado.

3. Exfoliación de grafito en fase líquida para obtener dispersiones de láminas de grafeno: disolventes polares dispersan las láminas a partir del grafito (el más usado es el óxido de grafito). También se pueden usar nanotubos de carbono (CNT) para producirlas (oxidación del CNT).

Propiedades eléctricas del grafeno

El grafeno presenta una hibridación sp², con orbitales p que se conjugan en el plano con electrones deslocalizados. Sus propiedades se encuentran entre las metálicas y las semiconductoras. El grafeno no tiene un bandgap entre la banda de valencia y la banda de conducción (no es ni semiconductor ni metal, sino un semimetal), lo que le confiere un carácter conductor. Los electrones se comportan como si no tuvieran masa. Es bastante "tuneable": puede desarrollar un bandgap (ajustando el ancho de la tira de grafeno), pasando a ser un semiconductor. También posee propiedades mecánicas importantes: alta fuerza de tensión, flexibilidad y resistencia mecánica, similar a los CNT.

Aplicaciones del grafeno

El grafeno tiene numerosas aplicaciones, tanto en estudios fundamentales fisicoquímicos como en aplicaciones tecnológicas. Destaca su uso en dispositivos nanoelectrónicos, ya que combina aspectos de semiconductores y metales. Podría ser usado como transistor, pero ajustar sus propiedades es aún muy difícil. También se utiliza como sensor químico, ya que su conductividad es muy sensible a las moléculas de la superficie. Además, se emplea en nanobalanzas que permiten detectar pequeños cambios de masa y como material de electrodo transparente en celdas, LEDs y pantallas táctiles, debido a su alta flexibilidad.

Coloides

Los coloides son partículas dispersadas en un medio (líquido, sólido o gaseoso). Sus propiedades dependen del tamaño y la forma, y están dominadas por efectos superficiales. Son muy interesantes las interacciones partícula-partícula, ya que determinan la estabilidad de los sistemas coloidales (fuerzas de Van der Waals, electrostáticas, brownianas, viscosas, etc.). Las fuerzas estéricas (exclusión), inerciales y gravitacionales son importantes en partículas grandes. En nuestro cuerpo, encontramos biocoloides como micelas y lipoproteínas.

Propiedades cinéticas de los coloides

Las propiedades cinéticas se refieren al movimiento browniano, un movimiento aleatorio en zigzag que depende de la temperatura, el radio de la partícula y la viscosidad del medio.

Propiedades ópticas de los coloides

Los coloides presentan dispersión de la luz. Cuando las partículas tienen dimensiones similares a la longitud de onda de la radiación incidente, se produce el efecto Tyndall, es decir, dispersan la luz. Si las partículas son más pequeñas que la longitud de onda del haz incidente, se produce la dispersión de Rayleigh, donde las partículas dispersan más las longitudes de onda largas que la azul. A menor tamaño, los fenómenos de dispersión son menores y aumenta la absorción de radiación, lo que genera plasmones que oscilan en resonancia con la frecuencia de la radiación incidente.

Estabilidad de los coloides

La estabilidad de los coloides es difícil de conseguir. Los sistemas coloidales pueden sufrir agregación, coalescencia (se unen entre sí formando una partícula más grande), sedimentación, etc. La estabilización puede llevarse a cabo mediante interacciones electrostáticas, ya que las partículas pueden contener grupos cargados y formar una doble capa eléctrica, donde las fuerzas de repulsión dominan a las de atracción (Van der Waals). A mayor fuerza iónica, la doble capa es más pequeña (debido a los contraiones) y las partículas se acercan más, lo que supone un peligro para la estabilidad. También se pueden estabilizar mediante polímeros de dos formas:

1. Estabilización estérica de coloides: moléculas poliméricas se anclan en la superficie de la partícula formando una película que crea una fuerza repulsiva que separa las partículas entre sí.
2. Depleción de coloides: involucra moléculas poliméricas libres que crean la fuerza repulsiva necesaria para separar las partículas.

Nanopartículas

En cuanto a las nanopartículas inorgánicas, las que tienen mayor impacto son las metálicas (Au, Ag, Pt, Cu), las semiconductoras (PbS, Ag₂S, CdSe, CdS) y las magnéticas (Fe₃O₄). Tienen múltiples aplicaciones, como en dispositivos sensores, biorreconocimiento y como catalizadores. También pueden ser orgánicas.

Síntesis de nanotubos de carbono (CNT)

Existen varios métodos para la síntesis de CNT:

• Descarga por arco: se utilizan dos electrodos de carbono (C) en proximidad dentro de una cámara conectada a un flujo de helio (He) y una bomba de vacío. Se aplica un alto voltaje entre los electrodos. El C se vaporiza a altas temperaturas generadas por el plasma creado entre los electrodos. El C se deposita en el cátodo (bien refrigerado), donde se forman los CNT. Los SWNT (nanotubos de pared simple) necesitan catalizadores y los CNT resultantes son rectos y con baja densidad de defectos estructurales.
• Vaporización por láser: se utiliza un horno a 1200 ºC por donde pasa un gas inerte (argón, Ar). Dentro del horno, hay un cilindro de grafito con un metal catalítico (CoNi). El C se vaporiza por irradiación láser y se condensa en un refrigerante de cobre (Cu) en forma de CNT.
• Crecimiento por CVD (deposición química de vapor): es una forma masiva (bulk) y controlada sobre un sustrato de silicio (Si) con presencia de un catalizador. Primero, se colocan las partículas catalizadoras sobre una oblea de silicio. Luego, los sustratos se introducen en un horno a 900 ºC para los SWNT o a 700 ºC para los MWNT (nanotubos de pared múltiple), junto con una mezcla de gases (Ar, H₂ y un gas que proporciona C). Se produce la adsorción disociativa de hidrocarburos sobre la superficie del catalizador. El C formado se difunde por el catalizador formando una disolución que se satura y se segrega hacia la superficie del catalizador, formando el CNT. Esto puede ocurrir en el sustrato (interacción fuerte) o en la punta del CNT (interacción débil, con más defectos). La ventaja de este método es que es compatible con los materiales de la microelectrónica y permite controlar la densidad de crecimiento y localizar los CNT en lugares determinados. El PECVD (CVD asistido por plasma) utiliza un campo eléctrico para obtener nanotubos más rectos y alineados.

Propiedades de los nanotubos de carbono (CNT)

Propiedades electrónicas y ópticas

Los SWNT presentan una gran riqueza de propiedades electrónicas según su diámetro y quiralidad. A menor diámetro, mayor bandgap. Las propiedades electrónicas cambian con la aplicación de un campo magnético o por deformación. Esto se mide con un transistor de efecto de campo (FET): dos electrodos contactados al CNT (fuente y drenador) y otro electrodo no en contacto (electrodo puerta). Se aplica un voltaje entre la fuente y el drenador, y circula una corriente que se puede modificar aplicando un alto voltaje entre la puerta y la fuente. Los MWNT no pueden comportarse como transistores, ya que su carácter metálico y su conductividad no pueden ser modulados con un alto voltaje en la puerta. Los CNT tienen una alta capacidad de transporte de carga.

Propiedades químicas

Los CNT son bastante inertes. Su reactividad se encuentra entre la del grafito y la de los fullerenos, debido a la deformación de los orbitales p por efecto de la curvatura. Los fullerenos son más deformes y, por lo tanto, más reactivos. Los CNT tienen anisotropía: las puntas son más reactivas porque tienen mayor curvatura. Esto es una ventaja para funcionalizar los CNT con otras biomoléculas en sus puntas. Se trata de evitar los enlaces covalentes para no perder la hibridación sp². Esto se consigue añadiendo grupos pireno a las paredes, que pueden anclar otras especies, o utilizando polímeros con una parte polar (contacto con el CNT, que es hidrofóbico) y otra apolar (contacto con el solvente).

Propiedades electroquímicas

Los CNT usados como electrodos también son anisotrópicos. En las puntas, la transferencia de electrones es más rápida, ya que tienen una gran área superficial, lo que resulta en una alta capacidad de oxidación/reacción.

Propiedades mecánicas

Los CNT tienen propiedades mecánicas excepcionales, como la estabilidad y la robustez de sus enlaces, lo que los convierte en la fibra más resistente conocida. Pueden funcionar como resortes y son muy elásticos.

Aplicaciones de los nanotubos de carbono (CNT)

• Propiedades electrónicas: producción de interconectores metálicos o transistores de efecto de campo (interruptores), dispositivos nanoelectromecánicos (especialmente resonadores), computación y telecomunicaciones.
• Baja densidad, resistencia a la tensión y estabilidad térmica: aplicación como material estructural en polímeros (por ejemplo, chalecos salvavidas, hormigón).
• Semiconductores: grandes cambios de conductividad cuando se juntan con gases o biomoléculas, lo que los hace útiles como sensores químicos.
• Dispositivos fotoelectrónicos: celdas solares, baterías, terapia, etc.