Propiedades y aplicaciones de los nanotubos de carbono y el grafeno

Propiedades:

1. Elevada relación radio/longitud que permite un mejor control de las propiedades unidireccionales de los materiales resultantes.
2. Electrónicamente pueden comportarse como metálico, semimetálico o aislante dependiendo de su diámetro y helicidad. Se ha demostrado su comportamiento electrónico cuántico monodimensional. Recientes estudios sugieren que podrían ser utilizados en pantallas planas por su buena capacidad como emisores de electrones.
3. Elevada fuerza mecánica. Se ha comprobado que tienen mayor resistencia mecánica y mayor flexibilidad que las fibras de carbono.
4. Sus propiedades pueden modificarse encapsulando metales en su interior, llegándose a obtener nanocables eléctricos o magnéticos, o bien gases, pudiendo ser utilizados para el almacenamiento de hidrógeno o como sistema de separación de gases.

Tenacidad:

Los nanotubos son ahora mismo los elementos con mayor resistencia física encontrados sobre la tierra. Los nanotubos de carbono son las fibras más fuertes que se conocen. Un solo nanotubo perfecto es de 10 a 100 veces más fuerte que el acero.

Cinética:

Los nanotubos multicapa, si se encuentran anidados de forma precisa, pueden desplazarse unos dentro de otros sin apenas fricción. Esta propiedad tiene grandes aplicaciones en la nanotecnología molecular.

Térmicas:

Todos los nanotubos son buenos conductores térmicos, poseyendo una propiedad especial llamada 'conducción balística'. Se predice que los nanotubos podrán transmitir alrededor de 20 veces más calor que metales como el cobre.

Defectos:

• Vacíos atómicos (vacancias): la inexistencia de átomos en lugares que debían ocupar puede generar un gran descenso en la tenacidad de los nanotubos.
• Piedra de Gales (Stone Wales): se crea una disposición especial de átomos de carbono en forma de par heptágono-pentágono (en vez de los habituales hexágonos). Este aparente pequeño cambio puede producir grandes cambios en la tensión de los nanotubos, debido a que su estructura es muy pequeña y un pequeño cambio en la cadena de átomos tiene como consecuencia grandes efectos en toda la cadena.

Métodos de síntesis de Fullerenos y Nanotubos

Ablación Láser

Denominado evaporación de grafito. Se calienta el grafito en una ampolla de cuarzo en un horno a 1200 °C en una atmósfera inerte y se dispara un láser específico. Los fullerenos se forman cuando el carbono vaporizado se deposita y condensa.

Descarga de arco

Desde 1991, la presencia de fullerenos y nanotubos se ha podido observar en el hollín producido al provocar un arco eléctrico entre dos electrodos de grafito. La corriente típica para producir dicho arco era de unos 100 A, y paradójicamente lo que se pretendía era producir fullerenos. La primera vez que se produjeron nanotubos de carbono, de forma masiva, fue usando un método similar al anterior, por dos investigadores del Laboratorio de Investigación Básica de la compañía NEC. En dicho proceso se observó que el carbono contenido en el electrodo negativo sublimaba debido a las altísimas temperaturas producidas por la descarga que provocaba el arco voltaico. Esta técnica es el método más importante usado en la síntesis de nanotubos, puesto que fue la primera en la que la producción de esta forma alotrópica era apreciable.

Grafeno:

Es el material de moda, uno de esos descubrimientos que pocas veces suceden en la ciencia, dicen algunos. Sus vastas propiedades prometen dejar una nueva generación de dispositivos electrónicos decenas de veces más rápidos, pequeños o incluso plegables. En el año 2004 se aisló por primera vez proveniente de las minas del lápiz una fina lámina (tan delgada que tiene un átomo de espesor) con la ayuda de cinta aislante. El material se caracterizó y se estudiaron sus propiedades y aplicaciones. Fibra óptica, ordenadores decenas de veces más rápidos, paneles solares, sensores de todo tipo son algunas de las posibilidades que ofrece este material fino, resistente, flexible, transparente y superconductor, por citar algunos de sus prodigios. En realidad, la estructura del grafito puede considerarse como una pila de un gran número de láminas de grafeno superpuestas. Los enlaces entre las distintas capas de grafeno apiladas se deben a fuerzas de Van der Waals e interacciones entre los orbitales π de los átomos de carbono. En el grafeno, la longitud de los enlaces carbono-carbono es de aproximadamente 1.42 A. Es el componente estructural básico de todos los demás elementos grafiticos, incluyendo el grafito, los nanotubos de carbono y los fulerenos. Esta estructura también se puede considerar como una molécula aromática extremadamente extensa en las dos direcciones del espacio, es decir, sería el caso límite de una familia de moléculas planas de hidrocarburos aromáticos policíclicos llamada grafenos. El grafeno es un material bidimensional que cuenta con solo un átomo de grosor. Su estructura laminar plana de grafito está compuesta de átomos de carbono que forman una red hexagonal. Su apariencia puede parecer frágil y delicada, ya que a simple vista el grafeno es como una tela transparente y flexible. Sin embargo, se trata de un material extremadamente resistente que además sirve de conductor de la electricidad. Cada una de esas capas de carbono, esté o no integrada al grafito, es una capa de grafeno y su espesor es tal que un solo gramo bastaría para cubrir totalmente un campo de fútbol. El hallazgo del grafeno fue, sin lugar a dudas, algo sorprendente. Hasta ese momento, tanto la teoría como el experimento indicaban que no era posible la existencia de estructuras cristalinas bidimensionales desligadas del cristal volumétrico. Los cálculos indicaban que tal estructura sería inestable y que tendría que colapsar para formar una estructura tridimensional normal. Su alta transparencia óptica y gran conductividad eléctrica lo hacen un buen candidato para la confección de electrodos transparentes, aplicables a dispositivos tales como pantallas de cristal líquido, celdas fotoeléctricas orgánicas y diodos orgánicos emisores de luz. Su flexibilidad y alta resistencia mecánica también resultan ventajosas en comparación con las de otros materiales que se utilizan en la microelectrónica. Otra posible aplicación podría ser la confección de ultracapacitores, con una capacidad de almacenar carga eléctrica y energía mucho mayores que las de los existentes hasta el momento.