Nanotubos De Carbono

NANOTUBOS DE CARBONO – LA ERA DE LA NANOTECNOLOGÍA

Marisela Maubert F*., Laura Soto S., Ana Ma. León C. y Jorge Flores M. Área de Química de Materiales, Universidad Autónoma Metropolitana

Av. San Pablo 180, Reynosa Tamaulipas, Azcapotzalco. C.P. 022000

*amf@correo.azc.uam.mx

INTRODUCCION

NANOTUBOS DE CARBONO

Los nanotubos de carbono (NTC) probablemente han existido desde mucho antes de que nos diéramos cuenta, y pueden haber sido hechos durante varios procesos de combustión de carbón y de deposición de vapor, pero la microscopia electrónica de ese tiempo no estaba lo suficientemente avanzada para poder distinguirlos.

Los nanotubos de carbono (NTC’s) fueron descubiertos en 1991 por Sumio Iijima (8), quien trabajando en un microscopio electrónico, observó la existencia de moléculas tubulares en el hollín formado a partir de las descargas de arco eléctrico, empleando grafito. Precursor de los NTC’s es el fulereno, Los fulerenos son una forma alotrópica del carbono. Fueron descubiertos accidentalmente por los grupos de Smalley y Kroto en 1985 (9), siendo galardonado su descubrimiento con el premio Nóbel de química en 1996. El intento de producir fulerenos dopados con metales resultó en el descubrimiento de los nanotubos, que fueron inicialmente denominados Buckytubes. Los nanotubos obtenidos eran cilindros cerrados en los extremos por un casquete esférico con la estructura de un fulereno. Estos nanotubos presentaban diferentes estructuras en función de la orientación de los hexágonos del grafeno respecto del eje. (10)

Una forma alotrópica del carbono en la cual los átomos de carbono presentan una hibridación intermedia entre la sp2 y la sp3 es el fulereno. Este tipo de hibridación hace posible que los átomos de carbono puedan combinarse formando hexágonos y pentágonos en estructuras tridimensionales cerradas. El fulereno más común es el C60 (de 60 átomos de carbono) y es similar a un balón de fútbol, aunque también se han descrito otros fulerenos: C76,...C100, etc. Los NTC’s prestan también estas hibridaciones intermedias y pueden considerarse como láminas de grafito enrolladas en forma de tubos. Los nanotubos pueden ser abiertos o cerrados, en cuyo caso la estructura que cierra el nanotubo es similar a la mitad de un fullereno.

Los nanotubos también pueden ser de monocapa (de una sola capa) o multicapa (varias capas concéntricas) (10)

Desde entonces, ha habido una intensa actividad científica relacionada a la síntesis y propiedades de los NTC’s, así como también de sus aplicaciones en varias áreas de la ciencia. De hecho, los NTC’s representan uno de los mejores ejemplos de las nanoestructuras, derivadas del progreso de la síntesis química de nuevos materiales. Es importante destacar, que los NTC’s poseen una composición química y configuración atómica sencilla, sin embargo, dentro los nanomateriales conocidos hasta hoy día éstos exhiben, posiblemente, la más vasta diversidad y riqueza en relación a sus estructuras y propiedades intrínsecas. Es decir, existe un gran número de posibilidades en los tipos de moléculas de NTC’s que pueden ser obtenidos, ya que cada NTC’s puede presentar propiedades físicas distintas a otros NTC’s preparados en condiciones diferentes. En este sentido, la síntesis controlada de nanotubos de carbono abre interesantes oportunidades en el campo de la nanotecnología, dado que es una forma de controlar también sus propiedades eléctricas y mecánicas. Por ejemplo, la funcionalización química de los NTC’s permite su empleo como catalizadores, sensores moleculares y aun sirviendo como interfase en sistemas biológicos.

Los nanotubos y nanofibras de carbono presentan propiedades morfológicas, mecánicas y electrónicas excepcionales, que permiten su aplicación en muchos campos que van desde una amplia gama de componentes electrónicos, al reforzamiento de materiales (conductividad eléctrica y resistencia mecánica), al almacenamiento de gases, sobre todo y de manera sobresaliente el hidrógeno y a la utilización como soportes catalíticos (11, 12).

Métodos de preparación de NTC’s

Existen varios métodos para producir nanotubos y nanofibras de carbono, se pueden mencionar tres en general: arco de descarga eléctrica (grafito a 3000° C), ablación o erosión láser (1200° C), pirólisis de hidrocarburos (~ 1100 °C) (13) y la deposición química en fase vapor (~ 600-800 °C) utilizando metano e H2 como reactivos (14, 15, 16). Este último tiene la ventaja de que las estructuras de los catalizadores que inician el crecimiento pueden ser definidos litográficamente, así los métodos catalíticos parecen ser de los más prometedores para su producción a gran escala.

Además, las propiedades de estos materiales están fuertemente ligados a su morfología y estructura, por lo que la síntesis de grandes cantidades de nanotubos y/o nanofibras de morfología y estructura específicas, pueden ser esenciales en vista de sus aplicaciones.

Método de obtención de NTC’s seleccionado

Actualmente, los métodos por erosión Láser y CVD son los usados principalmente para obtener pequeñas cantidades de NTC de alta calidad. No obstante, ambos métodos tienen sus inconvenientes. El primero es que involucra la evaporación de la fuente de carbono, por lo que aún no está claro como se pueden producir a nivel industrial de esta manera. El segundo problema es el hecho de que los métodos de vaporización hacen crecer NTC en formas desordenadas, mezclados con formas indeseadas de carbono y/o especies metálicas. De tal forma que, los NTC así producidos son difíciles de purificar, manejar y ensamblar para construir dispositivos y estructuras de nanotubos para aplicaciones prácticas.

Método de deposición química en vapor (CVD)

El método de deposición química en vapor de hidrocarburos, sobre un catalizador metálico es el método clásico que se ha utilizado para producir varios materiales de carbono tales como fibras y filamentos durante más de veinte años (13). En este sentido se han hecho muchos esfuerzos por adaptarlo con el fin de producir grandes cantidades de NTC, vía la CVD catalítica. (21). Si bien este método se visualiza como el más promisorio para la obtención de este tipo de materiales, no existe sin embargo, hasta el momento ningún método que produzca nanotubos de carbono a granel, de número de paredes controlado, con diámetros y quiralidad uniforme.

Por ello, el presente trabajo propuso el estudio de la síntesis de NTC’s, por medio del método de deposición química en vapor, utilizando como catalizadores materiales mesoestructurados tipo MSM, SBA modificados con cationes metálicos, así también los compuestos tipo hidrotalcita multimetálicas como precursores óxidos metálicos mixtos homogéneos, con el fin de aprovechar las características particulares de cada uno de ellos y su repercusión en las propiedades finales de los NTC’s.

De igual forma, se contempla la variación de las fuentes de carbón, se tiene considerado en primera instancia el uso de alcanos, naftenos y resinas epóxicas, entre otras. En particular se ha iniciado la investigación con etileno y propileno y mezcla de los mismos con hidrógeno.

FASES PRINCIPALES DE MATERIALES M41S

b) MCM – 41 hexagonal

Sobresale por ser térmicamente estable, tiene una estructura hexagonal en la cual el poro se encuentra en forma unidimensional.

c) MCM – 48 cúbica

Es térmicamente estable, sin embargo presenta una estructura cúbica, en la cual el sistema de poro tiene un arreglo tridimensional.

d) MCM – 50 laminar

No presenta estabilidad térmica

APLICACIÓN DE LOS NANOTUBOS DE CARBONO EN EL CAMPO DE LA MECANICA

Mecánica

Una de las primeras propiedades que destacaron tras el descubrimiento de los nanotubos de carbono fueron sus propiedades mecánicas: Un módulo de Young del orden de 1 TPa, una resitencia a la tracción en torno a los 50 GPa y una elongación del 10%. Estas propiedades son superiores a las de cualquier material conocido y ya desde el inicio marcaron una línea de investigación para ver como poder sacarles partido. La tendencia normal ha sido dispersar los nanotubos en matrices de otros materiales con el fin de transferir parte de las prestaciones mecánicas de los nanotubos a los materiales.

A continuación se van a describir algunas de las aplicaciones que pueden aprovechar estas características mecánicas de los CNT.

Sensores mecánicos

Se utilizan para detectar fuerzas de todo tipo y medir así o bien dichas fuerzas, o bien multitud de parámetros que se asocian a ellas. Se pueden citar como ejemplos los sensores acústicos, de flujo, de velocidad y de masa.

Los nanotubos de carbono pueden ser utilizados como sensores mecánicos ya que al ser sometidos a una fuerza se producen

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