Nanobud de carbono

En nanotecnología , un nanobud de carbono es un material que combina nanotubos de carbono y fullerenos esferoidales , ambos alótropos del carbono , en una misma estructura, formando " brotes " adheridos a los tubos. Los nanobuds de carbono se descubrieron y sintetizaron en 2006.

Modelos informáticos de varias estructuras nanobud estables
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Observación in situ de un nanobud de carbono mediante microscopía electrónica de transmisión [1]
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Captura de una molécula de fullereno adicional por un nanobud [1]
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Generación de moléculas de fullereno ( peapod de carbono ) dentro de un nanobud [1]

En este material, los fullerenos se unen covalentemente a las paredes laterales exteriores del nanotubo subyacente. En consecuencia, los nanobuds exhiben propiedades tanto de nanotubos de carbono como de fullerenos. Por ejemplo, las propiedades mecánicas y la conductividad eléctrica de los nanobuds son similares a las de los correspondientes nanotubos de carbono. Sin embargo, debido a la mayor reactividad de las moléculas de fullereno unidas, el material híbrido se puede funcionalizar más a través de la química de fullereno conocida. Además, las moléculas de fullereno adjuntas se pueden usar como anclajes moleculares para evitar el deslizamiento de los nanotubos en varios materiales compuestos, modificando así las propiedades mecánicas del compuesto. [2] [3]

Debido al gran número de superficies de fullereno altamente curvadas que actúan como sitios de emisión de electrones en nanotubos de carbono conductores, los nanobuds poseen características ventajosas de emisión de electrones de campo . Ya se ha demostrado que los nanobuds orientados aleatoriamente tienen una función de trabajo extremadamente baja para la emisión de electrones de campo. Las mediciones de prueba informadas muestran umbrales de campo (macroscópicos) de aproximadamente 0,65 V / μm, ( los nanotubos de carbono de pared simple no funcionalizados tienen un umbral de campo macroscópico para la emisión de electrones de campo ~ 2 V / μm) y una densidad de corriente mucho mayor en comparación con eso. de los correspondientes nanotubos de carbono de pared simple puros. [2] Las propiedades de transporte de electrones de ciertas clases de nanobudios se han tratado teóricamente. [4] El estudio muestra que, de hecho, los electrones pasan a la región del cuello y la yema del sistema de nanobudios.

Canatu Oy, una empresa finlandesa, reclama los derechos de propiedad intelectual del material nanobud, sus procesos de síntesis y varias aplicaciones. [5]

Los nanobuds de carbono (CNB) tienen algunas propiedades de los nanotubos de carbono , como conductividad eléctrica unidimensional, flexibilidad y adaptabilidad para la fabricación, al mismo tiempo que tienen algunas propiedades químicas de los fullerenos . Ejemplos de estas propiedades incluyen participar en reacciones de cicloadición y pueden formar fácilmente enlaces químicos capaces de unirse a otras moléculas con estructuras complejas. Los CNB tienen una actividad química mucho más alta que los nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT). [6]

Propiedades electricas

Se ha demostrado que esta nueva estructura tiene propiedades electrónicas que difieren de las de los fullerenos y los nanotubos de carbono (CNT). Los CNB exhiben umbrales de campo más bajos y densidades de corriente más altas y emisión de campo eléctrico que los SWCNT. [7] Los enlaces químicos entre la pared del nanotubo y los fullerenos en la superficie pueden conducir a la transferencia de carga entre las superficies. [7] La presencia de fullerenos en los BNC conduce a la formación de haces más pequeños y a una mayor reactividad química. [7] Los CNB pueden participar en reacciones de cicloadición y formar fácilmente enlaces químicos capaces de unir moléculas con estructuras complejas. esto puede explicarse por una mayor disponibilidad de superficie de CNB para los reactivos, la presencia de estructuras conjugadas en π y tener anillos de 5 átomos con exceso de energía de pirimidización. [8] La energía de formación indicó que la preparación de los BNC es endotérmica, lo que significa que no es favorable para la creación. [9]

Todos los CNB son conductores, independientemente de si el CNT de pared simple es una base metálica o semiconductora . La banda prohibida de los nanobuds de carbono no es constante, puede cambiar según el tamaño del grupo fullereno. [6] El accesorio de C 60 agregado a la orientación del sillón del SWCNT abre la brecha de banda. Por otro lado, agregarlo a un SWCNT semiconductor podría introducir estados de impureza en la banda prohibida, lo que reduciría la banda prohibida. La banda prohibida de los CNB también se puede modificar cambiando la densidad de los carbonos del C 60 adherido a la pared lateral del SWCNT. [10]

Propiedades magnéticas

Los factores geométricos son fundamentales para estudiar las propiedades magnéticas de los nanobuds. Hay dos estructuras de CNB que son ferromagnéticas en su estado fundamental y dos que no son magnéticas. [11] La molécula C 60 adherida a la superficie de los CNT proporciona más espacio entre los nanotubos y la adhesión entre los CNTS de pared simple puede debilitarse para evitar la formación de haces estrechos de CNT. [6] Los nanobuds de carbono se pueden utilizar como soporte molecular para evitar el deslizamiento de la matriz en materiales compuestos y aumentar la resistencia mecánica de los mismos. [7]

Propiedades Estructurales

La estabilidad de los CNB depende del tipo de enlace carbono-carbono que se disocia en la reacción de cicloadición. Se ha demostrado que los átomos de carbono del SWCNT cerca de la molécula de fullereno C 60 se extrajeron de la superficie de la pared original debido al enlace covalente con la reacción de cicloadición entre el fullereno y el nanotubo; además, su unión se transformó de hibridación sp 2 a sp 3 . [7] Un análisis con espectroscopía de dispersión Raman muestra que la muestra de CNB tenía una modificación química más fuerte en comparación con los CNT. Esto indica que hay una hibridación de carbono sp 3 que ocurre después de la creación de adición química de CNB. [6]

Los nanotubos de carbono de pared simple, SWCNT, pueden cubrirse con fullerenos unidos covalentemente (un tipo específico de carbono esferoidal). Esto pudo ocurrir cuando se instituyeron concentraciones de vapor de agua o dióxido de carbono en el reactor. Esta ocurrencia produce un material que se parece a los brotes que se encuentran en la rama de un árbol. Por lo tanto, este es el razonamiento detrás del término nanobud, elegido para el material. [8]

Las concentraciones de vapor del agua y la densidad de los fullerenos se examinaron con mucho más detalle. A 45 ppm y más, los nanobuds comenzaron a formarse en abundancia. Sin embargo, cuando la concentración del agua que se agregó fue de aproximadamente 365 ppm, sucedió algo diferente. En lugar de ser una cantidad significativa de nanobuds, contenía una gran cantidad de partículas de catalizador inactivas. [8]

Existen múltiples métodos que se utilizaron para descubrir los fullerenos en las superficies de nanotubos de carbono de pared simple, cada uno de los cuales aporta su propia contribución a lo que se conoce actualmente sobre nanobuds. Algunos de estos métodos son la espectroscopía ultravioleta-visible (UV-Vis), la microscopía electrónica de transmisión (TEM) y la microscopía de túnel de barrido (STM).

Para profundizar aún más en la funcionalidad de los CNB y en cómo los nanotubos de carbono de pared simple interactúan con los fullerenos para producir los nanobuds, se realizaron cálculos. Los cálculos que se hicieron provinieron de la teoría funcional de la densidad atomística (método de modelado mecánico cuántico) y proporcionaron bastante información sobre la unión que está teniendo lugar. Les dijeron a los científicos que parece haber dos posibilidades de interacción. Una de las posibilidades es que los fullerenos se pueden unir covalentemente a los nanotubos de carbono de pared simple directamente. La otra posibilidad es que los fullerenos estén formando estructuras híbridas. [8]

Independientemente de cómo se unan a los nanotubos de pared simple, los estudios han demostrado que los fullerenos son estacionarios y no parecen querer moverse de la interacción con los nanotubos, concluyendo que el enlace que tienen es muy fuerte. Este estudio se realizó mediante microscopía electrónica de transmisión.

Se realizó otro estudio para ver cómo el lavado de nanobuds en diferentes disolventes, como tolueno , decaline y hexano , afectaría a los fullerenos y su interacción con los nanotubos. De los solventes que se probaron, ninguno resultó en la disolución de fullerenos en el solvente. Esto continúa defendiendo el descubrimiento de que el vínculo entre los dos es significativamente fuerte. En otro estudio adicional que se realizó, se descubrió que cada una de las muestras de nanobudios contenía oxígeno. [2]

La investigación, el desarrollo y la fabricación de componentes electrónicos flexibles y transparentes se basan en materiales novedosos o materiales que son mecánicamente flexibles, ligeros y de coste relativamente bajo. Estos materiales también deben ser conductores y ópticamente transparentes. Debido a su estrecha relación con la familia de los nanotubos de carbono, los NanoBuds de carbono ofrecen todos esos rasgos, así como más debido a su inclusión de fullereno.

Esko Kauppinen, profesor e investigador de la Universidad Tecnológica de Helsinki y la organización de desarrollo tecnológico VTT Biotechnology, y su equipo descubrieron que los NanoBuds de carbono tienen propiedades que a menudo se asocian con emisores de campos de electrones fríos. [12] Dichos materiales emiten electrones a temperatura ambiente bajo un alto campo eléctrico aplicado, una propiedad que es muy importante con respecto a tecnologías como pantallas de pantalla plana y microscopios electrónicos. [12] Los NanoBuds de carbono pueden ser mucho más efectivos que las superficies planas con respecto a la eficiencia con la que pueden emitir electrones. Esto se debe a las muchas superficies curvas tanto del fullereno como del nanotubo de carbono que forman el carbono NanoBud.

Como resultado de la curvatura de los fullerenos y los nanotubos, casi cualquier superficie podría transformarse potencialmente en una superficie con capacidad de detección táctil. Canatu, una empresa que se especializa en productos electrónicos de carbono NanoBud, afirma que las películas que resultan de la síntesis de los NanoBuds son muy resistentes y flexibles. También afirman que los NanoBuds permiten una fácil aplicación en superficies flexibles y curvas. Los NanoBuds pueden mantener sus capacidades electrónicas mientras se doblan hasta en un 200 por ciento. Esta propiedad es el resultado de las superficies redondeadas, que permiten que los NanoBuds se deslicen entre sí sin dañar la estructura electrónica del material. [13] Normalmente, las superficies de las pantallas táctiles se fabrican colocando una hoja de óxido de indio y estaño, también una película transparente, sobre una pantalla. Sin embargo, las láminas de óxido de indio y estaño son muy frágiles como el vidrio y solo se pueden aplicar a superficies relativamente planas para mantener la integridad de la estructura. [13]

Como resultado de su linaje cercano con los nanotubos de carbono, los NanoBuds tienen una conductividad eléctrica sintonizable. [14] Dado que las propiedades eléctricas de los NanoBuds se pueden ajustar individualmente (siempre que los nanotubos de pared única con distintas regiones de diferentes propiedades eléctricas sean parte del NanoBud), según Esko Kauppinen y su equipo, es muy posible que los NanoBuds puedan en algún momento se utilizará en aplicaciones como dispositivos de almacenamiento de memoria y puntos cuánticos. El equipo de Kauppinen sostiene que la conductividad de la estructura cristalina del carbono permite esta aplicación. De hecho, el pequeño tamaño de los nanotubos de carbono y los NanoBuds de carbono, en teoría, permiten una densidad muy alta de almacenamiento de energía. [15] La tecnología de memoria más común asociada con los NanoBuds de carbono es la memoria de acceso aleatorio Nano (NRAM) o Nano-RAM. Esta tecnología es un tipo de memoria de acceso aleatorio no volátil, pero se basa en la posición de los nanotubos de carbono, o en este caso, NanoBuds de carbono en un sustrato tipo chip. [15] Su empresa desarrolladora Nantero le da su nombre común, NRAM. En comparación con otras formas de memoria de acceso aleatorio no volátil, NanoRAM tiene varias ventajas, pero una realmente se destaca. Se cree que NRAM se encuentra dentro de una variedad de nuevos sistemas de memoria, una variedad que mucha gente cree que es universal. Nantero afirma que Nano-RAM (NRAM) podría eventualmente reemplazar casi todos los sistemas de memoria desde flash hasta DRAM y SRAM.

  • Nanobud

  1. ^ a b c Gorantla, Sandeep; Börrnert, Felix; Bachmatiuk, Alicja; Dimitrakopoulou, Maria; Schönfelder, Ronny; Schäffel, Franziska; Thomas, Jürgen; Gemming, Thomas; Borowiak-Palen, Ewa; Warner, Jamie H .; Yakobson, Boris I .; Eckert, Jürgen; Büchner, Bernd; Rümmeli, Mark H. (2010). "Observaciones in situ de fusión y eyección de fullereno en nanotubos de carbono". Nanoescala . 2 (10): 2077. Bibcode : 2010Nanos ... 2.2077G . doi : 10.1039 / C0NR00426J . PMID  20714658 .
  2. ^ a b c Nasibulin, Albert G .; et al. (2007). "Un nuevo material de carbono híbrido" (PDF) . Nanotecnología de la naturaleza . 2 (3): 156-161. Código Bibliográfico : 2007NatNa ... 2..156N . doi : 10.1038 / nnano.2007.37 . PMID  18654245 . Archivado desde el original (PDF) el 26 de febrero de 2012 . Consultado el 31 de agosto de 2009 .
  3. ^ Nasibulin, Albert G .; et al. (2007). "Investigaciones de la formación de NanoBud" (PDF) . Letras de física química . 446 : 109-114. Código Bibliográfico : 2007CPL ... 446..109N . doi : 10.1016 / j.cplett.2007.08.050 . Archivado desde el original (PDF) el 20 de julio de 2011 . Consultado el 31 de agosto de 2009 .
  4. ^ Fürst, Joachim A .; et al. (2009). "Propiedades de transporte electrónico de nanotubos de carbono funcionalizados con fullereno: cálculos ab initio y de unión estrecha" (PDF) . Physical Review B . 80 (3): 115117. doi : 10.1103 / PhysRevB.80.035427 .
  5. ^ "Oficina Europea de Patentes: buscar CANATU" . Consultado el 3 de junio de 2010 .
  6. ^ a b c d Albert G. Nasibulin Ilya V. Anoshkin, Prasantha R. Mudimela, Janne Raula, Vladimir Ermolov, Esko I. Kauppinen, "Funcionalización química selectiva de nanobuds de carbono", Carbon 50, no. 11 (2012).
  7. ^ a b c d e Ahangari, M. Ghorbanzadeh; Ganji, MD; Montazar, F. (2015). "Propiedades mecánicas y electrónicas de nanobuds de carbono: estudio de primeros principios". Comunicaciones de estado sólido . 203 : 58–62.
  8. ↑ a b c d Anisimov, Anton. "Síntesis en aerosol de nanotubos y nanobuds de carbono". (2010).
  9. ^ Seif, A .; Zahedi, E .; Ahmadi, TS (2011). "Un estudio Dft de nanobuds de carbono". El Diario Europea de Física B . 82 (2): 147–52.
  10. ^ Xiaojun Wu y Xiao Cheng Zeng, "Estudio de los primeros principios de un Nanobud de carbono", ACS Nano 2, no. 7 (2008)
  11. ^ Min Wang y Chang Ming Li, "Propiedades magnéticas de nanobuds de grafeno-fullereno totalmente de carbono", Física Química Química Física 13, no. 13 (2011).
  12. ^ a b Clarke, Peter (21 de noviembre de 2014). "Los 'nanobuds' de carbono permiten sensores táctiles transparentes en superficies 3D" . Eenewsanalog.com .
  13. ^ a b Bullis, Kevin (11 de diciembre de 2014). "Startup Tests Nanobud Touch Sensors" . Revisión de tecnología del MIT .
  14. ^ Mgrdichian, Laura (30 de marzo de 2007). "Nuevo Nanomaterial, NanoBuds, Combina fullerenos y ..."
  15. ^ a b "Electrónica" . Nanotechmag.com .