Las nanofibras de carbono (CNF) , las fibras de carbono cultivadas con vapor (VGCF) o las nanofibras de carbono cultivadas con vapor (VGCNF) son nanoestructuras cilíndricas con capas de grafeno dispuestas como conos , tazas o placas apiladas . Las nanofibras de carbono con capas de grafeno envueltas en cilindros perfectos se denominan nanotubos de carbono .
Introducción
El carbono tiene un alto nivel de flexibilidad de enlaces químicos, lo que se presta a la formación de una serie de moléculas orgánicas e inorgánicas estables . El carbono elemental tiene una serie de alótropos (variantes) que incluyen diamante , grafito y fullerenos . [2] Aunque todos consisten en carbono elemental, sus propiedades varían ampliamente. Esto subraya la versatilidad de los CNF, que se destacan por sus mejoras térmicas, eléctricas, de protección electromagnética y propiedades mecánicas. [3] Como el carbono está fácilmente disponible a bajo costo, los CNF son aditivos populares para los materiales compuestos . [4] Los CNF son muy pequeños y existen a escala nanométrica . Un átomo está entre 0,1 y 0,5 nm, por lo que se requieren técnicas microscópicas especializadas como la microscopía de túnel de barrido y la microscopía de fuerza atómica para examinar las propiedades de los CNF. [ cita requerida ]
Síntesis
La deposición de vapor químico catalítico (CCVD) o simplemente CVD con variantes como térmica y asistida por plasma es la técnica comercial dominante para la fabricación de VGCF y VGCNF. Aquí, las moléculas en fase gaseosa se descomponen a altas temperaturas y el carbono se deposita en presencia de un catalizador de metal de transición sobre un sustrato donde se realiza el crecimiento posterior de la fibra alrededor de las partículas del catalizador. En general, este proceso implica etapas separadas como descomposición de gas, deposición de carbono, crecimiento de fibra, espesamiento de fibra, grafitización y purificación y da como resultado fibras huecas. El diámetro de la nanofibra depende del tamaño del catalizador. El proceso de CVD para la fabricación de VGCF generalmente se divide en dos categorías: [5] 1) proceso de catalizador fijo (lote) y 2) proceso de catalizador flotante (continuo).
En el proceso discontinuo desarrollado por Tibbetts, [6] se pasó una mezcla de hidrocarburo / hidrógeno / helio sobre una mullita (silicato de aluminio cristalino) con depósitos finos de partículas de catalizador de hierro mantenidos a 1000 ° C. El hidrocarburo utilizado fue metano en una concentración del 15% en volumen. El crecimiento de la fibra en varios centímetros se logró en solo 10 minutos con un tiempo de residencia del gas de 20 segundos. En general, la longitud de la fibra puede controlarse mediante el tiempo de residencia del gas en el reactor. La gravedad y la dirección del flujo de gas afectan típicamente la dirección del crecimiento de la fibra. [5]
El proceso de catalizador continuo o flotante fue patentado anteriormente por Koyama y Endo [7] y luego fue modificado por Hatano y colaboradores. [8] Este proceso produce típicamente VGCF con diámetros submicrométricos y longitudes de unos pocos a 100 µm , lo que concuerda con la definición de nanofibras de carbono. Utilizaron compuestos organometálicos disueltos en un disolvente volátil como el benceno que produciría una mezcla de partículas de catalizador ultrafinas (de 5 a 25 nm de diámetro) en gas hidrocarburo a medida que la temperatura aumentaba a 1100 ° C. En el horno, el crecimiento de la fibra se inicia en la superficie de las partículas de catalizador y continúa hasta que ocurre el envenenamiento del catalizador por impurezas en el sistema. En el mecanismo de crecimiento de la fibra descrito por Baker y colaboradores, [9] solo la parte de la partícula de catalizador expuesta a la mezcla de gases contribuye al crecimiento de la fibra y el crecimiento se detiene tan pronto como la parte expuesta se cubre, es decir, el catalizador se envenena. La partícula de catalizador permanece enterrada en la punta de crecimiento de la fibra a una concentración final de unas pocas partes por millón. En esta etapa, tiene lugar el engrosamiento de la fibra. [ cita requerida ]
El catalizador más comúnmente utilizado es el hierro , a menudo tratado con azufre , sulfuro de hidrógeno , etc. para reducir el punto de fusión y facilitar su penetración en los poros del carbono y, por tanto, producir más sitios de crecimiento. [2] Fe / Ni, Ni, Co, Mn, Cu, V, Cr, Mo, Pd, MgO y Al 2 O 3 también se utilizan como catalizador. [10] [11] El acetileno , etileno , metano , gas natural y benceno son los gases carbonosos más utilizados. A menudo, se introduce monóxido de carbono (CO) en el flujo de gas para aumentar el rendimiento de carbono mediante la reducción de posibles óxidos de hierro en el sistema. [ cita requerida ]
En 2017, un grupo de investigación de la Universidad de Tsinghua informó sobre el crecimiento epytixial de nanofibras de carbono alineadas, continuas y sin catalizador a partir de una plantilla de nanotubos de carbono . El proceso de fabricación incluye el espesamiento de películas continuas de nanotubos de carbono mediante deposición de carbono pirolítico en fase gaseosa y una mayor grafitización de la capa de carbono mediante tratamiento a alta temperatura. Debido al mecanismo de crecimiento epitaxial, la fibra presenta propiedades superiores que incluyen baja densidad, alta resistencia mecánica, alta conductividad eléctrica y alta conductividad térmica. [12]
Seguridad
La Occupational Safety and Health Act (Estados Unidos) (1970) fue una fuerza impulsora detrás de muchos de los cambios realizados con respecto a la seguridad en el lugar de trabajo durante las últimas décadas. Un pequeño grupo de las numerosas sustancias a ser reguladas por esta ley son las nanofibras de carbono (CNF). Si bien todavía es un área activa de investigación, se han realizado estudios que indican riesgos para la salud asociados con los nanotubos de carbono (CNT) y CNF que presentan mayores peligros que sus contrapartes a granel. Uno de los principales peligros asociados con el CNT y el CNF es el daño respiratorio, como inflamación pulmonar, granuloma y fibrosis. Sin embargo, es importante señalar que estos hallazgos se observaron en ratones y que actualmente se desconoce si se observarían los mismos efectos en humanos. No obstante, estos estudios han dado lugar a un intento de minimizar la exposición a estas nanopartículas . [13]
Un estudio separado realizado antes de la reunión anual de la Sociedad de Toxicología de 2013 tuvo como objetivo identificar los posibles efectos cancerígenos asociados con los nanotubos de carbono de paredes múltiples (MWCNT). Los hallazgos indicaron que, en presencia de un químico iniciador, los MWCNT causaron una incidencia mucho mayor de tumores en ratones. Sin embargo, no hubo indicios de una mayor presencia de tumores en ausencia de la sustancia química iniciadora. Se necesitan más estudios para este escenario. [13]
Uno de los principales obstáculos para identificar los peligros asociados con la CNF es la diversidad de fibras que existen. Algunos de los factores que contribuyen a esta diversidad incluyen la forma, el tamaño y la composición química. Una norma de exposición (2015) establece que el límite aceptable para la exposición a CNT y CNF es 1 μg / m 3 de carbono elemental de fracción de tamaño respirable (promedio ponderado en el tiempo de 8 horas). Este estándar se basó en información recopilada de 14 sitios cuyas muestras fueron analizadas por microscopía electrónica de transmisión (TEM). [14]
Una hoja de datos de seguridad (SDS) reciente para CNF (revisada en 2016) enumera las nanofibras como irritantes para los ojos y establece que tienen toxicidad de órganos del sistema respiratorio de exposición única. Los CNF más pequeños poseen un mayor potencial para formar nubes de polvo al manipularlos. Como tal, se debe tener mucho cuidado al manipular CNF. El equipo de protección personal (EPP) recomendado para la manipulación de CNF incluye guantes de nitrilo, respiradores de partículas y ropa impermeable a los nanomateriales (según las condiciones del lugar de trabajo). Además de los controles de exposición mientras se trabaja con el CNF, las condiciones de almacenamiento seguras también son importantes para minimizar el riesgo asociado con el CNF. El almacenamiento seguro de CNF implica almacenar las fibras lejos de agentes oxidantes y llamas abiertas. En condiciones de incendio, los CNF forman productos de descomposición peligrosos, aunque actualmente no se conoce la naturaleza exacta de estos productos de descomposición. Aparte de la carcinogenicidad y la toxicidad orgánica, los datos toxicológicos de la CNF son actualmente bastante limitados. [15]
Aplicaciones
- Los investigadores están utilizando nanofibras para administrar fármacos terapéuticos. Han desarrollado un material elástico que está incrustado con agujas como nanofibras de carbono. El material está destinado a ser utilizado como globos que se insertan junto al tejido enfermo y luego se inflan. Cuando el globo se infla con el carbono, las nanofibras penetran en las células enfermas y administran fármacos terapéuticos. Los investigadores del MIT han utilizado nanofibras de carbono para fabricar electrodos de baterías de iones de litio que muestran cuatro veces la capacidad de almacenamiento de las baterías de iones de litio actuales . Los investigadores están utilizando nanofibras para fabricar sensores que cambian de color a medida que absorben los vapores químicos. Planean usar estos sensores para mostrar cuándo se satura el material absorbente en una máscara de gas. [dieciséis]
- La estructura única de estas nanofibras de carbono porosas dio como resultado un buen rendimiento electroquímico, como una alta capacidad reversible y una buena estabilidad de ciclo cuando se utilizaron como ánodos para baterías recargables de iones de litio . [17]
- Un mayor desarrollo del mercado dependerá de la disponibilidad de material a precios razonables. Hemos logrado capacidades de producción a granel de nanofibras de carbono (CNF) de alta pureza a bajo costo mediante un proceso de deposición de vapor químico catalítico (CCVD). [4]
- A diferencia de la síntesis catalítica, el poliacrilonitrilo (PAN) por electrohilado seguido de estabilización y carbonización se ha convertido en una ruta sencilla y conveniente para producir nanofibras de carbono continuas. [18]
- Fuentes de emisión de electrones de campo
- La emisión de campo de electrones (también conocida como emisión de campo (FE) y emisión de campo de electrones) es la emisión de electrones inducida por un campo electrostático. El contexto más común es la emisión de campo desde una superficie sólida al vacío. Sin embargo, la emisión de campo puede tener lugar desde superficies sólidas o líquidas, hacia el vacío, el aire, un fluido o cualquier dieléctrico no conductor o débilmente conductor. La promoción de electrones inducida por el campo desde la valencia hasta la banda de conducción de los semiconductores (el efecto Zener) también puede considerarse como una forma de emisión de campo. [19]
- Materiales compuestos
- Puntas de microscopía de sonda de barrido
- La microscopía de sonda de barrido (SPM) es una rama de la microscopía que forma imágenes de superficies utilizando una sonda física que escanea la muestra. [20]
- Material portador para varios catalizadores en petroquímica.
- En matrices alineadas verticalmente, una plataforma para la entrega de genes . (Ver Empalefección )
- La impalefección es un método de entrega de genes que utiliza nanomateriales, como nanofibras de carbono, nanotubos de carbono, nanocables. Las nanoestructuras en forma de aguja se sintetizan perpendicularmente a la superficie de un sustrato. El ADN plasmídico que contiene el gen, destinado a la administración intracelular, se une a la superficie de la nanoestructura. A continuación, se presiona un chip con matrices de estas agujas contra las células o el tejido. Las células que están empaladas por nanoestructuras pueden expresar los genes entregados. [21]
- Para materiales de electrodos [22]
- Remediación de derrames de petróleo
- Remediación de derrames de petróleo: el proceso para la fabricación de un material compuesto de carbono-carbono comprende las etapas de tratar un material portador carbonoso con un material catalizador que contiene metal. El metal es capaz de formar estructuras de carbono nanométricas y hacer crecer estructuras de carbono nanométricas por medio de un método de deposición de vapor químico sobre el portador tratado en una atmósfera de gas que comprende un gas que contiene carbono, seguido de una etapa opcional de modificación de la superficie. Este proceso permite optimizar la porosidad, las propiedades hidrodinámicas y la química de la superficie de forma independiente entre sí, lo que es particularmente beneficioso con respecto al uso del compuesto para la purificación de agua. Los compuestos a base de negro de humo son particularmente útiles para aplicaciones de relleno. [23]
Historia
Uno de los primeros registros técnicos sobre nanofibras de carbono es probablemente una patente de 1889 sobre síntesis de carbono filamentoso de Hughes y Chambers. [24] Utilizaron una mezcla gaseosa de metano / hidrógeno y desarrollaron filamentos de carbono a través de la pirólisis de gas y la posterior deposición de carbono y crecimiento de filamentos. Sin embargo, la verdadera apreciación de estas fibras llegó mucho más tarde, cuando su estructura pudo analizarse mediante microscopía electrónica . [2] Las primeras observaciones de microscopía electrónica de nanofibras de carbono fueron realizadas a principios de la década de 1950 por los científicos soviéticos Radushkevich y Lukyanovich, quienes publicaron un artículo en el Soviet Journal of Physical Chemistry que mostraba fibras huecas de carbono grafítico de 50 nanómetros de diámetro. [25] A principios de la década de 1970, los investigadores japoneses Morinobu Endo , ahora director del Instituto de Ciencia y Tecnología del Carbono de la Universidad de Shinshu , informaron del descubrimiento de nanofibras de carbono, incluso que algunas tenían forma de tubos huecos. [26] También logró la fabricación de VGCF con un diámetro de 1 µm y una longitud superior a 1 mm. [27] Más tarde, a principios de la década de 1980, Tibbetts [6] en EE. UU. Y Benissad [28] en Francia continuaron perfeccionando el proceso de fabricación de VGCF. En los EE. UU., R. Terry K. Baker dirigió los estudios más profundos centrados en la síntesis y las propiedades de estos materiales para aplicaciones avanzadas. [ cita requerida ] Estaban motivados por la necesidad de inhibir el crecimiento de nanofibras de carbono debido a los problemas persistentes causados por la acumulación del material en una variedad de procesos comerciales, especialmente en el campo particular del procesamiento del petróleo. En 1991, los investigadores japoneses Sumio Iijima , mientras trabajaban en NEC , sintetizaron moléculas de carbono huecas y determinaron su estructura cristalina. Al año siguiente, estas moléculas se llamaron " nanotubos de carbono " por primera vez. [29] El VGCNF se produce esencialmente mediante el mismo proceso de fabricación que el VGCF, solo que el diámetro suele ser inferior a 200 nm. Varias empresas de todo el mundo participan activamente en la producción a escala comercial de nanofibras de carbono y se están desarrollando nuevas aplicaciones de ingeniería para estos materiales de forma intensiva, siendo la última un compuesto poroso con nanofibras de carbono para la remediación de derrames de petróleo. [30]
Ver también
- Alótropos de carbono
- Nanotubos de carbon
- Negro carbón
- Nanocone de carbono
- Fibra de carbon
- Impalefection , un método de transfección celular que utiliza nanofibras de carbono
Referencias
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