Nanotubo de carbono

Alótropos de carbono con nanoestructura cilíndrica

No confundir con fibras de carbono .

Una imagen de microscopía de túnel de barrido de un nanotubo de carbono de pared simple.

Nanotubo de carbono en zigzag de pared simple giratorio

Parte de una serie de artículos sobre
Nanomateriales
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Los nanotubos de carbono (CNT) son tubos hechos de carbono con diámetros normalmente medidos en nanómetros .

Los nanotubos de carbono a menudo se refieren a nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT) con diámetros en el rango de un nanómetro. Fueron descubiertos de forma independiente en 1991 por Iijima e Ichihashi ^[1] y Bethune et al. ^[2] en cámaras de arco de carbono similares a las que se utilizan para producir fullerenos . Los nanotubos de carbono de pared simple son uno de los alótropos del carbono , intermedio entre las jaulas de fullereno y el grafeno plano .

Aunque no se fabrican de esta manera, los nanotubos de carbono de pared simple se pueden idealizar como recortes de una red hexagonal bidimensional de átomos de carbono enrollados a lo largo de uno de los vectores de red de Bravais de la red hexagonal para formar un cilindro hueco. En esta construcción, se imponen condiciones de contorno periódicas sobre la longitud de este vector enrollable para producir una red helicoidal de átomos de carbono unidos sin problemas en la superficie del cilindro. ^[3]

Los nanotubos de carbono también se refieren a menudo a nanotubos de carbono de paredes múltiples (MWCNT) que consisten en nanotubos de carbono de pared única anidados ^[3] unidos débilmente por interacciones de van der Waals en una estructura similar a un anillo de árbol. Si no son idénticos, estos tubos son muy similares a las largas capas de carbono rectas y paralelas de Oberlin, Endo y Koyama dispuestas cilíndricamente alrededor de un tubo hueco. ^[4] Los nanotubos de carbono de paredes múltiples también se utilizan a veces para referirse a los nanotubos de carbono de pared doble y triple.

Los nanotubos de carbono también pueden referirse a tubos con una estructura de pared de carbono indeterminada y diámetros inferiores a 100 nanómetros. Estos tubos fueron descubiertos en 1952 por Radushkevich y Lukyanovich. ^{[5] [6]}

Si bien existen nanotubos de otras composiciones , la mayor parte de la investigación se ha centrado en los de carbono. Por lo tanto, el calificativo "carbono" a menudo se deja implícito en los acrónimos y los nombres se abrevian NT , SWNT y MWNT .

La longitud de un nanotubo de carbono producido mediante métodos de producción comunes a menudo no se informa, pero suele ser mucho mayor que su diámetro. Por lo tanto, para muchos propósitos, se ignoran los efectos finales y se supone que la longitud de los nanotubos de carbono es infinita.

Los nanotubos de carbono pueden exhibir una conductividad eléctrica notable , ^{[7] [8]} mientras que otros son semiconductores . ^{[9] [10]} También tienen una excepcional resistencia a la tracción ^[11] y conductividad térmica ^{[12] [13]} debido a su nanoestructura y la fuerza de los enlaces entre los átomos de carbono. Además, pueden modificarse químicamente. ^[14] Se espera que estas propiedades sean valiosas en muchas áreas de la tecnología, como electrónica , óptica , materiales compuestos.(reemplazando o complementando fibras de carbono ), nanotecnología y otras aplicaciones de la ciencia de los materiales .

Al enrollar una red hexagonal en diferentes direcciones para formar diferentes nanotubos de carbono de pared única infinitamente largos, se muestra que todos estos tubos no solo tienen simetría helicoidal sino también de traslación a lo largo del eje del tubo y muchos también tienen simetría rotacional no trivial alrededor de este eje. Además, la mayoría son quirales , lo que significa que el tubo y su imagen especular no se pueden superponer. Esta construcción también permite que los nanotubos de carbono de pared simple se etiqueten con un par de números enteros. ^[9]

Un grupo especial de nanotubos de carbono de pared simple aquirales son metálicos , ^[7] pero el resto son semiconductores de banda prohibida pequeños o moderados . ^[9] Sin embargo, estas propiedades eléctricas no dependen de si la celosía hexagonal está enrollada de atrás hacia adelante o de adelante hacia atrás y, por lo tanto, son las mismas para el tubo y su imagen especular. ^[9]

Estructura de tubos de pared simple

La estructura de un nanotubo de carbono de pared simple ideal (infinitamente largo) es la de una red hexagonal regular dibujada sobre una superficie cilíndrica infinita , cuyos vértices son las posiciones de los átomos de carbono. Dado que la longitud de los enlaces carbono-carbono es bastante fija, existen limitaciones en el diámetro del cilindro y la disposición de los átomos en él. ^[15]

Las configuraciones en zigzag y sillón

En el estudio de los nanotubos, se define un camino en zigzag en una red similar al grafeno como un camino que gira 60 grados, alternando de izquierda a derecha, después de atravesar cada enlace. También es convencional definir un camino de sillón como uno que hace dos giros a la izquierda de 60 grados seguidos de dos giros a la derecha cada cuatro pasos.

En algunos nanotubos de carbono, hay un camino en zigzag cerrado que rodea el tubo. Se dice que el tubo es del tipo o configuración en zigzag , o simplemente es un nanotubo en zigzag . Si, en cambio, el tubo está rodeado por un camino de sillón cerrado, se dice que es del tipo de sillón o un nanotubo de sillón .

Nanotubo en zigzag, configuración (8, 0)

Sillón nanotubo, configuración (4, 4)

Un nanotubo infinito que es del tipo zigzag (o sillón) consiste enteramente en caminos cerrados en zigzag (o sillón), conectados entre sí.

La notación ( n , m )

Una representación "cortada y desenrollada" de un nanotubo de carbono como una tira de una molécula de grafeno, superpuesta en el diagrama de la molécula completa (fondo tenue). La flecha muestra el espacio A2 donde el átomo A1 en un borde de la tira encajaría en el borde opuesto, mientras la tira se enrolla.

Las configuraciones en zigzag y sillón no son las únicas estructuras que puede tener un nanotubo de pared simple. Para describir la estructura de un tubo general infinitamente largo, uno debería imaginarlo abierto por un corte paralelo a su eje, que atraviesa algún átomo A , y luego desenrollado plano en el plano, de modo que sus átomos y enlaces coincidan con aquellos. de una hoja de grafeno imaginaria, más precisamente, con una tira infinitamente larga de esa hoja.

Las dos mitades del átomo A terminarán en bordes opuestos de la tira, sobre dos átomos A1 y A2 del grafeno. La línea de A1 a A2 corresponderá a la circunferencia del cilindro que pasó por el átomo A , y será perpendicular a los bordes de la tira.

En la red de grafeno, los átomos se pueden dividir en dos clases, dependiendo de las direcciones de sus tres enlaces. La mitad de los átomos tienen sus tres enlaces dirigidos de la misma manera y la mitad tiene sus tres enlaces rotados 180 grados con respecto a la primera mitad. Los átomos A1 y A2 , que corresponden al mismo átomo A en el cilindro, deben pertenecer a la misma clase.

De ello se deduce que la circunferencia del tubo y el ángulo de la tira no son arbitrarios, porque están restringidos a las longitudes y direcciones de las líneas que conectan pares de átomos de grafeno en la misma clase.

Los vectores de la base U y V de la sub-red relevante, los pares (n, m) que definen estructuras de nanotubos de carbono no isomorfos (puntos rojos), y los pares que definen los enantiómeros de los quirales (puntos azules).

Deje que u y v dos linealmente independientes vectores que conectan el átomo de grafeno A1 a dos de sus átomos más próximos con las mismas direcciones de bonos. Es decir, si se numeran carbonos consecutivos alrededor de una celda de grafeno con C1 a C6, entonces u puede ser el vector de C1 a C3, yv ser el vector de C1 a C5. Entonces, para cualquier otro átomo A2 con misma clase que A1 , el vector de A1 a A2 puede ser escrita como una combinación lineal n u + m v , donde n y mson enteros. Y, a la inversa, cada par de números enteros ( n , m ) define una posible posición para A2 . ^[15]

Dado n y m , se puede invertir esta operación teórica dibujando el vector w en la celosía grafeno, cortar una tira de este último a lo largo de líneas perpendiculares a w a través de sus puntos finales A1 y A2 , y rodando la tira en un cilindro a fin de ajustarlas esos dos puntos juntos. Si esta construcción se aplica a un par ( k , 0), el resultado es un nanotubo en zigzag, con trayectorias en zigzag cerradas de 2 k átomos. Si se aplica a un par ( k , k ), se obtiene un tubo de sillón, con recorridos de sillón cerrados de 4 k átomos.

Tipos de nanotubos

Además, la estructura del nanotubo no cambia si la tira se gira 60 grados en el sentido de las agujas del reloj alrededor de A1 antes de aplicar la reconstrucción hipotética anterior. Tal rotación cambia el par correspondiente ( n , m ) al par (-2 m , n + m ).

De ello se deduce que muchas posiciones posibles de A2 en relación con A1 , es decir, muchos pares ( n , m ), corresponden a la misma disposición de átomos en el nanotubo. Ese es el caso, por ejemplo, de los seis pares (1,2), (−2,3), (−3,1), (−1, −2), (2, −3) y (3 , −1). En particular, los pares ( k , 0) y (0, k ) describen la misma geometría de nanotubos.

Estas redundancias pueden evitarse considerando solo pares ( n , m ) tales que n > 0 ym ≥ 0; es decir, donde la dirección del vector w se encuentra entre las de u (inclusive) y v (exclusivo). Se puede verificar que cada nanotubo tiene exactamente un par ( n , m ) que cumple esas condiciones, lo que se denomina tipo de tubo . Por el contrario, para cada tipo hay un nanotubo hipotético. De hecho, dos nanotubos tienen el mismo tipo si y solo si uno se puede rotar y trasladar conceptualmente para que coincida exactamente con el otro.

En lugar del tipo ( n , m ), la estructura de un nanotubo de carbono se puede especificar dando la longitud del vector w (es decir, la circunferencia del nanotubo) y el ángulo α entre las direcciones de u y w , que puede oscilar entre 0 (inclusive) y 60 grados en el sentido de las agujas del reloj (exclusivo). Si el diagrama se dibuja con u horizontal, esta última es la inclinación de la tira alejándose de la vertical.

Aquí hay algunos diagramas de nanotubos desenrollados:

• Nanotubo quiral del tipo (3,1).

• Nanotubo quiral del tipo (1,3), imagen especular del tipo (3,1).

• Nanotubo del tipo (2,2), el "sillón" más estrecho

• Nanotubo del tipo (3,0), el más estrecho en "zigzag"

Quiralidad y simetría especular

Un nanotubo es quiral si tiene tipo ( n , m ), con m > 0 y m ≠ n ; entonces su enantiómero (imagen especular) tiene el tipo ( m , n ), que es diferente de ( n , m ). Esta operación corresponde a reflejar la tira desenrollada sobre la línea L a A1 que forma un ángulo de 30 grados en el sentido de las agujas del reloj desde la dirección del vector u (es decir, con la dirección del vector u + v ). Los únicos tipos de nanotubos que son aquiralesson los tubos ( k , 0) "zigzag" y los tubos ( k , k ) "sillón".

Si dos enantiómeros se consideran la misma estructura, a continuación, uno puede considerar sólo tipos ( n , m ) con 0 ≤ m ≤ n y n > 0. Entonces el ángulo α entre u y w , que puede variar de 0 a 30 grados (ambos inclusive), se denomina "ángulo quiral" del nanotubo.

Circunferencia y diámetro

De n y m también se puede calcular la circunferencia c , que es la longitud del vector w , que resulta ser

${\displaystyle c=\left|{\boldsymbol {u}}\right|{\sqrt {(n^{2}+nm+m^{2})}}\approx 246{\sqrt {((n+m)^{2}-nm)}}}$

en picómetros . El diámetro del tubo es entonces , es decir${\displaystyle d}$${\displaystyle c/\pi }$

${\displaystyle d\approx 78.3{\sqrt {((n+m)^{2}-nm)}}}$

también en picómetros. (Estas fórmulas son solo aproximadas, especialmente para n y m pequeños donde los enlaces están tensos; y no tienen en cuenta el grosor de la pared).

El ángulo de inclinación α entre u y w y la circunferencia c están relacionados con los índices de tipo n y m por

${\displaystyle \alpha \;=\;\arg(n+m/2,\,m{\sqrt {3}}/2)\;=\;\mathop {\mathrm {arc} } \cos {\frac {n+m/2}{c}}}$

donde arg ( x , y ) es el ángulo en el sentido de las agujas del reloj entre el eje X y el vector ( x , y ); una función que está disponible en muchos lenguajes de programación como atan2( y , x ). A la inversa, dado c y α , se puede obtener el tipo ( n , m ) por las fórmulas

${\displaystyle m={\frac {2c}{\sqrt {3}}}\sin \alpha \quad \quad n=c\cos \alpha -{\frac {m}{2}}}$

que debe evaluar a números enteros.

Límites físicos

Nanotubos más estrechos

Si n y m son demasiado pequeñas, la estructura descrita por el par ( n , m ) será describir una molécula que no puede ser razonablemente llama un "tubo", y puede incluso no ser estable. Por ejemplo, la estructura teóricamente descrita por el par (1,0) (el tipo "zigzag" limitante) sería solo una cadena de carbonos. Esa es una molécula real, el carbino ; que tiene algunas características de los nanotubos (como hibridación orbital, alta resistencia a la tracción, etc.), pero no tiene espacio hueco y es posible que no se pueda obtener como fase condensada. El par (2,0) teóricamente produciría una cadena de 4 ciclos fusionados; y (1,1), la estructura de "sillón" limitante, produciría una cadena de 4 anillos biconectados. Estas estructuras pueden no ser realizables.

El nanotubo de carbono más delgado propiamente dicho es la estructura del sillón con el tipo (2,2), que tiene un diámetro de 0,3 nm. Este nanotubo se cultivó dentro de un nanotubo de carbono de paredes múltiples. La asignación del tipo de nanotubos de carbono se realizó mediante una combinación de microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM), espectroscopía Raman y cálculos de teoría funcional de densidad (DFT). ^[dieciséis]

El nanotubo de carbono de pared simple independiente más delgado tiene aproximadamente 0,43 nm de diámetro. ^{[17] Los} investigadores sugirieron que puede ser (5,1) o (4,2) SWCNT, pero el tipo exacto de nanotubo de carbono sigue siendo cuestionable. ^[18] (3,3), (4,3) y (5,1) nanotubos de carbono (todos de aproximadamente 0,4 nm de diámetro) se identificaron sin ambigüedades utilizando microscopía electrónica de transmisión de alta resolución con corrección de aberraciones dentro de CNT de doble pared. ^[19]

A continuación, se muestran algunos tipos de tubos que están "degenerados" por ser demasiado estrechos:

• Tipo de tubo en "zigzag" degenerado (1,0)

• Tipo de tubo en "zigzag" degenerado (2,0)

• Tipo de tubo "sillón" degenerado (1,1)

• Tipo de tubo quiral posiblemente degenerado (2,1)

Longitud

Cicloparafenileno

La observación de los nanotubos de carbono más largos cultivados hasta ahora, alrededor de 1/2 metro (550 mm de largo), se informó en 2013. ^[20] Estos nanotubos se cultivaron en sustratos de silicio utilizando un método mejorado de deposición química de vapor (CVD) y representan eléctricamente matrices uniformes de nanotubos de carbono de pared simple. ^[21]

Se puede considerar que el nanotubo de carbono más corto es el compuesto orgánico cicloparanfenileno , que fue sintetizado en 2008 por Ramesh Jasti . ^[22] Desde entonces se han sintetizado otros nanotubos de carbono de moléculas pequeñas. ^[23]

Densidad

La densidad más alta de CNT se logró en 2013, cultivado en una superficie de cobre recubierta de titanio conductor que se recubrió con co-catalizadores de cobalto y molibdeno a temperaturas más bajas que las típicas de 450 ° C. Los tubos tenían una altura promedio de 380 nm y una densidad de masa de 1,6 g cm ⁻³ . El material mostró conductividad óhmica (resistencia más baja ∼22 kΩ). ^{[24] [25]}

Variantes

No hay consenso sobre algunos términos que describen los nanotubos de carbono en la literatura científica: tanto "-wall" como "-wallled" se utilizan en combinación con "single", "double", "triple" o "multi", y la letra C a menudo se omite en la abreviatura, por ejemplo, nanotubos de carbono de paredes múltiples (MWNT). La Organización Internacional de Normalización utiliza paredes simples o multipared en sus documentos.

De paredes múltiples

Sillón de triple pared de nanotubos de carbono

Los nanotubos de paredes múltiples (MWNT) consisten en múltiples capas enrolladas (tubos concéntricos) de grafeno. Hay dos modelos que pueden usarse para describir las estructuras de nanotubos de paredes múltiples. En el modelo Russian Doll , las láminas de grafito están dispuestas en cilindros concéntricos, por ejemplo, un nanotubo de pared simple (0,8) (SWNT) dentro de un nanotubo de pared simple más grande (0,17). En el pergaminomodelo, una sola hoja de grafito se enrolla sobre sí misma, asemejándose a un rollo de pergamino o un periódico enrollado. La distancia entre capas en los nanotubos de paredes múltiples está cerca de la distancia entre las capas de grafeno en el grafito, aproximadamente 3,4 Å. La estructura de la muñeca rusa se observa con mayor frecuencia. Sus carcasas individuales pueden describirse como SWNT, que pueden ser metálicas o semiconductoras. Debido a la probabilidad estadística y las restricciones sobre los diámetros relativos de los tubos individuales, una de las carcasas, y por lo tanto todo el MWNT, suele ser un metal de espacio cero. ^[26]

Los nanotubos de carbono de doble pared (DWNT) forman una clase especial de nanotubos porque su morfología y propiedades son similares a las de los SWNT, pero son más resistentes a los productos químicos. ^{[ cita requerida ]} Esto es especialmente importante cuando es necesario injertar funciones químicas en la superficie de los nanotubos ( funcionalización ) para agregar propiedades al CNT. La funcionalización covalente de los SWNT romperá algunos enlaces dobles C = C , dejando "agujeros" en la estructura del nanotubo y modificando así sus propiedades mecánicas y eléctricas. En el caso de DWNT, solo se modifica el muro exterior. La síntesis de DWNT en escala de gramos mediante la técnica CCVD se propuso por primera vez en 2003^[27] de la reducción selectiva de soluciones de óxidos en metano e hidrógeno.

La capacidad de movimiento telescópico de las carcasas internas ^[28] y sus propiedades mecánicas únicas ^[29] permitirán el uso de nanotubos de paredes múltiples como los principales brazos móviles en los próximos dispositivos nanomecánicos. ^{[ especulación? ]} La fuerza de retracción que se produce al movimiento telescópico es causada por la interacción de Lennard-Jones entre los proyectiles, y su valor es de aproximadamente 1,5 nN. ^[30]

Uniones y reticulación

Imagen de microscopio electrónico de transmisión de la unión de nanotubos de carbono

Las uniones entre dos o más nanotubos se han discutido ampliamente en teoría. ^{[31] [32]} Tales uniones se observan con bastante frecuencia en muestras preparadas por descarga de arco , así como por deposición de vapor químico . Las propiedades electrónicas de tales uniones fueron consideradas teóricamente por primera vez por Lambin et al., ^[33] quienes señalaron que una conexión entre un tubo metálico y uno semiconductor representaría una heterounión a nanoescala. Por lo tanto, tal unión podría formar un componente de un circuito electrónico basado en nanotubos. La imagen adyacente muestra una unión entre dos nanotubos de paredes múltiples.

Las uniones entre nanotubos y grafeno se han considerado teóricamente ^[34] y se han estudiado experimentalmente. ^[35] Las uniones de nanotubos-grafeno forman la base del grafeno con pilares , en el que hojas de grafeno paralelas están separadas por nanotubos cortos. ^[36] El grafeno con pilares representa una clase de arquitecturas de nanotubos de carbono tridimensionales .

Andamios de carbono 3D

Recientemente, varios estudios han destacado la posibilidad de utilizar nanotubos de carbono como bloques de construcción para fabricar dispositivos macroscópicos tridimensionales (> 100 nm en las tres dimensiones) totalmente de carbono. Lalwani y col. han informado de un nuevo método de reticulación térmica iniciado por radicales para fabricar andamios macroscópicos, independientes, porosos, totalmente de carbono utilizando nanotubos de carbono de pared simple y múltiple como bloques de construcción. ^[37] Estos andamios poseen poros macro, micro y nanoestructurados, y la porosidad se puede adaptar para aplicaciones específicas. Estos andamios / arquitecturas 3D totalmente de carbono se pueden utilizar para la fabricación de la próxima generación de almacenamiento de energía, supercondensadores, transistores de emisión de campo, catálisis de alto rendimiento, energía fotovoltaica y dispositivos, implantes y sensores biomédicos. ^[38][39]

Otras morfologías

Una estructura estable de nanobudios

Los nanobuds de carbono son un material de nueva creación que combina dos alótropos de carbono previamente descubiertos: nanotubos de carbono y fullerenos . En este nuevo material, "brotes" de tipo fullereno se unen covalentemente a las paredes laterales exteriores del nanotubo de carbono subyacente. Este material híbrido tiene propiedades útiles tanto de fullerenos como de nanotubos de carbono. En particular, se ha descubierto que son emisores de campo excepcionalmente buenos . ^[40] En materiales compuestos , las moléculas de fullereno adheridas pueden funcionar como anclajes moleculares evitando el deslizamiento de los nanotubos, mejorando así las propiedades mecánicas del compuesto.

Un peapod de carbono ^{[41] [42]} es un nuevo material de carbono híbrido que atrapa el fullereno dentro de un nanotubo de carbono. Puede poseer interesantes propiedades magnéticas con calentamiento e irradiación. También se puede aplicar como oscilador durante investigaciones teóricas y predicciones. ^{[43] [44]}

En teoría, un nanotorus es un nanotubo de carbono doblado en un toro (forma de rosquilla). Se predice que los nanotori tienen muchas propiedades únicas, como momentos magnéticos 1000 veces más grandes de lo que se esperaba anteriormente para ciertos radios específicos. ^[45] Propiedades como el momento magnético , la estabilidad térmica, etc. varían ampliamente según el radio del toro y el radio del tubo. ^{[45] [46]}

Los nanotubos de carbono grafinados son un híbrido relativamente nuevo que combina foliatos de grafito que crecen a lo largo de las paredes laterales de CNT de múltiples paredes o estilo bambú. La densidad de las hojas puede variar en función de las condiciones de deposición (por ejemplo, temperatura y tiempo) y su estructura varía desde unas pocas capas de grafeno (<10) hasta más gruesas, más parecidas al grafito . ^[47] La ventaja fundamental de una estructura integrada de grafeno- CNT es el marco tridimensional de alta superficie de los CNT junto con la alta densidad de bordes del grafeno. El depósito de una alta densidad de foliados de grafeno a lo largo de los CNT alineados puede aumentar significativamente la capacidad de carga total.por unidad de área nominal en comparación con otras nanoestructuras de carbono. ^[48]

Los nanotubos de carbono apilados en copa (CSCNT) se diferencian de otras estructuras de carbono cuasi-1D, que normalmente se comportan como conductores cuasi-metálicos de electrones. Los CSCNT exhiben un comportamiento semiconductor debido a la microestructura de apilamiento de las capas de grafeno. ^[49]

Propiedades

Muchas propiedades de los nanotubos de carbono de pared simple dependen significativamente del tipo ( n , m ), y esta dependencia no es monótona (ver diagrama de Kataura ). En particular, la banda prohibida puede variar de cero a aproximadamente 2 eV y la conductividad eléctrica puede mostrar un comportamiento metálico o semiconductor.

Mecánico

Artículo principal: Propiedades mecánicas de los nanotubos de carbono.

Una imagen de microscopía electrónica de barrido de haces de nanotubos de carbono

Los nanotubos de carbono son los materiales más fuertes y rígidos descubiertos hasta ahora en términos de resistencia a la tracción y módulo elástico . Esta fuerza resulta de los enlaces covalentes sp ² formados entre los átomos de carbono individuales. En 2000, se probó que un nanotubo de carbono de paredes múltiples tuviera una resistencia a la tracción de 63 gigapascales (9.100.000 psi). ^[50] (A modo de ilustración, esto se traduce en la capacidad de soportar la tensión de un peso equivalente a 6.422 kilogramos-fuerza (62.980 N; 14.160 lbf) en un cable con una sección transversal de 1 milímetro cuadrado (0,0016 pulgadas cuadradas)). Otros estudios, como uno realizado en 2008, revelaron que los depósitos de CNT individuales tienen resistencias de hasta ≈100 gigapascales (15.000.000 psi), lo que está de acuerdo con los modelos cuánticos / atomísticos.^[51] Debido a que los nanotubos de carbono tienen una densidad baja para un sólido de 1.3 a 1.4 g / cm ³ , ^[52] su resistencia específica de hasta 48,000 kN · m · kg ⁻¹ es el mejor de los materiales conocidos, en comparación con 154 kN · m · kg ⁻¹ del acero al carbono.

Aunque la resistencia de las carcasas de CNT individuales es extremadamente alta, las interacciones de cizallamiento débiles entre las carcasas y los tubos adyacentes conducen a una reducción significativa en la resistencia efectiva de los nanotubos de carbono de paredes múltiples y los haces de nanotubos de carbono hasta unos pocos GPa. ^[53] Esta limitación se ha abordado recientemente mediante la aplicación de irradiación de electrones de alta energía, que reticula las carcasas y los tubos internos, y aumenta efectivamente la resistencia de estos materiales a ≈60 GPa para los nanotubos de carbono de paredes múltiples ^[51] y ≈17 GPa para los haces de nanotubos de carbono con paredes. ^{[53] Los} CNT no son tan fuertes bajo compresión. Debido a su estructura hueca y alta relación de aspecto, tienden a sufrir pandeo.cuando se coloca bajo tensión de compresión, torsión o flexión. ^[54]

Por otro lado, hubo evidencia de que en la dirección radial son bastante blandos. La primera observación de la elasticidad radial con microscopio electrónico de transmisión sugirió que incluso las fuerzas de van der Waals pueden deformar dos nanotubos adyacentes. Más tarde, varios grupos realizaron nanoindentaciones con un microscopio de fuerza atómica para medir cuantitativamente la elasticidad radial de nanotubos de carbono de paredes múltiples y también se realizó microscopía de fuerza atómica en modo de contacto / roscado en nanotubos de carbono de pared simple. El módulo de Young del orden de varios GPa mostró que los CNT son de hecho muy suaves en la dirección radial. ^{[ cita requerida ]}

Eléctrico

Estructuras de banda calculadas usando aproximación de unión estrecha para (6,0) CNT (zigzag, metálico), (10,2) CNT (semiconductor) y (10,10) CNT (sillón, metálico).

A diferencia del grafeno, que es un semimetal bidimensional, los nanotubos de carbono son metálicos o semiconductores a lo largo del eje tubular. Para un nanotubo dado ( n , m ), si n = m , el nanotubo es metálico; si n - m es un múltiplo de 3 y n ≠ m, entonces el nanotubo es casi metálico con una banda prohibida muy pequeña; de lo contrario, el nanotubo es un semiconductor moderado . ^[55] Así, todos los nanotubos de sillón ( n = m ) son metálicos y los nanotubos (6,4), (9,1), etc.son semiconductores. ^[56]Los nanotubos de carbono no son semimetálicos porque el punto degenerado (el punto donde la banda π [enlace] se encuentra con la banda π * [anti-enlace], en el que la energía llega a cero) se aleja ligeramente del punto K en la zona de Brillouin debido a la curvatura de la superficie del tubo, provocando la hibridación entre las bandas anti-enlace σ * y π *, modificando la dispersión de la banda.

La regla sobre el comportamiento de los metales frente a los de los semiconductores tiene excepciones porque los efectos de curvatura en tubos de diámetro pequeño pueden influir fuertemente en las propiedades eléctricas. Así, un (5,0) SWCNT que debería ser semiconductor de hecho es metálico según los cálculos. Asimismo, los SWCNT en zigzag y quirales con pequeños diámetros que deberían ser metálicos tienen un espacio finito (los nanotubos de sillón siguen siendo metálicos). ^[56] En teoría, los nanotubos metálicos pueden transportar una densidad de corriente eléctrica de 4 × 10 ⁹ A / cm ² , que es más de 1000 veces mayor que la de metales como el cobre , ^[57] donde para las interconexiones de cobre , las densidades de corriente son limitado por la electromigración. Por lo tanto, los nanotubos de carbono se están explorando como interconexiones y componentes que mejoran la conductividad en materiales compuestos, y muchos grupos están intentando comercializar cables eléctricos altamente conductores ensamblados a partir de nanotubos de carbono individuales. Sin embargo, existen desafíos importantes que superar, como la saturación de corriente no deseada bajo voltaje, ^[58] y las uniones e impurezas de nanotubos a nanotubos mucho más resistentes, todos los cuales reducen la conductividad eléctrica de los cables de nanotubos macroscópicos en órdenes de magnitud , en comparación con la conductividad de los nanotubos individuales.

Debido a su sección transversal a nanoescala, los electrones se propagan solo a lo largo del eje del tubo. Como resultado, los nanotubos de carbono se denominan frecuentemente conductores unidimensionales. La conductancia eléctrica máxima de un nanotubo de carbono de pared simple es 2 G ₀ , donde G ₀ = 2 e ² / h es la conductancia de un solo canal cuántico balístico . ^[59]

Debido al papel del sistema de electrones π en la determinación de las propiedades electrónicas del grafeno , el dopaje en nanotubos de carbono difiere del de los semiconductores cristalinos a granel del mismo grupo de la tabla periódica (por ejemplo, silicio). La sustitución grafítica de átomos de carbono en la pared de nanotubos por dopantes de boro o nitrógeno conduce a un comportamiento de tipo py de tipo n, respectivamente, como se esperaría en el silicio. Sin embargo, algunos dopantes no sustitutivos (intercalados o adsorbidos) introducidos en un nanotubo de carbono, como los metales alcalinos y los metalocenos ricos en electrones, dan como resultado una conducción de tipo n porque donan electrones al sistema de electrones π del nanotubo. Por el contrario, los aceptores de electrones π como FeCl ₃ o los metalocenos deficientes en electrones funcionan como dopantes de tipo p porque extraen electrones π de la parte superior de la banda de valencia.

Se ha informado de superconductividad intrínseca , ^[60] aunque otros experimentos no encontraron evidencia de esto, dejando la afirmación un tema de debate. ^[61]

Óptica

Artículo principal: Propiedades ópticas de los nanotubos de carbono.

Los nanotubos de carbono tienen propiedades útiles de absorción , fotoluminiscencia ( fluorescencia ) y espectroscopía Raman . Los métodos espectroscópicos ofrecen la posibilidad de una caracterización rápida y no destructiva de cantidades relativamente grandes de nanotubos de carbono. Existe una fuerte demanda de tal caracterización desde el punto de vista industrial: numerosos parámetros de síntesis de nanotubosse puede cambiar, intencionada o no, para alterar la calidad de los nanotubos. Como se muestra a continuación, las espectroscopias de absorción óptica, fotoluminiscencia y Raman permiten una caracterización rápida y confiable de esta "calidad de nanotubos" en términos de contenido de carbono no tubular, estructura (quiralidad) de los nanotubos producidos y defectos estructurales. Estas características determinan casi cualquier otra propiedad, como propiedades ópticas, mecánicas y eléctricas.

Los nanotubos de carbono son "sistemas unidimensionales" únicos que pueden concebirse como hojas individuales enrolladas de grafito (o más precisamente grafeno ). Este laminado se puede realizar en diferentes ángulos y curvaturas, lo que da como resultado diferentes propiedades de nanotubos. El diámetro normalmente varía en el rango de 0,4 a 40 nm (es decir, "sólo" ~ 100 veces), pero la longitud puede variar ~ 100.000.000.000 de veces, de 0,14 nm a 55,5 cm. ^[62] La relación de aspecto de nanotubos , o la relación de longitud a diámetro, puede ser tan alta como 132.000.000: 1, ^[63] que no tiene comparación con ningún otro material. En consecuencia, todas las propiedades de los nanotubos de carbono en relación con las de los semiconductores típicos son extremadamente anisotrópicas. (dependiente de la dirección) y sintonizable.

Mientras que las propiedades mecánicas, eléctricas y electroquímicas ( supercondensador ) de los nanotubos de carbono están bien establecidas y tienen aplicaciones inmediatas , el uso práctico de las propiedades ópticas aún no está claro. La capacidad de sintonización de propiedades antes mencionada es potencialmente útil en óptica y fotónica . En particular, en el laboratorio se han producido diodos emisores de luz ( LED ) ^{[64] [65]} y fotodetectores ^[66] basados ​​en un solo nanotubo. Su característica única no es la eficiencia, que todavía es relativamente baja, sino la selectividad estrecha en la longitud de ondade emisión y detección de luz y la posibilidad de su ajuste fino a través de la estructura de nanotubos. Además, se han realizado bolómetros ^[67] y dispositivos de memoria optoelectrónica ^[68] en conjuntos de nanotubos de carbono de pared simple.

Los defectos cristalográficos también afectan las propiedades eléctricas del tubo. Un resultado común es una conductividad reducida a través de la región defectuosa del tubo. Un defecto en los tubos tipo sillón (que pueden conducir la electricidad) puede hacer que la región circundante se vuelva semiconductora, y las vacantes monoatómicas individuales inducen propiedades magnéticas. ^[69]

Térmica

Artículo principal: Termodinámica de nanoestructuras § Nanotubos de carbono

Se espera que todos los nanotubos sean muy buenos conductores térmicos a lo largo del tubo, exhibiendo una propiedad conocida como " conducción balística ", pero buenos aislantes laterales al eje del tubo. Las mediciones muestran que un SWNT individual tiene una conductividad térmica a temperatura ambiente a lo largo de su eje de aproximadamente 3500 W · m ⁻¹ · K ⁻¹ ; ^[70] compare esto con el cobre, un metal bien conocido por su buena conductividad térmica , que transmite 385 W · m ⁻¹ · K ⁻¹ . Un SWNT individual tiene una conductividad térmica a temperatura ambiente lateral a su eje (en la dirección radial) de aproximadamente 1,52 W · m ⁻¹ · K ⁻¹ , ^[71]que es tan termoconductora como el suelo. Los ensamblajes macroscópicos de nanotubos, como películas o fibras, han alcanzado hasta ahora 1500 W · m ⁻¹ · K ⁻¹ . ^{[72] Las} redes compuestas por nanotubos muestran diferentes valores de conductividad térmica, desde el nivel de aislamiento térmico con la conductividad térmica de 0,1 W · m ⁻¹ · K ⁻¹ hasta valores tan elevados. ^[73] Eso depende de la cantidad de contribución a la resistencia térmica del sistema causada por la presencia de impurezas, desalineaciones y otros factores. Se estima que la estabilidad de temperatura de los nanotubos de carbono es de hasta 2800 ° C en el vacío y alrededor de 750 ° C en el aire. ^[74]

Los defectos cristalográficos afectan fuertemente las propiedades térmicas del tubo. Tales defectos conducen a la dispersión de fonones , que a su vez aumenta la tasa de relajación de los fonones. Esto reduce el camino libre medio y reduce la conductividad térmica de las estructuras de nanotubos. Las simulaciones de transporte de fonones indican que los defectos de sustitución como el nitrógeno o el boro conducirán principalmente a la dispersión de fonones ópticos de alta frecuencia. Sin embargo, los defectos de mayor escala, como los de Stone Wales, provocan la dispersión de fonones en una amplia gama de frecuencias, lo que conduce a una mayor reducción de la conductividad térmica. ^[75]

Síntesis

Artículo principal: Síntesis de nanotubos de carbono.

Se han desarrollado técnicas para producir nanotubos en cantidades considerables, incluida la descarga de arco, la ablación con láser, la deposición química de vapor (CVD) y la desproporción de monóxido de carbono a alta presión (HiPCO). Entre estos, la descarga de arco, la ablación con láser, la deposición química en fase de vapor (CVD) son proceso lote por lote y el HiPCO es un proceso continuo en fase gaseosa. ^[76] La mayoría de estos procesos tienen lugar al vacío o con gases de proceso. El método de crecimiento CVD es popular, ya que produce una gran cantidad y tiene un grado de control sobre el diámetro, la longitud y la morfología. Usando catalizadores particulados, se pueden sintetizar grandes cantidades de nanotubos mediante estos métodos, pero lograr la repetibilidad se convierte en un problema importante con el crecimiento de CVD. ^[77]Los avances del proceso HiPCO en catálisis y el crecimiento continuo están haciendo que los CNT sean más viables comercialmente. ^[78] El proceso HiPCO ayuda a producir nanotubos de carbono de pared simple de alta pureza en mayor cantidad. El reactor HiPCO opera a alta temperatura 900-1100 ° C y alta presión ~ 30-50 bar. ^[79] Utiliza monóxido de carbono como fuente de carbono y pentacarbonilo de hierro o tetracarbonilo de níquel como catalizador. Estos catalizadores actúan como el sitio de nucleación para que crezcan los nanotubos. ^[76]

Matrices de nanotubos de carbono alineadas verticalmentetambién se cultivan por deposición de vapor químico térmico. Un sustrato (cuarzo, silicio, acero inoxidable, etc.) se recubre con una capa de metal catalítico (Fe, Co, Ni). Por lo general, esa capa es de hierro y se deposita mediante pulverización catódica hasta un espesor de 1 a 5 nm. A menudo, también se coloca primero una capa inferior de alúmina de 10 a 50 nm sobre el sustrato. Esto imparte humectación controlable y buenas propiedades interfaciales. Cuando el sustrato se calienta a la temperatura de crecimiento (~ 700 ° C), la película de hierro continua se rompe en pequeñas islas ... cada isla luego nuclea un nanotubo de carbono. El espesor pulverizado controla el tamaño de la isla y esto, a su vez, determina el diámetro de los nanotubos. Las capas de hierro más delgadas reducen el diámetro de las islas y reducen el diámetro de los nanotubos crecidos.La cantidad de tiempo que la isla de metal puede permanecer a la temperatura de crecimiento es limitada, ya que son móviles y pueden fusionarse en islas más grandes (pero menos). El recocido a la temperatura de crecimiento reduce la densidad del sitio (número de CNT / mm² ) mientras aumenta el diámetro del catalizador.

Los nanotubos de carbono preparados siempre tienen impurezas como otras formas de carbono (carbono amorfo, fullereno, etc.) e impurezas no carbonáceas (metal utilizado como catalizador). ^{[80] [81]} Estas impurezas deben eliminarse para hacer uso de los nanotubos de carbono en las aplicaciones. ^[82]

Modelado

Microestructuras simuladas por computadora con regiones de aglomeración

Los nanotubos de carbono se modelan de manera similar a los compuestos tradicionales en los que una fase de refuerzo está rodeada por una fase de matriz. Son habituales los modelos ideales, como los cilíndricos, hexagonales y cuadrados. El tamaño del modelo de micromecánica depende en gran medida de las propiedades mecánicas estudiadas. El concepto de elemento de volumen representativo (RVE) se utiliza para determinar el tamaño y la configuración apropiados del modelo de computadora para replicar el comportamiento real del nanocompuesto reforzado con CNT. Dependiendo de la propiedad del material de interés (térmica, eléctrica, módulo, fluencia), un RVE podría predecir la propiedad mejor que las alternativas. Si bien la implementación del modelo ideal es computacionalmente eficiente, no representan las características microestructurales observadas en la microscopía electrónica de barrido de nanocompuestos reales.Para incorporar modelos realistas, también se generan modelos informáticos para incorporar variabilidad como la ondulación, la orientación y la aglomeración de nanotubos de carbono de pared múltiple o de pared simple.^[83]

Metrología

Hay muchos estándares de metrología y materiales de referencia disponibles para nanotubos de carbono. ^[84]

Para los nanotubos de carbono de pared simple, ISO / TS 10868 describe un método de medición para el diámetro, la pureza y la fracción de nanotubos metálicos mediante espectroscopia de absorción óptica , ^[85] mientras que ISO / TS 10797 e ISO / TS 10798 establecen métodos para caracterizar la morfología y composición elemental de nanotubos de carbono de pared simple, utilizando microscopía electrónica de transmisión y microscopía electrónica de barrido , respectivamente, junto con análisis de espectrometría de rayos X de dispersión de energía . ^{[86] [87]}

NIST SRM 2483 es ​​un hollín de nanotubos de carbono de pared simple utilizado como material de referencia para el análisis elemental , y se caracterizó mediante análisis termogravimétrico , análisis de activación gamma rápida , análisis de activación neutrónica inducida , espectroscopía de masas de plasma acoplado inductivamente , dispersión Raman resonante , radiación ultravioleta. espectroscopía de fluorescencia del infrarrojo cercano visible y espectroscopía de absorción, microscopía electrónica de barrido y microscopía electrónica de transmisión. ^{[88] [89]} El Consejo Nacional de Investigación de Canadátambién ofrece un material de referencia certificado SWCNT-1 para análisis elemental utilizando análisis de activación de neutrones y espectroscopía de masas de plasma acoplado inductivamente. ^{[84] [90]} NIST RM 8281 es una mezcla de tres longitudes de nanotubos de carbono de pared simple. ^{[88] [91]}

Para los nanotubos de carbono de paredes múltiples, ISO / TR 10929 identifica las propiedades básicas y el contenido de impurezas, ^[92] mientras que ISO / TS 11888 describe la morfología usando microscopía electrónica de barrido, microscopía electrónica de transmisión, viscosimetría y análisis de dispersión de luz . ^[93] ISO / TS 10798 también es válida para nanotubos de carbono de paredes múltiples. ^[87]

Modificación química

Artículos principales: Química de nanotubos de carbono y Química selectiva de nanotubos de pared simple

Los nanotubos de carbono se pueden funcionalizar para lograr las propiedades deseadas que se pueden usar en una amplia variedad de aplicaciones. Los dos métodos principales de funcionalización de nanotubos de carbono son modificaciones covalentes y no covalentes. Debido a su aparente naturaleza hidrófoba, los nanotubos de carbono ^[94] tienden a aglomerarse impidiendo su dispersión en disolventes o polímeros viscosos fundidos. Los haces o agregados de nanotubos resultantes reducen el rendimiento mecánico del compuesto final. La superficie de los nanotubos de carbono se puede modificar para reducir la hidrofobicidad y mejorar la adhesión interfacial a un polímero a granel mediante la unión química. ^[95]

La superficie de los nanotubos de carbono se puede modificar químicamente recubriendo nanopartículas de espinela mediante síntesis hidrotermal ^[96] y se puede utilizar para la oxidación del agua. ^[97]

Además, la superficie de los nanotubos de carbono se puede fluorar o halofluorar por calentamiento mientras están en contacto con una sustancia fluoroorgánica, formando de ese modo carbonos parcialmente fluorados (los denominados materiales fluocar) con funcionalidad (halo) fluoroalquilo injertado. ^{[98] [99]}

Aplicaciones

Un obstáculo principal para las aplicaciones de nanotubos de carbono ha sido su costo. Los precios de los nanotubos de pared simple disminuyeron de alrededor de $ 1500 por gramo en 2000 a precios minoristas de alrededor de $ 50 por gramo de 40 a 60% en peso de SWNT tal como se producen en marzo de 2010. A partir de 2016, el precio minorista de tal como se produce 75% en peso de SWNT fue de $ 2 por gramo. ^[100]

Actual

Cinta nano

El uso actual y la aplicación de nanotubos se ha limitado principalmente al uso de nanotubos a granel, que es una masa de fragmentos de nanotubos bastante desorganizados. Es posible que los materiales de nanotubos a granel nunca alcancen una resistencia a la tracción similar a la de los tubos individuales, pero dichos materiales compuestos pueden, no obstante, tener límites elásticos suficientes para muchas aplicaciones. Los nanotubos de carbono a granel ya se han utilizado como fibras compuestas en polímeros para mejorar las propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas del producto a granel.

• Easton-Bell Sports, Inc. se ha asociado con Zyvex Performance Materials , utilizando la tecnología CNT en varios de sus componentes de bicicleta , incluidos manillares planos y verticales, bielas, horquillas, tijas de sillín, potencias y manillares aerodinámicos.
• Amroy Europe Oy fabrica resinas nanoepoxi de carbono Hybtonite donde los nanotubos de carbono se han activado químicamente para unirse al epoxi , lo que da como resultado un material compuesto que es entre un 20% y un 30% más resistente que otros materiales compuestos. Se ha utilizado para turbinas de viento, pinturas marinas y una variedad de equipos deportivos como esquís, palos de hockey sobre hielo, bates de béisbol, flechas de caza y tablas de surf. ^[101]
• Surrey NanoSystems sintetiza nanotubos de carbono para crear vantablack .

Otras aplicaciones actuales incluyen:

• La "cinta Gecko" (también llamada " nano cinta ") se vende a menudo comercialmente como cinta adhesiva de doble cara . Se puede usar para colgar elementos livianos como cuadros y elementos decorativos en paredes lisas sin perforar agujeros en la pared. Las matrices de nanotubos de carbono que comprenden las pelotas sintéticas no dejan residuos después de la eliminación y pueden permanecer pegajosas en temperaturas extremas. ^[102]
• puntas para sondas de microscopio de fuerza atómica ^[103]
• en la ingeniería de tejidos, los nanotubos de carbono pueden actuar como andamios para el crecimiento óseo ^[104]

En desarrollo

Las investigaciones actuales para aplicaciones modernas incluyen:

• Utilización de nanotubos de carbono como material de canal de transistores de efecto de campo de nanotubos de carbono . ^[105]
• Utilización de nanotubos de carbono como andamio para diversas técnicas de microfabricación. ^[106]
• Disipación de energía en nanoestructuras autoorganizadas bajo la influencia de un campo eléctrico. ^[107]
• Utilización de nanotubos de carbono para el seguimiento medioambiental por su superficie activa y su capacidad para absorber gases. ^[108]
• Jack Andraka usó nanotubos de carbono en su prueba de cáncer de páncreas. Su método de prueba ganó el premio Gordon E. Moore de la Feria Internacional de Ingeniería y Ciencia de Intel en la primavera de 2012. ^[109]
• La empresa Boeing ha patentado el uso de nanotubos de carbono para el control de la salud estructural ^[110] de los materiales compuestos utilizados en las estructuras de los aviones. Esta tecnología reducirá en gran medida el riesgo de una falla en vuelo causada por la degradación estructural de la aeronave.
• Zyvex Technologies también ha construido una embarcación marítima de 54 ', la embarcación de superficie no tripulada Piranha , como un demostrador de tecnología de lo que es posible utilizando la tecnología CNT. Los CNT ayudan a mejorar el rendimiento estructural de la embarcación, lo que resulta en una embarcación liviana de 8,000 libras que puede transportar una carga útil de 15,000 libras en un rango de 2,500 millas. ^[111]

Los nanotubos de carbono pueden servir como aditivos para diversos materiales estructurales. Por ejemplo, los nanotubos forman una pequeña porción de los materiales en algunos bates de béisbol (principalmente fibra de carbono ), palos de golf, piezas de automóviles o acero de Damasco . ^{[112] [113]}

IBM esperaba que los transistores de nanotubos de carbono se utilizaran en circuitos integrados para 2020. ^[114]

Potencial

Artículo principal: Aplicaciones potenciales de los nanotubos de carbono.

La fuerza y ​​flexibilidad de los nanotubos de carbono los hace de uso potencial para controlar otras estructuras a nanoescala, lo que sugiere que tendrán un papel importante en la ingeniería nanotecnológica . ^[115] Se ha probado que la resistencia a la tracción más alta de un nanotubo de carbono de pared múltiple individual es de 63  GPa . ^[50] Se encontraron nanotubos de carbono en el acero de Damasco a partir del siglo XVII, posiblemente ayudando a explicar la legendaria fuerza de las espadas hechas con él. ^{[116] [117]}Recientemente, varios estudios han destacado la posibilidad de utilizar nanotubos de carbono como bloques de construcción para fabricar dispositivos macroscópicos tridimensionales (> 1 mm en las tres dimensiones) totalmente de carbono. Lalwani y col. han informado de un método novedoso de reticulación térmica iniciado por radicales para fabricar andamios macroscópicos, independientes, porosos, totalmente de carbono, utilizando nanotubos de carbono de pared simple y múltiple como bloques de construcción. ^[37] Estos andamios poseen poros macro, micro y nanoestructurados y la porosidad se puede adaptar para aplicaciones específicas. Estos andamios / arquitecturas 3D totalmente de carbono se pueden utilizar para la fabricación de la próxima generación de almacenamiento de energía, supercondensadores, transistores de emisión de campo, catálisis de alto rendimiento, ^[118] fotovoltaica y dispositivos e implantes biomédicos.

Los CNT son candidatos potenciales para futuras vías y material de alambre en circuitos VLSI a nanoescala. Al eliminar los problemas de confiabilidad de la electromigración que afectan a las interconexiones de Cu actuales, los CNT aislados (de una o varias paredes) pueden transportar densidades de corriente superiores a 1000 MA / cm ² sin daños por electromigración. ^[119]

Los nanotubos de pared simple son candidatos probables para miniaturizar la electrónica. El bloque de construcción más básico de estos sistemas es un cable eléctrico, y los SWNT con diámetros del orden de un nanómetro pueden ser excelentes conductores. ^{[120] [121]} Una aplicación útil de los SWNT es el desarrollo de los primeros transistores de efecto de campo intermoleculares (FET). La primera puerta lógica intermolecular que utiliza SWCNT FET se fabricó en 2001. ^[122] Una puerta lógica requiere tanto un p-FET como un n-FET. Debido a que los SWNT son p-FET cuando se exponen al oxígeno y los n-FET de lo contrario, es posible exponer la mitad de un SWNT al oxígeno y proteger la otra mitad de él. El SWNT resultante actúa como un no puerta lógica con FET de tipo p y n en la misma molécula.

Se pueden convertir grandes cantidades de CNT puros en una lámina o película independiente mediante la técnica de fabricación de fundición de cinta diseñada en superficie (SETC), que es un método escalable para fabricar láminas flexibles y plegables con propiedades superiores. ^{[123] [124]} Otro factor de forma informado es la fibra CNT (también conocida como filamento) por hilado en húmedo . ^[125] La fibra se hila directamente del recipiente de síntesis o se hila a partir de CNT disueltos prefabricados. Las fibras individuales se pueden convertir en un hilo . Aparte de su resistencia y flexibilidad, la principal ventaja es hacer un hilo conductor de electricidad. Las propiedades electrónicas de las fibras CNT individuales (es decir, el haz de CNT individuales) se rigen por la estructura bidimensional de los CNT. Se midió que las fibras tenían una resistividad de solo un orden de magnitud mayor que la de los conductores metálicos a 300 K. Optimizando aún más los CNT y las fibras CNT, se podrían desarrollar fibras CNT con propiedades eléctricas mejoradas. ^{[119] [126]}

Los hilos a base de CNT son adecuados para aplicaciones en energía y tratamiento electroquímico de agua cuando se recubren con una membrana de intercambio iónico . ^[127] Además, los hilos a base de CNT podrían reemplazar al cobre como material de bobinado . Pyrhönen y col. (2015) han construido un motor con bobinado CNT. ^{[128] [129]}

Seguridad y salud

Artículos principales: Riesgos para la salud y la seguridad de los nanomateriales e Impacto en la salud de los fullerenos.

El Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH) es la agencia federal líder de los Estados Unidos que realiza investigaciones y brinda orientación sobre las implicaciones y aplicaciones de la nanotecnología en la seguridad y salud ocupacional. Los primeros estudios científicos han indicado que algunas de estas partículas a nanoescala pueden representar un mayor riesgo para la salud que la forma a granel más grande de estos materiales. En 2013, NIOSH publicó un Current Intelligence Bulletin detallando los peligros potenciales y el límite de exposición recomendado para nanotubos y fibras de carbono. ^[130]

En octubre de 2016, los nanotubos de carbono de pared simple se registraron a través de las regulaciones de Registro, Evaluación, Autorización y Restricción de Sustancias Químicas (REACH) de la Unión Europea , basadas en la evaluación de las propiedades potencialmente peligrosas de SWCNT. Según este registro, se permite la comercialización de SWCNT en la UE hasta 10 toneladas métricas. Actualmente, el tipo de SWCNT registrado a través de REACH se limita al tipo específico de nanotubos de carbono de pared simple fabricados por OCSiAl , que presentó la solicitud. ^[131]

Historia

Ver también: Cronología de los nanotubos de carbono y el fullereno § Historia

La verdadera identidad de los descubridores de los nanotubos de carbono es objeto de cierta controversia. ^[132] Un editorial de 2006 escrito por Marc Monthioux y Vladimir Kuznetsov en la revista Carbon describió la interesante ^{[ ¿opinión desequilibrada? ]} y a menudo errónea ^{[ opinión desequilibrada? ]} origen del nanotubo de carbono. ^[6] Un gran porcentaje de la literatura académica y popular atribuye el descubrimiento de tubos huecos de tamaño nanométrico compuestos de carbono grafítico a Sumio Iijima de NEC.en 1991. Publicó un artículo describiendo su descubrimiento que inició una oleada de entusiasmo y podría acreditarse por haber inspirado a los muchos científicos que ahora estudian las aplicaciones de los nanotubos de carbono. Aunque a Iijima se le ha atribuido gran parte del mérito por el descubrimiento de los nanotubos de carbono, resulta que la cronología de los nanotubos de carbono se remonta mucho más allá de 1991. ^[132]

En 1952, LV Radushkevich y VM Lukyanovich publicaron imágenes claras de tubos de 50 nanómetros de diámetro hechos de carbono en la Revista Soviética de Química Física . ^[5] Este descubrimiento pasó en gran medida desapercibido, ya que el artículo se publicó en ruso y el acceso de los científicos occidentales a la prensa soviética fue limitado durante la Guerra Fría . Monthioux y Kuznetsov mencionaron en su editorial Carbon : ^[6]

El hecho es que Radushkevich y Lukyanovich [..] deben ser reconocidos por el descubrimiento de que los filamentos de carbono pueden ser huecos y tener un diámetro de nanómetro, es decir, por el descubrimiento de los nanotubos de carbono.

En 1976, Morinobu Endo del CNRS observó tubos huecos de láminas de grafito enrolladas sintetizadas mediante una técnica de crecimiento de vapor químico. ^[4] Los primeros especímenes observados se conocerían más tarde como nanotubos de carbono de pared simple (SWNT). ^[133] Endo, en su revisión inicial de las fibras de carbono crecidas en fase de vapor (VPCF), también nos recordó que había observado un tubo hueco, extendido linealmente con caras de capas de carbono paralelas cerca del núcleo de la fibra. ^[134] Esto parece ser la observación de nanotubos de carbono de paredes múltiples en el centro de la fibra. ^[133] Los MWCNT producidos en masa en la actualidad están estrechamente relacionados con el VPGCF desarrollado por Endo. ^[133]De hecho, lo llaman el "Endo-proceso", por respeto a sus primeros trabajos y patentes. ^{[133] [135]}

En 1979, John Abrahamson presentó pruebas de nanotubos de carbono en la 14ª Conferencia Bienal de Carbono en la Universidad Estatal de Pensilvania . El documento de la conferencia describió los nanotubos de carbono como fibras de carbono que se producían en ánodos de carbono durante la descarga del arco. Se dio una caracterización de estas fibras así como hipótesis para su crecimiento en atmósfera de nitrógeno a bajas presiones. ^[136]

En 1981, un grupo de científicos soviéticos publicó los resultados de la caracterización química y estructural de nanopartículas de carbono producidas por una desproporción termocatalítica de monóxido de carbono. Usando imágenes TEM y patrones XRD , los autores sugirieron que sus "cristales tubulares multicapa de carbono" se formaron rodando capas de grafeno en cilindros. Especulan que al enrollar capas de grafeno en un cilindro, son posibles muchas disposiciones diferentes de redes hexagonales de grafeno. Sugirieron dos posibilidades de tales arreglos: arreglo circular (nanotubo de sillón) y arreglo helicoidal en espiral (tubo quiral). ^[137]

En 1987, Howard G. Tennent de Hyperion Catalysis obtuvo una patente estadounidense para la producción de "fibrillas de carbono discretas cilíndricas" con un "diámetro constante entre aproximadamente 3,5 y aproximadamente 70 nanómetros ..., una longitud de ¹⁰² veces el diámetro y una región exterior de múltiples capas esencialmente continuas de átomos de carbono ordenados y un núcleo interior distinto ... " ^[138]

El descubrimiento de Iijima de nanotubos de carbono de paredes múltiples en el material insoluble de varillas de grafito quemadas por arco en 1991 ^[3] y la predicción independiente de Mintmire, Dunlap y White de que si se pudieran fabricar nanotubos de carbono de pared simple, exhibirían propiedades conductoras notables ^[7] ayudó a crear la emoción inicial asociada con los nanotubos de carbono. La investigación de nanotubos se aceleró enormemente tras los descubrimientos independientes ^{[1] [2]} de Iijima e Ichihashi en NEC y Bethune et al. en IBM de paredes simplesnanotubos de carbono y métodos para producirlos específicamente mediante la adición de catalizadores de metales de transición al carbono en una descarga de arco. La técnica de descarga de arco era bien conocida por producir el famoso fullereno de Buckminster en una escala preparativa, ^[139] y estos resultados parecían extender la serie de descubrimientos accidentales relacionados con los fullerenos. El descubrimiento de nanotubos sigue siendo un tema polémico. Muchos creen que el informe de Iijima de 1991 es de particular importancia porque trajo los nanotubos de carbono a la conciencia de la comunidad científica en su conjunto. ^{[132] [133]}

Keezhadi en Tamilnadu , India , la excavación comenzó en 2014, hasta ahora se ha realizado en seis fases y la mayoría de las excavaciones fueron artefactos y alfarería. Después de la sexta fase de excavación, completada en octubre de 2020, se descubrió el uso de la nanotecnología en Keezhadi y se afirma que es la primera vez que se descubre el uso de la nanotecnología antes de hace 2.500 años. Los artículos publicados en revistas científicas dijeron que los recubrimientos en la parte superior de las alfarerías excavadas en Keezhadi contienen nanotubos de carbono. Las robustas propiedades mecánicas de los nanotubos de carbono que los recubrimientos han durado durante tantos años, dicen los científicos. ^[140]

Ver también

• Nanotubo BCN
• Nanotubo de nitruro de boro
• Buckypaper
• Carbono derivado de carburo
• Nanocone de carbono
• Nanofibras de carbono
• Nanopartículas de carbono
• Nanospergaminos de carbono
• Química de los nanotubos de carbono
• Computadora de nanotubos de carbono
• Transistor de efecto de campo de nanotubos de carbono
• Tubo de carbono colosal
• Nanohilo de diamante
• Nanotubo de ADN
• Carbono filamentoso
• Nanotubo de nitruro de galio
• Poliareno geodésico
• Papel de óxido de grafeno
• Nanotubos inorgánicos
• Lista de software para el modelado de nanoestructuras
• Modelado molecular
• Nanoflor
• Nanotubo de carbono dopado con nitrógeno
• Ninithi (software de modelado de nanotubos)
• Semiconductor orgánico
• SAMSON (plataforma de software para nanociencia computacional integrada)
• Química selectiva de nanotubos de pared simple
• Nanotubos de silicio
• Cronología de los nanotubos de carbono
• Nanotubos de titania
• Nanotubo de tunelización
• Nanotubos de sulfuro de tungsteno (IV)
• Matrices de nanotubos de carbono alineadas verticalmente

Referencias

Este artículo incorpora texto de dominio público del Instituto Nacional de Ciencias de la Salud Ambiental (NIEHS) como se cita.

1. Iijima, Sumio; Ichihashi, Toshinari (17 de junio de 1993). "Nanotubos de carbono de capa única de 1 nm de diámetro". Naturaleza . 363 (6430): 603–605. Código Bibliográfico : 1993Natur.363..603I . doi : 10.1038 / 363603a0 . S2CID  4314177 .
2. Bethune, DS; Kiang, CH; De Vries, MS; Gorman, G .; Savoy, R .; Vázquez, J .; Beyers, R. (17 de junio de 1993). "Crecimiento catalizado por cobalto de nanotubos de carbono con paredes de una sola capa atómica". Naturaleza . 363 (6430): 605–607. Código Bibliográfico : 1993Natur.363..605B . doi : 10.1038 / 363605a0 . S2CID 4321984 . 
3. Iijima, Sumio (7 de noviembre de 1991). "Microtúbulos helicoidales de carbono grafítico". Naturaleza . 354 (6348): 56–58. Código Bibliográfico : 1991Natur.354 ... 56I . doi : 10.1038 / 354056a0 . S2CID 4302490 . 
4. Oberlin, A .; Endo, M .; Koyama, T. (marzo de 1976). "Crecimiento filamentoso de carbono a través de la descomposición del benceno". Diario de crecimiento cristalino . 32 (3): 335–349. Código Bibliográfico : 1976JCrGr..32..335O . doi : 10.1016 / 0022-0248 (76) 90115-9 .
5. Радушкевич, Л. В. (1952). "Copia archivada"О Структуре Углерода, Образующегося При Термическом Разложении Окиси Углерода На Железном Конткок (PDF) . Журнал Физической Химии (en ruso). 26 : 88–95. Archivado desde el original (PDF) el 5 de marzo de 2016 . Consultado el 5 de abril de 2012 .
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Enlaces externos

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• Módulo de aprendizaje para la estructura de bandas de nanotubos y nanocintas de carbono
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• Selección de artículos de descarga gratuita sobre nanotubos de carbono
• Se presenta la primera computadora hecha de nanotubos de carbono , BBC News 2013-09-25
• Investigación utilizando nanotubos de carbono para microfabricación y en otras aplicaciones
• Proyecto de demostración de WOLFRAM: estructura de banda electrónica de un nanotubo de carbono de pared simple mediante el método de plegado por zonas
• Proyecto de demostración de WOLFRAM: estructura electrónica de un nanotubo de carbono de pared simple en representación de Wannier de unión estrecha