Las propiedades mecánicas de los nanotubos de carbono los revelan como uno de los materiales más fuertes de la naturaleza. Los nanotubos de carbono (CNT) son largos cilindros huecos de grafeno . Aunque las láminas de grafeno tienen simetría 2D, los nanotubos de carbono por geometría tienen diferentes propiedades en direcciones axiales y radiales. Se ha demostrado que los CNT son muy fuertes en la dirección axial. [1] Se obtuvieron un módulo de Young del orden de 270 - 950 GPa y una resistencia a la tracción de 11 - 63 GPa . [1]
Fuerza
Los nanotubos de carbono son los materiales más resistentes y rígidos descubiertos hasta ahora en términos de resistencia a la tracción y módulo elástico, respectivamente. 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). (Por ejemplo, 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)). como uno realizado en 2008, reveló 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. Dado que los nanotubos de carbono tienen una densidad baja para un sólido de 1.3 a 1.4 g / cm 3 , su resistencia específica de hasta 48,000 kN · m · kg −1 es el mejor de los materiales conocidos, en comparación con los 154 kN · m del acero con alto contenido de carbono. · Kg −1 .
Bajo una tensión de tracción excesiva, los tubos sufrirán una deformación plástica , lo que significa que la deformación es permanente. Esta deformación comienza con deformaciones de aproximadamente el 5% y puede aumentar la deformación máxima que sufren los tubos antes de la fractura al liberar energía de deformación. [ cita requerida ]
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 solo unos pocos GPa. 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 nanotubos de carbono de paredes múltiples y ≈17 GPa para haces de nanotubos de carbono de doble pared. .
Los CNT no son tan fuertes bajo compresión. Debido a su estructura hueca y alta relación de aspecto, tienden a sufrir pandeo cuando se colocan bajo tensión de compresión , torsión o flexión.
Material | Módulo de Young (TPa) | Resistencia a la tracción (GPa) | Alargamiento a la rotura (%) |
---|---|---|---|
Nanotubos de carbono de pared simple (SWNT) E | ≈1 (de 1 a 5) | 13–53 | dieciséis |
Sillón SWNT T | 0,94 | 126,2 | 23,1 |
Zigzag SWNT T | 0,94 | 94,5 | 15,6-17,5 |
SWNT quiral | 0,92 | ||
MWNT E | 0,2–0,8–0,95 | 11–63–150 | |
Acero inoxidable E | 0,186-0,214 | 0,38-1,55 | 15–50 |
Kevlar –29 y 149 E | 0.06–0.18 | 3.6–3.8 | ≈2 |
E Observación experimental; T Predicción teórica
Elasticidad radial
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. [2] Más tarde, varios grupos realizaron nanoindentaciones con microscopio de fuerza atómica para medir cuantitativamente la elasticidad radial de nanotubos de carbono de paredes múltiples [3] [4] y también se realizó microscopía de fuerza atómica en modo de contacto / roscado en nanotubos de carbono de pared simple. [5] El módulo de Young del orden de varios GPa mostró que los CNT son de hecho muy suaves en la dirección radial. A partir de suelos semiempíricos se ha elaborado un diagrama de fases completo que da la transición a la geometría colapsada radialmente en función del diámetro, la presión y el número de paredes de tubos. [6]
La elasticidad en la dirección radial de los CNT es importante especialmente para los compuestos de nanotubos de carbono donde los tubos incrustados están sujetos a una gran deformación en la dirección transversal bajo la carga aplicada sobre la estructura compuesta.
Uno de los principales problemas para caracterizar la elasticidad radial de los CNT es el conocimiento sobre el radio interno del CNT; Los nanotubos de carbono con un diámetro exterior idéntico pueden tener un diámetro interior diferente (o el número de paredes). En 2008, se introdujo un método que utiliza un microscopio de fuerza atómica para determinar el número exacto de capas y, por lo tanto, el diámetro interno del CNT. De esta forma, la caracterización mecánica es más precisa. [7]
Dureza
Los nanotubos de carbono de pared simple estándar pueden soportar una presión de hasta 25 GPa sin deformación [plástica / permanente]. Luego se someten a una transformación a nanotubos de fase superduro. Las presiones máximas medidas con las técnicas experimentales actuales son de alrededor de 55 GPa. Sin embargo, estos nuevos nanotubos de fase superdura colapsan a una presión aún mayor, aunque desconocida. [ cita requerida ]
El módulo de volumen de los nanotubos de fase superdura es de 462 a 546 GPa, incluso más alto que el del diamante (420 GPa para un solo cristal de diamante).
Mojabilidad
La humectabilidad de la superficie de CNT es de importancia para sus aplicaciones en varios entornos. Aunque el ángulo de contacto intrínseco del grafito es de alrededor de 90 °, los ángulos de contacto de la mayoría de las matrices de CNT sintetizadas son superiores a 160 °, exhibiendo una propiedad superhidrofóbica. Al aplicar un voltaje tan bajo como 1.3V, la superficie repelente al agua extrema se puede cambiar a una superhidrofílica.
Propiedades cinéticas
Los nanotubos de paredes múltiples son varios nanotubos concéntricos anidados con precisión entre sí. Estos exhiben una propiedad telescópica sorprendente por la cual un núcleo de nanotubos interno puede deslizarse, casi sin fricción, dentro de su capa exterior de nanotubos, creando así un cojinete lineal o rotacional atómicamente perfecto. Este es uno de los primeros ejemplos verdaderos de nanotecnología molecular , el posicionamiento preciso de átomos para crear máquinas útiles. Esta propiedad ya se ha utilizado para crear el motor de rotación más pequeño del mundo . También se prevén aplicaciones futuras como un oscilador mecánico de gigahercios.
Defectos
Como ocurre con cualquier material, la existencia de un defecto cristalográfico afecta las propiedades del material. Los defectos pueden ocurrir en forma de vacantes atómicas . Los altos niveles de tales defectos pueden reducir la resistencia a la tracción hasta en un 85%. Un ejemplo importante es el defecto de Stone Wales , también conocido como defecto 5-7-7-5 porque crea un par de pentágono y heptágono por reordenamiento de los enlaces. Debido a la estructura muy pequeña de los CNT, la resistencia a la tracción del tubo depende de su segmento más débil de manera similar a una cadena, donde la resistencia del eslabón más débil se convierte en la resistencia máxima de la cadena.
Deformación plastica
Un material 3D típico sufre una deformación plástica , lo que significa que la deformación es permanente, por el movimiento de dislocaciones 1D a través del material. Durante este proceso, estas dislocaciones pueden interactuar entre sí y multiplicarse. Debido a que los CNT son en sí mismos materiales 1D, no se aplican los conocidos mecanismos de generación y multiplicación (como una fuente de Frank-Read ) para las dislocaciones 1D. [8]
En cambio, los CNT sufren una deformación plástica a través de la formación y el movimiento de defectos, principalmente defectos topológicos como el defecto de Stone Wales o el defecto 5-7-7-5. El defecto 5-7-7-5 también se puede considerar como un par de defectos 5-7, en los que cada defecto es adyacente a un anillo de 5 miembros y dos anillos de 7 miembros. [9] Esta estructura de defecto es metaestable , por lo que se necesita una energía de varios eV para nuclearse o formarse. Además, el defecto se mueve por la migración separada de los 5-7 pares de defectos. Este movimiento también está asociado con una barrera de energía. La energía exacta depende de la configuración y quiralidad del CNT particular. La energía de activación para la formación de estos defectos en un CNT de diámetro y ángulo quiral se puede estimar como eV, donde es la cepa externa. [10] [11] Esta barrera de energía de activación explica parcialmente la baja ductilidad de los NTC (~ 6-15%) a temperatura ambiente. Sin embargo, puede superarse a altas temperaturas o con la aplicación de cepas adecuadas. [12] Por ejemplo, el defecto está nucleado en posiciones que experimentan una alta tensión de tracción en los NTC de tipo sillón y en posiciones que experimentan una alta tensión de compresión en los NTC de tipo zigag. [13]
Las tensiones aplicadas pueden superar la barrera de energía necesaria para mover 5-7 pares de defectos. Otra forma de entender esto es que cuando se tensa, un CNT libera la cepa formando estos defectos de manera espontánea. Por ejemplo, en (5,5) tubos, una deformación por tracción crítica de ~ 5% da como resultado la generación de defectos. La estructura del defecto reduce la tensión porque la geometría del heptágono puede estirarse más que los anillos hexagonales originales, mientras que el enlace CC permanece aproximadamente en la misma longitud. [14] Doblar los tubos más allá de una curvatura crítica tiene el mismo efecto. Este comportamiento puede aproximarse mediante un análisis semicuantitativo simple. Aplicar un estrés sobre un tubo de longitud y diametro funciona aproximadamente igual a en el tubo, donde son los vectores de Burgers para el defecto, es la curvatura de flexión, y relaciona el módulo de Young de la CNT con el del grafeno. El aumento de energía resultante de la creación del defecto y la separación de los 5-7 pares está dado aproximadamente por. Aquí, es la energía del núcleo de dislocación y da la energía de interacción entre los pares de defectos. El movimiento del defecto ocurre cuando el trabajo realizado por un esfuerzo aplicado lo supera, de manera que la curvatura de flexión requerida es inversamente proporcional al diámetro del CNT:. [13] De manera similar, las vibraciones térmicas pueden proporcionar la energía necesaria para la nucleación y el movimiento del defecto. De hecho, se requiere una combinación de tensión y alta temperatura para inducir una deformación plástica observable en los NTC. Esto se ha logrado en la literatura mediante la aplicación de una corriente, que provoca un calentamiento resistivo en el material. [15] Para los NTC sujetos a temperaturas superiores a 1500 K, se han informado alargamientos de hasta 280%. Este tipo de comportamiento se llama superplasticidad . [16] A estas altas temperaturas, se pueden formar torceduras y moverse tanto al trepar como al deslizarse. El aumento de las torceduras se evidencia por el hecho de que no siempre se mueven a lo largo de los planos compactos en los CNT, sino más bien a lo largo de un tubo. Cuando las torceduras se deslizan a lo largo de planos compactos en los CNT, siguen una trayectoria helicoidal. Se propone que las temperaturas elevadas permitan la difusión de las vacantes, de modo que los defectos asciendan a través de un proceso similar al observado en los materiales cristalinos 3D. [17]
Referencias
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