Los nanotubos de carbono (CNT) son cilindros de una o más capas de grafeno (celosía). Los diámetros de los nanotubos de carbono de pared simple (SWNT) y los nanotubos de carbono de paredes múltiples (MWNT) son típicamente de 0,8 a 2 nm y de 5 a 20 nm, respectivamente, aunque los diámetros de MWNT pueden superar los 100 nm. Las longitudes de CNT oscilan entre menos de 100 nm y 0,5 m. [1]
Las paredes individuales de CNT pueden ser metálicas o semiconductoras dependiendo de \ NTs son típicamente metálicas y pueden transportar corrientes de hasta 10 9 A cm -2 . Los SWNT pueden mostrar una conductividad térmica de 3500 W m −1 K −1 , superior a la del diamante . [2]
A partir de 2013 [actualizar], la producción de nanotubos de carbono excedió varios miles de toneladas por año, utilizados para aplicaciones en almacenamiento de energía, modelado de dispositivos, partes automotrices, cascos de embarcaciones, artículos deportivos, filtros de agua, electrónica de película delgada, revestimientos, actuadores y escudos electromagnéticos. Las publicaciones relacionadas con CNT se triplicaron con creces en la década anterior, mientras que las tasas de emisión de patentes también aumentaron. [2] La mayor parte de la producción fue de arquitectura desorganizada. Las arquitecturas CNT organizadas como "bosques", hilos y láminas regulares se produjeron en volúmenes mucho más pequeños. [2] Los CNT incluso se han propuesto como la atadura de un supuesto ascensor espacial . [3] [4]
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 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. [5] 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 e implantes biomédicos.
Investigación biológica y biomédica
Investigadores de la Universidad Rice y la Universidad Estatal de Nueva York - Stony Brook han demostrado que la adición de un porcentaje bajo en peso de nanotubos de carbono puede conducir a mejoras significativas en las propiedades mecánicas de los nanocompuestos poliméricos biodegradables para aplicaciones en ingeniería de tejidos, incluido el hueso, [6] [ 7] [8] cartílago, [9] músculo [10] y tejido nervioso. [7] [11] La dispersión de bajo% en peso de grafeno (~ 0.02% en peso) da como resultado aumentos significativos en las propiedades mecánicas de compresión y flexión de los nanocompuestos poliméricos. Investigadores de Rice University, Stony Brook University, Radboud University Nijmegen Medical Center y University of California, Riverside han demostrado que los nanotubos de carbono y sus nanocompuestos poliméricos son materiales de andamio adecuados para la ingeniería de tejido óseo [12] [13] [14] y la formación de hueso. [15] [16]
Los CNT exhiben compatibilidad química y dimensional con biomoléculas, como el ADN y las proteínas . Los CNT permiten la obtención de imágenes fluorescentes y fotoacústicas, así como el calentamiento localizado mediante radiación del infrarrojo cercano. [2]
Los biosensores SWNT exhiben grandes cambios en la impedancia eléctrica y las propiedades ópticas, que típicamente se modula por adsorción de un objetivo en la superficie del CNT. Los límites de detección bajos y la alta selectividad requieren la ingeniería de los efectos de campo y superficie CNT, capacitancia, cambios espectrales Raman y fotoluminiscencia para el diseño de sensores. Los productos en desarrollo incluyen tiras reactivas impresas para la detección de estrógenos y progesterona , microarrays para la detección de ADN y proteínas y sensores para NO
2y troponina cardíaca . Los sensores CNT similares son compatibles con la industria alimentaria, las aplicaciones militares y medioambientales. [2]
Los CNT pueden ser internalizados por las células, primero uniendo sus puntas a los receptores de la membrana celular. Esto permite la transfección de carga molecular adherida a las paredes de CNT o encapsulada por CNT. Por ejemplo, el fármaco contra el cáncer doxorrubicina se cargó hasta un 60% en peso en CNT en comparación con un máximo de 8 a 10% en peso en liposomas. La liberación de la carga puede ser provocada por la radiación del infrarrojo cercano . Sin embargo, limitar la retención de CNT dentro del cuerpo es fundamental para evitar una acumulación indeseable. [2]
La toxicidad del CNT sigue siendo una preocupación, aunque la biocompatibilidad del CNT puede ser manipulable. El grado de inflamación pulmonar causado por la inyección de SWNT bien dispersos fue insignificante en comparación con el amianto y las partículas en el aire. La aceptación médica de los NTC requiere la comprensión de la respuesta inmune y los estándares de exposición apropiados para inhalación, inyección, ingestión y contacto con la piel. Los bosques de CNT inmovilizados en un polímero no mostraron una respuesta inflamatoria elevada en ratas en comparación con los controles. Los CNT se están considerando como electrodos de interfaz neural de baja impedancia y para el recubrimiento de catéteres para reducir la trombosis . [2]
También se están desarrollando fuentes de rayos X habilitadas para CNT para imágenes médicas. Basándose en las propiedades únicas de los CNT, los investigadores han desarrollado cátodos de emisión de campo que permiten un control preciso de los rayos X y la ubicación cercana de múltiples fuentes. Las fuentes de rayos X habilitadas para CNT se han demostrado para aplicaciones preclínicas de imágenes de animales pequeños y actualmente se encuentran en ensayos clínicos. [ cita requerida ]
En noviembre de 2012, investigadores del Instituto Nacional Estadounidense de Estándares y Tecnología (NIST) demostraron que los nanotubos de carbono de pared simple pueden ayudar a proteger las moléculas de ADN del daño por oxidación . [17]
Un método muy eficaz para administrar nanotubos de carbono en las células es Cell squeezing , una plataforma de microfluidos sin vectores de alto rendimiento para la administración intracelular desarrollada en el Instituto de Tecnología de Massachusetts en los laboratorios de Robert S. Langer . [18]
Además, se han cultivado nanotubos de carbono dentro de canales de microfluidos para análisis químico, basados en electrocromatografía. Aquí, la alta relación de área de superficie a volumen y la alta hidrofobicidad de los CNT se utilizan para disminuir en gran medida el tiempo de análisis de pequeñas moléculas neutrales que generalmente requieren un gran equipo voluminoso para el análisis. [19] [20]
Materiales compuestos
Debido a las propiedades mecánicas superiores del nanotubo de carbono, se han propuesto muchas estructuras que van desde artículos de uso diario como ropa y equipo deportivo hasta chaquetas de combate y ascensores espaciales . [21] Sin embargo, el ascensor espacial requerirá más esfuerzos para refinar la tecnología de nanotubos de carbono, ya que la resistencia práctica a la tracción de los nanotubos de carbono debe mejorarse en gran medida. [22]
En perspectiva, ya se han logrado avances sobresalientes. El trabajo pionero dirigido por Ray H. Baughman en el NanoTech Institute ha demostrado que los nanotubos de paredes simples y múltiples pueden producir materiales con una dureza incomparable en los mundos naturales y artificiales. [23] [24]
Los nanotubos de carbono también son un material prometedor como bloques de construcción en materiales compuestos jerárquicos dadas sus propiedades mecánicas excepcionales (~ 1 TPa en módulo y ~ 100 GPa en resistencia). Los intentos iniciales de incorporar NTC en estructuras jerárquicas (como hilos, fibras o películas [25] ) han dado lugar a propiedades mecánicas que eran significativamente más bajas que estos límites potenciales. La integración jerárquica de nanotubos de carbono de paredes múltiples y óxidos de metal / metal dentro de una única nanoestructura puede aprovechar la potencialidad del compuesto de nanotubos de carbono para la separación de agua y la electrocatálisis. [26] Windle y col. han utilizado un método de hilatura por deposición química en fase de vapor (CVD) in situ para producir hilos CNT continuos a partir de aerogeles de CNT cultivados con CVD. [27] [28] [29] Los hilos CNT también se pueden fabricar extrayendo haces de CNT de un bosque de CNT y luego retorciéndolos para formar la fibra (método de estirado-torsión, ver imagen a la derecha). El grupo de Windle ha fabricado hilos CNT con resistencias de hasta ~ 9 GPa en longitudes de calibre pequeño de ~ 1 mm, sin embargo, se informaron resistencias de sólo aproximadamente ~ 1 GPa en la longitud de calibre más larga de 20 mm. [30] [31] La razón por la cual la resistencia de las fibras ha sido baja en comparación con la resistencia de los NTC individuales se debe a que no se transfiere la carga de manera efectiva a los NTC constituyentes (discontinuos) dentro de la fibra. Una ruta potencial para aliviar este problema es mediante el entrecruzamiento covalente inducido por irradiación (o deposición) y entrecruzamiento entre CNT para 'unir' eficazmente los CNT, con niveles de dosificación más altos que conducen a la posibilidad de compuestos amorfos de carbono / nanotubos de carbono. fibras. [32] Espinosa et al. desarrolló hilos compuestos de polímero DWNT de alto rendimiento retorciendo y estirando cintas de haces de DWNT orientados aleatoriamente con una capa fina de compuestos orgánicos poliméricos. Estos hilos de polímero DWNT exhibieron una energía inusualmente alta a la falla de ~ 100 J · g −1 (comparable a uno de los materiales naturales más resistentes: la seda de araña [33] ), y una resistencia tan alta como ~ 1.4 GPa. [34] Se está realizando un esfuerzo para producir compuestos de CNT que incorporen materiales de matriz más resistentes, como Kevlar , para mejorar aún más las propiedades mecánicas de las de los CNT individuales.
Debido a la alta resistencia mecánica de los nanotubos de carbono, se están realizando investigaciones para tejerlos en ropa para crear prendas a prueba de puñaladas y a prueba de balas. Los nanotubos evitarían que la bala penetre en el cuerpo, aunque la energía cinética de la bala probablemente causaría huesos rotos y hemorragia interna. [35]
Los nanotubos de carbono también pueden permitir tiempos de procesamiento más cortos y mayores eficiencias energéticas durante el curado de compuestos con el uso de calentadores estructurados de nanotubos de carbono. El autoclave es el "estándar de oro" para el curado de composites, sin embargo, tiene un precio elevado e introduce limitaciones en el tamaño de las piezas. Los investigadores estiman que curar una pequeña sección del fuselaje de fibra de carbono / epoxi del Boeing 787 requiere 350 GJ de energía y produce 80 toneladas de dióxido de carbono. Esta es aproximadamente la misma cantidad de energía que consumirían nueve hogares en un año. [36] Además, la eliminación de las limitaciones de tamaño de las piezas elimina la necesidad de unir componentes compuestos pequeños para crear estructuras a gran escala. Esto ahorra tiempo de fabricación y da como resultado estructuras de mayor resistencia.
Los calentadores con estructura de nanotubos de carbono son prometedores en la sustitución de autoclaves y hornos convencionales para el curado de compuestos debido a su capacidad para alcanzar altas temperaturas a velocidades de rampa rápida con alta eficiencia eléctrica y flexibilidad mecánica. Estos calentadores nanoestructurados pueden tomar la forma de una película y aplicarse directamente sobre el material compuesto. Esto da como resultado una transferencia de calor por conducción en contraposición a la transferencia de calor por convección utilizada por autoclaves y hornos convencionales. Lee et. Alabama. informó que solo el 50% de la energía térmica introducida en un autoclave se transfiere al compuesto que se está curando independientemente del tamaño de la pieza, mientras que aproximadamente el 90% de la energía térmica se transfiere en un calentador de película nanoestructurada según el proceso. [37]
Lee y col. pudieron curar con éxito compuestos de grado aeroespacial utilizando un calentador de CNT hecho "empujando dominó" un bosque de CNT sobre una película de teflón. Luego, esta película se colocó sobre una capa de preimpregnado OOA de 8 capas. Se incorporó aislamiento térmico alrededor del conjunto. Posteriormente, toda la configuración se embolsó al vacío y se calentó con una fuente de alimentación de 30 V CC. Se realizaron pruebas mecánicas y de grado de curado para comparar los composites curados convencionalmente con su configuración OOA. Los resultados mostraron que no hubo diferencia en la calidad del compuesto creado. Sin embargo, la cantidad de energía requerida para curar el OOA compuesto se redujo en dos órdenes de magnitud de 13,7 MJ a 118,8 kJ. [38]
Sin embargo, antes de que los nanotubos de carbono se puedan utilizar para curar el fuselaje del Boeing 787, es necesario un mayor desarrollo. El mayor desafío asociado con la creación de calentadores estructurados de nanotubos de carbono confiables es poder crear una dispersión uniforme de nanotubos de carbono en una matriz de polímero para garantizar que el calor se aplique de manera uniforme. La alta área de superficie de los CNT da como resultado fuertes fuerzas de Van Der Waals entre los CNT individuales, lo que hace que se aglomeren y produzcan propiedades de calentamiento no uniformes. Además, la matriz polimérica elegida debe elegirse cuidadosamente de modo que pueda soportar las altas temperaturas generadas y los ciclos térmicos repetitivos necesarios para curar múltiples componentes compuestos.
Mezclas
Los MWNT se utilizaron por primera vez como cargas eléctricamente conductoras en metales, en concentraciones tan altas como 83,78 por ciento en peso (% en peso). Los compuestos de polímero MWNT alcanzan conductividades tan altas como 10,000 S m −1 con una carga del 10% en peso. En la industria automotriz, los plásticos CNT se utilizan en la pintura asistida por electrostática de carcasas de espejos, así como en líneas de combustible y filtros que disipan la carga electrostática . Otros productos incluyen paquetes de blindaje contra interferencias electromagnéticas (EMI) y soportes de obleas de silicio. [2]
Para aplicaciones de carga, los polvos CNT se mezclan con polímeros o resinas precursoras para aumentar la rigidez, la resistencia y la tenacidad. Estas mejoras dependen del diámetro CNT, relación de aspecto, alineación, dispersión e interacción interfacial. Las resinas premezcladas y los lotes maestros emplean cargas de CNT de 0,1 a 20% en peso. El stick-slip a nanoescala entre los CNT y los contactos de polímero CNT puede aumentar la amortiguación del material, mejorando los artículos deportivos, incluidas las raquetas de tenis, los bates de béisbol y los cuadros de bicicleta. [2]
Las resinas CNT mejoran los compuestos de fibra, incluidas las palas y los cascos de las turbinas eólicas para embarcaciones de seguridad marítima que se fabrican mejorando los compuestos de fibra de carbono con resina mejorada con CNT. Los CNT se utilizan como aditivos en los precursores orgánicos de fibras de carbono más fuertes de 1 μm de diámetro. Los CNT influyen en la disposición del carbono en la fibra pirolizada. [2]
Frente al desafío de organizar los NTC a mayor escala, se crean compuestos de fibra jerárquica mediante el cultivo de bosques alineados sobre vidrio, carburo de silicio (SiC), alúmina y fibras de carbono, creando las denominadas fibras "difusas". El tejido epóxico difuso CNT-SiC y CNT-alúmina mostró un 69% de resistencia mejorada a la apertura de grietas (modo I) y / o al cizallamiento interlaminar (modo II) en el plano. Las aplicaciones bajo investigación incluyen protección contra rayos, deshielo y monitoreo de salud estructural para aeronaves. [2]
Los MWNT se pueden utilizar como aditivo ignífugo para plásticos debido a cambios en la reología por carga de nanotubos. Dichos aditivos pueden reemplazar a los retardantes de llama halogenados , que enfrentan restricciones ambientales. [2]
Las mezclas de CNT / Concreto ofrecen una mayor resistencia a la tracción y una menor propagación de grietas . [39]
Buckypaper (agregado de nanotubos) puede mejorar significativamente la resistencia al fuego debido a la eficiente reflexión del calor. [40]
Textiles
Los estudios anteriores sobre el uso de CNT para la funcionalización textil se centraron en la hilatura de fibras para mejorar las propiedades físicas y mecánicas. [41] [42] [43] Recientemente, se ha prestado mucha atención al recubrimiento de CNT en tejidos textiles. Se han empleado varios métodos para modificar tejidos usando CNT. produjo e-textiles inteligentes para el biomonitoreo humano utilizando un recubrimiento a base de polielectrolitos con CNT. [44] Además, Panhuis et al. material textil teñido por inmersión en una solución de polímero PMAS poli (ácido 2-metoxi anilina-5-sulfónico) o dispersión PMAS-SWNT con conductividad y capacitancia mejoradas con un comportamiento duradero. [45] En otro estudio, Hu y sus colaboradores recubrieron nanotubos de carbono de pared simple con un proceso simple de "inmersión y secado" para aplicaciones de almacenamiento de energía y dispositivos electrónicos portátiles. [46] En el estudio reciente, Li y sus compañeros de trabajo utilizaron un separador elastomérico y casi lograron un supercondensador completamente estirable basado en macrofilms de nanotubos de carbono de pared simple pandeados. Se usó poliuretano electrohilado que proporcionó una sólida capacidad de estiramiento mecánico y toda la celda logró una excelente estabilidad del ciclo de carga y descarga. [47] Los CNT tienen una estructura de nanotubos alineados y una carga superficial negativa. Por lo tanto, tienen estructuras similares a los colorantes directos, por lo que el método de agotamiento se aplica para recubrir y absorber CNT en la superficie de la fibra para preparar tejidos multifuncionales que incluyen propiedades antibacterianas, conductoras de electricidad, retardantes de llama y absorbancia electromagnética. [48] [49] [50]
Más tarde, los hilos CNT [51] y las láminas laminadas fabricadas mediante deposición química directa en fase de vapor (CVD) o métodos de hilado o trefilado forestal pueden competir con la fibra de carbono para usos de alta gama, especialmente en aplicaciones sensibles al peso que requieren una funcionalidad eléctrica y mecánica combinada. Los hilos de investigación hechos de CNT de pocas paredes han alcanzado una rigidez de 357 GPa y una resistencia de 8,8 GPa para una longitud de calibre comparable a los CNT de un milímetro de largo dentro del hilo. Las longitudes de calibre a escala centimétrica ofrecen solo resistencias gravimétricas de 2 GPa, que coinciden con las del Kevlar . [2]
Debido a que la probabilidad de un defecto crítico aumenta con el volumen, es posible que los hilos nunca alcancen la resistencia de los CNT individuales. Sin embargo, la gran superficie de CNT puede proporcionar un acoplamiento interfacial que mitiga estas deficiencias. Los hilos CNT se pueden anudar sin pérdida de resistencia. Recubrir láminas de CNT dibujadas en el bosque con polvo funcional antes de insertar la torsión produce hilos que se pueden tejer, trenzar y coser que contienen hasta un 95% en peso de polvo. Los usos incluyen cables superconductores, electrodos de pilas y pilas de combustible y tejidos autolimpiantes. [2]
Hasta ahora, se pueden fabricar fibras poco prácticas de SWNT alineados mediante hilado basado en coagulación de suspensiones de CNT. Se necesitan SWNT más baratos o MWNT hilados para la comercialización. [2] Los nanotubos de carbono se pueden disolver en superácidos como el ácido fluorosulfúrico y se pueden estirar para formar fibras en hilatura en seco con chorro de agua. [52]
Los hilos compuestos de polímero DWNT se han fabricado retorciendo y estirando cintas de haces de DWNT orientados al azar con una capa fina de compuestos orgánicos poliméricos. [53]
Chalecos antibalas -combatir chaquetas [54] Universidad de Cambridge desarrollaron las fibras y la licencia a una sociedad para hacerlos. [55] En comparación, la fibra Kevlar resistente a las balas falla a 27-33 J / g.
Los músculos sintéticos ofrecen una alta relación de contracción / extensión dada una corriente eléctrica. [56]
Los SWNT se utilizan como material experimental para paneles de puentes estructurales desmontables. [57]
En 2015, los investigadores incorporaron CNT y grafeno en la seda de araña , aumentando su fuerza y dureza a un nuevo récord. Rociaron 15 arañas Pholcidae con agua que contenía los nanotubos o copos. La seda resultante tenía una resistencia a la fractura de hasta 5,4 GPa , un módulo de Young de hasta 47,8 GPa y un módulo de tenacidad de hasta 2,1 GPa, superando tanto a las fibras sintéticas poliméricas de alto rendimiento (por ejemplo, Kevlar49 ) como a las fibras anudadas. [58]
Resortes de nanotubos de carbono
Los "bosques" de resortes MWNT estirados y alineados pueden alcanzar una densidad de energía 10 veces mayor que la de los resortes de acero, ofreciendo durabilidad cíclica, insensibilidad a la temperatura, sin descarga espontánea y tasa de descarga arbitraria. Se espera que los bosques SWNT puedan almacenar mucho más que MWNT. [59]
Aleaciones
Agregar pequeñas cantidades de CNT a los metales aumenta la resistencia a la tracción y el módulo con potencial en estructuras aeroespaciales y automotrices. Los compuestos comerciales de aluminio-MWNT tienen resistencias comparables al acero inoxidable (0,7 a 1 GPa) a un tercio de la densidad (2,6 g cm- 3 ), comparable a las aleaciones de aluminio-litio más caras. [2]
Recubrimientos y películas
Los CNT pueden servir como material de revestimiento multifuncional. Por ejemplo, las mezclas de pintura / MWNT pueden reducir la contaminación biológica de los cascos de los barcos al desalentar la adhesión de algas y percebes . Son una posible alternativa a las pinturas que contienen biocidas peligrosos para el medio ambiente. [60] La mezcla de CNT en recubrimientos anticorrosión para metales puede mejorar la rigidez y resistencia del recubrimiento y proporcionar un camino para la protección catódica. [2]
Los CNT brindan una alternativa menos costosa a la ITO para una variedad de dispositivos de consumo. Además del costo, los conductores transparentes y flexibles de CNT ofrecen una ventaja sobre los frágiles revestimientos ITO para pantallas flexibles. Los conductores CNT se pueden depositar a partir de la solución y modelar mediante métodos como la serigrafía. Las películas SWNT ofrecen un 90% de transparencia y una resistividad de hoja de 100 ohmios por cuadrado. Estas películas están en desarrollo para calentadores de película delgada, como para descongelar ventanas o aceras. [2]
Los bosques y espumas de nanotubos de carbono también se pueden recubrir con una variedad de materiales diferentes para cambiar su funcionalidad y rendimiento. Los ejemplos incluyen CNT recubiertos de silicio para crear baterías flexibles densas en energía, [61] recubrimientos de grafeno para crear aerogeles altamente elásticos [62] y recubrimientos de carburo de silicio para crear un material estructural fuerte para microarquitecturas 3D robustas de alta relación de aspecto. [63]
Existe una amplia gama de métodos para transformar los CNT en recubrimientos y películas. [64]
Detectores de potencia ópticos
Una mezcla en aerosol de nanotubos de carbono y cerámica demuestra una capacidad sin precedentes para resistir el daño mientras absorbe la luz láser. Dichos recubrimientos que absorben la energía de los láseres de alta potencia sin romperse son esenciales para los detectores de potencia óptica que miden la salida de dichos láseres. Se utilizan, por ejemplo, en equipos militares para desactivar minas sin detonar. El compuesto consta de nanotubos de carbono de paredes múltiples y una cerámica hecha de silicio, carbono y nitrógeno. Incluir boro aumenta la temperatura de descomposición. Los nanotubos y el carbono similar al grafeno transmiten bien el calor, mientras que la cerámica resistente a la oxidación aumenta la resistencia al daño. La creación del recubrimiento implica la dispersión de los nanotubos en tolueno , al que se le añadió un polímero líquido transparente que contiene boro. La mezcla se calentó a 1.100 ° C (2.010 ° F). El resultado se tritura en un polvo fino, se dispersa de nuevo en tolueno y se pulveriza en una fina capa sobre una superficie de cobre. El revestimiento absorbió el 97,5 por ciento de la luz de un láser de infrarrojo lejano y toleró 15 kilovatios por centímetro cuadrado durante 10 segundos. La tolerancia al daño es aproximadamente un 50 por ciento más alta que para recubrimientos similares, por ejemplo, nanotubos solos y pintura al carbón. [65] [66]
Absorción de radar
Los radares funcionan en el rango de frecuencia de microondas, que puede ser absorbido por MWNT. La aplicación de MWNT a la aeronave haría que el radar fuera absorbido y, por lo tanto, pareciera tener una sección transversal de radar más pequeña . Una de esas aplicaciones podría ser pintar los nanotubos en el avión. Recientemente, se ha realizado un trabajo en la Universidad de Michigan sobre la utilidad de los nanotubos de carbono como tecnología sigilosa en aviones. Se ha descubierto que, además de las propiedades de absorción del radar, los nanotubos no reflejan ni dispersan la luz visible, lo que la hace esencialmente invisible por la noche, al igual que pintar los aviones furtivos actuales de negro, excepto que es mucho más efectivo. Sin embargo, las limitaciones actuales en la fabricación significan que la producción actual de aviones recubiertos de nanotubos no es posible. Una teoría para superar estas limitaciones actuales es cubrir las partículas pequeñas con los nanotubos y suspender las partículas cubiertas de nanotubos en un medio como pintura, que luego se puede aplicar a una superficie, como un avión furtivo. [67]
En 2010, Lockheed Martin Corporation solicitó una patente para un material absorbente de radar basado en CNT, que fue reasignado y otorgado a Applied NanoStructure Solutions, LLC en 2012. [68] Algunos creen que este material está incorporado en el F-35 Rayo II . [69]
Microelectrónica
Se han fabricado transistores basados en nanotubos , también conocidos como transistores de efecto de campo de nanotubos de carbono (CNTFET), que funcionan a temperatura ambiente y que son capaces de conmutación digital utilizando un solo electrón. [70] Sin embargo, un obstáculo importante para la realización de nanotubos ha sido la falta de tecnología para la producción en masa. En 2001, los investigadores de IBM demostraron cómo se pueden destruir los nanotubos metálicos, dejando atrás los semiconductores para su uso como transistores. Su proceso se llama "destrucción constructiva", que incluye la destrucción automática de nanotubos defectuosos en la oblea . [71] Este proceso, sin embargo, solo da control sobre las propiedades eléctricas en una escala estadística.
Los SWNT son atractivos para los transistores debido a su baja dispersión de electrones y su banda prohibida. Los SWNT son compatibles con arquitecturas de transistores de efecto de campo (FET) y dieléctricos de alta k. A pesar de los avances posteriores a la aparición del transistor CNT en 1998, incluido un FET tunelizado con una oscilación por debajo del umbral de <60 mV por década (2004), una radio (2007) y un FET con una longitud de canal inferior a 10 nm y una densidad de corriente normalizada de 2,41 mA μm −1 a 0,5 V, superiores a los obtenidos para dispositivos de silicio.
Sin embargo, el control del diámetro, quiralidad, densidad y ubicación sigue siendo insuficiente para la producción comercial. Los dispositivos menos exigentes de decenas a miles de SWNT son más prácticos de inmediato. El uso de matrices / transistores CNT aumenta la corriente de salida y compensa los defectos y las diferencias de quiralidad, mejorando la uniformidad y reproducibilidad del dispositivo. Por ejemplo, los transistores que usaban arreglos CNT alineados horizontalmente lograron movilidades de 80 cm 2 V −1 s −1 , pendientes subumbrales de 140 mV por década y relaciones de encendido / apagado tan altas como 10 5 . Los métodos de deposición de películas CNT permiten la fabricación de semiconductores convencionales de más de 10,000 dispositivos CNT por chip.
Los transistores de película fina (TFT) CNT impresos son atractivos para impulsar pantallas de diodos emisores de luz orgánicos , ya que muestran una mayor movilidad que el silicio amorfo (~ 1 cm 2 V −1 s −1 ) y se pueden depositar mediante métodos de baja temperatura sin vacío. Se demostraron TFT de CNT flexibles con una movilidad de 35 cm 2 V −1 s −1 y una relación de encendido / apagado de 6 × 10 6 . Un CNT FET vertical mostró suficiente salida de corriente para impulsar OLED a bajo voltaje, lo que permite la emisión rojo-verde-azul a través de una red CNT transparente. Se están considerando los CNT para las etiquetas de identificación por radiofrecuencia . Se demostró la retención selectiva de SWNT semiconductores durante el recubrimiento por rotación y una sensibilidad reducida a los adsorbatos.
La Hoja de ruta tecnológica internacional para semiconductores sugiere que los CNT podrían reemplazar las interconexiones de Cu en los circuitos integrados, debido a su baja dispersión, alta capacidad de transporte de corriente y resistencia a la electromigración. Para ello, se necesitan vías que comprendan CNT metálicos compactos (> 10 13 cm -2 ) con baja densidad de defectos y baja resistencia de contacto. Recientemente, se demostraron interconexiones de 150 nm de diámetro compatibles con semiconductores de óxido de metal complementario (CMOS) con un solo orificio de contacto CNT con una resistencia de 2,8 kOhm en obleas completas de 200 mm de diámetro. Además, como reemplazo de los golpes de soldadura, los CNT pueden funcionar como cables eléctricos y como disipadores de calor para su uso en amplificadores de alta potencia.
Por último, se ha adaptado un concepto para una memoria no volátil basada en interruptores electromecánicos de barra transversal CNT individuales para su comercialización mediante el modelado de películas delgadas CNT enredadas como elementos funcionales. Esto requirió el desarrollo de suspensiones de CNT ultrapuras que se pueden recubrir por centrifugación y procesar en entornos de salas limpias industriales y, por lo tanto, son compatibles con los estándares de procesamiento CMOS.
Transistores
Los transistores de efecto de campo de nanotubos de carbono (CNTFET) pueden funcionar a temperatura ambiente y son capaces de conmutación digital utilizando un solo electrón . [72] En 2013, se demostró un circuito lógico CNT que podría realizar un trabajo útil. [73] Los principales obstáculos para la microelectrónica basada en nanotubos incluyen la ausencia de tecnología para la producción en masa , densidad del circuito, posicionamiento de contactos eléctricos individuales, pureza de la muestra, [74] control sobre la longitud, quiralidad y alineación deseada, balance térmico y resistencia de contacto.
Uno de los principales desafíos fue la regulación de la conductividad. Dependiendo de las características sutiles de la superficie, un nanotubo puede actuar como conductor o como semiconductor .
Otra forma de fabricar transistores de nanotubos de carbono ha sido utilizar redes aleatorias de ellos. [75] Al hacerlo, se promedian todas sus diferencias eléctricas y se pueden producir dispositivos a gran escala a nivel de obleas. [76] Este enfoque fue patentado por primera vez por Nanomix Inc. [77] (fecha de la solicitud original junio de 2002 [78] ). Fue publicado por primera vez en la literatura académica por el Laboratorio de Investigación Naval de los Estados Unidos en 2003 a través de un trabajo de investigación independiente. Este enfoque también permitió a Nanomix fabricar el primer transistor en un sustrato flexible y transparente. [79] [80]
Dado que el camino libre medio de electrones en los SWCNT puede exceder 1 micrómetro, los CNTFET de canal largo exhiben características de transporte casi balísticas , lo que da como resultado altas velocidades. Se prevé que los dispositivos CNT funcionen en el rango de frecuencia de cientos de gigahercios. [81] [82] [83] [84] [85]
Los nanotubos se pueden cultivar en nanopartículas de metal magnético ( Fe , Co ) que facilitan la producción de dispositivos electrónicos ( espintrónicos ). En particular, se ha demostrado el control de la corriente a través de un transistor de efecto de campo mediante un campo magnético en una nanoestructura de un solo tubo de este tipo. [86]
Historia
En 2001, los investigadores de IBM demostraron cómo se pueden destruir los nanotubos metálicos, dejando nanotubos semiconductores para su uso como componentes. Usando "destrucción constructiva", destruyeron nanotubos defectuosos en la oblea . [87] Este proceso, sin embargo, solo da control sobre las propiedades eléctricas en una escala estadística. En 2003, se informó sobre transistores balísticos a temperatura ambiente con contactos de metal óhmico y dieléctrico de puerta de alta k , que mostraban 20 a 30 veces más corriente que los MOSFET de silicio de última generación . El paladio es un metal de alta función de trabajo que mostró tener contactos sin barrera de Schottky con nanotubos semiconductores con diámetros> 1,7 nm. [88]
El potencial de los nanotubos de carbono se demostró en 2003 cuando se informaron transistores balísticos a temperatura ambiente con contactos metálicos óhmicos y dieléctrico de puerta de alta k , que mostraban una corriente de encendido entre 20 y 30 veces mayor que los MOSFET de Si de última generación . Esto representó un avance importante en el campo, ya que se demostró que la CNT supera potencialmente al Si. En ese momento, un desafío importante era la formación de contactos de metal óhmico. En este sentido, se demostró que el paladio , que es un metal de alta función funcional, exhibe contactos sin barrera de Schottky con nanotubos semiconductores con diámetros> 1,7 nm. [89] [90]
El primer circuito de memoria integrado de nanotubos se fabricó en 2004. Uno de los principales desafíos ha sido regular la conductividad de los nanotubos. Dependiendo de las características sutiles de la superficie, un nanotubo puede actuar como un conductor simple o como un semiconductor. Sin embargo, se ha desarrollado un método totalmente automatizado para eliminar tubos no semiconductores. [91]
En 2013, los investigadores demostraron un prototipo completo de computadora a escala micrométrica de Turing . [92] [93] [94] Los transistores de nanotubos de carbono como circuitos de compuerta lógica con densidades comparables a la tecnología CMOS moderna aún no se han demostrado. [ cita requerida ]
En 2014, se utilizaron redes de nanotubos de carbono semiconductores purificados como material activo en transistores de película delgada tipo p . Fueron creados usando impresoras 3-D usando métodos de inyección de tinta o huecograbado sobre sustratos flexibles, incluyendo poliimida [95] y polietileno (PET) [96] y sustratos transparentes como el vidrio. [97] Estos transistores exhiben de manera confiable alta movilidad (> 10 cm 2 V −1 s −1 ) y relaciones de ENCENDIDO / APAGADO (> 1000), así como voltajes de umbral por debajo de 5 V. Ofrecen densidad de corriente y bajo consumo de energía también como estabilidad ambiental y flexibilidad mecánica. La histéresis en las maldiciones corriente-voltaje, así como la variabilidad en el voltaje umbral, quedan por resolver.
En 2015, los investigadores anunciaron una nueva forma de conectar cables a SWNT que permite seguir reduciendo el ancho de los cables sin aumentar la resistencia eléctrica. Se esperaba que el avance redujera el punto de contacto entre los dos materiales a solo 40 átomos de ancho y luego menos. Los tubos se alinean en filas regularmente espaciadas sobre obleas de silicio. Las simulaciones indicaron que los diseños podrían optimizarse para un alto rendimiento o para un bajo consumo de energía. No se esperaban dispositivos comerciales hasta la década de 2020. [98]
Gestión térmica
Se pueden utilizar grandes estructuras de nanotubos de carbono para la gestión térmica de circuitos electrónicos. Se usó una capa de nanotubos de carbono de aproximadamente 1 mm de espesor como material especial para fabricar enfriadores, este material tiene una densidad muy baja, ~ 20 veces menor peso que una estructura de cobre similar, mientras que las propiedades de enfriamiento son similares para los dos materiales. [99]
Buckypaper tiene características apropiadas para su uso como disipador de calor para tableros de partículas, retroiluminación para pantallas LCD o como jaula de faraday .
Células solares
Una de las aplicaciones prometedoras de los nanotubos de carbono de pared simple (SWNT) es su uso en paneles solares, debido a sus fuertes características de absorción UV / Vis-NIR. La investigación ha demostrado que pueden proporcionar un aumento considerable de la eficiencia, incluso en su estado no optimizado actual. Las células solares desarrolladas en el Instituto de Tecnología de Nueva Jersey utilizan un complejo de nanotubos de carbono, formado por una mezcla de nanotubos de carbono y buckybolas de carbono (conocidas como fullerenos ) para formar estructuras similares a serpientes. Las buckybolas atrapan electrones, pero no pueden hacer que fluyan los electrones. [100] [101] Agregue luz solar para excitar los polímeros y las buckyballs agarrarán los electrones. Los nanotubos, que se comportan como cables de cobre, podrán hacer que los electrones o la corriente fluyan. [102]
Se han realizado investigaciones adicionales sobre la creación de paneles solares híbridos SWNT para aumentar aún más la eficiencia. Estos híbridos se crean combinando SWNT con donantes de electrones fotoexcitables para aumentar la cantidad de electrones generados. Se ha descubierto que la interacción entre la porfirina fotoexcitada y SWNT genera pares de electroagujeros en las superficies de SWNT. Este fenómeno se ha observado experimentalmente y contribuye prácticamente a un aumento de la eficiencia de hasta un 8,5%. [103]
Los nanotubos pueden reemplazar potencialmente al óxido de indio y estaño en las células solares como una película conductora transparente en las células solares para permitir que la luz pase a las capas activas y genere fotocorriente. [104]
Los CNT en las células solares orgánicas ayudan a reducir la pérdida de energía (recombinación de portadores) y mejoran la resistencia a la fotooxidación. Las tecnologías fotovoltaicas pueden incorporar algún día heterouniones CNT-Silicon para aprovechar la generación eficiente de múltiples excitones en las uniones pn formadas dentro de CNT individuales. En un término más cercano, la energía fotovoltaica comercial puede incorporar electrodos SWNT transparentes. [2]
Almacenamiento de hidrógeno
Además de poder almacenar energía eléctrica, se han realizado algunas investigaciones sobre el uso de nanotubos de carbono para almacenar hidrógeno y utilizarlo como fuente de combustible. Aprovechando los efectos capilares de los pequeños nanotubos de carbono, es posible condensar gases en alta densidad dentro de nanotubos de pared simple. Esto permite que para los gases, especialmente de hidrógeno (H 2 ), que se almacena a altas densidades sin que se condensa en un líquido. Potencialmente, este método de almacenamiento podría usarse en vehículos en lugar de tanques de combustible de gas para un automóvil impulsado por hidrógeno. Un problema actual con respecto a los vehículos propulsados por hidrógeno es el almacenamiento a bordo del combustible. Métodos de almacenamiento actuales implican enfriar y condensar el H 2 gas a un estado líquido para su almacenamiento lo que provoca una pérdida de energía potencial (25-45%) en comparación con la energía asociada con el estado gaseoso. El almacenamiento con SWNT permitiría mantener el H2 en su estado gaseoso, aumentando así la eficiencia del almacenamiento. Este método permite una relación de volumen a energía ligeramente más pequeña que la de los vehículos de gasolina actuales, lo que permite un rango ligeramente más bajo pero comparable. [105]
Un área de controversia y experimentación frecuente con respecto al almacenamiento de hidrógeno por adsorción en nanotubos de carbono es la eficiencia con la que se produce este proceso. La efectividad del almacenamiento de hidrógeno es parte integral de su uso como fuente de combustible principal, ya que el hidrógeno solo contiene aproximadamente una cuarta parte de la energía por unidad de volumen que la gasolina. Sin embargo, los estudios muestran que lo más importante es la superficie de los materiales utilizados. Por tanto, el carbón activado con una superficie de 2600 m2 / g puede almacenar hasta un 5,8% p / p. En todos estos materiales carbonosos, el hidrógeno se almacena por fisisorción a 70-90K. [106]
Capacidad experimental
Un experimento [107] buscó determinar la cantidad de hidrógeno almacenado en los CNT mediante el análisis de detección de retroceso elástico (ERDA). Los CNT (principalmente SWNT) se sintetizaron mediante la disposición de vapor químico (CVD) y se sometieron a un proceso de purificación de dos etapas que incluía oxidación del aire y tratamiento con ácido, luego se formaron en discos planos y uniformes y se expusieron a hidrógeno puro presurizado a diversas temperaturas. Cuando se analizaron los datos, se encontró que la capacidad de los CNT para almacenar hidrógeno disminuyó a medida que aumentaba la temperatura. Además, la concentración de hidrógeno más alta medida fue ~ 0,18%; significativamente más bajo de lo que debe ser el almacenamiento de hidrógeno comercialmente viable. Un trabajo experimental separado realizado mediante el uso de un método gravimétrico también reveló que la capacidad máxima de absorción de hidrógeno de los CNT era tan baja como el 0,2%. [108]
En otro experimento, [ cita requerida ] CNT se sintetizaron a través de CVD y su estructura se caracterizó mediante espectroscopía Raman . Utilizando la digestión por microondas , las muestras se expusieron a diferentes concentraciones de ácido y diferentes temperaturas durante varios períodos de tiempo en un intento de encontrar el método de purificación óptimo para los SWNT del diámetro determinado anteriormente. A continuación, las muestras purificadas se expusieron a gas hidrógeno a diversas presiones elevadas y se representó gráficamente su adsorción en porcentaje en peso. Los datos mostraron que son posibles niveles de adsorción de hidrógeno de hasta el 3,7% con una muestra muy pura y en las condiciones adecuadas. Se cree que la digestión por microondas ayuda a mejorar la capacidad de adsorción de hidrógeno de los CNT al abrir los extremos, permitiendo el acceso a las cavidades internas de los nanotubos.
Limitaciones de la adsorción eficiente de hidrógeno
El mayor obstáculo para el almacenamiento eficiente de hidrógeno utilizando CNT es la pureza de los nanotubos. Para lograr la máxima adsorción de hidrógeno, debe haber un mínimo de grafeno , carbono amorfo y depósitos metálicos en la muestra de nanotubos. Los métodos actuales de síntesis de CNT requieren una etapa de purificación. Sin embargo, incluso con nanotubos puros, la capacidad de adsorción solo se maximiza bajo altas presiones, que son indeseables en tanques de combustible comerciales.
Componentes electrónicos
Varias empresas están desarrollando películas de CNT transparentes y eléctricamente conductoras y nanobuds para reemplazar el óxido de indio y estaño (ITO) en LCD, pantallas táctiles y dispositivos fotovoltaicos. Las películas de nanotubos son prometedoras para su uso en pantallas para computadoras, teléfonos celulares, asistentes digitales personales y cajeros automáticos . [109] Los diodos CNT muestran un efecto fotovoltaico .
Los nanotubos de paredes múltiples ( MWNT recubiertos con magnetita ) pueden generar fuertes campos magnéticos. Los avances recientes muestran que el MWNT decorado con nanopartículas de maghemita puede orientarse en un campo magnético [110] y mejorar las propiedades eléctricas del material compuesto en la dirección del campo para su uso en escobillas de motores eléctricos . [111]
Una capa de nanotubos de pared simple enriquecidos con hierro ( SWNT ) al 29% colocada sobre una capa de material explosivo como PETN se puede encender con un flash de cámara normal. [112]
Los CNT se pueden utilizar como cañones de electrones en tubos de rayos catódicos en miniatura (CRT) en pantallas de alto brillo, baja energía y bajo peso. Una pantalla consistiría en un grupo de pequeños CRT, cada uno de los cuales proporcionaría los electrones para iluminar el fósforo de un píxel , en lugar de tener un CRT cuyos electrones se dirigen mediante campos eléctricos y magnéticos . Estas pantallas se conocen como pantallas de emisión de campo (FED).
Los CNT pueden actuar como antenas para radios y otros dispositivos electromagnéticos . [113]
Los CNT conductores se utilizan en escobillas para motores eléctricos comerciales. Reemplazan al negro de carbón tradicional . Los nanotubos mejoran la conductividad eléctrica y térmica porque se estiran a través de la matriz plástica del cepillo. Esto permite que la carga de carbón se reduzca del 30% al 3,6%, de modo que haya más matriz presente en el cepillo. Los cepillos de motor compuestos de nanotubos están mejor lubricados (desde la matriz), funcionan a menor temperatura (tanto por una mejor lubricación como por una conductividad térmica superior), menos frágiles (más matriz y refuerzo de fibra), más fuertes y moldeables con mayor precisión (más matriz). Dado que las escobillas son un punto crítico de falla en los motores eléctricos y tampoco necesitan mucho material, se volvieron económicas antes que casi cualquier otra aplicación.
Los cables para transportar corriente eléctrica se pueden fabricar a partir de nanotubos y compuestos de nanotubos y polímeros. Se han fabricado alambres pequeños con una conductividad específica superior al cobre y al aluminio; [114] [115] los cables no metálicos de mayor conductividad.
Los CNT están bajo investigación como alternativa a los filamentos de tungsteno en las bombillas incandescentes .
Interconexiones
Los nanotubos de carbono metálico han despertado el interés de la investigación por su aplicabilidad como interconexiones de integración a muy gran escala (VLSI) debido a su alta estabilidad térmica , alta conductividad térmica y gran capacidad de transporte de corriente . [116] [117] [118] [119] [120] [121] Un CNT aislado puede transportar densidades de corriente superiores a 1000 MA / cm 2 sin daño incluso a una temperatura elevada de 250 ° C (482 ° F), eliminando los problemas de confiabilidad de la electromigración que plagan las interconexiones de Cu . [122] Un trabajo de modelado reciente que compara los dos ha demostrado que las interconexiones de paquetes de CNT pueden ofrecer potencialmente ventajas sobre el cobre. [123] [122] Experimentos recientes demostraron resistencias tan bajas como 20 ohmios usando diferentes arquitecturas, [124] se demostró que las medidas detalladas de conductancia en un amplio rango de temperatura concuerdan con la teoría para un conductor cuasi unidimensional fuertemente desordenado.
Las interconexiones híbridas que emplean vías CNT en conjunto con interconexiones de cobre pueden ofrecer ventajas desde una perspectiva de confiabilidad / gestión térmica. [125] En 2016, la Unión Europea financió un proyecto de cuatro millones de euros durante tres años para evaluar la capacidad de fabricación y el rendimiento de interconexiones compuestas que emplean interconexiones de cobre y CNT. El proyecto denominado CONNECT (Interconexiones compuestas de nanotubos de carbono) [126] implica los esfuerzos conjuntos de siete socios industriales y de investigación europeos sobre técnicas y procesos de fabricación para permitir nanotubos de carbono fiables para interconexiones en chip en la producción de microchips ULSI.
Cables e hilos eléctricos
Los cables para transportar corriente eléctrica se pueden fabricar a partir de nanotubos puros y compuestos de nanotubos y polímeros. Ya se ha demostrado que los cables de nanotubos de carbono se pueden utilizar con éxito para la transmisión de energía o datos. [127] Recientemente se han fabricado alambres pequeños con una conductividad específica superior al cobre y al aluminio; [128] [129] Estos cables son los nanotubos de carbono de mayor conductividad y también los cables no metálicos de mayor conductividad. Recientemente, se ha demostrado que los compuestos de nanotubos de carbono y cobre exhiben una capacidad de transporte de corriente casi cien veces mayor que el cobre o el oro puros. [130] Es significativo que la conductividad eléctrica de un compuesto de este tipo sea similar a la del Cu puro. Por lo tanto, este compuesto de nanotubos de carbono y cobre (CNT-Cu) posee la capacidad de transporte de corriente más alta observada entre los conductores eléctricos. Por lo tanto, para una sección transversal determinada de conductor eléctrico, el compuesto CNT-Cu puede soportar y transportar una corriente cien veces mayor en comparación con metales como el cobre y el oro.
Almacen de energia
El uso de CNT como soporte de catalizador en pilas de combustible puede reducir potencialmente el uso de platino en un 60% en comparación con el negro de humo. Los CNT dopados pueden permitir la eliminación completa de Pt. [2]
Supercondensador
El Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT utiliza nanotubos para mejorar los supercondensadores . El carbón activado utilizado en los ultracondensadores convencionales tiene muchos pequeños espacios huecos de varios tamaños, que crean juntos una gran superficie para almacenar carga eléctrica. Pero como la carga se cuantifica en cargas elementales, es decir, electrones, y cada carga elemental necesita un espacio mínimo, una fracción significativa de la superficie del electrodo no está disponible para almacenamiento porque los espacios huecos no son compatibles con los requisitos de la carga. Con un electrodo de nanotubos, los espacios se pueden adaptar al tamaño (pocos demasiado grandes o demasiado pequeños) y, en consecuencia, la capacidad debe aumentarse considerablemente. [131]
Un supercondensador de 40 F con un voltaje máximo de 3,5 V que empleaba SWNT cultivados en el bosque sin aglutinantes ni aditivos logró una densidad de energía de 15,6 Wh kg -1 y una densidad de potencia de 37 kW kg -1 . [132] Los CNT se pueden unir a las placas de carga de los condensadores para aumentar drásticamente el área de superficie y, por lo tanto, la densidad de energía . [2]
Pilas
Las emocionantes propiedades electrónicas de los nanotubos de carbono (CNT) se han mostrado prometedoras en el campo de las baterías, donde normalmente se están experimentando como un nuevo material de electrodo, en particular el ánodo para baterías de iones de litio. [133] Esto se debe al hecho de que el ánodo requiere una capacidad reversible relativamente alta a un potencial cercano al litio metálico, y una capacidad irreversible moderada, observada hasta ahora solo por compuestos a base de grafito, como los CNT. Han demostrado que mejoran en gran medida la capacidad y la ciclabilidad de las baterías de iones de litio , así como la capacidad de ser componentes de búfer muy efectivos, aliviando la degradación de las baterías que generalmente se debe a la carga y descarga repetidas. Además, el transporte electrónico en el ánodo se puede mejorar en gran medida utilizando CNT altamente metálicos. [134]
Más específicamente, los CNT han mostrado capacidades reversibles de 300 a 600 mAhg -1 , y algunos tratamientos muestran que estos números aumentan hasta 1000 mAhg -1 . [135] Mientras tanto, el grafito , que es el más utilizado como material de ánodo para estas baterías de litio, ha mostrado capacidades de sólo 320 mAhg −1 . Al crear compuestos a partir de CNT, los científicos ven un gran potencial para aprovechar estas capacidades excepcionales, así como su excelente resistencia mecánica, conductividades y bajas densidades. [134]
Los MWNT se utilizan en cátodos de baterías de iones de litio . [136] [137] En estas baterías, pequeñas cantidades de polvo de MWNT se mezclan con materiales activos y un aglutinante de polímero, como una carga de CNT al 1% en peso en LiCoO
2 cátodos y ánodos de grafito . Los CNT proporcionan una mayor conectividad eléctrica e integridad mecánica, lo que mejora la capacidad de velocidad y el ciclo de vida. [2]
Baterías de papel
Una batería de papel es una batería diseñada para usar una hoja delgada de celulosa (que es el componente principal del papel normal, entre otras cosas) infundida con nanotubos de carbono alineados. [138] El potencial de estos dispositivos es grande, ya que pueden fabricarse mediante un proceso de rollo a rollo , [136] lo que lo haría de muy bajo costo, y serían livianos, flexibles y delgados. Para utilizar de manera productiva la electrónica de papel (o cualquier dispositivo electrónico delgado), la fuente de alimentación debe ser igualmente delgada, lo que indica la necesidad de baterías de papel. Recientemente, se ha demostrado que las superficies recubiertas con CNT se pueden usar para reemplazar metales pesados en baterías. [139] Más recientemente, se han demostrado baterías de papel funcionales, en las que una batería de iones de litio se integra en una sola hoja de papel a través de un proceso de laminación como un compuesto con Li4Ti5O12 (LTO) o LiCoO2 (LCO). El sustrato de papel funcionaría bien como separador de la batería, donde las películas de CNT funcionan como colectores de corriente tanto para el ánodo como para el cátodo. Estos dispositivos de energía recargable muestran potencial en etiquetas RFID , empaques funcionales o nuevas aplicaciones electrónicas desechables. [140]
También se han demostrado mejoras en las baterías de plomo-ácido, según la investigación realizada por la Universidad de Bar-Ilan utilizando SWCNT de alta calidad fabricado por OCSiAl . El estudio demostró un aumento en la vida útil de las baterías de plomo ácido en 4,5 veces y un aumento de capacidad del 30% en promedio y hasta el 200% a altas tasas de descarga. [141] [142]
Químico
CNT se puede utilizar para la desalinización . Las moléculas de agua se pueden separar de la sal forzándolas a través de redes de nanotubos electroquímicamente robustas con porosidad a nanoescala controlada. Este proceso requiere presiones mucho más bajas que los métodos convencionales de ósmosis inversa . En comparación con una membrana simple, funciona a una temperatura 20 ° C más baja y a un caudal 6 veces mayor. [143] Las membranas que utilizan CNT encapsulados y alineados con extremos abiertos permiten el flujo a través de los interiores de los CNT. Se necesitan SWNT de diámetro muy pequeño para rechazar la sal en concentraciones de agua de mar. Los filtros portátiles que contienen mallas de CNT pueden purificar el agua potable contaminada. Estas redes pueden oxidar electroquímicamente contaminantes orgánicos, bacterias y virus. [2]
Las membranas CNT pueden filtrar el dióxido de carbono de las emisiones de las centrales eléctricas. [ cita requerida ]
CNT se puede llenar con moléculas biológicas, lo que ayuda a la biotecnología . [ cita requerida ]
Los CNT tienen el potencial de almacenar entre un 4,2 y un 65% de hidrógeno en peso. Si se pueden producir en masa de forma económica, 13,2 litros (2,9 gal imp; 3,5 gal EE.UU.) de CNT podrían contener la misma cantidad de energía que un tanque de gasolina de 50 litros (11 gal imp; 13 gal EE.UU.). [ cita requerida ]
Los CNT se pueden utilizar para producir nanocables de otros elementos / moléculas, como oro u óxido de zinc . A su vez, los nanocables se pueden utilizar para moldear nanotubos de otros materiales, como el nitruro de galio . Estos pueden tener propiedades muy diferentes a las de los NTC; por ejemplo, los nanotubos de nitruro de galio son hidrófilos , mientras que los NTC son hidrófobos , lo que les da posibles usos en química orgánica.
Mecánico
Los osciladores basados en CNT han alcanzado velocidades de> 50 GHz .
Las propiedades eléctricas y mecánicas de los CNT los sugieren como alternativas a los actuadores eléctricos tradicionales. [ cita requerida ]
Actuadores
Las excepcionales propiedades eléctricas y mecánicas de los nanotubos de carbono los han convertido en alternativas a los actuadores eléctricos tradicionales tanto para aplicaciones microscópicas como macroscópicas. Los nanotubos de carbono son muy buenos conductores tanto de electricidad como de calor, y también son moléculas muy fuertes y elásticas en ciertas direcciones.
Altoparlante
También se han aplicado nanotubos de carbono en la acústica (como altavoces y auriculares). En 2008, se demostró que una hoja de nanotubos puede funcionar como altavoz si se aplica una corriente alterna. El sonido no se produce por vibración sino termoacústicamente . [144] [145] En 2013, un grupo de investigación del Centro de Investigación de Nanotecnología Tsinghua-Foxconn en la Universidad de Tsinghua demostró un auricular termoacústico de hilo fino de nanotubos de carbono (CNT) junto con un chip termoacústico de hilo fino CNT, [146] utilizando un Si- proceso de fabricación compatible con tecnología semiconductora basada.
Los usos comerciales a corto plazo incluyen la sustitución de altavoces piezoeléctricos en tarjetas de felicitación . [147]
Óptico
- Ver aplicaciones adicionales en: Propiedades ópticas de los nanotubos de carbono
- La fotoluminiscencia de nanotubos de carbono (fluorescencia) se puede utilizar para observar especies de nanotubos de carbono de pared simple semiconductores. Los mapas de fotoluminiscencia, elaborados mediante la adquisición de la emisión y el escaneo de la energía de excitación, pueden facilitar la caracterización de la muestra. [148]
- La fluorescencia de nanotubos está bajo investigación para sensores e imágenes biomédicas. [149] [150] [151]
- La reflectividad del papel bucky producido con la deposición de vapor químico de "supercrecimiento" es de 0,03 o menos, lo que permite potencialmente mejoras en el rendimiento de los detectores de infrarrojos piroeléctricos . [152]
Ambiental
Remediación ambiental
Una esponja nanoestructurada de CNT (nanoesponja) que contiene azufre y hierro es más eficaz para absorber los contaminantes del agua como aceite, fertilizantes, pesticidas y productos farmacéuticos. Sus propiedades magnéticas los hacen más fáciles de recuperar una vez que se realiza el trabajo de limpieza. El azufre y el hierro aumentan el tamaño de la esponja a alrededor de 2 centímetros (0,79 pulgadas). También aumenta la porosidad debido a defectos beneficiosos, creando flotabilidad y capacidad de reutilización. El hierro, en forma de ferroceno, facilita el control de la estructura y permite la recuperación mediante imanes. Estas nanoesponjas aumentan 3,5 veces la absorción del disolvente orgánico tóxico diclorobenceno del agua. Las esponjas pueden absorber aceite vegetal hasta 150 veces su peso inicial y también pueden absorber aceite de motor . [153] [154]
Anteriormente, una nanoesponja MWNT dopada con boro magnético que podría absorber aceite del agua. La esponja se cultivó como un bosque sobre un sustrato mediante disposición de vapor químico. El boro pone dobleces y codos en los tubos a medida que crecen y promueve la formación de enlaces covalentes . Las nanoesponjas conservan su propiedad elástica después de 10,000 compresiones en el laboratorio. Las esponjas son superhidrofóbicas , lo que las obliga a permanecer en la superficie del agua y oleofílicas, atrayendo aceite hacia ellas. [155] [156]
Tratamiento de aguas
Se ha demostrado que los nanotubos de carbono exhiben fuertes afinidades de adsorción a una amplia gama de contaminantes aromáticos y alifáticos en el agua, [157] [158] [159] debido a sus grandes superficies hidrófobas. También mostraron capacidades de adsorción similares a las de los carbones activados en presencia de materia orgánica natural. [160] Como resultado, se han sugerido como adsorbentes prometedores para la eliminación de contaminantes en sistemas de tratamiento de agua y aguas residuales.
Además, se han sugerido membranas hechas de matrices de nanotubos de carbono como tamices moleculares conmutables, con características de tamizado y permeación que pueden activarse / desactivarse dinámicamente mediante la distribución del tamaño de los poros (control pasivo) o campos electrostáticos externos (control activo). [161]
Otras aplicaciones
Los nanotubos de carbono se han implementado en sistemas nanoelectromecánicos, incluidos elementos de memoria mecánica ( NRAM está siendo desarrollado por Nantero Inc. ) y motores eléctricos a nanoescala (ver Nanomotor o Nanomotor de nanotubos ).
Los nanotubos de carbono de pared simple modificados con carboxilo (denominados en zig-zag, tipo sillón) pueden actuar como sensores de átomos e iones de metales alcalinos Na, Li, K. [162] En mayo de 2005, Nanomix Inc. comercializó un sensor de hidrógeno que integra nanotubos de carbono en una plataforma de silicio.
Eikos Inc de Franklin , Massachusetts y Unidym Inc. de Silicon Valley , California están desarrollando películas transparentes y conductoras de electricidad de nanotubos de carbono para reemplazar el óxido de indio y estaño (ITO). Las películas de nanotubos de carbono son sustancialmente más robustas que las películas ITO, lo que las hace ideales para pantallas táctiles de alta confiabilidad y pantallas flexibles. Se desean tintas imprimibles a base de agua de nanotubos de carbono para permitir la producción de estas películas para reemplazar ITO. [163] Las películas de nanotubos parecen prometedoras para su uso en pantallas de ordenadores, teléfonos móviles, PDA y cajeros automáticos .
En 2007 se demostró una nanoradio , un receptor de radio que consta de un solo nanotubo.
El uso en sensores de tensión de tracción o de gases tóxicos fue propuesto por Tsagarakis. [164]
Un volante hecho de nanotubos de carbono podría girar a una velocidad extremadamente alta en un eje magnético flotante en el vacío, y potencialmente almacenar energía a una densidad cercana a la de los combustibles fósiles convencionales. Dado que la energía se puede agregar y eliminar de los volantes de manera muy eficiente en forma de electricidad, esto podría ofrecer una forma de almacenar electricidad , haciendo que la red eléctrica sea más eficiente y los proveedores de energía variable (como las turbinas eólicas) más útiles para satisfacer las necesidades energéticas. La practicidad de esto depende en gran medida del costo de hacer estructuras de nanotubos masivas e ininterrumpidas, y su tasa de falla bajo estrés.
Los resortes de nanotubos de carbono tienen el potencial de almacenar indefinidamente energía potencial elástica a diez veces la densidad de las baterías de iones de litio con tasas de carga y descarga flexibles y una durabilidad cíclica extremadamente alta.
Los SWNT ultracortos (tubos de EE. UU.) Se han utilizado como cápsulas a nanoescala para administrar agentes de contraste de resonancia magnética in vivo. [165]
Los nanotubos de carbono proporcionan un cierto potencial para la catálisis libre de metales de reacciones orgánicas e inorgánicas. Por ejemplo, los grupos de oxígeno unidos a la superficie de los nanotubos de carbono tienen el potencial de catalizar deshidrogenaciones oxidativas [166] u oxidaciones selectivas . [167] Los nanotubos de carbono dopados con nitrógeno pueden reemplazar los catalizadores de platino utilizados para reducir el oxígeno en las pilas de combustible . Un bosque de nanotubos alineados verticalmente puede reducir el oxígeno en una solución alcalina de manera más efectiva que el platino, que se ha utilizado en tales aplicaciones desde la década de 1960. Aquí, los nanotubos tienen el beneficio adicional de no estar sujetos a intoxicación por monóxido de carbono. [168]
Los ingenieros de la Universidad de Wake Forest están utilizando nanotubos de carbono de paredes múltiples para mejorar el brillo de la tecnología electroluminiscente de polímeros inducida por el campo , lo que potencialmente ofrece un paso adelante en la búsqueda de una iluminación segura, agradable y de alta eficiencia. En esta tecnología, la matriz de polímero moldeable emite luz cuando se expone a una corriente eléctrica. Eventualmente, podría producir luces de alta eficiencia sin el vapor de mercurio de las lámparas fluorescentes compactas o el tinte azulado de algunos fluorescentes y LED, que se ha relacionado con la alteración del ritmo circadiano. [169]
Candida albicans se ha utilizado en combinación con nanotubos de carbono (CNT) para producir materiales tisulares bio-nanocompuestos eléctricamente conductores estables que se han utilizado como elementos sensores de temperatura. [170]
La empresa de producción de SWNT OCSiAl desarrolló una serie de masterbatches para uso industrial de CNT de pared simple en múltiples tipos de mezclas de caucho y neumáticos, con ensayos iniciales que muestran aumentos en la dureza, viscosidad, resistencia a la tensión de tracción y resistencia a la abrasión al tiempo que reducen el alargamiento y la compresión [ 171] En los neumáticos, se mejoraron las tres características principales de durabilidad, eficiencia de combustible y tracción utilizando SWNT. El desarrollo de masterbatches de caucho se basó en un trabajo anterior del Instituto Nacional Japonés de Ciencia y Tecnología Industriales Avanzadas que muestra que el caucho es un candidato viable para la mejora con los SWNT. [172]
La introducción de MWNT a los polímeros puede mejorar el retardo de la llama y retardar la degradación térmica del polímero. [173] Los resultados confirmaron que la combinación de MWNT y polifosfatos de amonio muestra un efecto sinérgico para mejorar la retardancia de la llama. [174]
Referencias
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enlaces externos
- Conferencia de Ray Baughman en YouTube
- Aplicaciones de los nanotubos de carbono