El carbono pirolítico es un material similar al grafito , pero con algún enlace covalente entre sus láminas de grafeno como resultado de imperfecciones en su producción.
El carbono pirolítico está hecho por el hombre y no se cree que se encuentre en la naturaleza. [1] Generalmente se produce calentando un hidrocarburo casi a su temperatura de descomposición y permitiendo que el grafito se cristalice ( pirólisis ). Un método consiste en calentar fibras sintéticas al vacío . Otro método consiste en colocar semillas en un plato en el gas muy caliente para recoger la capa de grafito. [ aclaración necesaria ] Se utiliza en aplicaciones de alta temperatura como conos de punta de misiles , motores de cohetes, escudos térmicos, hornos de laboratorio, en plástico reforzado con grafito, revestimiento de partículas de combustible nuclear y en prótesis biomédicas .
Propiedades físicas
Las muestras de carbono pirolítico suelen tener un solo plano de escisión , similar a la mica , porque las láminas de grafeno cristalizan en un orden plano, a diferencia del grafito, que forma zonas microscópicas orientadas al azar. Debido a esto, el carbono pirolítico exhibe varias propiedades anisotrópicas inusuales . Es más conductor térmico a lo largo del plano de división que el grafito, lo que lo convierte en uno de los mejores conductores térmicos planos disponibles.
El grafito pirolítico forma cristales de mosaico con mosaicos controlados hasta algunos grados.
También es más diamagnético ( χ = −4 × 10 −4 ) contra el plano de escisión, exhibiendo el mayor diamagnetismo (por peso) de cualquier diamagnet a temperatura ambiente. En comparación, el grafito pirolítico tiene una permeabilidad relativa de 0,9996, mientras que el bismuto tiene una permeabilidad relativa de 0,9998 ( tabla ).
Levitación magnética
Se pueden fabricar pocos materiales para levitar magnéticamente de manera estable por encima del campo magnético de un imán permanente. Aunque la repulsión magnética se logra obvia y fácilmente entre dos imanes cualesquiera, la forma del campo hace que el imán superior se empuje hacia los lados, en lugar de permanecer apoyado, lo que hace imposible la levitación estable para los objetos magnéticos (ver el teorema de Earnshaw ). Sin embargo, los materiales fuertemente diamagnéticos pueden levitar por encima de potentes imanes.
Con la fácil disponibilidad de imanes permanentes de tierras raras desarrollados en las décadas de 1970 y 1980, el fuerte diamagnetismo del carbono pirolítico lo convierte en un material de demostración conveniente para este efecto.
En 2012, un grupo de investigación en Japón demostró que el carbono pirolítico puede responder a la luz láser o a la luz solar natural suficientemente potente girando o moviéndose en la dirección del gradiente de campo. [2] [3] La susceptibilidad magnética del carbono se debilita con una iluminación suficiente, lo que conduce a una magnetización desequilibrada del material y al movimiento cuando se usa una geometría específica.
Aplicaciones
- Se utiliza no reforzado para conos de punta de misiles y motores de cohetes ablativos (enfriados por ebullición) .
- En forma de fibra, se utiliza para reforzar plásticos y metales (ver Fibra de carbono y Plástico reforzado con grafito ).
- Los reactores nucleares de lecho de guijarros utilizan una capa de carbono pirolítico como moderador de neutrones para los guijarros individuales.
- Se utiliza para recubrir cubetas (tubos) de grafito en hornos de absorción atómica de horno de grafito para disminuir el estrés por calor, aumentando así la vida útil de las cubetas.
- El carbón pirolítico se utiliza para varias aplicaciones en la gestión térmica electrónica: material de interfaz térmica, esparcidores de calor (láminas) y disipadores de calor (aletas).
- Ocasionalmente se usa para hacer pipas de tabaco .
- Se utiliza para fabricar estructuras de rejilla en algunos tubos de vacío de alta potencia .
- Se utiliza como monocromador para estudios de dispersión de rayos X y neutrones.
- Válvulas cardíacas protésicas.
- Prótesis de cabeza radial.
- También se utiliza en la industria automotriz donde se requiere una cantidad deseada de fricción entre dos componentes.
- El grafito pirolítico altamente orientado (HOPG) se utiliza como elemento dispersivo en los espectrómetros HOPG, que se utilizan para espectrometría de rayos X.
Aplicaciones biomédicas
Debido a que los coágulos de sangre no se forman fácilmente en él, a menudo es aconsejable revestir una prótesis en contacto con la sangre con este material para reducir el riesgo de trombosis . Por ejemplo, encuentra uso en corazones artificiales y válvulas cardíacas artificiales . Los stents de los vasos sanguíneos , por el contrario, a menudo están revestidos con un polímero que tiene heparina como grupo colgante, que depende de la acción del fármaco para prevenir la coagulación. Esto se debe, al menos en parte, a la fragilidad del carbono pirolítico y a la gran cantidad de deformación permanente que sufre un stent durante la expansión.
El carbón pirolítico también se utiliza con fines médicos para recubrir implantes ortopédicos anatómicamente correctos, también conocidos como articulaciones de reemplazo . En esta aplicación se comercializa actualmente con el nombre "PyroCarbon". Estos implantes han sido aprobados por la Administración de Drogas y Alimentos de los EE. UU . Para su uso en la mano para reemplazos de metacarpofalángicas (nudillos). Son producidos por dos empresas: Tornier (BioProfile) y Ascension Orthopaedics. [4] (El 23 de septiembre de 2011, Integra LifeSciences adquirió Ascension Orthopaedics). La FDA también aprobó los reemplazos de articulaciones interfalángicas PyroCarbon bajo la Exención de dispositivos humanitarios . [5]
Notas al pie
- ^ Ratner, Buddy D. (2004). Carbón pirolítico. En la ciencia de los biomateriales: una introducción a los materiales en medicina . Prensa académica. pag. 171-180. ISBN 0-12-582463-7 . Búsqueda de libros de Google. Consultado el 7 de julio de 2011.
- ^ Kobayashi, Masayuki; Abe, Jiro (26 de diciembre de 2012). "Control de movimiento óptico del grafito Maglev". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 134 (51): 20593–20596. doi : 10.1021 / ja310365k . ISSN 0002-7863 . PMID 23234502 .
- ^ Phillip Broadwith (4 de enero de 2013). "Hockey de aire de grafito maglev guiado por láser" . Mundo de la química . RSC .
- ^ Cook, Stephen D .; Beckenbaugh, Robert D .; Redondo, Jacqueline; Popich, Laura S .; Klawitter, Jerome J .; Linscheid, Ronald L. (1999). "Seguimiento a largo plazo de implantes metacarpofalángicos de carbono pirolítico" . La Revista de Cirugía de Huesos y Articulaciones . 81 (5): 635–48. doi : 10.2106 / 00004623-199905000-00005 . PMID 10360692 . Archivado desde el original el 28 de diciembre de 2009 . Consultado el 9 de noviembre de 2010 .
- ^ "Ascension PIP: Resumen de seguridad y beneficio probable HDE # H010005" (PDF) . Administración de Alimentos y Medicamentos. 22 de marzo de 2002 . Consultado el 7 de julio de 2011 .