Nanotecnología: Nanotubos de carbono

Resumen

En la actualidad la necesidad de cada vez fabricar dispositivos más pequeños nos da como prioridad desarrollar más investigaciones sobre nuevas tecnologías o realizar mejoras en tecnologías ya pasadas, en el presente paper se habla sobre los nanotubos de carbono, composición, y obtención, explicaremos sus propiedades electrónicas y usos en la ingeniería.

Índice de Términos— Carbono, ingeniería, nanotecnología, nanotubos de carbono

Introducción

La nanotecnología ha atraído mucho interés en la comunidad científica, y sobre todo en las últimas décadas se han hecho grandes esfuerzos para lograr el control a un nivel atómico y molecular en los procesos industriales. Con la aparición de los nanomateriales, y su función, las nuevas técnicas de tecnología de caracterización se han diseñado e implementado.Uno de los frutos de este interés en el ámbito de las pequeñas dimensiones fue la obtención de nanotubos de carbono (NC) primero sintetizado en 1991 por Iijima [1], utilizando el proceso de plasma de grafito pirolítico en atmósfera controlada de helio. A pesar de la contemporaneidad de este descubrimiento, es 1889, se ha informado de una patente de EE.UU. que los filamentos de carbono pueden formar a partir de hidrocarburos, crisoles de metal con alto temperaturas [2].

Las numerosas aplicaciones, reales o potenciales, de los nanotubos de carbono yla necesidad de controlar la morfología adecuada para su uso, dan rumbo a la investigación del multidisciplinario conocimiento en el área de trabajo involucrando factores que definen el éxito de sus aplicaciones, como el procesamiento y la calidad de síntesis de los NC.

El presente paper tiene como objetivo mostrar las principales características de los nanotubos de carbono, los métodos de síntesis, purificación y aislamiento, la caracterización, la manipulación y algunas de las nuevas aplicaciones de estos materiales en la ingeniería.

Nanotubos de carbono

¿Formación y clases?

Los nanotubos de carbono se forman de arreglos de pequeños cilindros hexagonales de carbono. Por lo general tienen una amplia gama de diferentes magnitudes (variación de diámetro y tamaños que van desde anstromgs hasta decenas de nanómetros) [4]. Desde el punto de vista estructural los nanotubos de carbono pueden ser de pared simple (NTCPS), y los nanotubos de pared múltiple (NTCPM), los nanotubos de carbono de pared simple puede ser considerado como una sola hoja de grafito enrollada sobre sí misma para formar un tubo cilíndrico (figura 1), los NTCPM dependen del diámetro y el ángulo de helicidad [7], están compuestos de una serie de nanotubo concéntricos que están separados radialmente por aproximadamente 0.34 nm, poseen un diámetro externo de 10 a 50 nm. (figura 2), Lijima los describió como pequeños tubos con una estructura una forma parecida a la de una aguja. [10], [15]. Dependiendo de los valores pares de (n,m) podemos tener tres tipos de nanotubos de carbono: armchair (n = m), zig-zag (n, m = 0), quirales (n ? m ? 0) (figura 3) [10].

Figura 1. Nanotubos de carbono de pared simple.

Figura 2. Nanotubos de carbono de pared múltiple.

Figura 3. NTCPM: (a) armchair, (b) zig-zag, (c) quiral [17].

Obtención

Una parte desafiante de muchos experimentos es el crecimiento de los nanotubos de carbono. En la actualidad no hay ninguna posibilidad de controlar la estructura de los nanotubos y todos los métodos de fabricación dieron como resultado mezclas de nanotubos con diferentes longitudes y diámetros, helicidades. [30]

• Sustrato o síntesis

Se realiza mediante un proceso de dos etapas: en la primera se preparan los catalizadores y en la segunda se crecen los nanotubos, los catalizadores son preparados generalmente dispersando nanopartículas de metal de transición sobre un substrato. Dado que el elemento activo es el metal en estado elemental, es necesario un tratamiento de reducción con hidrógeno para inducir la nucleación de partículas catalíticas en el sustrato. En la siguiente etapa se introduce en el sistema la fuente de carbono para producir el crecimiento de los nanotubos. El método del sustrato es muy efectivo y permite obtener los distintos tipos de filamentos con alta selectividad pero muy pequeños, lo malo de este método es que se necesita de mucho dinero para hacer posible la obtención (figura 4).[4][16]

Figura 4. Método de sustrato o síntesis

• Descargas por arco

La descarga de arco fue el primer método disponible para la producción de ambos tipos de nanotubos de carbono. Vale la pena señalar que esta técnica se ha utilizado durante mucho tiempo para la producción de fibras de carbono y que es muy probable que se observaron los nanotubos de antes de 1991, pero no reconocidos como tales. Los NTCPM se pueden producir en un aparato de arco de carbono similar a la que se representa a continuación usando el método descrito por Ebbesen y Ajayan [29]. Un arco entre dos electrodos de grafito en una atmósfera de gas. Los NTCPM son producidos por descarga de arco largos y tubos rectos cerrados en ambos extremos, con paredes de grafito que corre paralela al eje del tubo. Iijima y Bethune informó en 1993 de que una descarga de arco con un cátodo que contiene catalizadores de metales (tales como cobalto, hierro o níquel) mezclados con polvo de grafito da como resultado un depósito que contiene NTCPS [1][15]. Los NTCPS son por lo general montados en cuerdas, pero algunos tubos individuales también se pueden encontrar en los depósitos [30].

Figura 5. Obtención de los dos tipos de nanotubos por el método de descarga de arco, visualización en un microscopio de los NTCPS y los NTCPM [30]

• Obtención mediante (ablación) laser

Otro método para hacer crecer los nanotubos mediante ablación con láser fue demostrado en 1996 por el grupo de Smalley y ha provocado un gran interés. Se mostró que la síntesis podría llevarse a cabo en un tubo de flujo horizontal bajo un flujo de gas inerte a presión controlada. En este montaje el tubo de flujo se calienta a aproximadamente 1200 ° C por un horno. Los pulsos láser entrar en el tubo y golpean un objetivo que consiste en una mezcla de grafito y un catalizador de metal tales como Co o Ni. Los NTCPS se condensan a partir de la pluma de vaporización con láser y se depositan en un colector fuera de la zona del horno [14] [30].

Figura 6. Método de ablación laser usado por Smalley [14]

• Crecimiento catalítico

Este método se basa en la descomposición de un gas de hidrocarburo más de un metal de transición para crecer nanotubos en una deposición de vapor químico (CVD) de reactor como el que se muestra a continuación: (figura 7)

Figura 7. Descomposición de horno mediante CVD

Filamentos de carbono y fibras han sido producidos por la descomposición térmica de hidrocarburos desde los años 1960. Por lo general, un catalizador es necesario para promover el crecimiento. Un enfoque similar fue utilizado por primera vez en 1993 por Yacamán[6].

Para la producción de NTCPM acetileno se utiliza normalmente como fuente de átomos de carbono a temperaturas típicamente entre 600 – 800 º C. Para hacer crecer los NTCPS la temperatura tiene que ser significativamente mayor (900 – 1200 ° C) debido al hecho de que tienen una energía mayor de la formación. En este caso monóxido de carbono o metano deben ser utilizados debido a su mayor estabilidad a temperaturas más altas en comparación con acetileno [13][15].

Propiedades generales

En los nantotubos de carbono entres sus propiedades tenemos que poseen una capacidad conductora estimada en mil millones de amperes por centímetro cuadrado, densidad de 1.33 a 1.40 g/cm3, fuerza de 45 mil millones de pascales, la transmisión de calor tan alta 6000 vatios metro / kelvin en temperatura ambiente; puede doblarse a grandes ángulos y vuelve a su estado original sin daño, una estabilidad térmica aun a 2800 grados Celsius en el vacío y 750 en el aire [6].

• Propiedades Electrónicas

Analizaremos a los dos tipos de nanotubos como uno solo ya que la formación del uno depende del otro (NTCPS y NTCPM). Los índices de Hamada (n,m) son los que nos darán la propiedad electrónica de los nanotubos de carbono, si los índices de Hamada son múltiplos de 3 se puede decir que el nanotubo se considera metálico caso contrario es un semiconductor. Todos los nanotubos de tipo "armchair" son metálicos, mientras que los nanotubos tipo zigzag y quirales pueden ser metálicos o semiconductores. En los nanotubos de tipo metálico el transporte de electrones es de forma de bala en otras palabras inmediato la cual que posibilita transportar corrientes en grandes distancias sin emitir calor en la el nanotubo [7][4]. Haciendo la unión entre semiconductores con semiconductores, metal con metal y metal con semiconductor; se pueden obtener otros tipos de nanotubos de carbono [14].

Usos en la ingeniería

En microelectrónica ya se ha propuesto el uso de los CTN en aplicaciones tan diversas como transistores TFT flexibles, memorias no volátiles (NRAM), conectores verticales de solo 150 nm compatibles con la tecnología CMOS y disipadores térmicos de calor para amplificadores de alta potencia.

También se han propuesto aplicaciones de los CNT en la fabricación de baterías de iones de litio para ordenadores portátiles y teléfonos móviles, celdas de combustible, células solares, e incluso para la purificación del agua. Sin embargo, la mayoría de estas aplicaciones aún se limita a los laboratorios de I+D, se espera que su comercialización sea próxima.[26] 

Se habla también de la posible construcción de un ascensor espacial por parte de la NASA ya que este material es el único que posee las propiedades para soportar las condiciones que existen en el espacio y en nuestro planeta tierra.

Conclusiones

Debido al rápido crecimiento tecnológico en nuestro planeta nos obliga a mejorar tecnologías ya pasadas, el uso de los nanotubos es de suma importancia en la nanotecnología, las propiedades físicas y químicas de estos nos amplían los campos de acción. Las limitaciones en las producciones a grandes escalas debido a su gran costo y el no perfeccionamiento de estas técnicas es el mayor impedimento en el desarrollo de los nanotubos de carbono.

La producción de los nanotubos de carbono la llevan a cabo en países que son grandes potencias mundiales, países en vías de desarrollo son incompetentes ante estos ya que la demanda tecnológica y los gastos para la producción es bastante amplia.

Agradecimiento

A mi señora madre Jenny Bustamante, mi esposa María José Aguirre y mi hijo Pablo Ambrosi quienes permitieron la investigación y desarrollo del tema con su apoyo incondicional, al Ingeniero René Ávila director de la Carrera Ingeniería Electrónica y catedrático de la materia Electrónica Analógica II quien motivó el desarrollo de este paper.

Referencias

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[30]. http://ipn2.epfl.ch/CHBU/NTproduction1.htm

Autor:

Ambrosi Bustamante Pablo André.

Universidad Politécnica Salesiana

Sede Cuenca

Nació en Machala, Ecuador. Estudiante de 5to ciclo de Ingeniería Eléctrica en la Universidad Politécnica Salesiana sede Cuenca, miembro IEEE desde el noviembre del 2012, asistente al Andescon (Consejo Andino IEEE Bianual 2012) y Laticom 2012 (cuarta edición de la conferencia más importante en las comunidades de América Latina ) desarrollado en la ciudad de Cuenca en el mes de noviembre. Tercer lugar en el concurso Burningbots 2.0 organizado por la rama IEEE de la UPS Cuenca.