May
23

Nanotubo de carbono… ¿Qué es?

Los nanotubos de carbono son similares a pequeñas láminas de grafito enrolladas con diámetros nanométricos y longitudes del orden de las micras. Son materiales únicos con propiedades mecánicas, eléctricas, ópticas, térmicas y químicas excepcionales que los hacen aptos para mejorar numerosos productos ya existentes e incluso para generar otros nuevos.

Muchas son las aplicaciones que pueden obtener importantes beneficios al incorporar nanotubos de carbono. Por ejemplo: Los materiales compuestos reforzados con nanotubos, las pantallas planas que utilizan los nanotubos como emisores de campo, los sensores biológicos y químicos para detectar sustancias contaminantes, la administración de fármacos o las pilas de combustible. En general, sectores como electrónica, materiales, sensores, biotecnología, química, energía, mecánica, instrumentación científica y fotónica podrían verse favorecidos por la introducción de nanotubos de carbono en muchos de sus productos.

El mercado de las aplicaciones de los nanotubos de carbono es todavía muy incipiente. Sólo los materiales compuestos reforzados con nanotubos aparecen en accesorios deportivos como raquetas de tenis o bicicletas. Las aplicaciones electrónicas son muy prometedoras ya que en ellas los nanotubos de carbono permitirán continuar con la miniaturización progresiva que afecta a esta área y que se encuentra amenazada por los límites físicos de funcionamiento del silicio, a punto de ser alcanzados. Sin embargo sólo hay prototipos electrónicos que incorporan nanotubos de carbono. Pero tiempo al tiempo… Hace 10 año los teléfonos móviles parecían algo inalcanzable…

Todavía no hay productos comerciales debido a la falta de procesos industriales adecuados para su elaboración. Las tecnologías restantes que incorporan nanotubos de carbono muestran distintos grados de madurez para su acceso al mercado, pero ninguna se comercializa aún.

Los nanotubos de carbono se presentan como una interesante alternativa para los fabricantes de multitud de productos que pretendan innovar, ya que prometen conseguir prestaciones inimaginables hasta ahora y revolucionar el mercado cuando irrumpan en él.

Existen varios tipos:

1. Los nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT – Single Wall Carbon Nanotubes) están constituidos por átomos de carbono dispuestos en una red hexagonal cilíndrica, de forma que su estructura es la misma que se obtendría si se enrollara sobre sí misma una lámina de grafito. Sus extremos pueden estar cerrados por media esfera de fulereno o pueden estar abiertos.

2. Los nanotubos de carbono de pared múltiple (MWCNT – Multiwall Carbon Nanotubes) tienen una estructura similar a varios SWCNT concéntricos con diferentes diámetros. En ambos casos su principal característica, que dará lugar a un buen número de propiedades excepcionales, es que muestran una relación longitud/diámetro muy elevada: su diámetro es del orden de los nanómetros y su longitud puede variar desde unas micras hasta milímetros e incluso algunos centímetros.

Los MWCNT fueron descubiertos en 1991 por Sumio Iijima, un ingeniero japonés de la empresa NEC. Desde el principio mostraron importantes efectos cuánticos debidos a su estructura casi unidimensional, lo que incentivó a numerosos científicos a trabajar en ellos. Los SWCNT se descubrieron dos años después por el grupo de Iijima en NEC y por otro grupo en el IBM Almaden Laboratory.

A partir de su descubrimiento los científicos buscaron la forma de producirlos en el laboratorio. Desde entonces se ha avanzado mucho en los distintos métodos de síntesis que han ido surgiendo, así como en los de caracterización, purificación y separación.

Desde el principio la teoría predijo excepcionales propiedades para los nanotubos de carbono, que han podido ser comprobadas experimentalmente a medida que ha evolucionado la instrumentación científica. Las propiedades son diferentes en los SWCNT y los MWCNT. Dependen, además, fuertemente de sus dimensiones (diámetro y longitud) y de los defectos presentes en el nanotubo (vacantes o impurezas ocupando el lugar de un átomo de carbono, deformaciones, inclinaciones,). Pero también dependen de la forma en que están dispuestos los hexágonos de la lámina de grafito, es decir de cómo se enrollaría la hipotética lámina de grafito que daría lugar a nuestro nanotubo.

Las excepcionales propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas, químicas y ópticas de los nanotubos de carbono les capacitan para ser utilizados en multitud de aplicaciones: electrónica, sensores, instrumentación científica, fotónica, materiales, biotecnología, química, energía, mecánica…

Tal vez la propiedad eléctrica más importante de los nanotubos de carbono que determina su utilización en electrónica es que pueden ser metálicos o semiconductores, dependiendo de la forma en que se enrollaría la lámina de grafito.

La tendencia actual en electrónica es la miniaturización de los dispositivos para mejorar las prestaciones: aumento de velocidad, densidad y eficiencia. En este proceso ampliamente demandado, las tradicionales tecnologías de silicio están alcanzando el mínimo tamaño que se puede conseguir garantizando su correcto funcionamiento. Los nanotubos de carbono pueden desempeñar el mismo papel que el silicio en los circuitos electrónicos, pero a escala molecular donde el silicio y otros semiconductores dejan de funcionar.

La electrónica a nivel molecular permitirá no sólo hacer más pequeños los dispositivos convencionales, sino también crear otros nuevos que aprovechen los efectos cuánticos propios de la reducida escala nanométrica en la que trabajan.

Hay algo más que pueden aportar los nanotubos de carbono a la electrónica: son excelentes conductores del calor, lo que los hace ideales disipadores del calor que se produce en los sistemas electrónicos.

Una característica importante de los dispositivos electrónicos que integran nanotubos es que aumentan su vida útil debido básicamente a las propiedades mecánicas (resistencia mecánica, dureza, tenacidad, flexibilidad y elasticidad) y térmicas (buena conducción del calor y estabilidad estructural a altas temperaturas) de los nanotubos.

Un problema importante de las aplicaciones electrónicas de los nanotubos de carbono es que éstos son muy susceptibles al ruido causado por fluctuaciones eléctricas, térmicas y químicas. Aunque esto es muy positivo para su aplicación en sensores.

Los nanotubos van a permitir avanzar en el diseño y desarrollo de :

- Nanocircuitos.

- Interconectores (nanocables).

- Nuevos diodos, transistores: Componentes fundamentales en el desarrollo de productos electrónicos.

- Pantallas planas son una de las aplicaciones más prometedoras de los nanotubos de carbono como emisores de campo.

- Lámparas y tubos luminiscentes: Las lámparas de nanotubos de carbono se basan en la misma idea que los displays planos: un cátodo que incorpora nanotubos emisores de electrones que impactan sobre un ánodo cubierto de un material catodoluminiscente. El impacto de los electrones produce luz. En este caso sólo se busca luz, no una imagen, por lo que no es necesaria la electrónica propia de las pantallas planas. Las lámparas así construidas son más eficientes (más de 10 veces) que las tradicionales, más brillantes y con una vida más larga (mayor de 8.000 horas). Por ello se plantean como alternativa a las lámparas fluorescentes convencionales que usan mercurio altamente contaminante para el medio ambiente.

- Memorias: Las memorias fabricadas con nanotubos de carbono podrían ser una alternativa interesante a las actuales memorias RAM de nuestros ordenadores. Para empezar serían memorias no volátiles. Además, serían más rápidas, baratas, resistentes a la radiación, con una vida casi ilimitada, con gran capacidad de almacenamiento de datos y con menor consumo que las actuales.

- La litografía por haz de electrones (EBL – Electron Beam Litography) o electrolitografía es una técnica especializada para crear plantillas extremadamente finas, fundamentales para la fabricación de los modernos circuitos electrónicos.

- FOTÓNICA. Las principales propiedades ópticas de los nanotubos de carbono en las que se basarán nuevas aplicaciones fotónicas son: Presentan fotoluminiscencia y son absorbentes saturables de luz.

- Tubos de rayos catódicos.

- Fuentes de rayos X.

 - Amplificadores de microondas.

- Tubos de descarga de gas en redes de telecomunicaciones.

- Microscopios electrónicos de barrido.

- Nanotriodos.

- Betatrones.

- Filtros RF.

- Optoelectrónica.

- Grabado (etching).

- SENSORES: químicos y biológicos, mecánicos, térmicos, electromagnéticos, de emisión de campo…

- ENERGÍA: Supercondensadores, pilas de combustible, baterías de ión Litio, células solares…

- MECÁNICA.

- QUÍMICA.

- BIOTECNOLOGÍA.

- INSTRUMENTACIÓN CIENTÍFICA.

- …. Y podríamos seguir… El nanotubo de carbono nos va a dar mucho que hablar…

2 Comentarios para “Nanotubo de carbono… ¿Qué es?”

  • estoy interesado en esta nuevatecnologia y por su velocidad de avance nos cautiva, y seguir aprendiendo de: nano tubos, membranas de grafeno y lo que publiquen sera bueno verlo, gracias,
    Luis Riestra

  • Economicamente las ventajas de la nanotecnologia?

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