Aplicaciones de los nanotubos de carbono

Existen numerosas propiedades y aplicaciones de los nanotubos de carbono que aprovechan al máximo las propiedades únicas de los CNTs en cuanto a relación de aspecto, resistencia mecánica y conductividad eléctrica y térmica. En este artículo, se ha presentado una lista de propiedades y aplicaciones de los nanotubos de carbono.

Propiedades y aplicaciones de los nanotubos de carbono

Propiedades de los nanotubos de carbono

• Los CNT tienen una alta conductividad térmica
• Los CNT tienen una alta conductividad eléctrica
• La relación de aspecto de los CNT
• Los CNT son muy elásticos ~18% alargamiento hasta el fallo
• Los CNTs tienen una resistencia a la tracción muy alta
• Los CNTs son muy flexibles – pueden doblarse considerablemente sin dañarse
• Los CNTs tienen un bajo coeficiente de expansión térmica
• Los CNTs son buenos emisores de campos de electrones



Nanotubos de carbono. Aplicaciones

• CNTs de emisión de campo
• CNTs de conductividad térmica
• CNTs de almacenamiento de energía
• CNTs de propiedades conductoras
• CNTs de adhesivo conductor
• CNTs de materiales térmicos
• Electrónica molecular basada en CNTs
• CNTs de aplicaciones estructurales
• CNTs fibras y tejidos
• CNTs aplicaciones biomédicas
• CNTs Aire & Filtración de agua
• CNTs soportes de catalizadores
• Otras aplicaciones de los CNTs

Conductividad eléctrica de los CNTs

Ha habido un importante interés práctico en la conductividad de los CNTs. Los CNT con combinaciones particulares de M y N (parámetros estructurales que indican cuánto se retuerce el nanotubo) pueden ser altamente conductores y, por tanto, pueden considerarse metálicos. Se ha demostrado que su conductividad está en función de su diámetro y de su quiralidad (grado de torsión). Los CNTs pueden ser semiconductores o metálicos en su comportamiento eléctrico.



La conductividad en los nanotubos multipared (MWNTs) es algo intrincada. La conductividad de algunos tipos de CNT con estructura de «silla de brazos» parece ser superior a la de otros CNT metálicos. Además, se ha comprobado que las reacciones entre las paredes de los MWNTs redistribuyen la corriente de forma no uniforme en los tubos individuales. Sin embargo, la corriente no cambia a través de las diferentes partes de los CNT metálicos de pared simple. Sin embargo, el comportamiento de las cuerdas de SWNTs semiconductores no es similar, ya que la corriente de transporte cambia inmediatamente en diferentes posiciones de los CNTs.

Colocando electrodos en diferentes partes de los CNTs, se ha medido la resistividad y la conductividad de las cuerdas de SWNTs. La resistividad de las cuerdas de SWNTs fue del orden de 10-4 ohm-cm a 27 °C. Esto demuestra que las cuerdas de SWNT son las fibras de carbono más conductoras conocidas. Las cuerdas de SWNT fueron capaces de alcanzar una densidad de corriente de 107 A/cm2; sin embargo, teóricamente, deberían ser capaces de sostener densidades de corriente estables mucho mayores, tan altas como 1013 A/cm2.

Se ha informado de que los SWNT individuales pueden tener defectos. Inesperadamente, estos defectos permiten a los SWNTs actuar como transistores. Del mismo modo, la combinación de CNTs podría dar lugar a dispositivos similares a transistores. Un nanotubo con una unión natural (donde una sección metálica recta se une a una sección semiconductora quiral) actúa como un diodo rectificador, o un medio transistor en una sola molécula. Además, recientemente se ha informado de que los SWNTs pueden dirigir señales eléctricas a altas velocidades (hasta 10 GHz) cuando se utilizan como interconexiones en dispositivos semiconductores.

Fuerza y elasticidad de los CNTs

Los átomos de carbono del grafeno (una única lámina de grafito) forman un entramado planar en forma de panal, en el que cada átomo está conectado a tres átomos vecinos mediante un fuerte enlace químico. Estos fuertes enlaces hacen que el módulo elástico en el plano basal del grafeno sea uno de los mayores de cualquier material conocido. Por tanto, se espera que los CNT sean las fibras definitivas de alta resistencia. Los SWNT son más rígidos que el acero y son extremadamente resistentes a los daños causados por las fuerzas físicas. Cuando se presiona la punta de un nanotubo, se dobla sin causar ningún daño a la punta, y al retirar la fuerza, la punta vuelve a su estado original. Debido a esta propiedad, los CNTs son muy útiles como puntas de sonda para la microscopía de sonda de barrido de muy alta resolución.

Ha sido bastante difícil cuantificar estos efectos, y no se ha acordado un valor numérico exacto. Se puede utilizar un microscopio de fuerza atómica (AFM) para empujar los extremos no anclados de un nanotubo libre fuera de su posición de equilibrio y se puede medir la fuerza necesaria para empujar el nanotubo. El valor actual del módulo de Young de los SWNT es de alrededor de 1 TPa; sin embargo, este valor ha sido incierto, y se ha informado de un valor tan alto como 1,8 TPa. Además, se han notificado otros valores considerablemente superiores a éste. Las diferentes técnicas de medición experimental podrían ser la razón de las diferencias. Otros han demostrado teóricamente que el módulo de Young depende de la quiralidad y el tamaño de los SWNTs, oscilando entre 1,22 y 1,26 TPa. Han calculado un valor de 1,09 TPa para un nanotubo genérico. Sin embargo, al trabajar con diferentes MWNTs, otros han observado que las mediciones del módulo de los MWNTs mediante técnicas de AFM no tienen una fuerte dependencia del diámetro. En cambio, sostienen que el módulo de los MWNTs y la cantidad de desorden en las paredes del nanotubo están correlacionados. Como era de esperar, cuando los MWNTs se rompen, las capas más externas se rompen primero.

Conductividad térmica y expansión de los CNTs

Una nueva investigación de la Universidad de Pensilvania significa que los CNTs pueden ser el mejor material conductor del calor jamás conocido por la humanidad. Se ha demostrado que los SWNT ultrapequeños presentan superconductividad incluso por debajo de los 20 K. La investigación sugiere que estos exóticos filamentos, ya anunciados por su incomparable resistencia y su capacidad única de adoptar las propiedades eléctricas de los metales perfectos o los semiconductores, pronto podrían encontrar también aplicaciones como conductos de calor en miniatura en una gran cantidad de materiales y dispositivos. Gracias a los fuertes enlaces C-C de los grafitos en el plano, son notablemente rígidos y resistentes a las tensiones axiales. La expansión térmica casi nula en el plano, pero la gran expansión interplana de los SWNT, implica una gran flexibilidad y un fuerte acoplamiento en el plano contra las deformaciones no axiales. Se han propuesto muchas aplicaciones de los CNT, como en dispositivos de detección y actuación, electrónica molecular a nanoescala o como fibras aditivas de refuerzo en materiales compuestos funcionales.

También se han presentado informes de muchos experimentos recientes sobre la preparación y caracterización mecánica de compuestos de CNT-polímero. Estas mediciones implican modestas mejoras en las características de resistencia de las matrices incrustadas con CNT en comparación con las matrices poliméricas desnudas. Los experimentos preliminares y los estudios de simulación sobre las propiedades térmicas de los CNT muestran una conductividad térmica muy elevada. Por lo tanto, se espera que los refuerzos de nanotubos en materiales poliméricos mejoren considerablemente las propiedades térmicas y termomecánicas de los compuestos.

Emisión de campo de los CNT

La emisión de campo se asocia con el tunelado de electrones desde una punta metálica al vacío, bajo la aplicación de un fuerte campo eléctrico. La alta relación de aspecto y el pequeño diámetro de los CNTs son muy adecuados para la emisión de campo. Se desarrolla un fuerte campo eléctrico en el extremo libre de los CNTs soportados, incluso para voltajes moderados, debido a su agudeza. De Heer y sus colaboradores lo observaron en la EPFL en 1995. Inmediatamente se dieron cuenta de que estos emisores de campo debían ser superiores a las fuentes de electrones tradicionales y que podrían encontrar su camino en todo tipo de aplicaciones, sobre todo en las pantallas planas. Es notable que Samsung haya logrado una pantalla en color muy brillante sólo después de cinco años, que pronto se comercializará utilizando esta tecnología.



Durante su investigación sobre las propiedades de emisión de campo de los MWNT, Bonard y sus colaboradores en la EPFL observaron que también se emite luz junto con los electrones. Esta luminiscencia es inducida por la emisión de campo de los electrones porque no se detecta cuando no se aplica el potencial. Esta luz se emite en la parte visible del espectro y a veces puede verse a simple vista.



Alta relación de aspecto de los CNTs

Los CNTs representan un aditivo conductor muy pequeño y de alta relación de aspecto para todo tipo de plásticos. Su alta relación de aspecto significa que se requiere una carga (concentración) menor de CNT para lograr la misma conductividad eléctrica en comparación con otros aditivos conductores. Esta baja carga no sólo preserva más la tenacidad de las resinas poliméricas, especialmente a bajas temperaturas, sino que también mantiene otras propiedades principales de rendimiento de la resina matriz. Se ha demostrado que los CNT son un excelente aditivo para impartir conductividad eléctrica en los plásticos. Gracias a su elevada relación de aspecto (alrededor de 1000:1), la conductividad eléctrica puede impartirse con cargas más bajas, en comparación con los materiales aditivos tradicionales, como la fibra de carbono picada, la fibra de acero inoxidable o el negro de humo.

Aplicaciones de los nanotubos de carbono

La naturaleza única del carbono se combina con la perfección molecular de los CNT de pared simple para dotarlos de propiedades materiales extraordinarias, como una conductividad térmica y eléctrica muy elevada, rigidez, resistencia y tenacidad. Es el único elemento de la tabla periódica que se une a sí mismo en una red extendida con la fuerza del enlace carbono-carbono. El electrón pi deslocalizado donado por cada átomo es libre de moverse por toda la estructura, en lugar de permanecer con su átomo donante, lo que da lugar a la primera molécula conocida con conductividad eléctrica de tipo metálico. Además, las vibraciones de alta frecuencia del enlace carbono-carbono ofrecen una conductividad térmica intrínseca superior incluso a la del diamante.



Sin embargo, en la mayoría de los materiales, debido a la aparición de defectos en su estructura, las propiedades reales del material observadas, como la resistencia, la conductividad eléctrica, etc., se degradan de forma muy significativa. Por ejemplo, el acero de alta resistencia suele fallar en torno al 1% de su resistencia teórica a la rotura. Sin embargo, los CNT alcanzan valores muy cercanos a sus límites teóricos debido a la perfección de su estructura molecular. Este aspecto forma parte de la historia única de los CNT. Los CNT son ejemplos de verdadera nanotecnología: sólo tienen un nanómetro de diámetro, pero son moléculas que pueden manipularse física y químicamente de forma muy útil. Tienen una increíble gama de aplicaciones en electrónica, ciencia de los materiales, gestión de la energía, procesamiento químico y muchos otros campos.

Conductividad térmica de los CNT

Los CNT tienen una conductividad térmica, una conductividad eléctrica y unas propiedades mecánicas extraordinarias. Son probablemente el mejor emisor de campos de electrones posible. Son polímeros de carbono puro y pueden fabricarse y manipularse utilizando la reconocida y riquísima química del carbono. Esto ofrece la oportunidad de alterar su estructura y optimizar su dispersión y solubilidad. En particular, los CNT son molecularmente perfectos, en el sentido de que, por lo general, carecen de defectos que degraden sus propiedades en la estructura de los nanotubos. De este modo, sus propiedades materiales pueden alcanzar niveles muy altos intrínsecos a ellos. Debido a estas extraordinarias características, los CNT pueden utilizarse de forma prospectiva en una serie de aplicaciones.

Aplicaciones de emisión de campo de los CNT

Los CNT son los emisores de campo más conocidos de cualquier material. Esto es comprensible, con respecto a su alta conductividad eléctrica, y la increíble agudeza de su punta (a medida que el radio de curvatura de la punta se hace más pequeño, el campo eléctrico estará más concentrado, lo que resulta en una mayor emisión de campo; esta es la misma razón por la que los pararrayos son afilados). Además, la agudeza de la punta también indica que emiten a un voltaje específicamente bajo, un hecho clave para construir dispositivos eléctricos de baja potencia que empleen esta característica. Los CNT pueden transportar una densidad de corriente increíblemente alta, probablemente de hasta 1013 A/cm2. Además, la corriente es extremadamente estable. Las pantallas planas de emisión de campo son una aplicación inmediata de este comportamiento, que ha despertado un gran interés. A diferencia de los tubos de rayos catódicos convencionales, en los que se utiliza un único cañón de electrones, las pantallas basadas en CNT utilizan un cañón de electrones independiente (o incluso muchos) para cada píxel de la pantalla. Sus bajos voltajes de encendido y funcionamiento, su alta densidad de corriente y su comportamiento constante y duradero hacen que los CNT sean emisores de campo muy atractivos para esta aplicación. Otras aplicaciones que utilizan las características de emisión de campo de los CNT son los tipos generales de fuentes de iluminación de cátodo frío de bajo voltaje, las fuentes de microscopio electrónico y los pararrayos.

Plásticos conductores de CNT

Durante las últimas cinco décadas, gran parte de la historia de los plásticos ha consistido en su uso como sustituto de los metales. Para aplicaciones estructurales, los plásticos han progresado enormemente, pero no cuando se necesita conductividad eléctrica, ya que los plásticos son muy buenos aislantes eléctricos. Esta deficiencia se puede solucionar cargando los plásticos con cargas conductoras, como el negro de humo y las fibras de grafito más grandes (las que se utilizan para fabricar palos de golf y raquetas de tenis). Sin embargo, para ofrecer la conductividad necesaria utilizando rellenos convencionales, la carga requerida suele ser alta, lo que da lugar a piezas pesadas y, sobre todo, a piezas de plástico cuyas propiedades estructurales se ven muy degradadas. Es bien sabido que a medida que la relación de aspecto de las partículas de relleno se hace alta, la carga necesaria para alcanzar un nivel determinado de conductividad se hace baja. Por esta razón, los CNT son perfectos porque tienen la mayor relación de aspecto de cualquier fibra de carbono. Además, su tendencia natural a formar cuerdas ofrece vías conductoras intrínsecamente muy largas incluso con cargas ultrabajas.

Este comportamiento de los CNT se utiliza en aplicaciones como la disipación electrostática (ESD); compuestos de blindaje EMI/RFI; revestimientos para juntas, recintos y otros usos; materiales que absorben radares para aplicaciones poco observables («stealth»); y materiales antiestáticos e (¡incluso transparentes!).

Almacenamiento de energía en CNT

Las propiedades intrínsecas de los CNT los convierten en el material preferido para su uso como electrodos en condensadores y baterías, dos tecnologías de importancia creciente. Los CNT poseen una buena conductividad eléctrica, una superficie extremadamente alta (~1000 m2/g) y, lo que es más importante, su geometría lineal hace que su superficie sea muy accesible al electrolito.

Las investigaciones han demostrado que los CNT tienen la mayor capacidad reversible de cualquier material de carbono para su uso en baterías de iones de litio . Además, los CNT son materiales excelentes para los electrodos de los supercondensadores y actualmente se están comercializando para esta aplicación.

Además, los CNT tienen aplicaciones en varios componentes de las pilas de combustible. Tienen varias propiedades, como una alta conductividad térmica y un área superficial, que los hacen valiosos como soportes de catalizadores de electrodos en las pilas de combustible PEM. Debido a su alta conductividad eléctrica, también pueden utilizarse en capas de difusión de gases, además de como colectores de corriente. Las características de alta resistencia y dureza-peso de los CNT también pueden resultar útiles como parte de los componentes compuestos de las pilas de combustible que se utilizan en aplicaciones de transporte, donde la durabilidad es primordial.

Adhesivos y conectores conductores de CNT

Las propiedades exactas que hacen que los CNT sean deseables como rellenos conductores para su uso en materiales ESD, apantallamiento electromagnético, etc., los hacen adecuados para aplicaciones de interconexión y embalaje de productos electrónicos, incluidos los cables coaxiales, compuestos de encapsulado y adhesivos y otros tipos de conectores.

Electrónica molecular de los CNT

La idea de construir circuitos electrónicos a partir de los bloques de construcción críticos de los materiales -las moléculas- ha experimentado un crecimiento en los últimos cinco años, y es una parte vital de la nanotecnología. En cualquier circuito electrónico, pero específicamente cuando las dimensiones se reducen a la nanoescala, las interconexiones entre los interruptores y otros dispositivos activos son cada vez más esenciales. Su capacidad de derivación precisa, su conductividad eléctrica y su geometría hacen de los CNT los candidatos más adecuados para las conexiones en la electrónica molecular. Además, se han mostrado como interruptores en sí mismos.

Materiales térmicos de los CNT

La conductividad térmica anisotrópica de los CNT, que ha batido récords, está abriendo las puertas a varias aplicaciones que implican la transferencia de calor. Una de estas aplicaciones se encuentra en la electrónica, concretamente en la informática avanzada, donde los chips no refrigerados superan actualmente con regularidad los 100 °C.

La tecnología para crear estructuras alineadas y cintas de CNT es un paso hacia la consecución de conductos de calor extremadamente eficientes. Además, se ha demostrado que los compuestos con CNTs aumentan significativamente su conductividad térmica a granel, incluso con cargas increíblemente pequeñas.

Compuestos estructurales de CNTs

Las propiedades superiores de los CNTs no se limitan a las conductividades térmicas y eléctricas, sino que también incluyen propiedades mecánicas, como resistencia, dureza y rigidez. Estas propiedades allanan el camino para su uso en una serie de aplicaciones que los explotan, incluidos los compuestos avanzados que necesitan altos valores de una o más de estas propiedades.

Fibras y tejidos de CNT

Recientemente, se ha demostrado la existencia de fibras hiladas a partir de CNT puros, que están experimentando un rápido desarrollo, junto con las fibras compuestas de CNT. Estas fibras superresistentes tendrán varias aplicaciones, como tejidos y textiles, cables de líneas de transmisión y blindaje de carrocerías y vehículos. Los CNT también se están empleando para hacer que los textiles sean resistentes a las manchas.

Soportes catalizadores de CNT

Los CNT poseen intrínsecamente una superficie enormemente alta; de hecho, en el caso de los SWNT, cada átomo no se encuentra en una sola superficie, sino en dos, la interior y la exterior del nanotubo. Junto con la capacidad de adherir básicamente cualquier especie química a sus paredes laterales (funcionalización) ofrece una perspectiva de soportes catalizadores únicos. Su conductividad eléctrica también puede utilizarse de forma propicia en la búsqueda de nuevos catalizadores y comportamientos catalíticos.

Aplicaciones biomédicas de los CNT

Aunque la exploración de los CNT en aplicaciones biomédicas está apenas en progreso, tiene un gran potencial. Dado que gran parte del cuerpo humano está formado por carbono, suele considerarse un material muy biocompatible. Se ha demostrado el crecimiento de células en los CNT, por lo que aparentemente no tienen ningún efecto tóxico. Las células tampoco se adhieren a los CNT, lo que abre las puertas a aplicaciones como los revestimientos antiincrustantes para barcos y los revestimientos para prótesis.

La capacidad de funcionalizar (modificar químicamente) las paredes laterales de los CNT también da lugar a aplicaciones biomédicas que incluyen el crecimiento y la regeneración de neuronas, y los stents vasculares. También se ha demostrado que una sola hebra de ADN puede unirse a un nanotubo, que posteriormente puede insertarse de forma eficaz en una célula.

Filtración de agua y aire con CNT

Varias empresas e investigadores ya han desarrollado dispositivos de filtración de agua y aire basados en CNT. Se ha informado de que estos filtros, además de bloquear las partículas más pequeñas, pueden destruir la mayoría de las bacterias. Este es otro ámbito en el que los CNT ya se han comercializado y los productos ya están disponibles.

Aplicaciones cerámicas de los CNT

Científicos de materiales de la UC Davis han producido un material cerámico reforzado con nanotubos de carbono. El nuevo material es significativamente más duro que las cerámicas tradicionales, conduce la electricidad y puede tanto conducir el calor como funcionar como barrera térmica, con respecto a la orientación de los nanotubos.

Dado que los materiales cerámicos son muy duros y resistentes al calor y al ataque químico, son valiosos para aplicaciones como el recubrimiento de palas de turbinas; sin embargo, también son muy frágiles. Los investigadores mezclaron alúmina en polvo (óxido de aluminio) con un 5%-10% de nanotubos de carbono, además de un 5% de niobio finamente molido. Los investigadores trataron la mezcla con un impulso eléctrico en un proceso denominado sinterización por chispa. Este proceso colisiona los polvos cerámicos con mayor rapidez y a menor temperatura que los procesos tradicionales.

La tenacidad a la fractura (resistencia al agrietamiento bajo tensión) del nuevo material es hasta cinco veces superior a la de la alúmina tradicional. El material presenta una conductividad eléctrica siete veces superior a la de las cerámicas anteriores fabricadas con nanotubos. También tiene unas propiedades térmicas fascinantes, ya que conduce el calor en una dirección, a lo largo de la alineación de los nanotubos y, por otro lado, refleja el calor en ángulo recto con respecto a los nanotubos, lo que lo convierte en un material preferido para los revestimientos de barrera térmica.

Otras aplicaciones de los nanotubos de carbono

Hay otras varias aplicaciones potenciales para los CNT, como la captación solar, los filtros nanoporosos, los soportes de catalizadores y todo tipo de revestimientos. Es casi seguro que hay varias aplicaciones sorprendentes para este excelente material que se revelarán en el futuro, y que pueden resultar ser las más significativas y valiosas de todas. Varios investigadores han estudiado el papel conductor y/o impermeable producido con CNT. También se ha demostrado que los CNT absorben la luz infrarroja y pueden tener aplicaciones en la industria de la óptica I/R.

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Citaciones