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Nanotubos de Carbono: Potencia por un tubo

Nanotubos de Carbono

El siguiente elemento de los nanomateriales alótropos del carbono son los  nanotubos de carbono (o CNTs, Carbon NanoTubes), descubiertos por el investigador japonés Sumio Iijima en 1991 y por el cual quizás en pocos años acabe recibiendo el Nobel.

Sumio Iijima era un apasionado de la investigación: “La investigación se puede realizar en cualquier tipo de entorno, siempre y cuando mantengamos el interés. Creo que la verdadera educación significa fomentar la capacidad de interesarse por algo”.

Los CNTs destacan desde el punto de vista electrónico, mecánico, óptico y químico y ya se están aplicando en diversas aplicaciones comerciales, aunque todavía tienen que desarrollarse técnicas de producción y purificación a gran escala económicamente viables. Sus técnicas de producción son diversas como la descarga de arco, la ablación con láser o la deposición química de vapor. También es muy importante trabajar con ellos en un estado bastante puro, para poder ser aplicados de forma efectiva y sin perder propiedades a escala industrial, para ello se usan técnicas como la oxidación, tratamiento con ácido, recocido, sonicación, filtración y técnicas de funcionalización.

Nanotubos de Carbono: Introducción

Los nanotubos de Carbono destacan por su gran relación de aspecto, es decir la relación entre su longitud, la cual puede sobrepasar ampliamente las micras y su minúsculo diámetro, que apenas supera el nanómetro. Esta relación puede ser de 1:1000 entre ambas, convirtiéndose en elementos cuasi unidimensionales.

Los CNT son moléculas cilíndricas dispuestas hexagonalmente de átomos de carbono con enlaces sp2 y con una distancia entre los carbonos enlazados, de únicamente 1,4 A.

Estas estructuras cilíndricas tienen dos formas, los CNT de una capa o pared, denominados SWNT y los de paredes múltiples o MWNTs. Se describen como cilindros huecos formados enrollando capas simples o múltiples de hojas de grafeno en cilindros. Los SWNTs están compuestos de una única capa de grafeno cilíndrica cubierta en ambos extremos en una disposición hemisférica de redes de carbono. Al ser un cilindro simétrico, cuando se enrolla la capa de grafeno para obtenerlo, este sólo puede rodar en un número determinado de direcciones hasta que los átomos coinciden.  El vector que apunta desde el primer átomo para cerrar la estructura hacia el último, se llama vector quiral y su longitud es igual a la circunferencia del nanotubo. La dirección del eje del nanotubo es perpendicular al vector quiral, el cual es definido por definido por un par de números enteros (n, m) obtenidos a partir de la disposición de los hexágonos de grafito con respecto a la SWNT. La quiralidad, obtenida a partir de su vector quiral, determina sus propiedades. Los SWNTs con diferentes vectores quirales tienen propiedades disímiles tales como la actividad óptica, la resistencia mecánica y la conductividad eléctrica.

Propiedades de los de nanotubos de carbono

Las propiedades de los CNT incluyen excelentes prestaciones, una conductividad térmica más alta que el diamante, mayor resistencia mecánica que el acero – órdenes de magnitud por peso – y una mejor conductividad eléctrica que el cobre. Sus propiedades dependen de su diámetro, así para diámetros pequeños las propiedades eléctricas dependen de su vector quiral y son semi-conductores o metálicos. La actividad óptica del nanotubo quiral desaparece si estos se hacen más grandes. Respecto las propiedades mecánicas, tienen un módulo de Young muy grande en su dirección axial, en su conjunto son muy flexibles debido a su gran longitud. Por lo tanto, poseen una gran anisotropía, es decir sus propiedades dependen de la dirección en que se midan.

Aplicaciones de los de nanotubos de carbono

En los últimos 10 años la actividad comercial relacionada con los nanotubos de carbono ha crecido de manera sustancial y su producción mundial ha aumentado diez. La producción de CNT está mejorando pero todavía se han de evitar los problemas derivados de su tendencia a aglomerarse, lo que genera una disminución sustancial de sus propiedades respecto a cuando están separados. Sus aplicaciones comerciales se han ido extendiendo, así por ejemplo, pueden ser utilizados como purificadores de agua, gracias a su minúsculo tamaño y su gran área superficial y propiedades de adsorción, convirtiéndose en una membrana ideal para filtrar productos químicos tóxicos, sales disueltas y contaminantes biológicos del agua. Pueden ser usados como electrodos en baterías y condensadores para proporcionar más corriente y mejor estabilidad eléctrica y mecánica respecto a otros materiales. A nivel de resistencia y propiedades mecánicas, pueden ser usados para mejorar diferentes tipos de estructuras, por ejemplo, equipación deportiva, carrocería de vehículos, etc. Los fabricantes de los deportes los están utilizando en raquetas de tenis y bádminton o en bicicletas. Sus aplicaciones van cr ciendo día a día, pudiéndose usar de forma potencial en materiales compuestos avanzados, electrónica, almacenamiento de energía, impresión, papel y empaquetado y pilas de combustible.

En medicina, los CNT pueden ser usados como portadores para liberación controlada de fármacos, mejorando los sistemas de administración de fármacos, haciéndolos más locales y efectivos, disminuyendo su distribución y en algunos casos bajando los efectos secundarios de los mismos. Pueden ser utilizados como lubricantes. En ingeniería genética, se utilizan para manipular genomas y átomos útil para bioimagen, proteómica e ingeniería de tejidos, son un excelente vector en terapia génica, es decir la terapia que consiste en reparar células dañadas en el laboratorio y reinsertarlas o incorporar al paciente un gen reparador o corrector para solucionarle un problema genético. Tienen aplicación potencial en diagnósticos y en terapias, ya que se puede colocar enrollado ADN en los SWNT conectando sus nucleósidos, es decir los componentes de los ácidos nucléicos,  específicos y provocando cambios en sus propiedades electrostáticas. Los CNT se han estudiado en aplicaciones para implantes artificiales, mejorando el rechazo de los mismos en comparación con otro tipo de implantes. Su última aplicación en biomedicina es futurista ya que se está estudiando como substrato para nanorobots, motores que sean capaces de nadar o navegar por los fluidos de nuestro organismo y puedan ser usados para la cura de enfermedades.

En resumen, las distintas propiedades estructurales de los CNTs, en particular su elevada relación de aspecto, su facilidad para ser modificados biológicamente o funcionalizados y sus propiedades mecánicoas y eléctricas, los hacen ser un excelente candidato para revolucionar en los próximos años diversos sectores industriales y aplicaciones comerciales.

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