Los nanotubos de carbono

Descubiertos en Japón por Sumio Iijima en el año 1991 son posiblemente el tipo de nanomateriales mas prometedor y sofisticado que nos ofrece la nanotecnología.

Los nanotubos de carbono (Carbon Nanotube o CNT) son una configuración a nivel nanoscópico de átomos de carbono dispuestos en forma de mallas hexagonales que forman una estructura cilíndrica, semejantes a un tubo. Las características de estas estructuras de capas de grafeno enrolladas varían sustancialmente en función de la orientación de los hexágonos que las forman con relación a su eje, destacando porque superan en sus propiedades físicas a la mayoría de materiales conocidos.

Estructura de un nanotubo tipo MWNT

La forma tubular y los enlaces hexagonales de los átomos de carbono son los rasgos característicos de los CNT. Aquí uno del tipo multicapa o MWNT

Compuesto de una o varias láminas de grafeno enrolladas sobre si mismas, cada nanotubo tiene un diámetro de alrededor de un nanómetro (entre 0.6 y 1.8 nanometros) y puede llegar a tener hasta un milímetro de longitud. Su color es negro, y mas liviano que el aluminio, tiene una densidad que varia de 1.33 a 1.40 g/cm3.

Fueron estudiados y descritos por primera vez por el científico japonés Sumio Iijima en 1991, quien los produjo tratando de fabricar fullerenos (estructuras geométricas especiales de átomos de carbono) usando metales, generando de inmediato grandes expectativas, gracias a las extraordinarias propiedades que presentan.

Propiedades de los CNT

Entre las propiedades de los nanotubos de carbono tenemos que destacan por ser mucho mas fuertes que el acero, mejores conductores térmicos que cualquier otro material conocido y que pueden transportar la electricidad mucho mejor que el cobre de la mayor calidad.

Propiedades eléctricas

Son las características mas afectadas por la geometría y estructura de los tubos, de modo que prácticamente puede decirse que los nanotubos podrían fabricarse para ser aislantes, semiconductores o comportarse como un metal, de acuerdo a nuestra necesidad. Destaca su altísima conductividad, que puede llegar a ser de unos mil millones de amperes por centímetro cuadrado, osea, mil veces superior a la de los alambres de cobre.

Propiedades mecánicas

Los paneles de carbono que forman el grafeno son por si solos muy fuertes, estables y flexibles, pero una vez se cierran para formar una estructura tubular estas propiedades se incrementan considerablemente. Como resultado los nanotubos son hasta doscientas veces más fuertes que el acero y su flexibilidad es superior a la de las fibras de carbono. Precisando:

  • Gran resistencia a la tracción. Al menos 45 mil millones de pascales).
  • Extremadamente flexibles. Pueden doblarse hasta formar ángulos muy agudos sin sufrir deformaciones ni daños en su estructura.

Propiedades térmicas

  • Conductividad de calor muy elevada. Alrededor de seis mil vatios por metro kelvin a temperatura ambiente.
  • Estabilidad superior. No se degradan antes de por lo menos 2.800 grados Celsius en el vacío (750ºC en presencia de aire).

Tipos de nanotubos

De manera general los "CNT" se clasifican a partir del modo como está conformada la lámina de grafeno de la que están hechos, de la forma como esta se enrolla y se cierra, y por tanto, de la geometría resultante. Así, podemos hablar de:

  • Nanotubo monocapa ("Single-walled nanotubes" o SWNT): son aquellos que se encuentran formados por una sola capa bidimensional de grafito. Tienen la forma de un cilindro sencillo y se caracterizan además porque tienen propiedades eléctricas especiales.
  • Nanotubo multicapa (Multi-walled nanotubes (MWNT)): están formados por varios tubos concéntricos, metidos uno dentro de otro (como una matrioska) y separados por una distancia interplanar.

La disposición de la malla de grafeno

También es posible clasificar a los nanotubos de acuerdo a la dirección del vector del arreglo de los átomos de carbono:

Tipos de nanotubos por su orientación

Tipologias de acuerdo a la orientación de las mallas.

  • Tipo Arm-Chair o sillón: se disponen de modo que las celdas se arreglan formando un angulo de 90 grados. Se comportan como metales y son excelentes conductores de electricidad.
  • Tipo Zig-Zag: las celdas forman un arreglo en ángulo de 0 grados, en su mayoría son semiconductores que no conducen bien la electricidad.
  • Tipo Quiral: el arreglo esta dispuesto en cualquier ángulo diferente de 0 y 30 grados.

Aplicaciones de los nanotubos

Como las propiedades de este nanomaterial dependen y pueden modificarse de acuerdo a la geometría de los tubos o la disposición de las mallas de grafeno que lo forman, el rango de aplicaciones tecnológicas posibles es muy variado.

Actualmente los nanotubos son útiles para la fabricación de transistores, sensores y memorias mas rápidas y potentes, empleados principalmente en aplicaciones industriales, los automóviles y la industria aeronáutica y aeroespacial, pero también se utilizan en áreas como la biomedicina, fabricación de artículos deportivos, iluminación, prótesis, tintas conductoras o con características especiales, etc., sin embargo, su costo de producción aun es elevado, lo que hace que su empleo siga siendo limitado.

De momento sus únicas aplicaciones en edificaciones se centran en la domótica, y en la producción de revestimientos y pinturas con cualidades de aislamiento o color especiales, sin embargo, ya se ha valorado experimentalmente su empleo en la construcción de estructuras inteligentes y concretos mejorados, aprovechando por un lado su potencial como conductor (para transmitir señales, por ejemplo), así como la enorme resistencia que proporciona. Por ejemplo, en la elaboración de estructuras capaces de detectar la mínima deformación.

De cara al futuro los nanotubos de carbono abriran el camino a componentes capaces de permitir construcciones mas altas, resistentes y livianas, en estrecha sintonía con los últimos avances tecnológicos.

En el campo de la construcción, la combinación de cualidades conductoras y de resistencia que tienen los nanotubos, permitirá en un futuro cercano la creación de materiales inteligentes, capaces de diagnosticar fallas o deformaciones con gran precisión y velocidad. Esto será útil, por ejemplo, en las estructuras viales o los edificaciones con exigencias estructurales críticas, ahorrando grandes sumas de dinero en materia de inspección y mantenimiento.

Paneles de energía solar

Otro sector donde se prevee un impacto muy positivo es el de la generación de energía solar, con la fabricación de paneles mas eficaces, compactos, y fáciles de transportar.

» Las lámparas de CNT serán en pocos años una alternativa barata y de menor consumo energético que los LED.

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