NANOTUBOS DE CARBONO

nanotubos

Descubrimiento

1889. El primer antecedente descrito sobre la producción de filamentos carbonosos a partir de vapor se debe a Hugues y Chambers, que patentaron en EE.UU un procedimiento para la fabricación de filamentos de carbono utilizando como gases precursores hidrógeno y metano en un crisol de hierro.
En 1952 y L. V. Radushkevich y V. M. Lukyanovich, publicaron imágenes claras de 50 tubos de carbono de diámetro manométrico en el diario oficial de química física en la Unión Soviética. Este descubrimiento fue en gran medida inadvertido, ya que el artículo fue publicado en idioma ruso, los científicos occidentales y el acceso a la prensa soviética, fue hecho casi imposible durante la guerra fría. Es probable que los nanotubos de carbono se produjeran antes de esta fecha, pero fue la invención del microscopio de transmisión de electrones, quien permitió la visualización directa de estas estructuras.
1953. Con el desarrollo del microscopio electrónico, Davis, Slawson y Rugby describen la producción unos filamentos entre 100 y 200 nm, de forma helicoidal, a partir de la desproporción de CO catalizada por hierro a 450ºC, permaneciendo éste en la punta de los filamentos. A la vez que los filamentos, se producían también carbono amorfo y carburos de hierro.
1958. Hillert y Lange realizan una exhaustiva caracterización estructural de estos filamentos, corroborando la presencia de una partícula metálica en la punta. Los diámetros de estos filamentos oscilaban entre 10 y 100 nm y poseían una estructura altamente grafítica.
1970s. En esta década comienza a estudiarse de forma exhaustiva la generación de filamentos de carbono por procesos catalíticos, a partir de distintos precursores (hidrocarburos o CO) y usando como catalizadores diversos metales (Fe, Co, Ni, etc.).
El grupo de RTK Baker, del Departamento de Energía Atómica Británico, que siempre trabajó a escala de laboratorio. Principalmente utilizaron mezclas de acetileno e hidrógeno y catalizadores de diferentes metales (Ni, Co, Fe, Cr). Inicialmente trabajaron con nanopartículas de Ni soportadas, las cuales debían estar en estado elemental para ser activas, y propusieron un modelo de crecimiento, en el que el hidrocarburo difundía a través de la partícula metálica debido a un gradiente de temperatura, condensando carbono en la parte posterior. Este grupo definió estos materiales como filamentos de carbono (para diferenciarlos de las fibras).Los nanotubos de carbono se han producido y observado bajo una variedad de condiciones desde antes de 1991. Un documento de Oberlin, Endo, y Koyama publicado en 1976, muestra claramente las fibras huecas de carbono a escala nanométrica, utilizando una técnica de crecimiento por vapor o CVD. Además, los autores mostraron una imagen TEM de un compuesto de nanotubos de una sola pared de grafito. Posteriormente, Endo se refirio a esta imagen como un nanotubo de pared simple o monocapa .Además, en 1979, John Abrahamson presentó pruebas de nanotubos de carbono en la 14 conferencia bienal de carbono en la universidad estatal de Pennsylvania.. Se planteó la caracterización de estas fibras, tanto como la hipótesis para su crecimiento en una atmósfera de nitrógeno a baja presión.

Nanotubos:


Los nanotubos de carbono son fibras de carbono que se producen de ánodos del mismo compuesto, durante una descarga por arco.

En química, se denominan nanotubos a estructuras tubulares cuyo diámetro es del orden del nanómetro (nm). Un nanómetro equivale en escala a la billonésima parte de un metro (1 nm = 1x10-9 m). Existen nanotubos de muchos materiales, tales como silicio o nitruro de boro, pero generalmente el término se aplica a los nanotubos de carbono
Los nanotubos de carbono son una forma alotrópica del carbono, como el diamante, el grafito. Su estructura puede considerarse procedente de una lámina de grafito enrollada sobre sí misma. Dependiendo del grado de enrollamiento y la manera como se conforma la lámina original se denominan nanotubos monocapa. Existen también nanotubos cuya estructura se asemeja a la de una serie de tubos concéntricos, incluidos unos dentro de otros; lógicamente de grosores crecientes desde el centro a la periferia. Estos últimos son los nanotubos multicapa. Se conocen derivados en los que el tubo está cerrado por media esfera de fullereno, y otros que no están cerrados.
Los nanotubos están siendo estudiados activamente, como los fullerenos por su interés fundamental para la química y por sus aplicaciones tecnológicas. Es, por ejemplo, la primera sustancia conocida por la humanidad capaz de sustentar indefinidamente su propio peso, una condición necesaria para la construcción de un ascensor espacial.


Otras equivalencias del nanómetro

Milímetro: 1 mm = 1 000 000 nm
Micrómetro: 1 µm = 1000 nm
Angstrom: 1 Å = 1/10 nm
Picómetro: 1 pm = 1/1000 nm

modos de obtención:

Descarga de arco
Desde 1991, la presencia de nanotubos se ha podido observar en el hollín producido al provocar un arco eléctrico entre dos electrodos de grafito. La corriente típica para producir dicho arco era de unos 100 amperes, y paradójicamente lo que se pretendía era producir fullerenos. La primera vez que se produjeron nanotubos de carbono, de forma masiva, fue usando un método similar al anterior, por dos investigadores del Laboratorio de Investigación Básica de la compañía NEC.
En dicho proceso se observó que el carbono contenido en el electrodo negativo sublimaba debido a las altísimas temperaturas producidas por la descarga que provocaban el arco voltaico. Esta técnica es el método más importante usado en la síntesis de nanotubos, puesto que fue la primera en la que la producción de esta forma alotrópica era apreciable.
La descarga de arco es un tipo de descarga eléctrica continua que genera luz y calor muy intensos. Se produce entre dos electrodos enfrentados dentro de una atmósfera de gas inerte a baja presión. Por los electrodos de grafito, se hace pasar una corriente intensa, (cientos de amperes) la cual hace sublimar los átomos de carbono de la superficie de los electrodos, formando un plasma alrededor de estos. En un arco abierto al aire y a presión normal, (una atmósfera) el electrodo positivo alcanza una temperatura de unos 3.000 ºC.
El rendimiento típico usando esta técnica, es del orden del 30% en peso y los productos obtenidos son tanto nanotubos monocapa, como multicapa de una longitud típica de unas 50 micras.
Se puede combinar con el método de purificación por oxidación, desarrollado por Ebbesen en 1994, que consiste en el calentamiento de la fullerita extraída después de la descarga a 1000 K, en una atmósfera de oxígeno durante 30 minutos. Este procedimiento permite evaporar las diferentes clases de fullerenos y dejar los nanotubos aislados. También se emplea para evaporar las paredes más externas de los nanotubos de tipo multicapa, y también para abrir los extremos de los mismos.





Método del Catalizador Flotante.
Este método fue desarrollado en la década de 1980 por los grupos de Endo y Tibbetts para la producción de VGCF. Hoy en día, es una forma válida de la obtención de nanotubos, nanofibras o VGCF, aunque el control de lo que ocurre es bastante más complicado que en el método del sustrato. La idea de este método es producir de forma continua, en un único proceso continuo, los nanofilamentos catalíticos, introduciendo en el reactor sus reactivos. Por lo tanto, todas las etapas descritas en el método del sustrato (preparación del catalizador, generación de nanopartículas de metal elemental, crecimiento de nanofilamentos (y engrosamiento) debe tener lugar en un único reactor.
Como fuente de catalizador suele utilizarse Fe principalmente, y en concreto órgano metálicos de Fe para que la generación de las nanopartículas metálicas activas sea más factible. Se utilizan tanto Fe (CO)5 como ferroceno. No se han encontrado en la bibliografía ningún trabajo en el que se obtengan nanofilamentos en catalizador flotante alimentando sales el reactor.
Para que los volúmenes del reactor no sean muy grandes y su diseño sea factible, la reacción debe tener una cinética razonable, muy superior a la del método del sustrato. Para ello hay que incrementar mucho la temperatura, con la inevitable formación de hollín por craqueo de la fuente de carbono. Para minimizar la formación de hollín, el tiempo de residencia ha de ser muy pequeño, del orden de segundos. Este gran incremento de la cinética se consigue añadiendo una fuente de S (H2S, tiofeno), en cantidades aproximadamente equimolares con el metal. La función del S no está clara, aunque parece que tiene que ver con la generación de partícula fundida.

Ablación Láser
La "ablación láser" es un proceso que consiste en vaporizar un blanco de grafito mediante la radiación de un pulso láser, en un reactor de alta temperatura y en presencia de un gas inerte. Los nanotubos se forman cuando el grafito vaporizado entra en contacto con la superficie fría, condensando sobre las paredes del reactor.
Este procedimiento suele presentar un rendimiento típico del 70% en peso y produce nanotubos monocapa, con un diámetro que puede controlarse variando la temperatura en el interior del reactor.






Aplicaciones tecnológicas
-Lubricantes
-Superconductores
-Imágenes Medicas
-Catálisis química
-Dispositivos de Grabación





alotròpica:


en química es la propiedad que poseen determinados elementos químicos de presentarse bajo estructuras moleculares diferentes, como el oxígeno, que puede presentarse como oxígeno atmosférico (O2) y como ozono (O3), o con características físicas distintas, como el fósforo, que se presenta como fósforo rojo y fósforo blanco (P4), o el carbono, que lo hace como grafito, diamante y fulereno. Para que a un elemento se le pueda denominar como alótropo, sus diferentes estructuras moleculares deben presentarse en el mismo estado físico.
Las propiedades alotrópicas se presentan en elementos que tienen una misma composición, pero aspectos diferentes; por lo tanto, la propiedad debe observarse en el mismo estado de agregación de la materia y es característico del estado sólido.





grafito:


El grafito es una de las formas alotrópicas en las que se puede presentar el carbono, junto al diamante y los fullerenos. A presión atmosférica y temperatura ambiente es más estable el grafito que el diamante, sin embargo la descomposición del diamante es tan extremadamente lenta que sólo es apreciable a escala geológica. Fue nombrado por Abraham Gottlob Werner en el año 1789 y el término grafito deriva del griego γραφειν (graphein) que significa escribir. También se denomina plumbagina y plomo negro.
El grafito se encuentra en yacimientos naturales y se puede extraer, pero también se produce artificialmente. El principal productor mundial de grafito es China, seguido de India y Brasil.





Fullerenos
Los fullerenos son macromoléculas de carbono individuales, con estructuras cerradas formadas por varias decenas de átomos de carbono únicamente. Los fullerenos son una forma alotrópica del carbono. Fueron descubiertos accidentalmente por los grupos de Smalley y de Kroto en 1985, siendo galardonado su descubrimiento con el premio Nobel de química en 1996. En un sistema de dos electrodos de grafito a una distancia de 1 mm y a una presión de 200 torr, encontraron un depósito carbonoso en el ánodo al hacer saltar arcos eléctricos. Además del hollín o carbono evaporado de un electrodo al otro, estos investigadores encontraron resultados extraños en los espectros de masas de las muestras de carbono evaporado. Tras ser aislados por disolventes y tras numerosos estudios, se obtuvo que la mayoría de este material fueran moléculas de C60, con una estructura similar a la de un balón de fútbol, recibiendo el nombre de Fullerenos en honor a Buckmister Fuller, un arquitecto alemán que diseñaba cúpulas con este tipo de estructuras. También se encontraron cantidades menores de C70.
Los fullerenos pueden presentarse en forma de esfera hueca, elipsoidal, de tubo o plana. Los fullerenos esféricos son comúnmente conocidos como buckyballs. Aquellos en forma cilíndrica son denominados nanotubos de carbono o buckytubes. El graphene es un ejemplo de una hoja plana de fullereno. Los fullerenos son similares en estructura al grafito, el cual se compone de hojas apiladas de anillos hexagonales vinculados entre si, pero también pueden contener anillos pentagonales o en algunas ocasiones heptagonales.