miniaturadeimagen| Imagen de microscopía de efecto túnel de un nanotubo de carbono de pared simple miniaturadeimagen| Nanotubos de carbono de pared simple en zigzag Un nanotubo de carbono es un tubo formado por átomos de carbono con un diámetro del orden de nanómetros (nanoescala). Es uno de los alótropos del carbono.Saberi A, Baltatu MS, Vizureanu P. The Effectiveness Mechanisms of Carbon Nanotubes (CNTs) as Reinforcements for Magnesium-Based Composites for Biomedical Applications: A Review. Nanomaterials. 2024; 14(9):756. https://doi.org/10.3390/nano14090756
Los nanotubos de carbono de pared simple o monocapa tienen diámetros de entre 0,5 y 2,0nanómetros, unas 100000veces más pequeños que el ancho de un cabello humano. Se pueden visualizar como láminas bidimensionales de grafeno enrolladas para formar un cilindro hueco. Los nanotubos de carbono de pared múltiple o multicapa consisten en nanotubos de carbono de pared simple concéntricos, anidados uno dentro del otro. Esta denominación se puede usar para referirse a los nanotubos de carbono de paredes dobles y triples.
Los nanotubos de carbono pueden exhibir propiedades notables, como una resistencia a la tracción y una conductividad térmica excepcionales, debidas a su nanoestructura y a la fuerza del enlace entre los átomos de carbono. Algunas estructuras de nanotubos de carbono exhiben una alta conductividad eléctrica, mientras que otras son semiconductoras. Además, pueden modificarse químicamente. Estas propiedades son de interés en muchas áreas de la tecnología, como la electrónica, la óptica, los materiales compuestos (que reemplazan o complementan las fibras de carbono), la nanotecnología y otras aplicaciones en la ciencia de materiales.
En 1993, Iijima e Ichihashi en NEC y Bethune et al. en IBM descubrieron de forma independiente que la covaporización de carbono y metales de transición como el hierro y el cobalto podía catalizar específicamente la formación de nanotubos de carbono de pared simple. Este descubrimiento dio lugar a investigaciones que lograron aumentar considerablemente la eficiencia de la técnica de producción catalítica, así como a una explosión de estudios para caracterizar y encontrar aplicaciones para esta forma de carbono.
Nomenclatura
No hay consenso generalizado en la literatura científica para la denominación de las distintas variedades de nanotubos de carbono. En las publicaciones en inglés, las moléculas se designan a menudo por sus siglas: así, los nanotubos de carbono en general se denominan CNT (carbon nano-tubes); los nanotubos de pared simple, se llaman SWCNT (simple wall/simple walled carbon nano-tubes) o SWNT —omitiendo la C de carbon— y los de pared múltiple se abrevian como MWNT o MWCNT; en obras en español, se pueden encontrar las siglas NTC ('nanotubos de carbono'), NTCPM ('nanotubos de carbono de pared múltiple') y NTCPS ('nanotubos de carbono de pared simple'). La Organización Internacional de Normalización utiliza «paredes simples» o «paredes múltiples» en sus papeles.
Historia En 2006, Marc Monthioux y Vladimir Kuznetsov publicaron en un editorial de la revista Carbon la historia del descubrimiento de los nanotubos de carbono. La identidad de los descubridores es objeto de cierta controversia. Un gran porcentaje de la literatura académica y popular atribuye el descubrimiento de tubos huecos de tamaño nanométrico compuestos de carbono grafítico a Sumio Iijima, un empleado de NEC, en 1991. Iijima publicó un artículo que tuvo mucho impacto e impulsó la investigación las aplicaciones de los nanotubos de carbono. Sin embargo, las primeras observaciones de los nanotubos de carbono datan de mucho antes: en 1952, Radushkevich y Lukyanovich publicaron imágenes claras de tubos de carbono de 50 nanómetros de diámetro en la revista Journal of Physical Chemistry Of Russia. Este artículo pasó desapercibido en gran medida, por publicarse en ruso y por el acceso limitado de los científicos occidentales a la prensa soviética durante la Guerra Fría. Monthioux y Kuznetsov mencionaron en su editorial:
En 1976, Morinobu Endo del CNRS sintetizó mediante una técnica de crecimiento en fase de vapor tubos huecos de láminas de grafito enrolladas. Los primeros especímenes observados se conocerían más tarde como nanotubos de carbono de pared simple o SWNT. Endo, en su estudio inicial de las fibras de carbono, también observó un tubo hueco, extendido linealmente con caras paralelas de capas de carbono cerca del núcleo de la fibra. Esta parece ser la primera observación de nanotubos de carbono de paredes múltiples o MWCNT. Los nanotubos de carbono de paredes múltiples producidos en masa hoy se obtienen mediante un método con similitudes al desarrollado por Endo, denominado de hecho el «Endo-proceso», por reconocimiento a sus primeros trabajos y patentes. En 1979, John Abrahamson presentó un documento en la 14.ªConferencia Bienal de Carbono en la Universidad Estatal de Pensilvania que describía los nanotubos de carbono como fibras de carbono producidas en ánodos de carbono durante una descarga de arco. Abrahamson caracterizó estas fibras y propuso una hipótesis para su crecimiento en atmósfera de nitrógeno a bajas presiones.
En 1981, un grupo de científicos soviéticos publicó los resultados de la caracterización química y estructural de nanopartículas de carbono producidas por una desproporción termocatalítica de monóxido de carbono. Usando imágenes TEM y patrones XRD, los autores sugirieron que sus «cristales tubulares multicapa de carbono» se formaban a partir de capas de grafeno enrolladas en cilindros y que las redes hexagonales de grafeno pueden adoptar varias configuraciones; ebtre ellas una conformación circular (nanotubo de sillón) y una disposición helicoidal en espiral (tubo quiral).
En 1987, Howard G. Tennent, de Hyperion Catalysis, obtuvo una patente estadounidense para la producción de «fibrillas de carbono discretas cilíndricas» con un diámetro fijo entre aproximadamente 3,5 y 70 nm, una longitud superior en dos órdenes de magnitud al diámetro, y una región exterior compuesta de múltiples capas esencialmente continuas de átomos de carbono ordenados y un núcleo interior diferenciado.
El descubrimiento de Iijima en 1991 de nanotubos de carbono de paredes múltiples en el material insoluble resultado de quemar varillas de grafito con un arco eléctrico generó un intenso interés entre la comunidad científica, al igual que la predicción independiente de Mintmire, Dunlap y White de que si se pudieran hacer nanotubos de carbono de pared simple, exhibirían propiedades conductoras notables. La investigación de nanotubos se aceleró enormemente tras los descubrimientos de Iijima e Ichihashi en NEC y Bethune et al. en IBM de métodos para producir nanotubos de carbono de pared simple mediante la adición de catalizadores de metales de transición al carbono en una descarga de arco. Tess y sus colaboradores refinaron este método catalítico al vaporizar la combinación de carbono/metal de transición en un horno de alta temperatura, lo que mejoró enormemente el rendimiento y la pureza de los nanotubos y los consiguientes experimentos de caracterización y aplicación. La técnica de descarga de arco, conocida por producir moléculas de buckminsterfullereno en cantidades suficientes para explorar sus propiedades, desempeñó por lo tanto un papel importante en los descubrimientos de nanotubos de paredes múltiples y simples y extendió la serie de descubrimientos fortuitos relacionados con los fullerenos.
En 2020, la excavación arqueológica de Keezhadi en Tamil Nadu, India, desveló cerámicas de unos 2500años de antigüedad cuyos revestimientos parecen contener nanotubos de carbono. Las sólidas propiedades mecánicas de los nanotubos podrían haber contribuido a la conservación de los recubrimientos durante tantos años.
Estructura de los nanotubos de pared simple
miniaturadeimagen| Representación de una sección «desenrollada» de un nanotubo de carbono superpuesta sobre una hoja de grafeno (fondo tenue). La flecha señala el punto A2 donde el átomo A1 del borde de la sección encajaría en el borde opuesto al formar un cilindro. La estructura de un nanotubo de carbono ideal (infinitamente largo) de pared simple es la de una red hexagonal regular dispuesta sobre una superficie cilíndrica infinita, cuyos vértices son las posiciones de los átomos de carbono. Dado que la longitud de los enlaces carbono-carbono es más o menos fija, el diámetro del cilindro y las posiciones de los átomos sobre él no son arbitrarios, sino que están restringidos a ciertos valores. miniaturadeimagen| Los vectores base y de la subred relevante, los pares (,) que definen estructuras de nanotubos de carbonos con enlaces en la misma orientación (puntos rojos) y los pares que definen los enantiómeros con los enlaces en la orientación opuesta.
Para caracterizar la estructura de los nanotubos, se define un traza en zigzag en una red hexagonal similar a la del grafeno como un camino que gira 60°, alternando a la izquierda y a la derecha, después de atravesar cada enlace. Por convención, se denomina «camino de sillón» al que describe dos giros a la izquierda seguidos de dos giros a la derecha cada cuatro pasos. En algunos nanotubos de carbono, se puede trazar un camino cerrado en zigzag que rodee el tubo, y se clasifica al tubo como de tipo o configuración en zigzag, o simplemente como un «nanotubo en zigzag». Si, en cambio, la traza alrededor del tubo es camino de sillón cerrado, se dice que es del tipo sillón o un «nanotubo de sillón». Los nanotubos infinitos de tipo zigzag o sillón consisten enteramente en caminos cerrados en zigzag o sillón, conectados entre sí.
Las configuraciones en zigzag y de sillón no son las únicas conformaciones que puede adoptar un nanotubo de pared simple; la estructura de un tubo infinitamente largo, se puede representar como secciones imaginarias formadas mediante un corte paralelo a su eje que atraviesa un átomo A; las secciones se superponen sobre la estructura formada por una hoja plana grafeno de modo que los átomos y enlaces coincidan. Las dos mitades del átomo A se ubican en los bordes opuestos de la tira, sobre los átomos A1 y A2 del grafeno. La línea de A1 a A2 corresponde a la circunferencia del cilindro que atraviesa el átomo A, y es perpendicular a los bordes del corte. En la red de grafeno, los átomos se pueden dividir en dos clases, dependiendo de las direcciones de sus tres enlaces. En la mitad de los átomos, sus tres enlaces están orientados de la misma manera, mientras que en la otra mitad los enlaces están girados 180°. Los átomos A1 y A2, que corresponden al mismo átomo A en el cilindro, deben ser de la misma clase. De ello se deduce que la circunferencia del tubo y el ángulo de la sección dependen de las longitudes y direcciones de las líneas que conectan pares de átomos de grafeno de la misma clase. Sean y dos vectores linealmente independientes que conectan el átomo de grafeno A1 con sus dos átomos más cercanos con las mismas direcciones de enlace. Es decir, si se nombre a los carbonos dispuestos consecutivamente alrededor de una celda de grafeno como C1 - C6, entonces es el vector entre C1 y C3 y el vector entre C1 y C5. Entonces, para cualquier otro átomo A2 con la misma clase que A1, el vector de A1 a A2 se puede escribir como una combinación lineal , donde y son números enteros. Y, a la inversa, cada par de números enteros (,) define una posible posición de A2.
Dados y , se puede invertir la operación teórica y dibujar el vector en la red de grafeno, cortar una tira a lo largo de las líneas perpendiculares a a través de sus extremos A1 y A2, y enrollar la tira como un cilindro que junte los dos puntos. Si esta construcción se aplica a un par (k ,0), el resultado es un nanotubo en zigzag, con caminos cerrados en zigzag de 2 k átomos. Si se aplica a un par ( k, k ), se obtiene un tubo de sillón, con caminos de sillón cerrados de 4 k átomos.
Tipos