NANOMATERIALES BASADOS EN EL CARBONO.

NANOMATERIALES BASADOS EN EL CARBONO.

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Qu son los nanomateriales?

Los nanomateriales son materiales con propiedades morfolgicas ms pequeas que 1 m en al menos una dimensin.1 A pesar del hecho de que no hay consenso sobre el tamao mnimo o mximo de un nanomaterial, algunos autores restringen su tamao de 1 a 100 nm, una definicin lgica situara la nanoescala entre la microescala (1 m) y la escala atmica/molecular (alrededor de 0.2 nm).

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Nanomateriales basados en carbono3FullerenosLasnanocebollas de carbonoson una forma especial de fulerenos multicapa, es decir, de esferas de carbono huecas concntricas(Ver figura 3). Nanocebollas

Figura 3.Las nanocebollas son fullerenos dentro de fullerenos, y pueden contener tantos como sea posible. Aqu se muestra el fullereno C320 dentro del C720.Esta forma alotropa del carbono se descubri en 1992 por Ugarte, al mismo tiempo que los nanotubos. Desde entonces no han sido objeto de numerosos estudios.Obtencin:Templado de nanopartculas de diamante (T>1200C).

Mtodo ms reciente por Sano: descarga en un arco elctrico entre dos electrodos de carbono en medio acuoso.Mediante el templado de nanoparticulas de diamante se consiguen nanocebollas pequeas, de alrededor de 5 nm(6-8 capas), mientras que empleando el mtodo de Sano se han llegado a aislar nanocebollas de 15-25 nm (20-30 capas).Las CNOs han conseguido atraer la atencin de la NASA para ser empleados como aditivos en aplicaciones aeroespaciales debido a la potente capacidad lubricante que representan. Comprados con otros materiales lubricantes derivados del grafito, cabe prever un futuro prometedor para estas nuevas estructuras.A continuacin se muestra una nanocebolla (Onion), compuesta por C60 (Ih), C240 (Oh) y C540 (D2h).

Grafeno

Qu es el Grafeno?ElGrafenoes una sustancia formada por carbono puro,, similar al grafito, pero en una hoja de un tomo de espesor.

Este material surge cuando pequesimas partculas de carbono se agrupan de forma muy densa en lminas de dos dimensiones muy finas(tienen el tamao de un tomo), y en celdas hexagonales.

Cmo se obtiene el Grafeno?Para que conserve todas sus propiedades, el mineral ha de ser de la mayor calidad posible. Con el mtodo tradicional de obtencin a base de deshojar el grafito con cinta adhesiva, se consigue grafeno de muy alta calidad, pero la cantidad producida es mnima y resulta insuficiente para su uso industrial.Por otro lado, el empleo de otros mtodos para su obtencin enfocados en aumentar la cantidad producida no consiguen un producto con la calidad suficiente.

Es extremadamente duro: 100 veces ms resistente que una hipottica lmina de acero del mismo espesor6Es muy flexible y elstico.Es transparente.Auto enfriamiento (segn algunos cientficos de la Universidad de Illinois). [cita requerida]Conductividad trmica y elctrica altas.Sirve de soporte de radiacin ionizante.Tiene gran ligereza, como la fibra de carbono, pero ms flexible.Genera electricidad al ser alcanzado por la luz.Se autor repara; cuando una lmina de grafeno sufre dao y se quiebra su estructura, se genera un agujero que atrae tomos de carbono vecinos para as tapar los huecos.En su forma xida absorbe residuos radioactivosPropiedades Destacadas:Por sus propiedades, el grafeno puede servir como material en la fabricacin de aviones, satlites espaciales o automviles, hacindolos ms seguros. Tambin en la construccin de edificios, pues los convertira en ms resistentes.Pero, sobre todo, destacan sus aplicaciones en el campo de la electrnica, donde a travs de su capacidad para almacenar energa puede dotar a las bateras de una mayor duracin y un menor tiempo de carga.

Utilidad del Grafeno:Propiedades mecnicas:El grafeno es de los materiales ms duros y fuertes existentes, incluso supera la dureza del diamante y es 200 veces ms resistente que el acero. Es altamente rgido, de hecho, tiene un mdulo de Young de 1 TPa. Por lo tanto soporta grandes fuerzas sin apenas deformarse. Se trata de un material ligero con una densidad de tan solo 0,77 miligramos por metro cuadrado (densidad indicada en unidades de superficie como causa de su estructura laminar). Tambin cabe destacar que soporta grandes fuerzas de flexin, es decir, se puede doblar sin que se rompa.

Aplicaciones del GrafenoElectrnica:Podra emplearse en la fabricacin de microchips o de transistores, ambos elementos imprescindibles en prcticamente todos los dispositivos electrnicos. Adems, por sus especiales caractersticas los componentes electrnicos de este material permitirn el desarrollo de dispositivos flexibles que podrn enrollarse o plegarse segn las necesidades.

Informtica:El uso del grafeno permitir el desarrollo de ordenadores mucho ms rpidos y con un menor consumo elctrico que los actuales de silicio. Adems, se estima que un disco duro de este compuesto, del mismo tamao que uno de los empleados actualmente, podra almacenar hasta mil veces ms informacin.

Telefona mvil:Con el grafeno se creara una nueva generacin de dispositivos adaptados a la fisionoma del ser humano, sin formas ni colores preestablecidos, con pantallas flexibles, plegables y tctiles. Adems, estudios recientes han comprobado cmo nano circuitos de grafeno podran mejorar de manera significativa la velocidad y calidad de las comunicaciones inalmbricas.

Sector energtico:Es otro de las que cambiarn de manera visible. Por sus propiedades energticas, el grafeno permitir la creacin de bateras de larga duracin que apenas tardarn unos segundos en cargarse. Adems, las energas renovables pasarn a un plano ms relevante, ya que, entre otros, las placas solares recubiertas de este material sern mucho ms eficientes y permitirn una forma ms ecolgica de consumo energtico.

Industria del blindaje:La extrema dureza del grafeno, unida a su capacidad de moldearse y a su ligereza, lo hace un compuesto ideal para ser empleado en esta industria. Chalecos antibalas, cascos y multitud de elementos de proteccin que se emplean por diversos profesionales pasarn a ser mucho ms ligeros y seguros.

Industria automovilstica:Su aplicacin en el chasis de los vehculos los hara mucho ms resistentes, por lo que el nmero de muertes en accidente de circulacin anuales se podra reducir drsticamente. Por otra parte, los coches hbridos se convertirn en una alternativa real en vez de ser relegados a una representacin minoritaria.

GrafanoEl grafano es un cristal de grafeno derivado de dos dimensiones. Derivado de la hidrogenacin completa de una hoja de grafeno, se nombra por analoga con alcanos: cada tomo de carbono est asociado de enlace de hidrgeno que es perpendicular al plano del cristal. El inters en este nuevo material se debe a las aplicaciones concretas que podran ser objeto, como el almacenamiento de hidrgeno, o su uso probable en micro y nanoelectrnica.

Aplicaciones: El almacenamiento de hidrgeno:Es un material prometedor para almacenar en un volumen pequeo de grandes cantidades de hidrgeno fcilmente liberable.Nanoelectrnica:Una segunda operacin de grafano sera como material de base en micro y nanoelectrnica. Contiene un gran carcter semiconductor.Almacenamiento de datos:La capacidad de magnetizacin del grafano simplemente por desorcin de tomos de hidrgeno en un material son apropiados para el almacenamiento de datos.

Nanotubos de carbono.

Enqumica, se denominannanotubosa estructuras tubulares cuyo dimetro es del tamao delnanmetro. Existen nanotubos de muchos materiales, tales comosilicioonitruro de boropero, generalmente, el trmino se aplica a los nanotubos decarbono.

Losnanotubos de carbonoson unaforma alotrpicadel carbono, como eldiamante, elgrafitoo losfullerenos. Su estructura puede considerarse procedente de una lmina de grafito enrolladas sobre s misma.Dependiendo del grado de enrollamiento, y la manera como se conforma la lmina original, el resultado puede llevar a nanotubos de distinto dimetro y geometra interna.

a:diamanteb:grafitoc:diamante hexagonald:fullerenoC60e:fullereno C540f:fullereno C70g:carbono amorfoh:nanotuboRepresentacin de las estructuras de las diversas formas alotrpicasdel carbono:Propiedades mecnicas:Elmdulo de Youngde los nanotubos podra llegar a oscilar entre 1,3 y 1,8 Tera pascales, si bien hasta la fecha slo se han podido obtener experimentalmente hasta los 0,8TPa.Firmes ante pequeos esfuerzos y, frente a cargas mayores, pueden deformarse drsticamente y volver posteriormente a su forma original.La tensin mxima soportada por un nanotubo, con resultados heterogneos,si bien se podra asumir a modo orientativo que la tensin mxima podra rondar los 150GPa. Este dato implica que un cable de 1 cm de grosor formado por nanotubos podra aguantar un peso de unas 1.500 toneladas. Por comparacin, un cable equivalente del mejor acero conocido puede soportar 20 toneladas.

Propiedades de los nanotubos

24Propiedades elctricas:Los nanotubos se caracterizan por presentar una gran complejidadelectrnica, si tenemos en cuenta las reglascunticasque rigen laconductividad elctricacon el tamao y la geometra de stos. Estas estructuras pueden comportarse, desde un punto de vista elctrico, en un amplio margen de formas, comenzando por el comportamiento semiconductorhasta presentar, en algunos casos,superconductividad.Este amplio margen deconductividadesviene dado por relaciones fundamentalmente geomtricas, es decir, en funcin de sudimetro,torsin(quiralidad) y el nmero de capas de su composicin.

Propiedades trmicas:Algunos modelos predicen que la conductividad trmica de los nanotubos puede llegar a ser tan alta como 6.000W/mKa temperatura ambiente (tngase en cuenta, por comparar con otra forma alotrpica del carbono, que el diamante casi puro transmite 3.320W/mK). Asi mismo son enormemente estables trmicamente, siendo an estables a 2.800C en elvacoy a 750C en el aire (mientras que los alambres metlicos en microchip se funden entre 600 y 1.000C). Las propiedades de los nanotubos pueden modificarse encapsulando metales en su interior, o incluso gases. En este sentido, seran unos extraordinarios almacenes dehidrgeno. Como se sabe, uno de los principales problemas tcnicos para el desarrollo de laspilas de combustiblees el almacenaje de este elemento.Lnea de tiempo de los nanotubos1952 Primera imagen de nanotubos de carbono, por L. V. Radushkevich y V. M. Lukyanovich.1991Descubrimiento oficial por Iijima (MWCNT).1993 Descubrimiento del primer nanotubo mono capa (SWCNT).1991-2000Producto de inters principalmente acadmico.2000-2005Se investiga su uso industrial.2005-2010 Desarrollo de aplicaciones industriales (proyectado).2010 Gran desarrollo de aplicaciones integradas a productos (proyectado).

Ablacin lser(Alta pureza, poca cantidad)Descarga dearco voltaico(Alta pureza, poca cantidad)CVD (Chemical vapor deposition) Deposicin qumica de vapor (gran cantidad, buena calidad). Se puede hacer el aumento de escala fcilmente.

Principales mtodos de manufactura:Ablacin lser:Laablacin lseres un proceso que consiste en vaporizar un blanco de grafito mediante la radiacin de un pulsolser, 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 fra, condensando sobre las paredes del reactor.Este procedimiento suele presentar un rendimiento tpico del 70% en peso y produce nanotubos monocapa con un dimetro que puede controlarse variando la temperatura en el interior del reactor.

Descarga de arco:Desde 1991, la presencia de nanotubos se ha podido observar en el holln producido al provocar un arco elctrico entre dos electrodos de grafito. La corriente tpica para producir dicho arco era de unos 100amperiosy, paradjicamente, lo que se pretenda era producir fullerenos. La primera vez que se produjeron nanotubos de carbono, de forma masiva, fue usando un mtodo similar al anterior, por dos investigadores del Laboratorio de Investigacin Bsica de la compaaNEC.

La descarga de arco es un tipo de descarga elctrica continua que genera luz y calor muy intensos. Se produce entre dos electrodos enfrentados dentro de una atmsfera degas inertea baja presin. Por los electrodos de grafito, se hace pasar una corriente intensa, la cual hace sublimar los tomos de carbono, de la superficie de los electrodos, formando un plasma alrededor de estos. En un arco abierto al aire, y a presin normal, (unaatmsfera) el electrodo positivo alcanza una temperatura de unos 3.000C.El rendimiento tpico, usando esta tcnica, es del orden del 30% en peso y los productos obtenidos son tanto nanotubos mono capa como multicapa de una longitud tpica de unas 50micras.CDV:La deposicin cataltica en fase de vapor, o Chemical vapor deposition, (a partir de ahora, CVD) fue descrita por primera vez en 1959, pero no fue hasta 1993 cuando los nanotubos se pudieron sintetizar mediante este proceso.

Para iniciar el crecimiento de nanotubos, se mezclan dosgasesen elreactor. Un gas de proceso (tal comoamonaco,nitrgeno, hidrgeno, etc.) y otro gas que se usa como fuente de carbono (tal comoacetileno,etileno,etanol,metano, etc.). Los nanotubos crecen en el lado del catalizador de metal. El gas que contiene carbono se rompe sobre la superficie de las partculas catalticas, y el carbono es transportado a los lmites de la partcula, donde se forman los nanotubos.Aplicaciones de los nanotubosCAMPOS DE APLICACINMateriales.Materiales nanorreforzados.Uso estructural: Ligeros y gran resistencia mecnica.Electrnica.Nanocircuitos, emisores de campo, filtros RF, memorias, optoelectrnica, grabado y espintrnica. Sensores.Qumicos/ biolgicos, mecnicos, trmicos, electromagnticos y de emisin de campo.Electroquimicas.Desarrollo de supercondensadores, dispositivos para el almacenamiento de hidrgeno y fabricacin de celdas solares.

3535Biotecnologa y qumica.Adsorcin y absorcin, catlisis, electrosntesis y medicina.

Energa.Almacenamiento y conversin.

Mecnica.Actuadores, amortiguadores, dispositivos para fluidos, tribologa, NEMS y MEMS.

Instrumentacin cientfica.Microscopios de sonda de barrido.

Fotnica. Filtros, espejos, supresores de ruido e interruptores.

36Otras aplicaciones industriales:Al agregar pequeas cantidades de nanotubos apolmeros, cambian sus propiedades elctricas y esto da lugar a las primeras aplicaciones industriales:

Biomedicina: Investigadores de universidades italianas han hecho crecerclulas nerviosasen sustratos, cubiertos por redes de nanotubos de carbono, encontrado un aumento de la sealneuronaltransferida entre clulas. Como los CNTs son similares en forma y tamao a las clulas nerviosas pueden ayudar a reestructurar y reconectar neuronas daadas.Automviles: Mangueras antiestticas de combustibleAutomviles: Partes plsticas conductoras para pintado spray electrostticoAero espacio: Partes de avionesPackaging: Antiesttico para electrnicosTintas conductoras

Otros nanomateriales

Nanoscroll

Nanohorn

Herring-bonenanotube

Nanocoils

NanobudsBamboo Structured Carbon Nanotubes

Peapod nanotubes

Nanowings

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