Los nanotubos de carbono, también llamados buckytube, son tubos huecos a nanoescala compuestos por átomos de carbono. Las moléculas cilíndricas de carbono presentan relaciones de aspecto elevadas (valores de longitud en relación con el diámetro) que suelen ser superiores a 103, con diámetros de aproximadamente 1 nanómetro hasta decenas de nanómetros y longitudes de hasta milímetros. Esta estructura unidimensional única y sus propiedades concomitantes dotan a los nanotubos de carbono de una naturaleza especial, lo que les confiere un potencial ilimitado en las aplicaciones asociadas a la nanotecnología. Los nanotubos de carbono son miembros de la familia de los fullerenos. Aunque las primeras moléculas de fullereno se descubrieron en 1985, no fue hasta que Sumio Iijima comunicó en 1991 sus descubrimientos sobre los tubos de carbono en forma de aguja en la revista Nature que los nanotubos de carbono salieron a la luz pública.
© Promotive/Dreamstime.com
Un SWNT puede describirse como un tubo largo formado por la envoltura de una sola hoja de grafeno en un cilindro con un diámetro de aproximadamente 1 nanómetro, cuyos extremos están cubiertos por jaulas de fullereno. Las estructuras de fullereno, con estructuras alternas de cinco hexágonos adyacentes a un pentágono, forman la superficie con la curvatura deseada para encerrar el volumen. Las paredes laterales de los nanotubos de carbono están formadas por láminas de grafeno compuestas por células hexagonales vecinas. Otras estructuras poligonales, como los pentágonos y los heptágonos, constituyen defectos de las paredes laterales. Las paredes laterales cilíndricas pueden producirse a partir de diferentes direcciones de laminación para hacer SWNTs con estructuras y propiedades distintas. Debido a la simetría cilíndrica, sólo hay un puñado de métodos que son eficaces para hacer cilindros sin costuras, y se caracterizan por los vectores quirales con índices enteros (n, m). Para establecer el vector quiral, se seleccionan dos átomos de la hoja de grafeno, uno de los cuales sirve de origen del vector que apunta hacia el otro átomo. A continuación, se enrolla la hoja de grafeno de forma que los dos átomos coincidan. En estas circunstancias, los vectores quirales forman un plano perpendicular a la dirección de longitud de los nanotubos y las longitudes de los vectores quirales son iguales a la circunferencia. Se caracterizan tres tipos diferentes de SWNT, denominados «zigzag» (m = 0), «sillón» (n = m) y «quiral». Estas variaciones estructurales dan lugar a diferencias en la conductividad eléctrica y la resistencia mecánica.
Los SWNTs son conjuntos de SWNTs alineados concéntricamente con diferentes diámetros. La distancia entre cáscaras adyacentes es de aproximadamente 0,34 nanómetros. Los MWNTs difieren de los SWNTs no sólo en sus dimensiones, sino también en sus correspondientes propiedades. Se han desarrollado varias técnicas para producir nanotubos de carbono en cantidad considerable, alto rendimiento y pureza, manteniendo un coste razonable. Las técnicas bien desarrolladas incluyen la descarga de arco, la ablación por láser y la deposición química de vapor (CVD), y la mayoría de los procesos implican costosas condiciones de vacío.
La descarga de arco se utilizó inicialmente para la síntesis de fullerenos. En un montaje experimental típico, una cámara llena de gas inerte a baja presión (50 a 700 mbar) (helio, argón) es donde tiene lugar la reacción. Se colocan dos varillas de carbono de extremo a extremo como electrodos, separados por unos pocos milímetros, y una corriente continua de 50 a 100 A (impulsada por una diferencia de potencial de 20 V) genera una alta temperatura de descarga para sublimar el electrodo negativo, dejando hollín donde se encuentran los nanotubos de carbono. Este método es la forma más común de sintetizar nanotubos de carbono y quizás la más sencilla. La calidad de los nanotubos de carbono depende de la uniformidad del arco de plasma, de los catalizadores y de la selección de los gases de relleno. Normalmente se produce una mezcla de nanotubos de carbono; por lo tanto, se necesitan procesos de purificación para eliminar los fullerenos, el carbono amorfo y los catalizadores.
La ablación por láser se empleó por primera vez para producir nanotubos de carbono en 1995. Se utiliza un láser pulsado o continuo para vaporizar un blanco de grafito (o una mezcla de grafito y metal) en un horno a 1.200 °C (2.200 °F) lleno de gas inerte a una presión de 500 torr. Los vapores de carbono se enfrían rápidamente durante la expansión, y los átomos de carbono se condensan rápidamente para formar estructuras tubulares con la ayuda de partículas catalizadoras. Los MWNT pueden sintetizarse cuando se vaporiza grafito puro, y los SWNT se cultivan a partir de mezclas de grafito y metales de transición (cobalto, níquel, etc.). El método se utiliza principalmente para sintetizar los SWNT con una alta selectividad y de forma controlable en cuanto a su diámetro mediante la adaptación de las temperaturas de reacción. Los productos resultantes suelen tener forma de haces. La ablación por láser es la técnica más costosa debido a la implicación de láseres caros y a la alta potencia de entrada.
La deposición química de vapor (CVD) es la forma más prometedora de producir nanotubos de carbono a escala industrial. Este proceso utiliza alta energía (600-900 °C) para atomizar fuentes de carbono gaseosas, como el metano, el monóxido de carbono y el acetileno. Los átomos de carbono reactivos resultantes se difunden hacia un sustrato recubierto de catalizador y se condensan para formar nanotubos de carbono. Pueden sintetizarse nanotubos de carbono bien alineados con una morfología controlada con precisión, siempre que se mantengan las condiciones de reacción adecuadas, incluyendo la preparación de los sustratos, la selección de los catalizadores, etc.
En los nanotubos de carbono se han descubierto propiedades químicas, eléctricas y mecánicas novedosas, ausentes en otros materiales. Los nanotubos de carbono prístinos son inertes a la mayoría de los productos químicos y necesitan ser injertados con grupos funcionales superficiales para aumentar su reactividad química y añadir nuevas propiedades. En el caso de los SWNT, la conductividad eléctrica depende del vector quiral y es independiente de la longitud, tal y como determina la mecánica cuántica. Considerando un vector quiral con índices (n, m), los nanotubos de carbono son metálicos cuando n = m o (n – m) = 3i (i es un número entero) y semiconductores en los demás casos. A lo largo de las direcciones de longitud, los nanotubos de carbono muestran una resistencia mecánica superior, con la mayor resistencia a la tracción y el módulo elástico conocidos entre los materiales conocidos.
En cuanto a las propiedades térmicas, los nanotubos de carbono superan al diamante como mejor conductor térmico. Las aplicaciones de los nanotubos de carbono pretenden aprovechar sus propiedades únicas para resolver problemas a nanoescala. Su elevada superficie, junto con la capacidad única de transportar cualquier compuesto químico tras la modificación de la superficie, ofrece a los nanotubos de carbono el potencial de ser utilizados como soportes de catalizadores a nanoescala con alta reactividad catalítica y sensores químicos. Se sabe que son los mejores emisores de campo debido a sus puntas afiladas, que pueden concentrar el campo eléctrico con facilidad, lo que les permite emitir electrones a bajos voltajes.
Esta propiedad tiene aplicaciones especiales en las pantallas planas de emisión de campo y en los cañones de electrones de cátodo frío utilizados en los microscopios. En nanoelectrónica, los SWNT se han utilizado para fabricar transistores que pueden funcionar a temperatura ambiente y son candidatos potenciales para dispositivos que operan a frecuencias de tetrahercios (THZ). Los materiales de ingeniería que utilizan nanotubos de carbono como aditivos han demostrado su capacidad para fabricar compuestos plásticos con mayor conductividad eléctrica y resistencia mecánica. En cuanto a las aplicaciones biomédicas, los nanotubos de carbono resultan prometedores como vehículos para la administración selectiva de fármacos y la regeneración de células nerviosas. Sin embargo, su futuro éxito en las aplicaciones biomédicas está muy sujeto al estudio de la toxicidad, que todavía está en una fase temprana.
Algunos investigadores se han preocupado por los riesgos para la salud que implican los nanotubos de carbono, que según las investigaciones de laboratorio parecen suponer un peligro para la salud humana similar al del amianto. En particular, la exposición a los nanotubos de carbono se ha asociado con el mesotelioma, un cáncer de la mucosa pulmonar. Si se inhalan, se cree que los nanotubos pueden dejar cicatrices en los tejidos pulmonares de forma similar a las fibras de amianto, un motivo de preocupación porque los nanotubos ya se utilizan en muchos productos comunes, como los cuadros de las bicicletas, las carrocerías de los automóviles y las raquetas de tenis. Los posibles riesgos para la salud son relevantes no sólo para quienes participan en la fabricación, sino también para el público en general, y se han realizado pocas investigaciones para determinar si se crean riesgos para la salud humana cuando los productos que contienen nanotubos se trituran o se incineran en un vertedero.