Treatment of an example

El carbono es, sin lugar a dudas, un elemento químico único, ya sea por su capacidad de formar enlaces fuertes y múltiples con otros átomos de carbono, como con una gran variedad de otros elementos, formando moléculas simples y otras más complejas, que dan origen a la química orgánica. Ésta ciencia, conocida

en principio como la química de los organismos vivos, estudia las singularidades de los enlaces y reacciones químicas que pueden experimentar estos compuestos y que dieron origen a la vida en la tierra. Aunque el carbono se encuentre en la na- turaleza formando una infinidad de compuestos químicos, es posible encontrarlo como elemento químico en la forma de materiales muy diferentes entre sí, como diamante, grafito o carbón común.

En estos días, la comunidad científica acuerda en considerar a los nanotubos, como una variedad alotrópica más del carbono Es decir, una de las formas en la que el carbono se encuentra presente en la naturaleza, al igual que las más comu- nes que hemos mencionado anteriormente. Las primeras evidencias del descu- brimiento de los nanotubos de carbono, está asociado a experimentos, en los que se producía la quema de material que contenía carbono (como grafito) y donde los nanotubos se encontraban como residuos, junto a otros compuestos inorgá- nicos de carbono. Sin embargo la química experimental tuvo que esperar muchos años en poder caracterizar estas “fibras” tan singulares.

Una forma gráfica de entender la estructura de los nanotubos de carbono, consiste en imaginar su formación a partir del enrollamiento de una lámina de grafeno. Al igual que si quisiéramos hacer un tubo a partir de una hoja de papel, podemos conseguirlo haciendo coincidir dos de sus lados paralelos o enroscan- do a partir de uno de sus extremos. Para una mejor comprensión, imaginemos que la hoja de papel tuviese un estampado de cuadrados rojos y blancos. En este caso notaríamos que dependiendo de la forma en que doblamos el papel, el tubo presentará un estampado cuadriculado, con rombos o con algún diseño un poco distorsionada entre éstas dos. Del mismo modo, la forma reticular que presenta la lámina de grafeno, hace que los nanotubos puedan tener diferentes estructuras dependiendo de su enrollamiento, tal como se muestra en la Figura 3.2d. Este tipo de nanotubos, que presentan una única estructura cilíndrica, se conocen con el nombre de nanotubos de pared simple. Por otra parte, existen nanotubos de carbono cuya estructura consiste en cilindros concéntricos formando desde dos a muchas capas, éstos reciben el nombre de nanotubos de carbono de paredes múltiples (Figura 3.2e).

Los extremos de los nanotubos pueden estar cerrados o abiertos. Los ce- rrados presentan una estructura semiesférica similar a los cascos de una pelota de fútbol (Figura 3.2d). Los abiertos dejan expuestas uniones carbono-hidrógeno que son fácilmente modificables con la química orgánica y que le pueden conferir al nanotubo nuevas propiedades asociadas a esta modificación.

En relación a la longitud y el ancho de los nanotubos, éstos pueden cubrir un amplio rango dependiendo del tipo de nanotubo y de los métodos de obtención de los mismos. Para una nanotubo de simple pared se espera un ancho entre 0,4 y 2,5 nm con un valor típico de 1,4 nm y para el largo es posible obtener nano- tubos en la escala de los micrómetros e incluso llegar a unos milímetros (Bharat Bhushan Editor 2004)

Figura 3.2

Fuente: http://ciencianet.com.ar/507/sobre-la-pista-del-grafeno-en-argentina-efectos-electromec-nicos- en-la-nanoescala

grafeno

arreglo hexagonal de átomos de carbono, donde cada átomo de carbono con hibridación sp2 _{está unido a 3 átomos de C, con un enlace doble C-C conjugado, es} decir, el enlace doble oscila su posición dando lugar a una estructura aromática.

El grafeno en sí mismo es un nanomaterial bidimensional, donde los electro- nes están confinados en la dirección del espesor de la lámina pero no a lo largo de la estructura periódica, haciendo que este material conduzca la electricidad sólo en el sentido de extensión de la lámina.

Esto explica las diferentes propiedades eléctricas del diamante y el grafito. En el caso del diamante la estructura de enlaces covalentes, que se repiten en la conformación del cristal, da origen a sus propiedades no conductoras (aislante). Por otra parte el grafito, cuya estructura consiste en la superposición de láminas de grafeno, permite el movimiento de los electrones a lo largo de la lámina pero no entre láminas haciendo del material un conductor.

Obtención

Los métodos de obtención de los nanotubos de carbono comprenden un con- junto de métodos y técnicas experimentales complejas que van más allá de los contenidos de este libro. En términos generales, la mayoría de los métodos tienen en común la necesidad de emplear altas temperaturas (miles de grados Kelvin) y el uso de carbono grafito como fuente de carbono. Si bien los detalles experimen- tales no son objeto de nuestro interés en particular, es muy importante resaltar, que tanto la morfología como las propiedades, pueden diferir bastante según el método de preparación.

Dependiendo de las aplicaciones para las que se requieren los nanotubos de carbono, algunos métodos de obtención son de costo relativamente bajo, como en el caso de las fibras de nanotubos de carbono, mientras que son muy caros si se requiere mayor calidad y homogeneidad, como en el caso de los nanotubos de simple pared.

Aunque hablamos de nanotubos de carbono como si se tratase de una enti- dad o molécula, normalmente no se obtienen de manera aislada sino que, a me- nudo, el material está formando manojos, fibras o películas de nanotubos. Ésta característica pone nuevamente de manifiesto la gran variedad estructural que pueden presentar los nanotubos que, en conjunto, determinaran las propiedades específicas de su uso como nanomaterial. La Figura 3.2f presenta una imagen de Microscopía electrónica de barrido (scanning electron microscopy, SEM) de la estructura de fibras que presentan los nanotubos de carbono (Gentileza de la Dra. Fabiana A. Gutiérrez4_).

Propiedades

Las propiedades que presentan los nanotubos de carbono dependen de su estructura, y ésta de cómo hayan sido obtenidos.

Una característica interesante de la estructura de los nanotubos, es la enor- me superficie. En los de pared simple, todos los átomos están expuestos y aún si se encuentran formando fibras o estructuras más compactas, la mayoría de

4  Se agradece la colaboración de la Dra. Fabiana A. Gutiérrez (INFIQC-CONICET. Fac. de Ciencias Quí- micas, Universidad Nacional de Córdoba.) por ceder este material para su publicación. Más detalles de su investigación puede encontrarse en: F. A. Gutiérrez, M. D. Rubianes, G. A. Rivas (2012). Sensors and Actuators B 161, 191– 197.Copyright Elsevier B. V.

los ellos son accesibles. Lo mismo puede decirse de los nanotubos de paredes múltiples.

Otra característica importante que demuestra su gran versatilidad, y que de- termina muchas de sus propiedades, consiste en las uniones carbono-carbono de su estructura. Es sabido que los enlaces carbono-carbono constituyen el es- queleto de la Química Orgánica, permitiendo utilizar todas las herramientas de ésta disciplina, para funcionalizar5 _{su superficie con moléculas biológicas. Esto,} sumado a la gran superficie expuesta, potencia su uso en aplicaciones biológicas. Un ejemplo, consiste en funcionalizar la superficie con una molécula capaz de identificar y con ello reconocer la presencia de un determinado virus, bacteria o sustancia que se encuentre en el cuerpo humano y producir una respuesta, ac- tuando de este modo como sensores biológicos. Las grandes áreas favorecen una mayor superficie de contacto para producir muchas uniones con las moléculas biológicas y maximizar la señal del sensor pudiendo reconocer la presencia de cantidades muy pequeñas.

Para poner en evidencia la diversidad de propiedades que los nanotubos como materiales pueden ofrecer a la ciencia de materiales, mencionaremos sus extraordinarias propiedades mecánicas y únicas propiedades eléctricas. Los na- notubos de carbono son particularmente rígidos, incluso algunos, conocidos con el nombre de “nanotubos superduros”, presentan una dureza similar al diamante. Asimismo, poseen una gran flexibilidad y enorme resistencia, que los convierte en muy buenos materiales para ser utilizados en fibras o mejorar las propieda- des mecánicas de otros materiales. En términos de la conductividad eléctrica por ejemplo, pueden tener conductividad muy alta o muy baja e incluso pasar entre un estado y otro al modificar o distorsionar su estructura. También es un conduc- tor térmico excepcional siendo estables a temperaturas superiores a los 750ºC en aire.