Nanotubos de carbono

¿Qué son los nanotubos de carbono?

Los nanotubos de carbono son tubos o cilindros muy pequeños y delgados formados únicamente por átomos de carbono (C). Su estructura tubular es visible a través de microscopios electrónicos. Es un material sólido negro, formado por manojos o haces muy pequeños de varias decenas de nanotubos, enredados entre sí formando una red complicada.

El prefijo “nano” significa “muy pequeño”. Esta palabra, utilizada en medición, significa que es la milmillonésima parte de una medida. Por ejemplo, un nanómetro (nm) es la milmillonésima parte de un metro, es decir, 1 nm = 10^-9 m.

Cada minúsculo nanotubo de carbono está formado por una o más láminas de grafito enrolladas sobre sí mismas. Se clasifican en nanotubos de pared simple (una sola lámina enrollada) y nanotubos de pared múltiple (dos o más cilindros uno dentro de otro).

Los nanotubos de carbono son muy fuertes, tienen una alta resistencia a romperse y son muy flexibles. Conducen muy bien el calor y la electricidad. Y conforman un material muy liviano.

Estas propiedades hacen que sean útiles en varios campos de aplicación, como la industria automotriz, aeroespacial, o electrónica. Se han empleado también en medicina, para transportar y liberar fármacos contra el cáncer, vacunas, proteínas, etc.

Sin embargo, su manipulación debe realizarse con equipos de protección, pues al ser inhalados pueden causar daños en los pulmones.

Descubrimiento de los nanotubos de carbono

Existen diferentes opiniones en la comunidad científica sobre quién descubrió los nanotubos de carbono. Aunque son muchos los trabajos de investigación sobre estos materiales, se mencionarán solo algunas fechas importantes.

• 1903. El científico francés Pélabon observó filamentos de carbono en una muestra (para esta fecha aún no se tenían disponibles los microscopios electrónicos).
• 1950. El físico Roger Bacon, de la empresa Union Carbide, estudiaba ciertas muestras de fibras de carbono y observó imágenes de nanopelusas o nanobigotes (traducción del inglés nanowhiskers) rectos y ahuecados.
• 1952. Los científicos rusos Radushkevich y Lukyanovich publicaron fotos de imágenes de nanotubos de carbono sintetizados por ellos mismos y obtenidas con un microscopio electrónico, donde se observa claramente que son huecos.
• 1973. Los científicos rusos Bochvar y Gal’pern completaron una serie de cálculos de los niveles de energía de los orbitales moleculares demostrando que las láminas de grafito pueden enroscarse sobre sí mismas formando “moléculas huecas”.
• 1976. Morinobu Endo observó fibras de carbono con un centro ahuecado producidas por la pirolisis del benceno y el ferroceno a 1000 °C (la pirolisis es un tipo de descomposición que se produce con calentamiento a muy altas temperaturas en ausencia de oxígeno).
• 1991. Se desató el entusiasmo hacia los nanotubos de carbono luego de que Sumio Iijima sintetizara agujas de carbono hechas con tubos huecos mediante la técnica del arco eléctrico.
• 1993. Sumio Iijima y Donald Bethune (trabajando de forma independiente) descubrieron simultáneamente los nanotubos de carbono de pared simple.

Nomenclatura de los nanotubos de carbono

• Nanotubos de carbono, o CNTs (siglas del inglés Carbon NanoTubes).
• Nanotubos de carbono de pared simple, o SWCNTs (siglas del inglés Single-Walled Carbon NanoTubes).
• Nanotubos de carbono de pared múltiple, o MWCNTs (siglas del inglés Multi-Walled Carbon NanoTubes).

Estructura de los nanotubos de carbono

• Estructura física. Son tubos o cilindros muy finos y pequeños cuya estructura se puede ver solo con microscopio electrónico. Consisten en una lámina de grafito (grafeno) enrollada en forma de tubo. Son moléculas cilíndricas ahuecadas, compuestas únicamente por átomos de carbono, dispuestos en forma de pequeños hexágonos (polígonos de 6 lados) semejantes al benceno y unidos entre sí (anillos bencénicos condensados). Los tubos pueden o no estar tapados en sus aberturas y pueden ser extremadamente largos al compararse con sus diámetros. Son equivalentes a láminas de grafito (grafeno) enrolladas en forma de tubos sin costuras.

• Estructura química. Son estructuras poliaromáticas. Los enlaces entre los átomos de carbono son covalentes (es decir, no son iónicos). Estos enlaces están dentro de un mismo plano y son muy fuertes. La fortaleza de los enlaces C=C hace que los CNT (Carbon NanoTubes) sean muy rígidos y resistentes. En otras palabras, las paredes de estos tubos son extremadamente fuertes. Las uniones fuera del plano son muy débiles, lo que significa que no hay uniones fuertes entre un tubo y otro. Sin embargo, son fuerzas de atracción que permiten la formación de manojos o haces de nanotubos.
• Clasificación según el número de tubos. Se dividen en dos grupos: los nanotubos de pared simple, o SWCNT (siglas del inglés Single-Wall Carbon NanoTube), y los nanotubos de pared múltiple, o MWCNT (Multi-Wall Carbon NanoTube). Los nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT) están constituidos por una sola lámina de grafeno enrollada formando un cilindro, donde los vértices de los hexágonos calzan perfectamente para formar un tubo sin costuras. Los de pared múltiple (MWCNT) están formados por cilindros concéntricos colocados alrededor de un centro hueco común, esto es, dos o más cilindros huecos colocados unos dentro de otros.

• Clasificación según la forma de enrollamiento. Dependiendo de la forma en que la lámina de grafeno se enrolle, el diseño que forman los hexágonos en los CNT puede ser: en forma de sillón, en forma de zigzag y en forma helicoidal o quiral, lo que influye en sus propiedades.

Propiedades físicas de los nanotubos de carbono

• Solidez. Son sumamente sólidos. Se unen para formar ramilletes, haces, manojos o “cuerdas” de varias decenas de nanotubos, enredadas entre sí formando una red muy densa y complicada.

• Fuerza. Poseen una fuerza de tensión mayor que la del acero. Esto significa que presentan una alta resistencia a romperse cuando se someten a una tensión. En teoría pueden ser cientos de veces más fuertes que el acero.
• Elasticidad. Son muy elásticos, se pueden doblar, torcer y plegar sin que se dañen y luego regresar a su forma inicial. Son muy livianos.
• Conductividad. Son buenos conductores del calor y de la electricidad. Se dice que poseen una conducta electrónica muy versátil o que tienen una alta conductividad electrónica. Los CNT cuyos hexágonos se disponen en forma de sillón tienen comportamiento metálico o parecido al de los metales. Aquellos dispuestos en forma de zigzag y helicoidal pueden ser metálicos y semiconductores.

Propiedades químicas de los nanotubos de carbono

• Temperatura. Debido a la fuerza de los enlaces entre sus átomos de carbono, los CNT pueden soportar muy altas temperaturas (750 °C a presión atmosférica y 2.800 °C al vacío).
• Reactividad. Los finales de los nanotubos son químicamente más reactivos que la parte cilíndrica. Si se someten a oxidación se oxidan primero los extremos. Si los tubos son cerrados los extremos se abren. Cuando se tratan con ácido nítrico HNO₃ o ácido sulfúrico H₂SO₄ bajo ciertas condiciones los CNT pueden formar grupos tipo carboxílico -COOH o grupos tipo quinona O=C-C₄H₄-C=O. Los CNT con diámetros menores son más reactivos. Los nanotubos de carbono pueden contener átomos o moléculas de otras especies en sus canales internos.
• Solubilidad. Como los CNT no tienen ningún grupo funcional en su superficie, esta es muy hidrofóbica, es decir, es extremadamente poco compatible con el agua y no es soluble en ella ni en solventes orgánicos no polares. Sin embargo, si se hacen reaccionar con algunos compuestos, los CNT pueden hacerse solubles. Por ejemplo, con ácido nítrico HNO₃ pueden solubilizarse en algunos solventes tipo amida bajo ciertas condiciones.

Propiedades bioquímicas de los nanotubos de carbono

Los nanotubos de carbono puros son bioincompatibles, lo que significa que no son compatibles o afines con la vida o tejidos vivos. Generan una respuesta inmune del organismo, pues son considerados elementos agresores.

Por esta razón los científicos los modifican químicamente, de forma tal que sean aceptados por los tejidos del organismo y puedan utilizarse en aplicaciones médicas.

Pueden interaccionar con macromoléculas como las de las proteínas y el ADN, proteína que conforma los genes de los seres vivos.

Obtención de los nanotubos de carbono

Los nanotubos de carbono se obtienen partiendo del grafito mediante varias técnicas, como la vaporización mediante pulsos de láser, las descargas de arco eléctrico y la deposición química de vapor.

También se han obtenido a partir de una corriente de alta presión de monóxido de carbono (CO) mediante crecimiento catalítico en fase gaseosa.

La presencia de catalizadores metálicos en algunos métodos de obtención ayuda a la alineación de los nanotubos de pared múltiple.

Sin embargo, un nanotubo de carbono no es una molécula que resulta siempre igual. Según el método de preparación y las condiciones, se obtienen con diferente largo, diámetro, estructura, peso, y como resultado, presentan diferentes propiedades.

Aplicaciones de los nanotubos de carbono

Las propiedades de los CNT los hacen adecuados para una gran variedad de usos. Se han utilizado en materiales estructurales para electrónica, óptica, plásticos y otros productos del campo de la nanotecnología, de la industria aeroespacial y de la producción automotriz.

• Composiciones o mezclas de materiales con CNT. Los CNT se han combinado con polímeros para hacer fibras y telas de polímeros reforzados para alto desempeño. Por ejemplo, para reforzar fibras de poliacrilonitrilo con fines de defensa. Las mezclas de CNT con polímeros también pueden diseñarse para que posean diferentes propiedades de conducción de la electricidad. Mejoran no solo la fuerza y rigidez del polímero, también añaden propiedades de conductividad eléctrica. También se fabrican fibras y telas de CNT con resistencias similares a la del aluminio y acero al carbono, pero mucho más livianas que estos. Con tales fibras se han diseñado armaduras corporales. También se han utilizado para obtener cerámicas más resistentes.
• Dispositivos electrónicos. Tienen un gran potencial en electrónica de vacío, nanodispositivos y almacenamiento de energía. Los CNT pueden funcionar como diodos, transistores y relés (dispositivos electromagnéticos que permiten abrir y cerrar circuitos eléctricos). También pueden emitir electrones al ser sometidos a un campo eléctrico o si se aplica un voltaje.
• Sensores de gases. La utilización de CNT en sensores de gases permite que estos sean pequeños, compactos y livianos, y que puedan combinarsee con aplicaciones electrónicas. La configuración electrónica de los CNT hace que los sensores sean muy sensibles a cantidades extremadamente pequeñas de gases y, además, pueden adaptarse químicamente para detectar gases específicos.
• Aplicaciones médicas. Por su alta área superficial, excelente estabilidad química y estructura poliaromática rica en electrones, los CNT pueden adsorber o conjugarse con una amplia variedad de moléculas terapéuticas, como medicamentos, proteínas, anticuerpos, enzimas, vacunas, etc. Han demostrado ser excelentes vehículos para transportar y liberar fármacos, penetrando directamente en las células y manteniendo intacto el medicamento durante su transporte por el organismo. Esto último permite disminuir la dosis de la medicina y su toxicidad, especialmente medicamentos anticancerígenos. Los CNT han resultado útiles en terapias contra el cáncer, infecciones, regeneración de tejidos, enfermedades neurodegenerativas y como antioxidantes. También se utilizan en el diagnóstico de enfermedades, en ciertos análisis, como biosensores, separación de fármacos y extracción de compuestos bioquímicos. Se están empleando también en prótesis ortopédicas y como material de soporte para el crecimiento de tejido óseo.
• Otras aplicaciones. Se ha sugerido su uso como materiales para las membranas de baterías y celdas de combustible, ánodos para baterías de ion litio, supercondensadores y filtros químicos. Su alta conductividad eléctrica y relativa inercia química los hace ideales como electrodos en reacciones electroquímicas. También pueden adherirse a partículas de reactantes, y por su gran área superficial, pueden funcionar como soportes para catalizadores. Tienen además capacidad para almacenar hidrógeno, lo cual encuentra una gran utilidad en vehículos que funcionan con dicho gas, pues con los CNT se podría transportar de manera segura.

Toxicidad de los nanotubos de carbono

Los estudios realizados han revelado dificultades para evaluar la toxicidad de los CNT. Esta parece depender de características como longitud, rigidez, concentración y duración de la exposición a los CNT. También depende del método de producción y pureza.

Sin embargo, se recomienda utilizar equipos de protección durante la manipulación de los CNT, pues hay estudios que indican su semejanza con las fibras de asbesto, y que la inhalación del polvo de CNT puede causar daño a los pulmones.

Referencias

1. Basu-Dutt, S. et al. Chemistry of Carbon Nanotubes for Everyone. J. Chem. Educ. Recuperado de pubs.acs.org.
2. Monthioux, M., Kuznetsov, V.L. (editors). Who should be given the credit for the discovery of carbon nanotubes? Recuperado de sciencedirect.com.
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4. Sajid, M.I. et al. Carbon nanotubes from synthesis to in vivo biomedical applications. International Journal of Pharmaceutics. Recuperado de ncbi.nlm.nih.gov.
5. Ajayan, P.M. Nanotubes from Carbon. Chem. Recuperado de pubs.acs.org.