Síntesis de nanotubos de carbono

Publicado por primera vez el 12-03-2014 en Papel de periódico (http://papeldeperiodico.com/2014/03/12/sintesis-de-nanotubos-de-carbono/)

Después de mucho pensar sobre qué tema elegir para esta entrega pensé que sería buena idea escribir un poco acerca de uno de los proyectos en el que actualmente trabajo en el grupo de investigación del prof. Petrus d’Amorim Santa Cruz Oliveira, del Departamento de Química Fundamental de la Universidad Federal de Pernambuco (Recife, Brasil), donde el objetivo principal es producir nanotubos de carbono mediante la técnica de ablación láser.

Los nanotubos de carbono han despertado bastante interés en la comunidad científica en las últimas dos décadas debido a sus peculiares e interesantes propiedades. Fueron descritos por primera vez por el científico japonés S. Ijima en 1991, aunque con anterioridad, el también japonés Morinobu Endo (en la década de los 70) y los científicos soviéticos L. V. Radushkevich y V. M. Lukyanovich (en 1952) ya habían obtenido imágenes (mediante microscopía electrónica) de estas estructuras. El estudio de los soviéticos pasó inadvertido en Occidente por haber sido publicado en ruso.

Los nanotubos de carbono

Los nanotubos de carbono son una forma alotrópica del carbono (alotropía ‒del griego άλλος, otro, y τρόπος, cambio‒ es la propiedad de algunos elementos químicos de poseer estructuras químicas diferentes). Otras formas del carbono son el grafito ‒como el de las puntas de los lápices‒; el diamante; los fulerenos ‒esferoides de los cuales el más conocido tiene 60 átomos‒; y el grafeno ‒lámina de un átomo de espesor donde los enlaces entre los átomos pueden representarse como lados de hexágonos que recuerdan la estructura de un panal de abejas‒. De hecho, los nanotubos de carbono podrían verse como una o varias láminas de grafeno enrolladas formando cilindros concéntricos, o como uno o más fulerenos concéntricos sumamente alargados. Los nanotubos, pueden ser eléctricamente conductores o semiconductores en función del ángulo formado entre el eje de los hexágonos de la pared y el eje del nanotubo. En cuanto a sus dimensiones físicas, los nanotubos de carbono monocapa suelen tener diámetros de 5 o 10 nanómetros (nm, una mil millonésima parte de un metro) y los multicapa de unos 20 o 30 nm. Sus longitudes pueden ser de unos cuantos micrómetros (μm, una millonésima de metro) hasta uno o tres milímetros.

Formas alotrópicas del carbono. Grafeno (arriba), fulereno (izquierda), nanotubo (centro), grafito (derecha).

En general, los nanotubos de carbono pueden sintetizarse mediante tres métodos: deposición catalítica en fase de vapor (CVD, por sus siglas inglés), arco eléctrico y ablación láser (que es la que nos ocupa ahora). En el primero, se requiere una fuente de carbono ‒que puede ser un gas o una disolución orgánica «atomizada» en minúsculas gotas‒ que alimente un reactor ‒utilizando un gas inerte como vehículo‒ a una temperatura de unos 800°C. Los nanotubos crecen en una superficie adecuada ‒sustrato‒ dentro del reactor. En los métodos restantes la fuente de carbono es grafito.

Nanotubos de carbono de una capa.

En el método de arco eléctrico, los dos electrodos son de grafito, los cuales adquieren tan elevada temperatura ‒debido al intenso arco eléctrico de unos 200 Amperios‒ que el plasma de carbono producido puede devenir en la formación de nanotubos. Con respecto al método de ablación láser, un rayo láser de alta potencia incide en un blanco de grafito, obteniéndose también un plasma que produce nanotubos en el momento en el éste toque las paredes más frías del reactor.

Una atmósfera inerte en los tres métodos es fundamental para obtener nanotubos de carbono, de otra manera, si se utilizara aire, el oxígeno ocasionaría la combustión del grafito o del material de carbono que estaría depositándose en el sustrato (método por CVD). El uso de pequeñas cantidades de metales como hierro, cobalto, o níquel ‒como catalizadores‒ y el control de las condiciones experimentales como, temperatura, cantidad de otros elementos reactivos en el gas inerte ‒o en la fuente de carbono‒, entre otras variables, pueden definir la morfología final de los nanotubos (una sola o múltiples capas, diámetro, longitud, entre otras características).

Los nanotubos de carbono se han utilizado para hacer dispositivos electrónicos como diodos o transistores; superficies de anclaje de nanopartículas metálicas o grupos funcionales químicos para su aplicación en sensores; elementos de ensamble para nanoestructuras diversas; relleno de polímeros para la obtención de materiales compuestos de propiedades especiales; actuadores; supercondensadores, entre otras muchas aplicaciones.

Sistema experimental

Como escribí en un comienzo, uno de nuestros objetivos es obtener nanotubos de carbono ‒por el momento, de una sola capa‒ mediante el método de ablación láser. Para este fin, el blanco es preparado con una mezcla de grafito en polvo y cobalto/níquel ‒también en polvo‒ a una proporción atómica de 1%. La mezcla se introduce en un molde de acero y a una presión de 10 toneladas-fuerza se obtiene una pastilla de 2 cm de diámetro y aproximadamente 0.5 cm de espesor. De esta manera, el blanco tiene la suficiente estabilidad mecánica para ser manipulado y colocado dentro del reactor de acero.

El láser que tenemos en el laboratorio, es un láser Nd-YAG ‒acrónimo del inglés neodymium-doped yttrium aluminium garnet ‒ con la potencia suficiente para la ablación del blanco de grafito. Este equipo realiza la emisión de láser mediante un medio sólido, formado de cristales de óxido de itrio y aluminio y con dopaje de neomidio (Nd:Y₃Al₅O₁₂). El láser producido tiene una longitud de onda de 1064 nm ‒en la región infrarroja del espectro electromagnético‒ aunque el equipo también genera rayos de longitud de onda de 532 nm ‒luz visible de color verde‒, 355 nm y 266 nm ‒región ultravioleta‒. En nuestro caso, estamos utilizando el láser de 532 nm por tener todavía un buen nivel de potencia (el costo por disminuir la longitud de onda fundamental de 1064 nm, es una disminución de la potencia) y también por seguridad. Es mejor que un rayo láser de alta potencia sea visible para evitar una exposición del rayo en nuestra piel.

Esquema del sistema experimental.

Para concentrar el rayo láser en el blanco, utilizamos una lente convexa con una distancia focal de 32 cm. Es decir, a esta distancia podemos concentrar el rayo láser en un punto. ¿Quién de niño no concentró los rayos solares mediante una lupa y quemó un trozo de papel? La idea es básicamente la misma que la de la lupa. Al concentrar el rayo láser, incrementamos la energía ‒por unidad de área‒ en un punto en la superficie del blanco de grafito, facilitando así, la generación del grafito vaporizado.

En este momento, aún estamos en la etapa de pruebas preliminares. Ya logramos generar el plasma dentro del reactor, y esperamos que dentro de unas semanas comencemos oficialmente con la producción de nanotubos de carbono de una sola capa. Ya les estaré comentando más adelante sobre las características de los nanotubos que vayamos obteniendo y sus posibles aplicaciones.