Nanotubo

Nanotubos de carbono (zig-zag, quiral y sillón).
Representación de las estructuras de las diversas formas alotrópicas del carbono. adiamante, bgrafito, c: diamante hexagonal, dfulereno C60, e: fulereno C540, f: fulereno C70, g: carbono amorfo, y finalmente, h: nanotubo
Representación esquemática de un nanotubo de carbono

En química, se denominan nanotubos a estructuras tubulares (cilíndricas), cuyo diámetro es del tamaño del nanómetro. Existen nanotubos de muchos materiales, tales como silicio o nitruro de boro pero, generalmente, el término se aplica a los nanotubos de carbono. Los nanotubos tienen propiedades inusuales, que son valiosas para la nanotecnología , la electrónica , la óptica y otros campos de la ciencia de los materiales y la tecnología.

Los nanotubos de carbono (NTC) son una forma alotrópica del carbono, como el diamante, el grafito o los fullerenos. Su estructura puede considerarse procedente de una lámina de grafito enrolladas sobre sí misma.[1] Dependiendo del grado de enrollamiento, y la manera como se conforma la lámina original, el resultado puede llevar a nanotubos de distinto diámetro y geometría interna. Estos están conformados como si los extremos de un folio se uniesen por sus extremos formando el susodicho tubo, se denominan nanotubos monocapa o de pared simple. Existen, también, nanotubos cuya estructura se asemeja a la de una serie de tubos concéntricos, incluidos unos dentro de otros, a modo de muñecas matrioskas , lógicamente, de diámetros crecientes desde el centro a la periferia. Estos son los nanotubos multicapa. Se conocen derivados en los que el tubo está cerrado por media esfera de fulereno, y otros que no están cerrados.

Están siendo estudiados activamente, como los fulerenos, por su interés fundamental para la química y por sus aplicaciones tecnológicas. Es, por ejemplo, el primer material conocido por la humanidad capaz, en teoría, de sustentar indefinidamente su propio peso suspendido sobre nuestro planeta. Teóricamente permitiría construir un ascensor espacial, debido a que para ello se necesita un material con una fuerza tensil de 100 G Pa y se calcula que los nanotubos de carbono tienen una fuerza tensil de 200 GPa.[2]

Tipos de nanotubos de carbono y estructuras relacionadas

De pared simple (SWNT)

El esquema de denominación (n, m) puede ser pensado como un vector (Ch) en una hoja de grafeno infinita que describe la forma de "enrollar" la hoja de grafeno para hacer el nanotubo. T denota el eje del tubo y a1 y a2 son los vectores unitarios de grafeno en el espacio real.
Una imagen de microscopio de efecto túnel de un nanotubo de carbono de pared simple
Una imagen de microscopio de transmisión electrónica de un nanotubo de carbono de pared simple

La mayoría de los nanotubos de una sola pared (SWNT) tienen un diámetro de cerca de 1 nanómetro, y pueden ser muchos millones de veces más largos. La estructura de un SWNT se puede conceptualizar como el envolvimiento de una capa de grafito un átomo de espesor de grafito llamado grafeno, en un cilindro transparente. La forma de envolver la hoja de grafeno está representada por un par de índices (n,m). Los números enteros n y m indican el número de vectores de unidad a lo largo de dos direcciones en el panal de red cristalina del grafeno. Si m = 0, los nanotubos se llaman nanootubos zigzag, y si n = m , los nanotubos se llaman nanotubos de sillón. Si es al contrario, se les llama quirales.

De pared múltiple (MWNT)

Una imagen de microscopio electrónico de barrido de haces de nanotubos de carbono
Nanotubos de carbono de sillón de triple-pared

Los nanotubos de pared múltiple (MWNT) constan de varias capas laminadas (tubos concéntricos) de grafeno. Hay dos modelos que pueden ser utilizados para describir las estructuras de nanotubos de paredes múltiples. En el modelo de la muñeca rusa, las láminas de grafito están dispuestas en cilindros concéntricos, por ejemplo, un nanotubo (0,8) de de una sola pared (SWNT) dentro de un nanotubo más grande (0,17) de de una sola pared. En el modelo de pergamino, una sola hoja de grafito se enrolla en torno a sí mismo, se asemeja a un rollo de pergamino o a un periódico enrollado. La distancia entre capas de nanotubos de pared múltiple está cercana a la distancia entre las capas de grafeno en el grafito, aproximadamente 3,4 Å. La estructura de la muñeca rusa se ​​observa con mayor frecuencia.

Nanotubos de carbono de doble pared (DWNTs) forman una clase especial de nanotubos, ya que su morfología y propiedades son similares a las de SWNT, pero su resistencia a los productos químicos se mejora significativamente.

Torus

En teoría un nanotorus es un nanotubo doblado dentro de un torus (forma de donut). Se predice que los nanotorus tienen muchas propiedades únicas, tales como momentos magnéticos 1.000 veces más grandes de lo esperado anteriormente para determinados radios específicos.[4]

Nanoyema (nanobud)

Una estructura de nano-yema

Las nanoyemas de carbono son un material de nueva creación que combina dos alótropos del carbono descubiertos previamente: nanotubos de carbono y fullerenos.En este nuevo material, los "brotes" o "yemas" de fulereno se unen covalentemente a las paredes laterales exteriores del nanotubo de carbono subyacente.

Este material híbrido tiene propiedades útiles de ambos, fullerenos y nanotubos de carbono. En particular, se han encontrado que son excepcionalmente buenos emisores de campo. En materiales compuestos, las moléculas de fullereno unidas pueden funcionar como anclajes moleculares para impedir el deslizamiento de los nanotubos, lo que mejora las propiedades mecánicas del material compuesto.

Arquitecturas de nanotubos tridimensionales

Andaminos de carbono 3D

Recientemente, varios estudios han puesto de manifiesto la posibilidad de utilizar nanotubos de carbono como bloques de construcción para fabricar dispositivos todo-carbono tridimensionales macroscópicos (> 100 nm en las tres dimensiones). Lalwani et al. han informado de un nuevo método de reticulación térmica para fabricar andamios de sólo-carbono macroscópicos, de pie libre y porosos, utilizando nanotubos de carbono de una o varias paredes como bloques de construcción.[6]

Nanotubos grafenados (g-CNTs)

Serie SEM de CNT grafenados con diferente densidad de foliado.

Los CNT grafenados son un fenómeno relativamente nuevo de híbridos que combina foliados grafıticos crecido a lo largo de las paredes laterales de los nanotubos de carbono de pared múltiple o de estilo bambú.

Nanotubos dopados de nitrógeno

El dopaje nitrógeno juega un papel fundamental en el almacenamiento de litio, ya que crea defectos en las paredes del CNT que permiten que los iones Li se difundan en el espacio entremuros. También aumenta la capacidad, proporcionando una unión más favorable de los sitios dopados-N. N-CNTs también son mucho más reactivos a la deposición de nanopartículas de óxido de metal, que puede mejorar aún más la capacidad de almacenamiento, especialmente en materiales para ánodos de baterías de iones de litio.[8]

Vaina (peapod)

Una vaina de carbono[10] es un material de carbono que atrapa el fullereno dentro de un nanotubo de carbono.

Nanotubos de carbono de copa apilada

Los nanotubos de carbono de copa apilada (en inglés cup-stacked carbon nanotubes, abreviadamente CSCNTs) difieren de las otras estructuras de carbono casi-1D, que normalmente se comportan como conductores cuasi-metálicos de electrones. CSCNTs muestran comportamientos semiconductores debido a la apilado de microestructuras de capas de grafeno.[11]

Nanotubos de carbono extremos

Cicloparafenileno

La observación del más largo nanotubo de carbono crecido hasta el momento que sobrepasaba 1/2 m (550 mm de largo), fue comunicado en 2013.[12]

El nanotubo de carbono más corto es el compuesto orgánico cicloparafenileno, que fue sintetizado a principios de 2009.[14]

El nanotubo de carbono mas delgado es el sillón (2,2) CNT con un diámetro de 0,3 nm.[15]

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