Fabricación selectiva de nanotubos de carbono con una única estructura

Por Francisco R. Villatoro, el 6 agosto, 2014. Categoría(s): Ciencia • Física • Nanotecnología • Nature • Noticias • Physics • Química • Science ✎ 5

Dibujo20140806 Structural diversity of single-walled carbon nanotubes - SWCNTs - nature

Hay unos 100 tipos diferentes de nanotubos de carbono caracterizados por dos números (n,m), llamados índices de quiralidad, que describen como se enrolla la hoja de grafeno. Las técnicas de fabricación convencionales dan lugar a una mezcla de nanotubos de muchos tipos diferentes. En las aplicaciones que requieren que todos sean del mismo tipo hay que usar un proceso de separación de componentes cuyo coste ronda los 1000 dólares por miligramo.

Se publica en Nature una nueva técnica que permite fabricar nanotubos de carbono de un tipo (6,6) sobre una superficie de platino, sin contaminación con nanotubos de otros tipos. Juan Ramón Sánchez-Valencia (ahora en el Instituto de Ciencia de Materiales de Sevilla, CSIC-US, España) y sus colegas usan unas moléculas orgánicas que actúan como semillas. Colocadas en la superficie de platino (que actúa como catalizador) a una temperatura de unos 500 ºC y en presencia de etanol (que actúa como fuente de carbono) crecen nanotubos de carbono de tipo (6,6). Los autores creen que futuros estudios permitirán diseñar y sintetizar otras semillas para fabricar nanotubos de otros tipos.

Nos lo cuenta James M. Tour, «Materials chemistry: Seeds of selective nanotube growth,» Nature 512: 30-31, 07 Aug 2014; el artículo técnico es Juan Ramon Sanchez-Valencia et al., «Controlled synthesis of single-chirality carbon nanotubes,» Nature 512: 61-64, 07 Aug 2014.

Dibujo20140806 Two-step bottom-up synthesis of SWCNTs - nature13607-f1

La semilla, llamada precursor P1 (C96H54), ha sido diseñada y sintetizada en un proceso de síntesis orgánica en varias etapas. La formación del nanotubo está mediada por una ciclodeshidrogenación (CDH) catalizada por la superficie de platino. El resultado es la formación de la «cabeza» de un nanotubo de una sola pared de tipo (6,6) a partir del cual crece el nanotubo (por elongación epitaxial).

Dibujo20140806 formation and epitaxial elongation of singly capped 6-6 SWCNT - nature

Sin entrar en detalles técnicos del proceso de fabricación, ¿por qué es importante fabricar de forma selectiva nanotubos de carbono de un tipo concreto? La razón fundamental es que la anchura de la banda prohibida que controla sus propiedades electrónicas depende de los índices de quiralidad (n,m). Hay nanotubos de carbono metálicos que son tan buenos conductores como el oro o el aluminio, y nanotubos semiconductores cuya conductividad eléctrica se puede controlar como en el silicio o el arseniuro de galio. Los nanotubos metálicos tienen una banda prohibida a temperatura ambiente de cero electronvoltios (eV), mientras que en los semiconductores puede variar entre 1,5 eV y 1 MeV (millón de eV). Los primeros son útiles en aplicaciones que requieran cables que conduzcan muy bien la electricidad, mientras que los segundos son útiles para diseñar transistores y otros dispositivos nanoelectrónicos. En aplicaciones fotónicas se requieren bandas prohibidas de diferentes tamaños según el régimen de longitudes de onda necesario.

Dibujo20140806 STM images of the formation and epitaxial elongation of singly capped 6-6 SWCNT - nature

Para observar el proceso de formación y crecimiento de los nanotubos, Sánchez-Valencia y sus colegas han usado microscopía de efecto túnel por barrido de imagen. Con esta técnica han tomado varias instantáneas de las moléculas semillas, de las «cabezas» de los nanotubos y de los nanotubos (6,6) con diferentes longitudes. Para diagnosticar que sólo han crecido nanotubos de un único tipo han usado espectroscopia Raman. Los autores del estudio también han desarrollado simulaciones por ordenador de las diferentes fases del proceso que han confrontado con los resultados experimentales.

A día de hoy, el método de Sánchez-Valencia y sus colegas es el único que permite fabricar de forma controlada nanotubos de un solo tipo. Otros enfoques que lo han intentado tienen tasas de éxito alta (de hasta el 92%, pero no permiten predeterminar el tipo de nanotubo que se fabrica, como Feng Yang et al., «Chirality-specific growth of single-walled carbon nanotubes on solid alloy catalysts,» Nature 510: 522-524, 26 Jun 2014). Y por supuesto, lo más novedoso del nuevo proceso, además de alta selectividad, es que promete que futuros estudios permitirán diseñar y sintetizar nuevas semillas para otros tipos de nanotubos. Más aún cuando gran parte de dichos estudios se realizarán en España.



5 Comentarios

  1. Buenas a todos,
    Parece muy interesante este artículo, al igual que el que habla sobre solitones y guías de ondas. Pero escribo, estas líneas para pedir a Francis, que si tiene un hueco en el verano, escriba un artículo sobre la supuesta «torre de Tesla» que unos físicos rusos están construyendo(http://www.lasexta.com/noticias/ciencia-tecnologia/dos-cientificos-rusos-quieren-construir-torre-tesla-obtener-energia-gratuita-inagotable_2014071500130.html). Desde mi ignorancia, como teleco se que por ejemplo en comunicaciones marítimas se utiliza la ionosfera de forma provechosa para comunicarse a larga distancia a frecuencias entre los 3-10 MHz, pero como sabemos lo que transmitimos es la información con un nivel mínimo de señal, que luego puede ser amplificada, no energía en sí para uso. A mí particularmente me parece una osadía intentar transmitir energía eléctrica mediante ondas, dado el decaimiento cuadrático, sin hablar de la ecuación de Friis y los inconvenientes añadidos que esto tenga. ¿Es posible hacer realmente esto o es una locura como yo creo?

    Un saludo a todos!

    1. No es una locura, es un timo. El proyecto Planetary Energy Transmitter de los rusos Leonid y Sergey Plekhanov pretende recaudar 0,8 millones de dólares para construir una atracción turística, nada más. No sé si te acuerdas de los que querían recaudar por crowdfunding 0,8 millones de dólares para un Museo Tesla y al final obtuvieron 1,3 millones de dólares (es decir, medio millón de beneficio). Estos rusos quieren aprovecharse de los mismos inocentes y que también les toque la lotería. Si caen muchos inocentes, ellos serán millonarios. Si no caen, pues nada, otra «chorrada» más en la web.

      No merece la pena hacer una entrada en este blog sobre un tema que no tiene ni pies ni cabeza, repito, más allá de construir una atracción turística y que unos señores vivan de ella.

    1. Alicia, no has leído bien, el coste de unos 1000 dólares por miligramo es para la separación de los diferentes tipos de nanotubos; la nueva técnica no requiere dicha separacion luego el coste es de 0 dólares por miligramo. En ningún momento se habla del coste de fabricación, que depende mucho de la técnica y desde cuándo lleve siendo usada. Las técnicas más recientes, como la del artículo, no tienen coste estimado pues todavía no han salido de los laboratorios.

      Te recomiendo leer «Aplicaciones de los nanotubos de carbono.» Como puedes observar, la mayoría de las aplicaciones que ya son comerciales se basan en amasijos de nanotubos de carbono en los que no importa el tipo concreto.

  2. Pero… entoces,
    ¿Tesla estaba equivocado cuando construyó su torre?
    ¿no se puede transmitir energía a través del medio aéreo de manera efectiva y rentable?

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