Una hélice de grafeno, similar al nanotubo de carbono , es una estructura que consiste en una lámina bidimensional de grafeno envuelta en una hélice . Estas láminas de grafeno pueden tener múltiples capas, llamadas estructuras de carbono de paredes múltiples, que se suman a estas hélices aumentando así su resistencia a la tracción pero aumentando la dificultad de fabricación. Utilizando interacciones de van der Waals se pueden crear estructuras unas dentro de otras.
El grafeno tiene propiedades eléctricas muy prometedoras. [1] Los nanotubos de carbono son semimetales, lo que significa que son metálicos o semiconductores a lo largo del eje helicoidal, esto puede depender de la curvatura de la hélice del grafeno. Además de tener ambas propiedades, el grafeno tiene una característica única y útil: es un "semimetal de superposición cero". [2] Las hélices de carbono permiten una alta transferencia eléctrica en un plano tridimensional. Por su resistencia a la tracción, conductividad eléctrica y gestión térmica, es útil para la biotecnología. [3]
De manera similar a las propiedades eléctricas, se pueden usar campos eléctricos en una lámina de grafeno para polarizar los enlaces y unir exclusivamente en un lado de la lámina de grafeno. [4]
El grafeno es un gran conductor térmico , pero a esto se le suma que es un gran aislante perpendicular al eje helicoidal. [5] Estas láminas de grafeno tienen una conductividad térmica de 3500 W · m −1 · K −1 , mientras que el cobre tiene una de solo 385 W·m −1 ·K −1 . [6]
Las diferentes propiedades eléctricas, magnéticas y térmicas muestran que el grafeno por sí solo tiene muchas características únicas que pueden aprovecharse cuando se utiliza como una estructura tridimensional. Estas láminas de grafeno tienen una resistencia a la tracción de 130.000.000.000 de pascales , en comparación con los 400.000.000 de pascales del acero industrial . [7] Esto muestra las posibilidades de uso de esta sustancia. El grafeno es ligero en comparación con materiales como el acero industrial porque pesa 0,77 miligramos por metro cuadrado. [8] Cada una de estas láminas de grafeno está formada por enlaces cruzados de cadenas de carbono de un solo átomo de ancho. Estas redes de cadenas de carbono parecen páginas de hexágonos bidimensionales con la única tercera dimensión de un solo átomo de ancho.
Una de las primeras formas en que se descubrió el grafeno fue tomar un trozo de cinta adhesiva, colocarlo sobre un trozo de carbono y retirarlo para revelar muchas láminas pequeñas de grafeno bidimensional. Al fabricar grafeno con cinta se crean las condiciones necesarias para que estas láminas de grafeno tengan la resistencia a la tracción indicada anteriormente. [9]
La practicidad de utilizar cinta adhesiva para separar estas láminas entre sí no se adapta a la producción que sería necesaria con los nuevos desarrollos del grafeno. Esto se convierte en un tema nuevo ya que la calidad de las láminas determina completamente lo que se puede hacer con ellas. A mayor escala, el grafeno puede provenir de grafito extraído natural y exfoliado químicamente . [10]
En estos dos procesos ligeramente diferentes, el grafeno se quema con corrientes eléctricas o mediante un láser y las hélices de grafeno se desarrollarán cuando se separen las fases gaseosas, pero será necesario que haya un exceso de metales como catalizadores. [11]
Considerado como el proceso más prometedor para el futuro, las hélices de grafeno se pueden formar a medida que los catalizadores se empujan sobre las láminas de grafeno y crearán la hélice emergente. Si bien es necesario realizarlo a altas temperaturas, el proceso se puede activar y desactivar fácilmente simplemente mediante el desarrollo de la estructura helicoidal.
Una de las aplicaciones más interesantes de una hélice de grafeno serían nuevas formas de desenrollar el ARN y el ADN y utilizar hélices de grafeno para obtener imágenes de estas hebras plegadas para su posterior secuenciación . [12] Tener estos enlaces de ARN y XNA separados dentro de estas estructuras de hélice de grafeno hace que los enlaces de hidrógeno permanezcan intactos durante más nanosegundos que antes, por lo que la secuenciación estaría más intacta. La hélice de grafeno permitía que el XNA mantuviera su estructura tridimensional y permitía que los enlaces de hidrógeno duraran más. En general, la conductividad térmica y eléctrica de estas estructuras de carbono tiene muchos usos diferentes debido a su resistencia y peso.
Los tubos de grafeno helicoidales tienen propiedades eléctricas y físicas y, además de la elasticidad, pueden caber en sistemas capilares más pequeños . Estas hélices de grafeno pueden usarse potencialmente en sistemas de nanofluidos con usos tanto de actuadores como de sensores con forma de fibra. [13]
Estas hélices de carbono presentan propiedades físicas muy ventajosas que hacen más posible la creación de nanoestructuras. Con posibilidades en el campo de las nanotecnologías de impresión 3D, podrían estar proporcionando el andamiaje para futuros supercondensadores, implantes y almacenamiento de energía. [14] A medida que el mundo está reduciendo todo en tamaño, las computadoras son las más rápidas en aprovechar los nuevos materiales, al miniaturizar más componentes electrónicos, incluso hasta el cable básico que transporta electricidad. Ya se han creado puertas lógicas con estas estructuras de carbono que muestran el potencial futuro de dicho material. [15]
Lee y cols. sugirió una "morfología nodal" única como evidencia para el modelo de hélice para SWNT, [16] que prevalece en las imágenes de microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM) y microscopía de efecto túnel (STM) reportadas desde 1993. El modelo de hélice para SWNT está respaldado por Cálculo de la energía de deformación . La energía de deformación del crecimiento helicoidal de una cinta de grafeno en zigzag o de sillón es aproximadamente una cuarta parte de la de los SWNT cilíndricos sin costura. Este cálculo sugiere que el crecimiento de SWNT sin costura puede ser energéticamente prohibitivo y no competitivo con la estructura propuesta aquí en las condiciones de los procesos convencionales de deposición química de vapor . El modelo aborda evidencia experimental previa en la literatura, diversos patrones de difracción de electrones , morfologías HRTEM y STM, así como inconsistencias en las propiedades mecánicas y eléctricas medidas de los SWNT. La propiedad eléctrica de los SWNT puede considerarse como una nanocinta de grafeno (en zigzag) que es un conductor. En el modo, la quiralidad no es una condición necesaria para el crecimiento de SWNT y la observación de quiralidad (o propiedades semiconductoras) en la literatura puede ser el resultado de una interpretación errónea de la distorsión de la hélice de grafeno.
Basado en el modelo de crecimiento en espiral, se llevaron a cabo trabajos adicionales para investigar las propiedades mecánicas (evaluación del proceso de tracción mediante la distribución de tensiones). [17]
Recientemente, Park et al. reinterpretó los SWNT como una hélice de grafeno mediante espectroscopía Raman, lo que muestra que el espectro Raman típico para los SWNT es la firma de su estructura helicoidal con simulación de la teoría funcional de la densidad y análisis de estructura para muestras de SWNT hidrogenados y deshidrogenados. Demostraron que el modo G a ~1570 cm-1 es exclusivo de las estructuras tubulares abiertas de grafeno (es decir, hélice de grafeno) de ~2 nm de diámetro. También demuestran que el modo D de ~1350 cm-1 se origina a partir de defectos en los bordes de SWNT abiertos que revelan vectores propios fuertes, que están ausentes en los tubos concéntricos. También demostraron que el análisis de los espectros Raman de SWNT es consistente con la comprensión general sobre el análisis Raman de materiales de carbono. [18]