Una hélice de grafeno, similar al nanotubo de carbono , es una estructura que consiste en una lámina bidimensional de grafeno enrollada 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. Mediante interacciones de van der Waals, puede 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, lo que puede depender de la curvatura de la hélice de grafeno. Además de tener ambas propiedades, el grafeno tiene una característica única y útil: es un "semimetal sin superposición". [2] Las hélices de carbono permiten una alta transferencia eléctrica en un plano tridimensional. Con 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 utilizar campos eléctricos en una lámina de grafeno para polarizar los enlaces y unirlos exclusivamente en un lado de la lámina de grafeno. [4]
El grafeno es un gran conductor térmico , pero esto se combina con ser un gran aislante perpendicular al eje helicoidal. [5] Estas láminas de grafeno tienen una conductividad térmica de 3500 W · m −1 · K −1 , donde el cobre tiene una de solo 385 W·m −1 ·K −1 . [6]
Con las diferentes propiedades eléctricas, magnéticas y térmicas, se muestra que el grafeno por sí mismo tiene muchas características únicas que se pueden aprovechar cuando se usa como una estructura tridimensional. Estas láminas de grafeno tienen una resistencia a la tracción de 130 000 000 000 pascales , que en comparación con los 400 000 000 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 hecha de cadenas de carbono de un solo átomo de ancho que se entrecruzan. Estas redes de cadenas de carbono parecen páginas de hexágonos bidimensionales con la única tercera dimensión siendo solo un solo átomo de ancho.
Una de las primeras formas en que se descubrió el grafeno fue tomando un trozo de cinta adhesiva y colocándolo sobre un trozo de carbono y tirando de él para revelar muchas láminas pequeñas de grafeno bidimensionales. Al fabricar grafeno con cinta, se crean las condiciones necesarias para que estas láminas de grafeno tengan la resistencia a la tracción mencionada anteriormente. [9]
La practicidad de utilizar cinta para separar estas láminas entre sí no se ajusta a la producción que sería necesaria con los nuevos avances del grafeno. Esto se convierte en un nuevo problema, ya que la calidad de las láminas determina por completo lo que se puede hacer con ellas. A mayor escala, el grafeno puede proceder 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 se aplican catalizadores sobre las láminas de grafeno y crean 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 sería la de encontrar nuevas formas de desenrollar el ARN y el ADN y usar hélices de grafeno para obtener imágenes de estas hebras plegadas para su posterior secuenciación . [12] Al separar estos enlaces de ARN y XNA dentro de estas estructuras de hélice de grafeno, los enlaces de hidrógeno permanecen intactos durante más nanosegundos que antes, por lo que la secuenciación sería más intacta. La hélice de grafeno permitía que el XNA mantuviera su estructura tridimensional y permite que los enlaces de hidrógeno duren más. En general, la conductividad térmica y eléctrica de estas estructuras de carbono tiene demasiados usos diferentes debido a su resistencia y peso.
Los tubos helicoidales de grafeno tienen propiedades eléctricas y físicas y, además de elasticidad, pueden adaptarse a sistemas capilares más pequeños . Estas hélices de grafeno pueden utilizarse 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 que la creación de nanoestructuras sea más factible. Con posibilidades en el campo de la impresión 3D de las nanotecnologías, podrían proporcionar el andamiaje para futuros supercondensadores, implantes y almacenamiento de energía. [14] A medida que el mundo va reduciendo el tamaño de todo, las computadoras son las más rápidas en aprovechar los nuevos materiales, al miniaturizar más componentes electrónicos, incluso a través del cable básico que transporta la electricidad. Ya se han creado puertas lógicas con estas estructuras de carbono, lo que demuestra el potencial futuro de este tipo de materiales. [15]
Lee et al. sugirieron una "morfología nodal" única como evidencia del modelo de hélice para SWNT, [16] que prevalece en imágenes de microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM) y microscopía de efecto túnel de barrido (STM) reportadas desde 1993. El modelo de hélice para SWNT está respaldado por el cálculo de la energía de deformación . La energía de deformación del crecimiento helicoidal de una cinta de grafeno en zigzag o sillón es aproximadamente una cuarta parte de la de los SWNT cilíndricos sin costura. Este cálculo sugiere que el crecimiento de los SWNT sin costura puede ser energéticamente prohibitivo y no competitivo con la estructura propuesta aquí bajo las condiciones de los procesos convencionales de deposición química en fase de vapor . El modelo aborda la 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 este 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.
Basándose en el modelo de crecimiento en espiral, se realizaron más trabajos para investigar las propiedades mecánicas (evaluación del proceso de tracción mediante la distribución de tensiones). [17]
Recientemente, Park et al. reinterpretaron los SWNT como una hélice de grafeno mediante espectroscopia Raman, mostrando 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 la estructura para muestras de SWNT hidrogenados y deshidrogenados. Demostraron que el modo G a ~1570 cm-1 es exclusivo de las estructuras de grafeno tubulares abiertas (es decir, hélice de grafeno) de ~2 nm de diámetro. También demostraron que el modo D de ~1350 cm-1 se origina a partir de defectos en los bordes de los SWNT abiertos que revelan fuertes vectores propios, que están ausentes en los tubos concéntricos. También demostraron que el análisis de los espectros Raman de los SWNT es consistente con la comprensión general sobre el análisis Raman de materiales de carbono. [18]