Los nanotubos de carbono (CNT) son cilindros de una o más capas de grafeno (red). Los diámetros de los nanotubos de carbono de pared simple (SWNT) y de los nanotubos de carbono de pared múltiple (MWNT) suelen ser de 0,8 a 2 nm y de 5 a 20 nm, respectivamente, aunque los diámetros de MWNT pueden superar los 100 nm. Las longitudes de los CNT varían desde menos de 100 nm hasta 0,5 m. [1]
Las paredes individuales de CNT pueden ser metálicas o semiconductoras dependiendo de la orientación de la red con respecto al eje del tubo, lo que se denomina quiralidad . El área de la sección transversal de MWNT ofrece un módulo elástico cercano a 1 TPa y una resistencia a la tracción de 100 GPa, más de 10 veces mayor que la de cualquier fibra industrial. Los MWNT suelen ser metálicos y pueden transportar corrientes de hasta 10 9 A cm −2 . Los SWNT pueden mostrar una conductividad térmica de 3500 W m −1 K −1 , superando la del diamante . [2]
En 2013 [actualizar], la producción de nanotubos de carbono superó varios miles de toneladas por año, y se utilizan para aplicaciones de almacenamiento de energía, modelado de dispositivos, piezas de automóviles, cascos de embarcaciones, artículos deportivos, filtros de agua, electrónica de película delgada, revestimientos, actuadores y escudos electromagnéticos. Las publicaciones relacionadas con la CNT se triplicaron con creces en la década anterior, mientras que las tasas de concesión de patentes también aumentaron. [2] La mayor parte de la producción fue de arquitectura desorganizada. Las arquitecturas organizadas de CNT, como "bosques", hilos y láminas regulares, se produjeron en volúmenes mucho más pequeños. [2] Los CNT incluso se han propuesto como amarre para un supuesto ascensor espacial . [3] [4]
Recientemente, varios estudios han destacado la posibilidad de utilizar nanotubos de carbono como componentes básicos para fabricar dispositivos tridimensionales macroscópicos (>1 mm en las tres dimensiones) totalmente de carbono. Lalwani et al. han informado sobre un nuevo método de reticulación térmica iniciado por radicales para fabricar andamios macroscópicos, independientes, porosos y totalmente de carbono utilizando nanotubos de carbono de pared simple y múltiple como bloques de construcción. [5] Estos andamios poseen poros macro, micro y nanoestructurados y la porosidad se puede adaptar para aplicaciones específicas. Estos andamios/arquitecturas 3D totalmente de carbono se pueden utilizar para la fabricación de la próxima generación de almacenamiento de energía, supercondensadores, transistores de emisión de campo, catálisis de alto rendimiento, energía fotovoltaica y dispositivos e implantes biomédicos.
Investigadores de la Universidad Rice y la Universidad Estatal de Nueva York – Stony Brook han demostrado que la adición de un bajo porcentaje de peso de nanotubos de carbono puede conducir a mejoras significativas en las propiedades mecánicas de los nanocompuestos poliméricos biodegradables para aplicaciones en ingeniería de tejidos, incluido el hueso, [6] [ 7] [8] cartílago, [9] músculo [10] y tejido nervioso. [7] [11] La dispersión de un bajo porcentaje en peso de grafeno (~0,02% en peso) da como resultado aumentos significativos en las propiedades mecánicas de compresión y flexión de los nanocompuestos poliméricos. Investigadores de la Universidad Rice, la Universidad Stony Brook, el Centro Médico Nijmegen de la Universidad Radboud y la Universidad de California en Riverside han demostrado que los nanotubos de carbono y sus nanocompuestos poliméricos son materiales de andamio adecuados para la ingeniería de tejido óseo [12] [13] [14] y la formación de huesos. [15] [16]
Los CNT exhiben compatibilidad dimensional y química con biomoléculas, como el ADN y las proteínas . Los CNT permiten obtener imágenes fluorescentes y fotoacústicas, así como calentamiento localizado mediante radiación infrarroja cercana. [2]
Los biosensores SWNT exhiben grandes cambios en la impedancia eléctrica y las propiedades ópticas, que generalmente se modulan mediante la adsorción de un objetivo en la superficie del CNT. Los límites de detección bajos y la alta selectividad requieren diseñar los efectos de campo y superficie del CNT, la capacitancia, los cambios espectrales Raman y la fotoluminiscencia para el diseño del sensor. Los productos en desarrollo incluyen tiras reactivas impresas para la detección de estrógeno y progesterona , micromatrices para la detección de ADN y proteínas y sensores para NO.
2y troponina cardíaca . Sensores CNT similares respaldan aplicaciones de la industria alimentaria, militares y medioambientales. [2]
Los CNT pueden ser internalizados por las células, primero uniendo sus puntas a los receptores de la membrana celular . Esto permite la transfección de carga molecular adherida a las paredes de CNT o encapsulada por CNT. [17] Por ejemplo, el medicamento contra el cáncer doxorrubicina se cargó hasta en un 60% en peso en CNT en comparación con un máximo de 8 a 10% en peso en liposomas. La liberación de la carga puede ser provocada por radiación del infrarrojo cercano . Sin embargo, limitar la retención de CNT dentro del cuerpo es fundamental para evitar una acumulación indeseable. [2]
La toxicidad de los CNT sigue siendo una preocupación, aunque la biocompatibilidad de los CNT puede ser modificable. El grado de inflamación pulmonar causado por la inyección de SWNT bien dispersos fue insignificante en comparación con el amianto y las partículas en el aire. La aceptación médica de los CNT requiere comprensión de la respuesta inmune y estándares de exposición apropiados para inhalación, inyección, ingestión y contacto con la piel. Los bosques de CNT inmovilizados en un polímero no mostraron una respuesta inflamatoria elevada en ratas en comparación con los controles. Los CNT están bajo consideración como electrodos de interfaz neural de baja impedancia y para el recubrimiento de catéteres para reducir la trombosis . [2]
También se están desarrollando fuentes de rayos X habilitadas para CNT para imágenes médicas. Basándose en las propiedades únicas de los CNT, los investigadores han desarrollado cátodos de emisión de campo que permiten un control preciso de los rayos X y la colocación cercana de múltiples fuentes. Se han demostrado fuentes de rayos X habilitadas con CNT para aplicaciones preclínicas de imágenes de animales pequeños y actualmente se encuentran en ensayos clínicos. [ cita necesaria ]
En noviembre de 2012, investigadores del Instituto Nacional Estadounidense de Estándares y Tecnología (NIST) demostraron que los nanotubos de carbono de pared simple pueden ayudar a proteger las moléculas de ADN del daño por oxidación . [18]
Un método muy eficaz para introducir nanotubos de carbono en las células es Cell squeezing , una plataforma de microfluidos sin vectores de alto rendimiento para la administración intracelular desarrollada en el Instituto de Tecnología de Massachusetts en los laboratorios de Robert S. Langer . [19]
Además, se han cultivado nanotubos de carbono dentro de canales de microfluidos para análisis químicos, basados en electrocromatografía. Aquí, la alta relación superficie-volumen y la alta hidrofobicidad de los CNT se utilizan para disminuir en gran medida el tiempo de análisis de pequeñas moléculas neutras que normalmente requieren equipos grandes y voluminosos para el análisis. [20] [21]
Debido a las propiedades mecánicas superiores de los nanotubos de carbono, se han propuesto muchas estructuras, desde artículos cotidianos como ropa y equipo deportivo hasta chaquetas militares y ascensores espaciales . [22] Sin embargo, el ascensor espacial requerirá mayores esfuerzos para perfeccionar la tecnología de nanotubos de carbono, ya que la resistencia práctica a la tracción de los nanotubos de carbono debe mejorarse considerablemente. [23]
En perspectiva, ya se han logrado avances destacados. Un trabajo pionero dirigido por Ray H. Baughman en el NanoTech Institute ha demostrado que los nanotubos de pared simple y múltiple pueden producir materiales con una dureza incomparable en el mundo natural y artificial. [24] [25]
Los nanotubos de carbono también son un material prometedor como bloques de construcción en materiales compuestos jerárquicos dadas sus excepcionales propiedades mecánicas (~1 TPa en módulo y ~100 GPa en resistencia). Los intentos iniciales de incorporar CNT en estructuras jerárquicas (como hilos, fibras o películas [26] ) llevaron a propiedades mecánicas que eran significativamente más bajas que estos límites potenciales. La integración jerárquica de nanotubos de carbono de paredes múltiples y óxidos de metal/metal dentro de una sola nanoestructura puede aprovechar la potencialidad del compuesto de nanotubos de carbono para la división del agua y la electrocatálisis. [27] Windle et al. han utilizado un método de hilado por deposición química de vapor (CVD) in situ para producir hilos CNT continuos a partir de aerogeles de CNT cultivados con CVD. [28] [29] [30] Los hilos de CNT también se pueden fabricar extrayendo haces de CNT de un bosque de CNT y posteriormente retorciéndolos para formar la fibra (método de tracción-torsión, ver imagen a la derecha). El grupo Windle ha fabricado hilos CNT con resistencias tan altas como ~9 GPa en longitudes de calibre pequeñas de ~1 mm; sin embargo, se informaron resistencias de solo aproximadamente ~1 GPa en la longitud de calibre más larga de 20 mm. [31] [32] La razón por la cual la resistencia de las fibras ha sido baja en comparación con la resistencia de los CNT individuales se debe a una falla en la transferencia efectiva de carga a los CNT constituyentes (discontinuos) dentro de la fibra. Una ruta potencial para aliviar este problema es a través de la reticulación covalente entre haces y entre CNT inducida por irradiación (o deposición) para "unir" eficazmente los CNT, con niveles de dosificación más altos que conducen a la posibilidad de un compuesto amorfo de carbono/nanotubos de carbono. fibras. [33] Espinosa et al. desarrolló hilos compuestos de polímero DWNT de alto rendimiento retorciendo y estirando cintas de haces de DWNT orientados aleatoriamente recubiertos finamente con compuestos orgánicos poliméricos. Estos hilos de polímero DWNT exhibieron una energía de falla inusualmente alta de ~100 J·g −1 (comparable a uno de los materiales naturales más resistentes: la seda de araña [34] ) y una resistencia de hasta ~1,4 GPa. [35] Se están realizando esfuerzos para producir compuestos de CNT que incorporen materiales de matriz más resistentes, como Kevlar , para mejorar aún más las propiedades mecánicas de las de los CNT individuales.
Debido a la alta resistencia mecánica de los nanotubos de carbono, se están realizando investigaciones para tejerlos en ropa para crear prendas a prueba de puñaladas y balas. Los nanotubos impedirían eficazmente que la bala penetrara en el cuerpo, aunque la energía cinética de la bala probablemente provocaría fracturas de huesos y hemorragias internas. [36]
Los nanotubos de carbono también pueden permitir tiempos de procesamiento más cortos y mayores eficiencias energéticas durante el curado de compuestos con el uso de calentadores estructurados de nanotubos de carbono. El autoclave es el "estándar de oro" para el curado de composites; sin embargo, tiene un precio elevado e introduce limitaciones en el tamaño de las piezas. Los investigadores estiman que curar una pequeña sección del fuselaje de fibra de carbono/epóxido del Boeing 787 requiere 350 GJ de energía y produce 80 toneladas de dióxido de carbono. Esto es aproximadamente la misma cantidad de energía que consumirían nueve hogares en un año. [37] Además, eliminar las limitaciones de tamaño de las piezas elimina la necesidad de unir pequeños componentes compuestos para crear estructuras a gran escala. Esto ahorra tiempo de fabricación y da como resultado estructuras de mayor resistencia.
Los calentadores estructurados de nanotubos de carbono son prometedores para reemplazar los autoclaves y los hornos convencionales para el curado de compuestos debido a su capacidad para alcanzar altas temperaturas a velocidades rápidas con alta eficiencia eléctrica y flexibilidad mecánica. Estos calentadores nanoestructurados pueden tomar la forma de una película y aplicarse directamente al compuesto. Esto da como resultado una transferencia de calor por conducción a diferencia de la transferencia de calor por convección utilizada por los autoclaves y hornos convencionales. Lee y cols. informaron que solo el 50% de la energía térmica introducida en un autoclave se transfiere al compuesto que se está curando, independientemente del tamaño de la pieza, mientras que aproximadamente el 90% de la energía térmica se transfiere en un calentador de película nanoestructurada dependiendo del proceso. [38]
Lee y cols. Pudieron curar con éxito compuestos de grado aeroespacial utilizando un calentador de CNT fabricado “empujando en forma de dominó” un bosque de CNT sobre una película de teflón. Luego, esta película se colocó encima de un laminado preimpregnado de OOA de 8 capas. Se incorporó aislamiento térmico alrededor del conjunto. Posteriormente, toda la configuración se embolsó al vacío y se calentó utilizando una fuente de alimentación de 30 V CC. Se realizaron pruebas mecánicas y de grado de curado para comparar los composites curados convencionalmente con su configuración OOA. Los resultados mostraron que no hubo diferencias en la calidad del compuesto creado. Sin embargo, la cantidad de energía necesaria para curar el OOA compuesto se redujo en dos órdenes de magnitud, de 13,7 MJ a 118,8 kJ. [39]
Sin embargo, antes de que se puedan utilizar nanotubos de carbono para curar los fuselajes del Boeing 787, es necesario seguir desarrollandolos. El mayor desafío asociado con la creación de calentadores estructurados de nanotubos de carbono confiables es poder crear una dispersión uniforme de nanotubos de carbono en una matriz polimérica para garantizar que el calor se aplique de manera uniforme. La gran superficie de los CNT da como resultado fuertes fuerzas de Van Der Waals entre los CNT individuales, lo que hace que se aglomeren y produzcan propiedades de calentamiento no uniformes. Además, la matriz polimérica elegida debe elegirse cuidadosamente de manera que pueda soportar las altas temperaturas generadas y los ciclos térmicos repetitivos necesarios para curar múltiples componentes compuestos.
Los MWNT se utilizaron por primera vez como rellenos eléctricamente conductores en metales, en concentraciones de hasta el 83,78 por ciento en peso (% en peso). Los compuestos de polímero MWNT alcanzan conductividades de hasta 10 000 S m −1 con una carga del 10 % en peso. En la industria automotriz, los plásticos CNT se utilizan en el pintado electrostático de carcasas de espejos, así como en líneas de combustible y filtros que disipan la carga electrostática . Otros productos incluyen paquetes de protección contra interferencias electromagnéticas (EMI) y portadores de obleas de silicio. [2]
Para aplicaciones de carga, los polvos de CNT se mezclan con polímeros o resinas precursoras para aumentar la rigidez, la resistencia y la tenacidad. Estas mejoras dependen del diámetro del CNT, la relación de aspecto, la alineación, la dispersión y la interacción interfacial. Las resinas premezcladas y los lotes maestros emplean cargas de CNT de 0,1 a 20 % en peso. El deslizamiento a nanoescala entre CNT y contactos de CNT-polímero puede aumentar la amortiguación del material, mejorando los artículos deportivos, incluidas raquetas de tenis, bates de béisbol y cuadros de bicicletas. [2]
Las resinas CNT mejoran los compuestos de fibra, incluidas las palas de turbinas eólicas y los cascos de embarcaciones de seguridad marítima que se fabrican mejorando los compuestos de fibra de carbono con resina mejorada con CNT. Los CNT se utilizan como aditivos en los precursores orgánicos de fibras de carbono más resistentes de 1 μm de diámetro. Los CNT influyen en la disposición del carbono en la fibra pirolizada. [2]
Para afrontar el desafío de organizar los CNT a mayor escala, se crean compuestos de fibras jerárquicas haciendo crecer bosques alineados sobre vidrio, carburo de silicio (SiC), alúmina y fibras de carbono, creando las llamadas fibras "difusas". El tejido difuso de epoxi CNT-SiC y CNT-alúmina mostró una mejora del 69 % en la apertura de grietas (modo I) y/o en la tenacidad interlaminar al corte en el plano (modo II). Las aplicaciones que se están investigando incluyen protección contra rayos, deshielo y monitoreo del estado estructural de aeronaves. [2]
Los MWNT se pueden utilizar como aditivos retardantes de llama para plásticos debido a los cambios en la reología por la carga de nanotubos. Dichos aditivos pueden reemplazar a los retardantes de llama halogenados , que enfrentan restricciones ambientales. [2]
Las mezclas de CNT/ hormigón ofrecen mayor resistencia a la tracción y menor propagación de grietas . [40]
El buckypaper (agregado de nanotubos) puede mejorar significativamente la resistencia al fuego debido a la eficiente reflexión del calor. [41]
Los estudios previos sobre el uso de CNT para la funcionalización textil se centraron en el hilado de fibras para mejorar las propiedades físicas y mecánicas. [42] [43] [44] Recientemente se ha prestado mucha atención al recubrimiento de CNT en tejidos textiles. Se han empleado varios métodos para modificar tejidos utilizando CNT. produjo textiles electrónicos inteligentes para el biomonitoreo humano utilizando un recubrimiento a base de polielectrolitos con CNT. [45] Además, Panhuis et al. material textil teñido por inmersión en una solución de polímero PMAS de poli (ácido 2-metoxianilina-5-sulfónico) o en una dispersión de PMAS-SWNT con conductividad y capacitancia mejoradas con un comportamiento duradero. [46] En otro estudio, Hu y sus compañeros de trabajo recubrieron nanotubos de carbono de pared simple con un proceso simple de “inmersión y secado” para aplicaciones de almacenamiento de energía y electrónica portátil. [47] En el estudio reciente, Li y sus compañeros de trabajo utilizaron un separador elastomérico y casi lograron un supercondensador completamente estirable basado en macropelículas de nanotubos de carbono de pared simple pandeadas. Se utilizó poliuretano electrohilado que proporcionó una buena elasticidad mecánica y toda la celda logró una excelente estabilidad de los ciclos de carga y descarga. [48] Los CNT tienen una estructura de nanotubos alineados y una carga superficial negativa. Por lo tanto, tienen estructuras similares a los tintes directos, por lo que el método de agotamiento se aplica para recubrir y absorber CNT en la superficie de la fibra para preparar telas multifuncionales que incluyen propiedades antibacterianas, conductoras eléctricas, retardantes de llama y absorbancia electromagnética. [49] [50] [51]
Más adelante, los hilos CNT [52] y las láminas laminadas fabricadas mediante deposición química directa de vapor (CVD) o métodos de hilado o estirado forestal pueden competir con la fibra de carbono para usos de alta gama, especialmente en aplicaciones sensibles al peso que requieren funcionalidad eléctrica y mecánica combinada. Los hilos de investigación fabricados a partir de CNT de pocas paredes han alcanzado una rigidez de 357 GPa y una resistencia de 8,8 GPa para una longitud de calibre comparable a los CNT de milímetros de largo dentro del hilo. Las longitudes de calibre en escala de centímetros ofrecen resistencias gravimétricas de solo 2 GPa, igualando a las del Kevlar . [2]
Debido a que la probabilidad de una falla crítica aumenta con el volumen, es posible que los hilos nunca alcancen la resistencia de los CNT individuales. Sin embargo, la gran superficie de CNT puede proporcionar un acoplamiento interfacial que mitigue estas deficiencias. Los hilos CNT se pueden anudar sin pérdida de resistencia. El recubrimiento de láminas de CNT extraídas del bosque con polvo funcional antes de insertar la torsión produce hilos tejibles, trenzables y cosibles que contienen hasta un 95 % en peso de polvo. Los usos incluyen cables superconductores, electrodos de baterías y pilas de combustible y textiles autolimpiantes. [2]
Hasta el momento, se pueden fabricar fibras de SWNT alineados mediante hilatura basada en coagulación de suspensiones de CNT. Para la comercialización se necesitan SWNT o MWNT hilados más baratos. [2] Los nanotubos de carbono se pueden disolver en superácidos como el ácido fluorosulfúrico y transformarse en fibras mediante hilado seco-húmedo. [53]
Los hilos compuestos de polímero DWNT se han fabricado retorciendo y estirando cintas de haces de DWNT orientados aleatoriamente y recubiertos finamente con compuestos orgánicos poliméricos. [54]
Chalecos antibalas y chaquetas de combate [55] La Universidad de Cambridge desarrolló las fibras y autorizó a una empresa a fabricarlas. [56] En comparación, la fibra resistente a las balas Kevlar falla a 27-33 J/g.
Los músculos sintéticos ofrecen una alta relación de contracción/extensión dada una corriente eléctrica. [57]
Los SWNT se utilizan como material experimental para paneles de puentes estructurales removibles. [58]
En 2015, los investigadores incorporaron CNT y grafeno a la seda de araña , aumentando su fuerza y dureza hasta un nuevo récord. Rociaron 15 arañas Pholcidae con agua que contenía nanotubos o escamas. La seda resultante tenía una resistencia a la fractura de hasta 5,4 GPa , un módulo de Young de hasta 47,8 GPa y un módulo de tenacidad de hasta 2,1 GPa, superando tanto a las fibras poliméricas sintéticas de alto rendimiento (por ejemplo, Kevlar49 ) como a las fibras anudadas. [59]
Los "bosques" de resortes MWNT alineados y estirados pueden alcanzar una densidad de energía 10 veces mayor que la de los resortes de acero, ofreciendo durabilidad cíclica, insensibilidad a la temperatura, ausencia de descarga espontánea y tasa de descarga arbitraria. Se espera que los bosques SWNT puedan almacenar mucho más que los MWNT. [60]
Agregar pequeñas cantidades de CNT a los metales aumenta la resistencia a la tracción y el módulo con potencial en estructuras aeroespaciales y automotrices. Los compuestos comerciales de aluminio-MWNT tienen resistencias comparables a las del acero inoxidable (0,7 a 1 GPa) a un tercio de la densidad (2,6 g cm -3 ), comparables a las aleaciones de aluminio-litio más caras. [2]
Los CNT pueden servir como material de recubrimiento multifuncional. Por ejemplo, las mezclas de pintura y MWNT pueden reducir la bioincrustación de los cascos de los barcos al desalentar la adhesión de algas y percebes . Son una posible alternativa a las pinturas que contienen biocidas, peligrosas para el medio ambiente. [61] La mezcla de CNT en recubrimientos anticorrosivos para metales puede mejorar la rigidez y resistencia del recubrimiento y proporcionar un camino para la protección catódica. [2]
Los CNT proporcionan una alternativa menos costosa a los ITO para una variedad de dispositivos de consumo. Además del costo, los conductores transparentes y flexibles de CNT ofrecen una ventaja sobre los frágiles recubrimientos ITO para pantallas flexibles. Los conductores CNT se pueden depositar a partir de una solución y modelarlos mediante métodos como la serigrafía. Las películas SWNT ofrecen un 90 % de transparencia y una resistividad de la hoja de 100 ohmios por cuadrado. Este tipo de películas se están desarrollando para calentadores de película delgada, como por ejemplo para descongelar ventanas o aceras. [2]
Los bosques y espumas de nanotubos de carbono también se pueden recubrir con una variedad de materiales diferentes para cambiar su funcionalidad y rendimiento. Los ejemplos incluyen CNT recubiertos de silicio para crear baterías flexibles con alta densidad de energía, [62] recubrimientos de grafeno para crear aerogeles altamente elásticos [63] y recubrimientos de carburo de silicio para crear un material estructural resistente para microarquitecturas 3D robustas de alta relación de aspecto. [64]
Existe una amplia gama de métodos para transformar los CNT en recubrimientos y películas. [sesenta y cinco]
Una mezcla pulverizada de nanotubos de carbono y cerámica demuestra una capacidad sin precedentes para resistir daños mientras absorbe la luz láser. Estos recubrimientos que absorben la energía de los láseres de alta potencia sin descomponerse son esenciales para los detectores de potencia óptica que miden la salida de dichos láseres. Se utilizan, por ejemplo, en equipos militares para desactivar minas sin detonar. El compuesto consta de nanotubos de carbono de paredes múltiples y una cerámica de silicio, carbono y nitrógeno. La inclusión de boro aumenta la temperatura de descomposición. Los nanotubos y el carbono similar al grafeno transmiten bien el calor, mientras que la cerámica resistente a la oxidación aumenta la resistencia a los daños. La creación del recubrimiento implica dispersar los nanotubos en tolueno , al que se añadió un polímero líquido transparente que contiene boro. La mezcla se calentó a 1.100 °C (2.010 °F). El resultado se tritura hasta obtener un polvo fino, se vuelve a dispersar en tolueno y se pulveriza en una fina capa sobre una superficie de cobre. El recubrimiento absorbió el 97,5 por ciento de la luz de un láser de infrarrojo lejano y toleró 15 kilovatios por centímetro cuadrado durante 10 segundos. La tolerancia al daño es aproximadamente un 50 por ciento mayor que la de recubrimientos similares, por ejemplo, nanotubos solos y pintura de carbono. [66] [67]
Los radares funcionan en el rango de frecuencia de microondas, que puede ser absorbido por los MWNT. La aplicación de los MWNT a la aeronave provocaría que el radar fuera absorbido y, por lo tanto, parecería tener una sección transversal de radar más pequeña . Una de esas aplicaciones podría ser pintar los nanotubos en el avión. Recientemente, la Universidad de Michigan ha realizado algunos trabajos sobre la utilidad de los nanotubos de carbono como tecnología sigilosa en aviones. Se ha descubierto que, además de las propiedades de absorción del radar, los nanotubos no reflejan ni dispersan la luz visible, lo que los hace esencialmente invisibles por la noche, muy parecido a pintar de negro los aviones furtivos actuales , excepto que es mucho más efectivo. Sin embargo, las limitaciones actuales en la fabricación significan que la producción actual de aviones recubiertos de nanotubos no es posible. Una teoría para superar estas limitaciones actuales es cubrir pequeñas partículas con nanotubos y suspender las partículas cubiertas de nanotubos en un medio como pintura, que luego se puede aplicar a una superficie, como un avión furtivo. [68]
En 2010, Lockheed Martin Corporation solicitó una patente para un material absorbente de radar basado en CNT, que fue reasignada y concedida a Applied NanoStructure Solutions, LLC en 2012. [69] Algunos creen que este material está incorporado en el F-35 Rayo II . [70]
Se han fabricado transistores basados en nanotubos , también conocidos como transistores de efecto de campo de nanotubos de carbono (CNTFET), que funcionan a temperatura ambiente y que son capaces de realizar conmutación digital utilizando un solo electrón. [71] Sin embargo, un obstáculo importante para la realización de nanotubos ha sido la falta de tecnología para la producción en masa. En 2001, investigadores de IBM demostraron cómo se pueden destruir los nanotubos metálicos, dejando atrás los semiconductores para usarlos como transistores. Su proceso se llama "destrucción constructiva", que incluye la destrucción automática de los nanotubos defectuosos en la oblea . [72] Este proceso, sin embargo, sólo da control sobre las propiedades eléctricas en una escala estadística.
Los SWNT son atractivos para los transistores debido a su baja dispersión de electrones y su banda prohibida. Los SWNT son compatibles con arquitecturas de transistores de efecto de campo (FET) y dieléctricos de alta k. A pesar del progreso posterior a la aparición del transistor CNT en 1998, incluido un FET de túnel con una oscilación por debajo del umbral de <60 mV por década (2004), una radio (2007) y un FET con una longitud de canal inferior a 10 nm y una densidad de corriente normalizada de 2,41 mA μm −1 a 0,5 V, mayores que los obtenidos para dispositivos de silicio.
Sin embargo, el control del diámetro, la quiralidad, la densidad y la colocación sigue siendo insuficiente para la producción comercial. Los dispositivos menos exigentes, de decenas a miles de SWNT, son más prácticos de inmediato. El uso de matrices/transistores CNT aumenta la corriente de salida y compensa los defectos y las diferencias de quiralidad, mejorando la uniformidad y reproducibilidad del dispositivo. Por ejemplo, los transistores que utilizan matrices de CNT alineados horizontalmente lograron movilidades de 80 cm 2 V −1 s −1 , pendientes subumbral de 140 mV por década y relaciones de encendido/apagado de hasta 10 5 . Los métodos de deposición de películas de CNT permiten la fabricación de semiconductores convencionales de más de 10.000 dispositivos CNT por chip.
Los transistores de película delgada (TFT) CNT impresos son atractivos para controlar pantallas de diodos emisores de luz orgánicos , muestran mayor movilidad que el silicio amorfo (~1 cm 2 V −1 s −1 ) y pueden depositarse mediante métodos sin vacío de baja temperatura. TFT CNT flexibles con una movilidad de 35 cm 2 V −1 s −1 y una relación encendido/apagado de 6 × 10Se demostraron 6 . Un CNT FET vertical mostró suficiente salida de corriente para accionar OLED a bajo voltaje, lo que permitió la emisión de rojo, verde y azul a través de una red CNT transparente. Se están considerando CNT para etiquetas de identificación por radiofrecuencia . Se demostró la retención selectiva de SWNT semiconductores durante el recubrimiento por rotación y una sensibilidad reducida a los adsorbatos.
La Hoja de ruta tecnológica internacional para semiconductores sugiere que los CNT podrían reemplazar las interconexiones de Cu en los circuitos integrados, debido a su baja dispersión, su alta capacidad de transporte de corriente y su resistencia a la electromigración. Para ello, se necesitan vías que comprendan CNT metálicos apretados (>10 13 cm −2 ) con baja densidad de defectos y baja resistencia de contacto. Recientemente, se demostraron interconexiones de 150 nm de diámetro compatibles con semiconductores de óxido de metal complementario (CMOS) con una resistencia de orificio de contacto único CNT de 2,8 kOhm en obleas completas de 200 mm de diámetro. Además, como reemplazo de los golpes de soldadura, los CNT pueden funcionar como cables eléctricos y disipadores de calor para su uso en amplificadores de alta potencia.
Por último, se ha adaptado para su comercialización un concepto de memoria no volátil basado en interruptores electromecánicos de barra transversal de CNT individuales modelando películas delgadas de CNT enredadas como elementos funcionales. Esto requirió el desarrollo de suspensiones de CNT ultrapuras que puedan recubrirse por rotación y procesarse en entornos de salas limpias industriales y, por lo tanto, sean compatibles con los estándares de procesamiento CMOS.
Los transistores de efecto de campo de nanotubos de carbono (CNTFET) pueden funcionar a temperatura ambiente y son capaces de realizar conmutación digital utilizando un solo electrón . [73] En 2013, se demostró que un circuito lógico CNT podía realizar un trabajo útil. [74] Los principales obstáculos para la microelectrónica basada en nanotubos incluyen la ausencia de tecnología para la producción en masa , la densidad del circuito, el posicionamiento de los contactos eléctricos individuales, la pureza de la muestra, [75] el control sobre la longitud, la quiralidad y la alineación deseada, el balance térmico y la resistencia de los contactos.
Uno de los principales desafíos fue regular la conductividad. Dependiendo de las características sutiles de la superficie, un nanotubo puede actuar como conductor o como semiconductor .
Otra forma de fabricar transistores de nanotubos de carbono ha sido utilizar redes aleatorias de ellos. [76] Al hacerlo, se promedian todas sus diferencias eléctricas y se pueden producir dispositivos a gran escala a nivel de oblea. [77] Este enfoque fue patentado por primera vez por Nanomix Inc. [78] (fecha de la solicitud original junio de 2002 [79] ). Fue publicado por primera vez en la literatura académica por el Laboratorio de Investigación Naval de los Estados Unidos en 2003 a través de un trabajo de investigación independiente. Este enfoque también permitió a Nanomix fabricar el primer transistor sobre un sustrato flexible y transparente. [80] [81]
Dado que la trayectoria libre media del electrón en los SWCNT puede exceder 1 micrómetro, los CNTFET de canal largo exhiben características de transporte casi balísticas , lo que resulta en altas velocidades. Se prevé que los dispositivos CNT funcionen en el rango de frecuencia de cientos de gigahercios. [82] [83] [84] [85] [86]
Los nanotubos se pueden cultivar sobre nanopartículas de metal magnético ( Fe , Co ) que facilita la producción de dispositivos electrónicos ( espintrónicos ). En particular, se ha demostrado en una nanoestructura de un solo tubo de este tipo el control de la corriente a través de un transistor de efecto de campo mediante un campo magnético. [87]
En 2001, investigadores de IBM demostraron cómo se pueden destruir los nanotubos metálicos, dejando nanotubos semiconductores para su uso como componentes. Utilizando la "destrucción constructiva", destruyeron los nanotubos defectuosos de la oblea . [88] Este proceso, sin embargo, sólo da control sobre las propiedades eléctricas en una escala estadística. En 2003, se informó que los transistores balísticos a temperatura ambiente con contactos metálicos óhmicos y dieléctrico de puerta de alta k mostraban entre 20 y 30 veces más corriente que los MOSFET de silicio de última generación . El paladio es un metal con alta función de trabajo que demostró tener contactos sin barrera Schottky con nanotubos semiconductores con diámetros >1,7 nm. [89]
El potencial de los nanotubos de carbono se demostró en 2003 cuando se informó sobre transistores balísticos a temperatura ambiente con contactos metálicos óhmicos y dieléctrico de puerta de alta k , que mostraban una corriente ON entre 20 y 30 veces mayor que los MOSFET de Si de última generación . Esto presentó un avance importante en el campo, ya que se demostró que el CNT supera potencialmente al Si. En ese momento, un desafío importante era la formación de contactos metálicos óhmicos. En este sentido, se demostró que el paladio , que es un metal con alta función de trabajo, presenta contactos sin barrera Schottky con nanotubos semiconductores con diámetros >1,7 nm. [90] [91]
El primer circuito de memoria integrada de nanotubos se fabricó en 2004. Uno de los principales desafíos ha sido regular la conductividad de los nanotubos. Dependiendo de las características sutiles de la superficie, un nanotubo puede actuar como un conductor simple o como un semiconductor. Sin embargo, se ha desarrollado un método totalmente automatizado para eliminar los tubos no semiconductores. [92]
En 2013, los investigadores demostraron un prototipo de computadora a escala micrométrica completo de Turing . [93] [94] [95] Aún no se han demostrado transistores de nanotubos de carbono como circuitos de puerta lógica con densidades comparables a la tecnología CMOS moderna. [ cita necesaria ]
En 2014, se utilizaron redes de nanotubos de carbono semiconductores purificados como material activo en transistores de película delgada tipo p . Fueron creados utilizando impresoras 3D que utilizan métodos de inyección de tinta o huecograbado sobre sustratos flexibles, incluidos poliimida [96] y polietileno (PET) [97] y sustratos transparentes como el vidrio. [98] Estos transistores exhiben de manera confiable altas movilidades (> 10 cm 2 V −1 s −1 ) y relaciones ON/OFF (> 1000), así como voltajes umbral por debajo de 5 V. También ofrecen densidad de corriente y bajo consumo de energía. como estabilidad ambiental y flexibilidad mecánica. Quedan por resolver la histéresis en las curvas corriente-tensión, así como la variabilidad en la tensión umbral.
En 2015, los investigadores anunciaron una nueva forma de conectar cables a SWNT que permite seguir reduciendo el ancho de los cables sin aumentar la resistencia eléctrica. Se esperaba que el avance redujera el punto de contacto entre los dos materiales a sólo 40 átomos de ancho y luego a menos. Los tubos se alinean en filas espaciadas regularmente sobre obleas de silicio. Las simulaciones indicaron que los diseños podrían optimizarse para lograr un alto rendimiento o un bajo consumo de energía. No se esperaban dispositivos comerciales hasta la década de 2020. [99]
Se pueden utilizar grandes estructuras de nanotubos de carbono para la gestión térmica de circuitos electrónicos. Se utilizó una capa de nanotubos de carbono de aproximadamente 1 mm de espesor como material especial para fabricar refrigeradores; este material tiene una densidad muy baja, aproximadamente 20 veces menos peso que una estructura de cobre similar, mientras que las propiedades de enfriamiento son similares para los dos materiales. [100]
Buckypaper tiene características apropiadas para su uso como disipador de calor para tableros de aglomerado, retroiluminación para pantallas LCD o como jaula de Faraday .
Una de las aplicaciones prometedoras de los nanotubos de carbono de pared simple (SWNT) es su uso en paneles solares, debido a sus fuertes características de absorción UV/Vis-NIR. Las investigaciones han demostrado que pueden proporcionar un aumento considerable de la eficiencia, incluso en su estado actual no optimizado. Las células solares desarrolladas en el Instituto de Tecnología de Nueva Jersey utilizan un complejo de nanotubos de carbono, formado por una mezcla de nanotubos de carbono y buckybolas de carbono (conocidas como fullerenos ) para formar estructuras con forma de serpiente. Las buckybolas atrapan electrones, pero no pueden hacer que los electrones fluyan. [101] [102] Agregue luz solar para excitar los polímeros y las buckybolas agarrarán los electrones. Los nanotubos, que se comportan como cables de cobre, podrán hacer fluir los electrones o la corriente. [103]
Se han realizado investigaciones adicionales sobre la creación de paneles solares híbridos SWNT para aumentar aún más la eficiencia. Estos híbridos se crean combinando SWNT con donantes de electrones fotoexcitables para aumentar la cantidad de electrones generados. Se ha descubierto que la interacción entre la porfirina fotoexcitada y SWNT genera pares de electro-huecos en las superficies de SWNT. Este fenómeno se ha observado experimentalmente y prácticamente contribuye a un aumento de la eficiencia de hasta el 8,5%. [104]
Los nanotubos pueden potencialmente reemplazar el óxido de indio y estaño en las células solares como una película conductora transparente en las células solares para permitir que la luz pase a las capas activas y genere fotocorriente. [105]
Los CNT en las células solares orgánicas ayudan a reducir la pérdida de energía (recombinación de portadores) y mejoran la resistencia a la fotooxidación. Es posible que algún día las tecnologías fotovoltaicas incorporen heterouniones CNT-silicio para aprovechar la generación eficiente de excitones múltiples en las uniones pn formadas dentro de CNT individuales. En el corto plazo, la energía fotovoltaica comercial podrá incorporar electrodos SWNT transparentes. [2]
Además de poder almacenar energía eléctrica, se han realizado algunas investigaciones sobre el uso de nanotubos de carbono para almacenar hidrógeno y utilizarlo como fuente de combustible. Aprovechando los efectos capilares de los pequeños nanotubos de carbono, es posible condensar gases de alta densidad dentro de nanotubos de pared simple. Esto permite que los gases, sobre todo el hidrógeno (H 2 ), se almacenen a altas densidades sin condensarse en un líquido. Potencialmente, este método de almacenamiento podría usarse en vehículos en lugar de tanques de combustible de gas para un automóvil propulsado por hidrógeno. Un problema actual en relación con los vehículos propulsados por hidrógeno es el almacenamiento del combustible a bordo. Los métodos de almacenamiento actuales implican enfriar y condensar el gas H2 a un estado líquido para su almacenamiento, lo que provoca una pérdida de energía potencial (25-45%) en comparación con la energía asociada con el estado gaseoso. El almacenamiento utilizando SWNT permitiría mantener el H2 en su estado gaseoso, aumentando así la eficiencia del almacenamiento. Este método permite una relación volumen-energía ligeramente menor que la de los vehículos actuales propulsados por gasolina, lo que permite un alcance ligeramente inferior pero comparable. [106]
Un área de controversia y experimentación frecuente con respecto al almacenamiento de hidrógeno por adsorción en nanotubos de carbono es la eficiencia con la que se produce este proceso. La eficacia del almacenamiento de hidrógeno es fundamental para su uso como fuente primaria de combustible, ya que el hidrógeno sólo contiene aproximadamente una cuarta parte de la energía por unidad de volumen que la gasolina. Sin embargo, los estudios demuestran que lo más importante es la superficie de los materiales utilizados. Por lo tanto, el carbón activado con una superficie de 2600 m2/g puede almacenar hasta un 5,8% p/p. En todos estos materiales carbonosos, el hidrógeno se almacena mediante fisisorción a 70-90 K. [107]
Un experimento [108] buscó determinar la cantidad de hidrógeno almacenado en CNT mediante el uso de análisis de detección de retroceso elástico (ERDA). Los CNT (principalmente SWNT) se sintetizaron mediante disposición química de vapor (CVD) y se sometieron a un proceso de purificación de dos etapas que incluía oxidación con aire y tratamiento con ácido, luego se formaron discos planos y uniformes y se expusieron a hidrógeno puro presurizado a varias temperaturas. Cuando se analizaron los datos, se descubrió que la capacidad de los CNT para almacenar hidrógeno disminuía a medida que aumentaba la temperatura. Además, la concentración de hidrógeno más alta medida fue ~0,18%; significativamente menor de lo que debe ser el almacenamiento de hidrógeno comercialmente viable. Un trabajo experimental separado realizado utilizando un método gravimétrico también reveló que la capacidad máxima de absorción de hidrógeno de los CNT es tan baja como el 0,2%. [109]
En otro experimento, [ cita necesaria ] CNT se sintetizaron mediante CVD y su estructura se caracterizó mediante espectroscopía Raman . Utilizando digestión por microondas , las muestras se expusieron a diferentes concentraciones de ácido y diferentes temperaturas durante varios períodos de tiempo en un intento de encontrar el método de purificación óptimo para los SWNT del diámetro determinado anteriormente. Luego, las muestras purificadas se expusieron a gas hidrógeno a varias presiones altas y se representó gráficamente su adsorción en porcentaje en peso. Los datos mostraron que son posibles niveles de adsorción de hidrógeno de hasta el 3,7% con una muestra muy pura y en las condiciones adecuadas. Se cree que la digestión por microondas ayuda a mejorar la capacidad de adsorción de hidrógeno de los CNT al abrir los extremos, permitiendo el acceso a las cavidades internas de los nanotubos.
El mayor obstáculo para el almacenamiento eficiente de hidrógeno mediante CNT es la pureza de los nanotubos. Para lograr la máxima adsorción de hidrógeno, debe haber un mínimo de grafeno , carbono amorfo y depósitos metálicos en la muestra de nanotubos. Los métodos actuales de síntesis de CNT requieren un paso de purificación. Sin embargo, incluso con nanotubos puros, la capacidad de adsorción sólo se maximiza bajo altas presiones, lo que no es deseable en los tanques de combustible comerciales.
Varias empresas están desarrollando nanobuds y películas CNT transparentes y conductoras de electricidad para sustituir el óxido de indio y estaño (ITO) en pantallas LCD, pantallas táctiles y dispositivos fotovoltaicos. Las películas de nanotubos son prometedoras para su uso en pantallas de computadoras, teléfonos celulares, asistentes digitales personales y cajeros automáticos . [110] Los diodos CNT muestran un efecto fotovoltaico .
Los nanotubos de paredes múltiples ( MWNT recubiertos con magnetita ) pueden generar fuertes campos magnéticos. Avances recientes muestran que los MWNT decorados con nanopartículas de maghemita pueden orientarse en un campo magnético [111] y mejorar las propiedades eléctricas del material compuesto en la dirección del campo para su uso en escobillas de motores eléctricos . [112]
Una capa de nanotubos de pared simple ( SWNT ) enriquecidos con hierro al 29% colocada encima de una capa de material explosivo como PETN se puede encender con el flash de una cámara normal. [113]
Los CNT se pueden utilizar como cañones de electrones en tubos de rayos catódicos (CRT) en miniatura en pantallas de alto brillo, baja energía y peso. Una pantalla consistiría en un grupo de pequeños CRT, cada uno de los cuales proporcionaría los electrones para iluminar el fósforo de un píxel , en lugar de tener un CRT cuyos electrones se dirijan utilizando campos eléctricos y magnéticos . Estas pantallas se conocen como pantallas de emisiones de campo (FED).
Los CNT pueden actuar como antenas para radios y otros dispositivos electromagnéticos . [114]
Los CNT conductores se utilizan en escobillas para motores eléctricos comerciales. Sustituyen al tradicional negro de carbón . Los nanotubos mejoran la conductividad eléctrica y térmica porque se extienden a través de la matriz plástica del cepillo. Esto permite reducir el relleno de carbón del 30% al 3,6%, de modo que haya más matriz presente en el cepillo. Las escobillas de motor compuestas de nanotubos están mejor lubricadas (a partir de la matriz), funcionan a menor temperatura (tanto por una mejor lubricación como por una conductividad térmica superior), menos quebradizas (más matriz y refuerzo de fibra), más fuertes y moldeables con mayor precisión (más matriz). Dado que las escobillas son un punto crítico de falla en los motores eléctricos y además no necesitan mucho material, se volvieron económicas antes que casi cualquier otra aplicación.
Los cables para transportar corriente eléctrica se pueden fabricar a partir de nanotubos y compuestos de nanotubos y polímeros. Se han fabricado pequeños cables con una conductividad específica superior al cobre y al aluminio; [115] [116] los cables no metálicos de mayor conductividad.
Los CNT están bajo investigación como alternativa a los filamentos de tungsteno en bombillas incandescentes .
Los nanotubos de carbono metálicos han despertado interés en la investigación por su aplicabilidad como interconexiones de integración a muy gran escala (VLSI) debido a su alta estabilidad térmica , alta conductividad térmica y gran capacidad de carga de corriente . [117] [118] [119] [120] [121] [122] Un CNT aislado puede transportar densidades de corriente superiores a 1000 MA/cm 2 sin sufrir daños incluso a una temperatura elevada de 250 °C (482 °F), eliminando las preocupaciones sobre la confiabilidad de la electromigración que afectan a las interconexiones de Cu . [123] Un trabajo de modelado reciente que compara los dos ha demostrado que las interconexiones de paquetes de CNT pueden ofrecer potencialmente ventajas sobre el cobre. [124] [123] Experimentos recientes demostraron resistencias tan bajas como 20 ohmios utilizando diferentes arquitecturas, [125] se demostró que las mediciones de conductancia detalladas en un amplio rango de temperaturas concuerdan con la teoría para un conductor cuasi unidimensional fuertemente desordenado.
Las interconexiones híbridas que emplean vías CNT junto con interconexiones de cobre pueden ofrecer ventajas desde una perspectiva de confiabilidad/gestión térmica. [126] En 2016, la Unión Europea financió un proyecto de cuatro millones de euros durante tres años para evaluar la capacidad de fabricación y el rendimiento de interconexiones compuestas que emplean interconexiones de CNT y cobre. El proyecto denominado CONNECT (CarbON Nanotube compositE InterconneCTs) [127] involucra los esfuerzos conjuntos de siete socios europeos de investigación e industria en técnicas y procesos de fabricación para permitir nanotubos de carbono confiables para interconexiones en chips en la producción de microchips ULSI.
Los cables para transportar corriente eléctrica se pueden fabricar a partir de nanotubos puros y compuestos de nanotubos y polímeros. Ya se ha demostrado que los cables de nanotubos de carbono se pueden utilizar con éxito para la transmisión de energía o datos. [128] Recientemente se han fabricado pequeños cables con una conductividad específica superior al cobre y al aluminio; [129] [130] estos cables son los nanotubos de carbono de mayor conductividad y también cables no metálicos de mayor conductividad. Recientemente, se ha demostrado que los compuestos de nanotubos de carbono y cobre exhiben una capacidad de transporte de corriente casi cien veces mayor que el cobre o el oro puro. [131] Significativamente, la conductividad eléctrica de dicho compuesto es similar a la del Cu puro. Por lo tanto, este compuesto de nanotubos de carbono y cobre (CNT-Cu) posee la mayor capacidad de transporte de corriente observada entre los conductores eléctricos. Así, para una sección transversal determinada de conductor eléctrico, el compuesto CNT-Cu puede soportar y transportar una corriente cien veces mayor en comparación con metales como el cobre y el oro.
El uso de CNT como soporte de catalizador en pilas de combustible puede reducir potencialmente el uso de platino en un 60% en comparación con el negro de humo. Los CNT dopados pueden permitir la eliminación completa de Pt. [2]
El Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT utiliza nanotubos para mejorar los supercondensadores . El carbón activado utilizado en los ultracondensadores convencionales tiene muchos espacios huecos pequeños de varios tamaños, que crean en conjunto una gran superficie para almacenar carga eléctrica. Pero como la carga se cuantifica en cargas elementales, es decir, electrones, y cada una de esas cargas elementales necesita un espacio mínimo, una fracción significativa de la superficie del electrodo no está disponible para almacenamiento porque los espacios huecos no son compatibles con los requisitos de la carga. Con un electrodo de nanotubos, los espacios pueden adaptarse al tamaño (algunos son demasiado grandes o demasiado pequeños) y, en consecuencia, la capacidad debe aumentarse considerablemente. [132]
Un supercondensador de 40 F con un voltaje máximo de 3,5 V que empleó SWNT cultivados en bosques sin aglutinantes ni aditivos logró una densidad de energía de 15,6 Wh kg -1 y una densidad de potencia de 37 kW kg -1 . [133] Los CNT se pueden unir a las placas de carga de los condensadores para aumentar drásticamente el área de superficie y, por lo tanto, la densidad de energía . [2]
Las interesantes propiedades electrónicas de los nanotubos de carbono (CNT) se han mostrado prometedoras en el campo de las baterías, donde normalmente se experimentan como un nuevo material para electrodos, en particular el ánodo de las baterías de iones de litio. [134] Esto se debe al hecho de que el ánodo requiere una capacidad reversible relativamente alta a un potencial cercano al litio metálico, y una capacidad irreversible moderada, observada hasta ahora sólo por compuestos a base de grafito, como los CNT. Se ha demostrado que mejoran enormemente la capacidad y la ciclabilidad de las baterías de iones de litio , así como la capacidad de ser componentes de amortiguación muy eficaces, aliviando la degradación de las baterías que normalmente se debe a cargas y descargas repetidas. Además, el transporte electrónico en el ánodo se puede mejorar enormemente utilizando CNT altamente metálicos. [135]
Más específicamente, los CNT han mostrado capacidades reversibles de 300 a 600 mAhg −1 , y algunos tratamientos muestran que estos números aumentan hasta 1000 mAhg −1 . [136] Mientras tanto, el grafito , que se utiliza más ampliamente como material anódico para estas baterías de litio, ha mostrado capacidades de sólo 320 mAhg −1 . Al crear compuestos a partir de CNT, los científicos ven mucho potencial para aprovechar estas capacidades excepcionales, así como su excelente resistencia mecánica, conductividades y bajas densidades. [135]
Los MWNT se utilizan en cátodos de baterías de iones de litio . [137] [138] En estas baterías, se mezclan pequeñas cantidades de polvo MWNT con materiales activos y un aglutinante polimérico, como una carga de CNT del 1 % en peso en LiCoO.
2 cátodos y ánodos de grafito . Los CNT proporcionan una mayor conectividad eléctrica e integridad mecánica, lo que mejora la capacidad de velocidad y el ciclo de vida. [2]
Una batería de papel es una batería diseñada para utilizar una fina lámina de celulosa (que es el componente principal del papel normal, entre otras cosas) infundida con nanotubos de carbono alineados. [139] El potencial de estos dispositivos es grande, ya que pueden fabricarse mediante un proceso de rollo a rollo , [137] lo que los haría muy económicos y serían livianos, flexibles y delgados. Para poder utilizar de manera productiva la electrónica de papel (o cualquier dispositivo electrónico delgado), la fuente de energía debe ser igualmente delgada, lo que indica la necesidad de baterías de papel. Recientemente, se ha demostrado que las superficies recubiertas con CNT pueden usarse para reemplazar los metales pesados en las baterías. [140] Más recientemente, se han demostrado baterías de papel funcionales, en las que una batería de iones de litio se integra en una sola hoja de papel mediante un proceso de laminación como un compuesto con Li4Ti5O12 (LTO) o LiCoO2 (LCO). El sustrato de papel funcionaría bien como separador de la batería, donde las películas de CNT funcionan como colectores de corriente tanto para el ánodo como para el cátodo. Estos dispositivos de energía recargable muestran potencial en etiquetas RFID , embalajes funcionales o nuevas aplicaciones electrónicas desechables. [141]
También se han demostrado mejoras en las baterías de plomo-ácido, según una investigación realizada por la Universidad Bar-Ilan utilizando SWCNT de alta calidad fabricado por OCSiAl . El estudio demostró un aumento de 4,5 veces la vida útil de las baterías de plomo-ácido y un aumento de capacidad del 30% en promedio y hasta el 200% con altas tasas de descarga. [142] [143]
El CNT se puede utilizar para el transporte de agua y la desalinización . Las moléculas de agua se pueden separar de la sal forzándolas a través de redes de nanotubos electroquímicamente robustas con porosidad a nanoescala controlada. Este proceso requiere presiones mucho más bajas que los métodos convencionales de ósmosis inversa . En comparación con una membrana simple, funciona a una temperatura 20 °C más baja y a un caudal 6 veces mayor. [144] Las membranas que utilizan CNT encapsulados y alineados con extremos abiertos permiten el flujo a través del interior de los CNT. Se necesitan SWNT de muy pequeño diámetro para rechazar la sal en concentraciones de agua de mar. Los filtros portátiles que contienen mallas de CNT pueden purificar el agua potable contaminada. Estas redes pueden oxidar electroquímicamente contaminantes orgánicos, bacterias y virus. [2]
Las membranas CNT pueden filtrar el dióxido de carbono de las emisiones de las centrales eléctricas. [ cita necesaria ]
"CNT se puede llenar con moléculas biológicas, lo que ayuda a la biotecnología ". [ cita necesaria ]
Los CNT tienen el potencial de almacenar entre 4,2 y 65% de hidrógeno en peso. Si se pueden producir en masa de forma económica, 13,2 litros (2,9 imp gal; 3,5 gal EE.UU.) de CNT podrían contener la misma cantidad de energía que un tanque de gasolina de 50 litros (11 imp gal; 13 gal EE.UU.). [ cita necesaria ]
Los CNT se pueden utilizar para producir nanocables de otros elementos/moléculas, como oro u óxido de zinc . Los nanocables a su vez pueden usarse para fundir nanotubos de otros materiales, como el nitruro de galio . Estos pueden tener propiedades muy diferentes a las de los CNT; por ejemplo, los nanotubos de nitruro de galio son hidrófilos , mientras que los CNT son hidrófobos , lo que les da posibles usos en química orgánica.
Los osciladores basados en CNT han alcanzado velocidades de > 50 GHz .
Las propiedades eléctricas y mecánicas de los CNT los sugieren como alternativas a los actuadores eléctricos tradicionales. [ cita necesaria ]
Las excepcionales propiedades eléctricas y mecánicas de los nanotubos de carbono los han convertido en alternativas a los actuadores eléctricos tradicionales para aplicaciones microscópicas y macroscópicas. Los nanotubos de carbono son muy buenos conductores tanto de la electricidad como del calor, y además son moléculas muy fuertes y elásticas en determinadas direcciones.
Los nanotubos de carbono también se han aplicado en la acústica (como altavoces y auriculares). En 2008 se demostró que una lámina de nanotubos puede funcionar como altavoz si se le aplica corriente alterna. El sonido no se produce por vibración sino termoacústicamente . [145] [146] En 2013, un grupo de investigación del Centro de Investigación de Nanotecnología Tsinghua-Foxconn de la Universidad de Tsinghua demostró un auricular termoacústico de hilo fino de nanotubos de carbono (CNT) junto con un chip termoacústico de hilo fino de CNT, [147] utilizando un Si- Proceso de fabricación compatible con tecnología semiconductora.
Los usos comerciales a corto plazo incluyen la sustitución de altavoces piezoeléctricos en tarjetas de felicitación . [148]
Una esponja nanoestructurada de CNT (nanosesponja) que contiene azufre y hierro es más eficaz para absorber contaminantes del agua como aceite, fertilizantes, pesticidas y productos farmacéuticos. Sus propiedades magnéticas los hacen más fáciles de recuperar una vez finalizado el trabajo de limpieza. El azufre y el hierro aumentan el tamaño de la esponja a alrededor de 2 centímetros (0,79 pulgadas). También aumenta la porosidad debido a defectos beneficiosos, creando flotabilidad y reutilización. El hierro, en forma de ferroceno, facilita el control de la estructura y permite su recuperación mediante imanes. Estas nanoesponjas aumentan 3,5 veces la absorción del disolvente orgánico tóxico diclorobenceno del agua. Las esponjas pueden absorber aceite vegetal hasta 150 veces su peso inicial y también pueden absorber aceite de motor . [154] [155]
Anteriormente, se utilizó una nanoesponja MWNT magnética dopada con boro que podría absorber aceite del agua. La esponja se cultivó como un bosque sobre un sustrato mediante disposición química de vapor. El boro forma curvas y codos en los tubos a medida que crecen y promueve la formación de enlaces covalentes . Las nanoesponjas conservan su propiedad elástica después de 10.000 compresiones en el laboratorio. Las esponjas son superhidrófobas , lo que las obliga a permanecer en la superficie del agua, y oleófilas, atrayendo petróleo hacia ellas. [156] [157]
Se ha demostrado que los nanotubos de carbono exhiben fuertes afinidades de adsorción hacia una amplia gama de contaminantes aromáticos y alifáticos en el agua, [158] [159] [160] debido a sus grandes superficies hidrofóbicas. También mostraron capacidades de adsorción similares a las de los carbones activados en presencia de materia orgánica natural. [161] Como resultado, se han sugerido como adsorbentes prometedores para la eliminación de contaminantes en sistemas de tratamiento de agua y aguas residuales.
Además, se han sugerido membranas hechas de matrices de nanotubos de carbono como tamices moleculares conmutables , con características de tamizado y permeación que pueden activarse/desactivarse dinámicamente mediante la distribución del tamaño de los poros (control pasivo) o campos electrostáticos externos (control activo). [162]
Los nanotubos de carbono se han implementado en sistemas nanoelectromecánicos, incluidos elementos de memoria mecánica ( NRAM desarrollado por Nantero Inc. ) y motores eléctricos a nanoescala (ver Nanomotor o nanomotor de nanotubos ).
Los nanotubos de carbono de pared simple modificados con carboxilo (llamados en zig-zag, tipo sillón) pueden actuar como sensores de átomos e iones de metales alcalinos Na, Li, K. [163] En mayo de 2005, Nanomix Inc. lanzó al mercado un Sensor de hidrógeno que integra nanotubos de carbono en una plataforma de silicio.
Eikos Inc de Franklin , Massachusetts y Unidym Inc. de Silicon Valley , California, están desarrollando películas transparentes y eléctricamente conductoras de nanotubos de carbono para reemplazar el óxido de indio y estaño (ITO). Las películas de nanotubos de carbono son sustancialmente más robustas mecánicamente que las películas de ITO, lo que las hace ideales para pantallas táctiles y flexibles de alta confiabilidad . Se desean tintas imprimibles a base de agua de nanotubos de carbono para permitir la producción de estas películas que reemplacen al ITO. [164] Las películas de nanotubos son prometedoras para su uso en pantallas de computadoras, teléfonos celulares, PDA y cajeros automáticos .
En 2007 se demostró una nanoradio , un receptor de radio que consta de un solo nanotubo.
Tsagarakis propuso el uso en sensores de tensión de tracción o de gases tóxicos. [165]
Un volante hecho de nanotubos de carbono podría girar a una velocidad extremadamente alta sobre un eje magnético flotante en el vacío y potencialmente almacenar energía con una densidad cercana a la de los combustibles fósiles convencionales. Dado que se puede agregar y eliminar energía de los volantes de inercia de manera muy eficiente en forma de electricidad, esto podría ofrecer una forma de almacenar electricidad , haciendo que la red eléctrica sea más eficiente y que los proveedores de energía variable (como las turbinas eólicas) sean más útiles para satisfacer las necesidades energéticas. La viabilidad de esto depende en gran medida del costo de fabricar estructuras de nanotubos masivas e ininterrumpidas y de su tasa de falla bajo tensión.
Los resortes de nanotubos de carbono tienen el potencial de almacenar indefinidamente energía potencial elástica a diez veces la densidad de las baterías de iones de litio con velocidades de carga y descarga flexibles y una durabilidad cíclica extremadamente alta.
Los SWNT ultracortos (tubos estadounidenses) se han utilizado como cápsulas a nanoescala para administrar agentes de contraste para resonancia magnética in vivo. [166]
Los nanotubos de carbono ofrecen un cierto potencial para la catálisis sin metales de reacciones orgánicas e inorgánicas. Por ejemplo, los grupos de oxígeno adheridos a la superficie de los nanotubos de carbono tienen el potencial de catalizar deshidrogenaciones oxidativas [167] u oxidaciones selectivas . [168] Los nanotubos de carbono dopados con nitrógeno pueden reemplazar los catalizadores de platino utilizados para reducir el oxígeno en las pilas de combustible . Un bosque de nanotubos alineados verticalmente puede reducir el oxígeno en una solución alcalina de manera más efectiva que el platino, que se ha utilizado en este tipo de aplicaciones desde la década de 1960. En este caso, los nanotubos tienen la ventaja adicional de no estar sujetos a intoxicación por monóxido de carbono. [169]
Los ingenieros de la Universidad Wake Forest están utilizando nanotubos de carbono de paredes múltiples para mejorar el brillo de la tecnología electroluminiscente de polímeros inducida por campo , ofreciendo potencialmente un paso adelante en la búsqueda de una iluminación segura, agradable y de alta eficiencia. En esta tecnología, la matriz polimérica moldeable emite luz cuando se expone a una corriente eléctrica. Con el tiempo, podría producir luces de alta eficiencia sin el vapor de mercurio de las lámparas fluorescentes compactas o el tinte azulado de algunos fluorescentes y LED, que se ha relacionado con la alteración del ritmo circadiano. [170]
Candida albicans se ha utilizado en combinación con nanotubos de carbono (CNT) para producir materiales tisulares bionanocompuestos eléctricamente conductores estables que se han utilizado como elementos sensores de temperatura. [171]
La empresa de producción de SWNT, OCSiAl, desarrolló una serie de masterbatches para uso industrial de CNT de pared simple en múltiples tipos de mezclas de caucho y neumáticos, y las pruebas iniciales mostraron aumentos en la dureza, la viscosidad, la resistencia a la tensión de tracción y la resistencia a la abrasión, al tiempo que se reduce el alargamiento y la compresión . 172] En los neumáticos, las tres características principales: durabilidad, eficiencia de combustible y tracción se mejoraron utilizando SWNT. El desarrollo de masterbatches de caucho se basó en trabajos anteriores del Instituto Nacional Japonés de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada que muestran que el caucho es un candidato viable para mejorar con SWNT. [173]
La introducción de MWNT en los polímeros puede mejorar la retardación de la llama y retardar la degradación térmica del polímero. [174] Los resultados confirmaron que la combinación de MWNT y polifosfatos de amonio muestra un efecto sinérgico para mejorar el retardo de llama. [175]
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