Nanofibras de carbono regulares.Nanofibra de carbono en copas apiladas: micrografía electrónica (izquierda) y modelo (derecha). [1]
Las nanofibras de carbono ( CNF ), las fibras de carbono cultivadas con vapor (VGCF) o las nanofibras de carbono cultivadas con vapor (VGCNF) son nanoestructuras cilíndricas con capas de grafeno dispuestas como conos , copas o platos apilados . Las nanofibras de carbono con capas de grafeno envueltas en cilindros perfectos se llaman nanotubos de carbono .
La deposición química catalítica de vapor (CCVD) o simplemente CVD con variantes como térmica y asistida por plasma es la técnica comercial dominante para la fabricación de VGCF y VGCNF. Aquí, las moléculas en fase gaseosa se descomponen a altas temperaturas y el carbono se deposita en presencia de un catalizador de metal de transición sobre un sustrato donde se realiza el crecimiento posterior de la fibra alrededor de las partículas del catalizador. En general, este proceso implica etapas separadas, como descomposición de gas, deposición de carbono, crecimiento de fibras, espesamiento de fibras, grafitización y purificación, y da como resultado fibras huecas. El diámetro de las nanofibras depende del tamaño del catalizador. El proceso CVD para la fabricación de VGCF generalmente se divide en dos categorías: [5] 1) proceso de catalizador fijo (por lotes) y 2) proceso de catalizador flotante (continuo).
En el proceso discontinuo desarrollado por Tibbetts, [6] se pasó una mezcla de hidrocarburo/hidrógeno/helio sobre una mullita (silicato de aluminio cristalino) con depósitos finos de partículas de catalizador de hierro mantenidos a 1000 °C. Como hidrocarburo se utilizó metano en una concentración del 15% en volumen. El crecimiento de la fibra de varios centímetros se logró en sólo 10 minutos con un tiempo de residencia del gas de 20 segundos. En general, la longitud de la fibra puede controlarse mediante el tiempo de residencia del gas en el reactor. La gravedad y la dirección del flujo de gas normalmente afectan la dirección del crecimiento de la fibra. [5]
El proceso de catalizador continuo o flotante fue patentado anteriormente por Koyama y Endo [7] y luego modificado por Hatano y colaboradores. [8] Este proceso generalmente produce VGCF con diámetros submicrométricos y longitudes de unos pocos a 100 μm , lo que concuerda con la definición de nanofibras de carbono. Utilizaron compuestos organometálicos disueltos en un disolvente volátil como el benceno que producirían una mezcla de partículas de catalizador ultrafinas (de 5 a 25 nm de diámetro) en gas hidrocarburo a medida que la temperatura aumentaba a 1100 °C. En el horno, el crecimiento de la fibra se inicia en la superficie de las partículas del catalizador y continúa hasta que se produce el envenenamiento del catalizador por impurezas en el sistema. En el mecanismo de crecimiento de la fibra descrito por Baker y colaboradores, [9] sólo la parte de la partícula de catalizador expuesta a la mezcla de gases contribuye al crecimiento de la fibra y el crecimiento se detiene tan pronto como se cubre la parte expuesta, es decir, el catalizador está envenenado. La partícula de catalizador permanece enterrada en la punta de crecimiento de la fibra en una concentración final de aproximadamente unas pocas partes por millón. En esta etapa se produce el espesamiento de las fibras. [ cita necesaria ]
En 2017, un grupo de investigación de la Universidad de Tsinghua informó sobre el crecimiento epitixial de nanofibras de carbono alineadas, continuas y sin catalizador a partir de una plantilla de nanotubos de carbono . El proceso de fabricación incluye el espesamiento de películas continuas de nanotubos de carbono mediante deposición pirolítica de carbono en fase gaseosa y una mayor grafitización de la capa de carbono mediante tratamiento a alta temperatura. Debido al mecanismo de crecimiento epitaxial, la fibra presenta propiedades superiores que incluyen baja densidad, alta resistencia mecánica, alta conductividad eléctrica y alta conductividad térmica. [12]
Seguridad
La Ley de Salud y Seguridad Ocupacional (Estados Unidos) (1970) fue una fuerza impulsora detrás de muchos de los cambios realizados en materia de seguridad en el lugar de trabajo durante las últimas décadas. Un pequeño grupo de las numerosas sustancias que serán reguladas por esta ley son las nanofibras de carbono (CNF). Si bien sigue siendo un área de investigación activa, se han realizado estudios que indican riesgos para la salud asociados con los nanotubos de carbono (CNT) y CNF que plantean mayores peligros que sus homólogos a granel. Uno de los principales peligros asociados con CNT y CNF es el daño respiratorio, como inflamación pulmonar, granuloma y fibrosis. Sin embargo, es importante señalar que estos hallazgos se observaron en ratones y que actualmente se desconoce si se observarían los mismos efectos en humanos. Sin embargo, estos estudios han dado lugar a un intento de minimizar la exposición a estas nanopartículas . [13]
Un estudio separado realizado antes de la reunión anual de la Sociedad de Toxicología de 2013 tuvo como objetivo identificar posibles efectos cancerígenos asociados con los nanotubos de carbono de paredes múltiples (MWCNT). Los hallazgos indicaron que, en presencia de una sustancia química iniciadora, los MWCNT causaron una incidencia mucho mayor de tumores en ratones. Sin embargo, no hubo indicios de una mayor presencia de tumores en ausencia del químico iniciador. Se necesitan más estudios para este escenario. [13]
Uno de los principales obstáculos para identificar los peligros asociados con la CNF es la diversidad de fibras que existen. Algunos de los factores que contribuyen a esta diversidad incluyen la forma, el tamaño y la composición química. Una norma de exposición (2015) establece que el límite aceptable para la exposición a CNT y CNF es 1 μg/m 3 de carbono elemental de fracción de tamaño respirable (promedio ponderado en el tiempo de 8 horas). Este estándar se basó en información recopilada de 14 sitios cuyas muestras fueron analizadas mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM). [14]
Una hoja de datos de seguridad (SDS) reciente para CNF (revisada en 2016) enumera las nanofibras como irritantes para los ojos y afirma que tienen toxicidad para los órganos del sistema respiratorio de una sola exposición. Los CNF más pequeños tienen un mayor potencial para formar nubes de polvo durante su manipulación. Por ello, se debe tener mucho cuidado al manipular CNF. El equipo de protección personal (PPE) recomendado para manipular CNF incluye guantes de nitrilo, respiradores para partículas y ropa impermeable a nanomateriales (dependiendo de las condiciones del lugar de trabajo). Además de los controles de exposición mientras se trabaja con el CNF, las condiciones de almacenamiento seguro también son importantes para minimizar el riesgo asociado con el CNF. El almacenamiento seguro de CNF implica almacenar las fibras lejos de agentes oxidantes y llamas abiertas. En condiciones de incendio, los CNF forman productos de descomposición peligrosos, aunque actualmente se desconoce la naturaleza exacta de estos productos de descomposición. Aparte de la carcinogenicidad y la toxicidad en órganos, los datos toxicológicos sobre el CNF son actualmente bastante limitados. [15]
Aplicaciones
Los investigadores están utilizando nanofibras para administrar fármacos terapéuticos. Han desarrollado un material elástico que está incrustado con nanofibras de carbono en forma de agujas. El material está destinado a ser utilizado como globos que se insertan junto al tejido enfermo y luego se inflan. Cuando se infla el globo de carbono, las nanofibras penetran en las células enfermas y administran fármacos terapéuticos. Investigadores del MIT han utilizado nanofibras de carbono para fabricar electrodos de baterías de iones de litio que muestran cuatro veces la capacidad de almacenamiento de las baterías de iones de litio actuales . Los investigadores están utilizando nanofibras para fabricar sensores que cambian de color a medida que absorben vapores químicos. Planean utilizar estos sensores para mostrar cuándo se satura el material absorbente de una máscara de gas. [dieciséis]
La estructura única de estas nanofibras de carbono porosas dio como resultado un buen rendimiento electroquímico, como una alta capacidad reversible y una buena estabilidad del ciclo, cuando se usaron como ánodos para baterías recargables de iones de litio . [17]
Un mayor desarrollo del mercado dependerá de la disponibilidad de material a precios razonables. Hemos logrado capacidades de producción a granel de nanofibras de carbono (CNF) de alta pureza a bajo costo mediante un proceso de deposición química catalítica de vapor (CCVD). [4]
A diferencia de la síntesis catalítica, el electrohilado de poliacrilonitrilo (PAN) seguido de estabilización y carbonización se ha convertido en una ruta sencilla y conveniente para producir nanofibras de carbono continuas. [18]
La emisión de electrones de campo (también conocida como emisión de campo (FE) y emisión de campo de electrones) es la emisión de electrones inducida por un campo electrostático. El contexto más común es la emisión de campo desde una superficie sólida al vacío. Sin embargo, la emisión de campo puede tener lugar desde superficies sólidas o líquidas, al vacío, al aire, a un fluido o a cualquier dieléctrico no conductor o débilmente conductor. La promoción de electrones inducida por el campo desde la banda de valencia a la de conducción de los semiconductores (el efecto Zener) también puede considerarse como una forma de emisión de campo. [19]
La microscopía de sonda de barrido (SPM) es una rama de la microscopía que forma imágenes de superficies utilizando una sonda física que escanea la muestra. [20]
La impalefección es un método de administración de genes que utiliza nanomateriales, como nanofibras de carbono, nanotubos de carbono y nanocables. Las nanoestructuras en forma de agujas se sintetizan perpendicularmente a la superficie de un sustrato. El ADN plasmídico que contiene el gen, destinado a la administración intracelular, está adherido a la superficie de la nanoestructura. Luego se presiona un chip con series de estas agujas contra las células o el tejido. Las células empaladas por nanoestructuras pueden expresar los genes entregados. [21]
Para materiales de electrodos [22]
Remediación de derrames de petróleo
Remediación de derrames de petróleo: El proceso para la fabricación de un material compuesto de carbono-carbono comprende las etapas de tratar un material portador carbonoso con un material catalizador que contiene metal. El metal es capaz de formar estructuras de carbono de tamaño nanométrico y hacer crecer estructuras de carbono de tamaño nanométrico mediante un método de deposición química de vapor sobre el portador tratado en una atmósfera de gas que comprende un gas que contiene carbono, seguido de un paso opcional de modificación de la superficie. Este proceso permite optimizar la porosidad, las propiedades hidrodinámicas y la química de la superficie de forma independiente entre sí, lo que es particularmente beneficioso con respecto al uso del compuesto para la purificación de agua. Los compuestos a base de negro de humo son particularmente útiles para aplicaciones de relleno. [23]
Historia
Uno de los primeros registros técnicos sobre las nanofibras de carbono es probablemente una patente de 1889 sobre la síntesis de carbono filamentoso de Hughes y Chambers. [24] Utilizaron una mezcla gaseosa de metano/hidrógeno y cultivaron filamentos de carbono mediante pirólisis de gas y la posterior deposición de carbono y crecimiento de filamentos. La verdadera apreciación de estas fibras, sin embargo, llegó mucho más tarde cuando se pudo analizar su estructura mediante microscopía electrónica . [2] Las primeras observaciones de nanofibras de carbono con microscopía electrónica fueron realizadas a principios de la década de 1950 por los científicos soviéticos Radushkevich y Lukyanovich, quienes publicaron un artículo en el Revista Soviética de Química Física que mostraba fibras de carbono grafíticas huecas de 50 nanómetros de diámetro. [25] A principios de la década de 1970, los investigadores japoneses Morinobu Endo , ahora director del Instituto de Ciencia y Tecnología del Carbono de la Universidad Shinshu , informaron del descubrimiento de nanofibras de carbono, y algunas tenían forma de tubos huecos. [26] También logró fabricar VGCF con un diámetro de 1 μm y una longitud superior a 1 mm. [27] Posteriormente, a principios de la década de 1980, Tibbetts [6] en EE. UU. y Benissad [28] en Francia continuaron perfeccionando el proceso de fabricación de VGCF. En Estados Unidos, los estudios más profundos centrados en la síntesis y propiedades de estos materiales para aplicaciones avanzadas estuvieron a cargo de R. Terry K. Baker. [ cita necesaria ] Fueron motivados por la necesidad de inhibir el crecimiento de nanofibras de carbono debido a los problemas persistentes causados por la acumulación del material en una variedad de procesos comerciales, especialmente en el campo particular del procesamiento de petróleo. En 1991, los investigadores japoneses Sumio Iijima , mientras trabajaban en NEC , sintetizaron moléculas huecas de carbono y determinaron su estructura cristalina. Al año siguiente, estas moléculas fueron denominadas por primera vez " nanotubos de carbono ". [29] El VGCNF se produce esencialmente mediante el mismo proceso de fabricación que el VGCF, sólo que el diámetro suele ser inferior a 200 nm. Varias empresas de todo el mundo participan activamente en la producción a escala comercial de nanofibras de carbono y se están desarrollando intensamente nuevas aplicaciones de ingeniería para estos materiales, la última de las cuales es un compuesto poroso que contiene nanofibras de carbono para la remediación de derrames de petróleo. [30]
Impalefección , un método de transfección celular utilizando nanofibras de carbono
Referencias
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