Nanofibras de carbono regulares.Nanofibras de carbono apiladas: micrografía electrónica (izquierda) y modelo (derecha). [1]
Las nanofibras de carbono ( CNF ), fibras de carbono cultivadas en vapor (VGCF) o nanofibras de carbono cultivadas en vapor (VGCNF) son nanoestructuras cilíndricas con capas de grafeno dispuestas como conos , copas o placas apiladas. Las nanofibras de carbono con capas de grafeno envueltas en cilindros perfectos se denominan nanotubos de carbono .
La deposición química en fase de vapor catalítica (CCVD) o simplemente CVD con variantes como la térmica y la 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 la descomposición del gas, la deposición de carbono, el crecimiento de la fibra, el engrosamiento de la fibra, la grafitización y la purificación y da como resultado fibras huecas. El diámetro de la nanofibra depende del tamaño del catalizador. El proceso de CVD para la fabricación de VGCF generalmente se divide en dos categorías: [5] 1) proceso de catalizador fijo (lote), y 2) proceso de catalizador flotante (continuo).
En el proceso por lotes desarrollado por Tibbetts, [6] se pasó una mezcla de hidrocarburo/hidrógeno/helio sobre una mullita (silicato de aluminio cristalino) con depósitos de partículas de catalizador de hierro finos mantenidos a 1000 °C. El hidrocarburo utilizado fue metano en una concentración del 15% en volumen. El crecimiento de la fibra en varios centímetros se logró en solo 10 minutos con un tiempo de residencia del gas de 20 segundos. En general, la longitud de la fibra se puede controlar mediante el tiempo de residencia del gas en el reactor. La gravedad y la dirección del flujo de gas generalmente 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 fue 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 solvente volátil como el benceno que produciría una mezcla de partículas de catalizador ultrafinas (5-25 nm de diámetro) en gas de 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 un envenenamiento del catalizador por impurezas en el sistema. En el mecanismo de crecimiento de la fibra descrito por Baker y colaboradores, [9] solo la parte de la partícula del catalizador expuesta a la mezcla de gases contribuye al crecimiento de la fibra y el crecimiento se detiene tan pronto como la parte expuesta se cubre, es decir, el catalizador se envenena. La partícula del catalizador permanece enterrada en la punta de crecimiento de la fibra a una concentración final de aproximadamente unas pocas partes por millón. En esta etapa se produce el engrosamiento de las fibras. [ cita requerida ]
El catalizador más comúnmente utilizado es el hierro , a menudo tratado con azufre , sulfuro de hidrógeno , etc. para reducir el punto de fusión y facilitar su penetración en los poros del carbono y, por lo tanto, producir más sitios de crecimiento. [2] Fe/Ni, Ni, Co, Mn, Cu, V, Cr, Mo, Pd, MgO y Al2O3 también se utilizan como catalizadores. [10] [11] El acetileno , el etileno , el metano , el gas natural y el benceno son los gases carbonosos más utilizados. A menudo, se introduce monóxido de carbono (CO) en el flujo de gas para aumentar el rendimiento de carbono a través de la reducción de posibles óxidos de hierro en el sistema. [ cita requerida ]
En 2017, un grupo de investigación de la Universidad de Tsinghua informó sobre el crecimiento epitaxial de nanofibras de carbono alineadas, continuas y sin catalizador a partir de una plantilla de nanotubos de carbono . El proceso de fabricación incluye el engrosamiento de películas de nanotubos de carbono continuos mediante deposición pirolítica de carbono en fase gaseosa y una mayor grafitización de la capa de carbono mediante un 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 Seguridad y Salud 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 se regularán por esta ley son las nanofibras de carbono (CNF). Si bien todavía es un área activa de investigación, se han realizado estudios que indican riesgos para la salud asociados con los nanotubos de carbono (CNT) y las CNF que plantean mayores peligros que sus contrapartes a granel. Uno de los principales peligros de preocupación asociados con los CNT y las CNF es el daño respiratorio, como la inflamación pulmonar, el granuloma y la 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. No obstante, estos estudios han dado lugar a un intento de minimizar la exposición a estas nanopartículas . [13]
Un estudio independiente realizado antes de la reunión anual de la Sociedad de Toxicología de 2013 tuvo como objetivo identificar los 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 de la sustancia química iniciadora. Se necesitan más estudios para este escenario. [13]
Uno de los principales obstáculos para identificar los peligros asociados con las 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/m3 de fracción de tamaño respirable de carbono elemental (promedio ponderado en el tiempo de 8 horas). Esta norma se basó en información recopilada de 14 sitios cuyas muestras se analizaron mediante microscopía electrónica de transmisión (MET). [14]
Una hoja de datos de seguridad (HDS) reciente para CNF (revisada en 2016) enumera las nanofibras como irritantes para los ojos y establece que tienen toxicidad para los órganos del sistema respiratorio en caso de exposición única. Las CNF más pequeñas tienen un mayor potencial de formar nubes de polvo al manipularlas. Por lo tanto, se debe tener mucho cuidado al manipularlas. El equipo de protección personal (EPP) recomendado para manipular CNF incluye guantes de nitrilo, respiradores de partículas y ropa impermeable a los nanomateriales (según las condiciones del lugar de trabajo). Además de los controles de exposición mientras se trabaja con CNF, las condiciones de almacenamiento seguras también son importantes para minimizar el riesgo asociado con las CNF. El almacenamiento seguro de CNF implica almacenar las fibras lejos de agentes oxidantes y llamas abiertas. En condiciones de incendio, las CNF forman productos de descomposición peligrosos, aunque actualmente no se conoce la naturaleza exacta de estos productos de descomposición. Aparte de la carcinogenicidad y la toxicidad para los órganos, los datos toxicológicos sobre las CNF son actualmente bastante limitados. [15]
Aplicaciones
Los investigadores están utilizando nanofibras para administrar medicamentos terapéuticos. Han desarrollado un material elástico que está incrustado con nanofibras de carbono similares a agujas. El material está destinado a ser utilizado como globos que se insertan junto al tejido enfermo y luego se inflan. Cuando el globo se infla, las nanofibras de carbono penetran en las células enfermas y administran medicamentos terapéuticos. Los investigadores del MIT han utilizado nanofibras de carbono para fabricar electrodos de baterías de iones de litio que muestran una capacidad de almacenamiento cuatro veces mayor que 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. [16]
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 de ciclo cuando se usaron como ánodos para baterías recargables de iones de litio . [17]
El desarrollo futuro del mercado dependerá de la disponibilidad de material a precios razonables. Hemos logrado capacidades de producción en masa de nanofibras de carbono (CNF) de alta pureza a bajo costo mediante un proceso de deposición química en fase de vapor catalítica (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 inducida por campo de electrones desde la banda de valencia a la banda de conducción de 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. Se sintetizan nanoestructuras con forma de aguja perpendiculares a la superficie de un sustrato. El ADN plasmídico que contiene el gen, destinado a la administración intracelular, se adhiere a la superficie de la nanoestructura. Luego, se presiona un chip con conjuntos de estas agujas contra las células o el tejido. Las células que están empaladas por las nanoestructuras pueden expresar el gen o los genes administrados. [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 los pasos 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 por medio de 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 carbono son particularmente útiles para aplicaciones de relleno. [23]
Historia
Uno de los primeros registros técnicos relacionados con 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 desarrollaron filamentos de carbono mediante pirólisis de gas y posterior deposición de carbono y crecimiento de filamentos. Sin embargo, la verdadera apreciación de estas fibras llegó mucho más tarde, cuando su estructura pudo analizarse mediante microscopía electrónica . [2] Las primeras observaciones de nanofibras de carbono mediante microscopía electrónica fueron realizadas a principios de la década de 1950 por los científicos soviéticos Radushkevich y Lukyanovich, quienes publicaron un artículo en el Soviet Journal of Physical Chemistry 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 de Shinshu , informaron del descubrimiento de las nanofibras de carbono, incluido el hecho de que algunas tenían forma de tubos huecos. [26] También logró fabricar VGCF con un diámetro de 1 μm y una longitud de más de 1 mm. [27] Más tarde, a principios de la década de 1980, Tibbetts [6] en los EE. UU. y Benissad [28] en Francia continuaron perfeccionando el proceso de fabricación de VGCF. En los EE. UU., los estudios más profundos centrados en la síntesis y las propiedades de estos materiales para aplicaciones avanzadas fueron dirigidos por R. Terry K. Baker. [ cita requerida ] Estaban 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 del petróleo. En 1991, los investigadores japoneses Sumio Iijima , mientras trabajaban en NEC , sintetizaron moléculas de carbono huecas y determinaron su estructura cristalina. Al año siguiente, estas moléculas se denominaron " nanotubos de carbono " por primera vez. [29] El VGCNF se produce esencialmente a través del mismo proceso de fabricación que el VGCF, solo 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 intensivamente nuevas aplicaciones de ingeniería para estos materiales, siendo la última un compuesto poroso con 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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