Características y propiedades principales de los nanotubos de carbono Estructura

Como se mencionó anteriormente los nanotubos de carbono se clasifican en dos tipos NTCPM y en NTCPS. Un NTCPS está constituido de una sola hoja de grafeno en forma de cilindro, mientras que un NTCPM es un arreglo de NTCPS que se encuentran anidados concéntricamente [ (18)].

La determinación de a cual sistema cristalino pertenecen estas estructuras, no es un tema trivial, esto debido al corto tiempo que se tiene de su descubrimiento. Tanto los NTCPSs como los NTCPMs están constituidos por hojas de grafeno enrolladas entre sí. El grafeno pertenece al sistema cristalino de tipo hexagonal bidimensional, por lo que en un principio se ha considerado a estas estructuras tubulares dentro de este grupo. Por razones obvias no es posible agrupar a unas estructuras tridimensionales en un grupo bidimensional, pero determinar la estructura cristalina tridimensional base de los NTCs es un proceso complejo. Tomando una hoja finita de grafeno, mostrada en la Fig. 1.6, se le puede asociar un vector denominado vector quiral y especificado con la letra C. Este vector C [ (19)] se forma a partir de los vectores unitarios a1 y a2 de la red hexagonal del grafeno. Por otro parte, Al vector C se le asocia un ángulo θ, denominado ángulo quiral, mostrado en la Fig. 1.6a,

donde 0 ≤ θ ≤ 30°. De esta manera la magnitud del vector C está relacionada con el diámetro del nanotubos y el vector θ determinará el acomodo de los átomos en la superficie

del tub_{o. Como θ puede variar de 0 a 30°, y C pertenece a los reales positivos, entonces} existen un número infinito de combinaciones posibles de arreglos tridimensionales entre los átomos de carbono que forman el tubo.

Fig. 1.6. Formación de un nanotubo de carbono: a) vector quiral C y celda unitaria del grafeno; b) enrollamiento de la lámina de grafeno, c) el vector quiral C forma la circunferencia del tubo.

Dependiendo de la dirección del vector quiral, los NTCPSs se clasifican en tres tipos: armchair (θ = 30°), zigzag (θ = 0°) y chiral (0 < θ < 30°). Cada una estas estructuras se muestra en la Fig. 1.7. Los nombres de los tres diferentes tipos fueron asociados debido al patrón que forman los átomos a lo largo del vector C, como se observa en la ilustración.

Fig. 1.7. Representación gráfica de los tres tipos de NTCPSs que describen el origen de sus nombres [ (4)].

Para el caso de un NTCPM definir un sistema cristalino es aun más complejo. Lo anterior es debido a que los NTCPMs están formados por un número de NTCPSs mayor a 2. Cada uno de estos tubos se encuentra anidado concéntricamente y separado uno del otro por una distancia contante de 3.4 Å [ (2)]. Esta distancia es la misma separación de cada una de las capas que forman el grafito.

A pesar de que por lo general cada uno de los NTCPSs que forman a los NTCPMs son de tipo chiral, no existe un orden particular entre cada uno de los planos cilíndricos que forman el NTCPM como se observa en el grafito [ (19)]. Este arreglo es similar al grafito

turbostrático, en donde cada uno de los planos basales se ha movido fuera de la alineación básica. De lo anterior se observa que el número de combinaciones y estructuras tridimensionales entre los átomos de carbono de cada una de las capas del NTCPM son infinitas.

A pesar, de la incapacidad para determinar la estructura cristalina de los NTCs, existe un parámetro denominado cristalinidad el cual está asociado a la periodicidad de la red hexagonal en cada una de las capas de los tubos. Esto significa que entre menor sea el numero de vacancias, dislocaciones y deformaciones en la red de cada capa, mayor será la cristalinidad completa del NTC.

Dimensiones

Al igual que la estructura, las dimensiones de los nanotubos no son valores estándar ni fijos, por lo cual generalmente se mencionan intervalos de valores o valores promedios y son estos datos los que a continuación se presentan.

Por convención se ha establecido que un NTC debe tener un diámetro menor a 100 nm, de lo contrario sus dimensiones se consideran en el orden de las micras (µm) y no los nanómetros. La longitud no tiene restricción pero por lo general es de 1-100 micras [ (19)]. El NTCPS más pequeño obtenido tenía un diámetro de 0.4 nm [ (18)]. Para el caso de los NTCPMs, se ha observado que su diámetro interno depende directamente del número de capas que lo forman [ (3)] y el más pequeño obtenido tenía un diámetro interno de aproximadamente 1 nm. Como se mencionó anteriormente, el espaciamiento entre las capas es una constante y es de 0.340 nm.

Tipos de nanotubos

Existen diferentes arreglos de la estructura de un NTC. Estas direcciones dependen directamente del proceso de fabricación y las condiciones de operación del equipo de fabricación. El arreglo de los átomos de carbono en la estructura tubular de los nanotubos define las propiedades químicas, físicas, mecánicas entre otras, y de este modo el tipo de aplicación.

Se ha probado [ (18)] que parámetros como el diámetro y el ángulo quiral de los NTCs definen las características de los tubos. Por el tipo de comportamiento los NTC se pueden dividir en dos tipos: metálico o semiconductor. En la fabricación de NTCPSs se obtienen nanotubos de los 3 tipos, descritos anteriormente, y con diferentes comportamientos. Se obtienen armchair y una tercera parte de zigzag con comportamiento metálico, mientras que dos terceras partes de los zigzag y la totalidad de los chiral son semiconductores. En el caso de los NTCPMs los resultados son diferentes, pues dado que la mayor parte de las capas cilíndricas son de tipo chiral, el comportamiento de este tipo de nanotubos es en su totalidad de tipo metálico.

Esta diversidad estructural hace a los NTCs aptos para un gran número de aplicaciones. El problema principal se enfoca en la dificultad de controlar parámetros como el ángulo quiral, el diámetro y la longitud de los NTCs durante el proceso de la fabricación, es decir, homogeneizar las propiedades de los NTCs para una aplicación particular.

Pureza

Durante el proceso de fabricación de los NTCs, se obtienen una serie de productos de carbono adicionales a los nanotubos, denominados impurezas. El tipo de impurezas mas frecuentes encontradas son el grafito, nanopartículas de carbono (fulerenos), carbono amorfo, grafeno, entre otros. La presencia de impurezas en los nanotubos, provocan una variación en la uniformidad de la muestra, disminuyendo las propiedades de los NTCs.

Propiedades

Los factores como la pureza, la cristalinidad, las dimensiones, el tipo y el proceso de fabricación de los NTCs, son determinantes en sus propiedades para una aplicación específica. Las propiedades mecánicas y eléctricas de un NTC varían considerablemente en cada una de las investigaciones.

El modulo de elasticidad de un NTC está estimado entre 0.2 a 1.8 TPa, mientras que el esfuerzo a la tensión se encuentra entre 0.01 a 0.15 TPa [ (11)]. En algunas publicaciones [ (20)], [ (21)] se observó que a pesar de estas discrepancias un material a base de NTCs tiene propiedades mecánicas superiores a las del hierro. Por ejemplo, el módulo de Young del hierro forjado es de 190 GPa, mientras que para un deposito de NTCs se obtuvo un valor de 1.2 TPa, es decir, 6 veces mayor.

Con respecto a la estabilidad estructural bajo altas temperaturas, se ha reportado [ (17), (18), (19)] que en presencia de oxígeno los NTCs comienzan a oxidarse en temperaturas superiores a los 500°C, mientras que en condiciones de vacío o atmosferas inertes, conservan su estabilidad estructural hasta temperaturas de entre 1400°C a 2100°C. Además, en recientes experimentos, se ha observado que los nanotubos exhiben una alta conductividad térmica, permitiendo el transporte rápido del calor a través de su estructura. Los NTCs de tipo metálico [ (22)] tienen una amplia conductividad eléctrica, pudiendo transportar la densidad de corriente más alta que cualquier metal, de entre 109-1010 A/cm2, lo que significa 1000 veces más que el cobre. Estos nuevos materiales, exhiben un transporte balístico de los electrones, lo que significa que pueden transportar una corriente de electrones sin que estos sufran dispersión a los largo del medio. Esto es porque los nanotubos no oponen resistencia al paso de las cargas, sin llegar a ser superconductividad.