FABRICACIÓN DE MEZCLAS DE CL CON CNTS

Conseguir dispersar homogéneamente CNTs constituye uno de los principales problemas para poder llevar a cabo con éxito las investigaciones y el desarrollo de dispositivos basados en esta tecnología. Los problemas en la dispersión son debidos sobre todo a las fuerzas de van der Waals, las cuales les mantienen adheridos entre sí. Las fuerzas son mayores cuanto más pequeñas son las dimensiones de las NPs y mayor es su razón de aspecto (la relación entre el largo y el ancho) [140]. Además, al cabo de los días los CNTs sedimentan [158], lo que produce que los dispositivos desarrollados no presenten un funcionamiento estable a lo largo del tiempo.

Para romper los aglomerados, la ultrasonicación es el método más usado. Sin embargo, debido a que las colisiones favorecen la reagregación, se contemplan tres opciones para dispersarlos mejor:

 Mediante la adherencia de surfactantes a la superficie del nanotubo. Esta técnica suele alterar las propiedades eléctricas, ópticas y mecánicas del CNT (cuando el enlace es de tipo covalente) [97, 159] y suele presentar problemas para integrarlos en CLs termotrópicos (debido a compatibilidades entre las partes hidrófobas e hidrófílas de las moléculas) [140].

 Mediante un proceso de filtrado y ultrasonidos. En casos en los que el dopado no es superior al 0.1%wt, la mezcla es filtrada y ultrasonicada [123].

 Los CNTs se dispersan en un disolvente orgánico con una baja concentración. Posteriormente la solución es ultrasonicada e introducida (siguiendo una determinada proporción) en el CL. Una nueva sonicación ayuda a romper los aglomerados que hayan podido quedar y por último, se deja evaporar el disolvente a temperatura ambiente [140].

Los CLs usados en el dopado con CNTs deben tener una temperatura de transición a fase isótropa bastante superior a la temperatura ambiente. El paso a fase isótropa favorece la formación de aglomerados y además se necesita una potencia de ultrasonicación mayor que en fase nemática para poder romper las aglomeraciones [140].

2.3.1.TOXICIDAD, MANIPULACIÓN Y TRATAMIENTO DE RESIDUOS EN EL USO DE CNTs

A la hora de manejar material químico hay que tener en cuenta también su nivel de toxicidad y tomar las medidas de seguridad que sean precisas en su manipulación [160]. El grado de toxicidad de una partícula depende de varios factores, como su forma y su tamaño (Figura 30).

La contaminación con CNTs puede producir problemas sobre todo en el sistema respiratorio. Se ha descrito inflamación aguda, inicio precoz y progresivo de fibrosis y granulomas pulmonares [162]. Por tanto es obligatorio adoptar medidas de seguridad a la hora de manipularlas. Éstas estarán relacionadas con la indumentaria, las condiciones del laboratorio y la propia manipulación.

A la vestimenta descrita en el apartado 2.1, se le añade, por este orden, la siguiente indumentaria (Figura 31):

 Guantes de nitrilo

 Mascarilla del tipo FFP3 o superior.

 Gafas con protecciones laterales

 Un segundo par de guantes de nitrilo.

Figura 30: Grado de toxicidad dependiendo del tamaño, forma y tipo de nanotubo en relación al fulereno.

Figura 31: Gafas de protección, guantes de nitrilo y mascarilla de seguridad para la manipulación de CNTs.

Además, con la reducción del tamaño de la partícula su facilidad de ignición aumenta, se deberán evitar las fuentes de electricidad estática. Esto incluye que el material deberá ser almacenado en atmósferas controladas, instalaciones con toma de tierra, etc. En cuanto a las medidas a adoptar durante su manipulación, se deben seguir los siguientes puntos [160]:

 Aislar o encerrar el proceso para evitar la emisión de NPs en el ambiente. Por tanto, es conveniente la utilización de una cámara de guantes. Si no es posible, será obligatorio contar con la protección de una mampara entre el operario y el material, sin la activación del flujo durante la manipulación en polvo, para evitar que estos se dispersen por el ambiente.

 Se tratará, en la medida de lo posible, que los trabajos con NPs se lleven a cabo con el material disperso en un líquido (sobre todo en operaciones de trasvase). Las superficies sobre las que se va a manipular material deben cubrirse por completo con paños de cámara limpia empapados en agua bidestilada. Siempre se debe tener a mano un dispensador de agua para, en caso de derrames, mojar la superficie afectada. Igualmente, se dispondrá de bayetas absorbentes para recoger las disoluciones vertidas.

 Una vez realizados los trabajos, todas las superficies e instrumental no desechable utilizado deben limpiarse cuidadosamente con paños mojados en agua bidestilada. La ventilación, únicamente una vez terminada la manipulación, se llevará a cabo para extraer y captar las NPs que hayan podido quedar en el ambiente. El sistema de extracción debe constar de un filtro HEPA, el cual se considera efectivo para captar este tipo de materiales.

Los residuos y utensilios desechables (incluyendo los guantes de nitrilo) son introducidos en bolsas de plástico con cierre hermético. Cada bolsa individual es introducida en un cubo de plástico dedicado exclusivamente para este tipo de residuos. Una vez lleno, se procederá a su eliminación por parte de las empresas especializadas en el tratamiento de residuos contaminantes.

2.3.2.PROTOCOLO DEL DOPADO DE CL CON CNTS

El CL ha sido dopado con los dos tipos de CNTs más utilizados: SWCNTs y MWCNTs. Los detalles de cada material utilizado se resumen en la Tabla 5 y en la Tabla 6.

Las concentraciones de CNT en CL manejadas en el estudio no superan el 0,01%wt. Para conseguirlas se ha optado por el método de las disoluciones sucesivas: partiendo de una concentración mayor (0,1%wt), se obtienen las otras más pequeñas.

Tabla 5: Detalles de los SWCNTs y MWCNTs utilizados

Diámetro(nm) Longitud(µm) Fabricante

SWCNTs 1 1 Unidym

MWCNTs 6-9 5 Sigma Aldrich

Tabla 6: Detalles de los CLs utilizados

Birrefringencia (@589.3nm) Anisotropía dieléctrica Fabricante

MLC-6290-000 0,120 Positiva Merck

MLC-6608-000 0,0830 Negativa Merck

Los CNTs adquiridos por el laboratorio tienen una presentación en seco o polvo. Varios autores sugieren el dopado directo del CL con CNTs en su presentación en polvo sin emplear disolventes [130, 139], sin embargo, debido a que las concentraciones de CNTs manejadas en este estudio son pequeñas, se emplea el método de disoluciones sucesivas para conseguirlas. Por tanto, antes de ser introducidos en el CL, los CNTs son dispersados en tolueno. Aunque de entre los disolventes orgánicos propuestos por la bibliografía no es el que presenta la dispersión más estable en tiempo [93], se ha comprobado que éste no interfiere ni estropea el CL que se va a utilizar.

Para realizar la primera disolución en tolueno (concentración del 0,1%wt), con ayuda de una balanza, se introducen en un vial la cantidad, en peso, de CNTs deseada. A continuación, se llena el vial con la cantidad de tolueno requerida para obtener la citada concentración. Una vez obtenida la mezcla, el vial se coloca en el baño de ultrasonidos para romper los aglomerados existentes. El tiempo de ultrasonicación dependerá de cada caso, nunca siendo inferior a una hora.

De forma similar se realiza el dopado del CL con los CNTs. En un vial se introduce la cantidad estimada en peso de CL necesaria para obtener la concentración deseada. A continuación, y con la ayuda de una micropipeta, se añade la cantidad en volumen de la disolución tolueno-CNTs.

El resultado es una mezcla de CNTs con tolueno y CL, la cual es sonicada hasta que se observa que no quedan aglomerados visibles. La apariencia de esta mezcla es similar a la de un CL en estado nemático pero levemente oscurecido. A continuación, el tolueno es eliminado para dejar únicamente el CL con los CNTs. Para ello, se emplean dos métodos:

 Método uno: colocar el vial abierto sobre una plataforma giratoria a 60rpm hasta la completa evaporación del disolvente.

 Método dos: Introducir en la mezcla un imán y depositar el vial abierto sobre un agitador magnético hasta la completa evaporación del disolvente.

La utilización de una u otra opción dependerá de la composición de la mezcla; incluido el tipo de CNTs utilizado. Se ha podido comprobar en el laboratorio que los SWCNTs se dispersan mejor mediante el segundo método, ya que el primero deja aglomerados visibles.

Una vez evaporado el tolueno, se procede a sonicar la mezcla nuevamente para revertir la posible sedimentación o aglomeración que se haya podido dar durante el proceso de evaporación. Por último, la célula se llena colocando una gota en una de las boquillas empleando una pipeta, tal y como se describe en el apartado 2.2.5.

CAPÍTULO 3: