Mejoramiento de la Resistencia a Compresión del Concreto con Nanotubos de Carbono

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(1)Mejoramiento de la resistencia a compresión del concreto con Nanotubos de Carbono. Ellerly Alejandro Navarro Jiménez Horacio Forero Romero. Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad Tecnológica Tecnología en Construcciones Civiles Bogotá 2017.

(2) Mejoramiento de la resistencia a compresión del concreto con Nanotubos de Carbono. Ellerly Alejandro Navarro Jiménez 20112079081 Horacio Forero Romero 20112079021. Trabajo de Grado Tecnología en Construcciones Civiles. Tutor: Ing. Milton Mena Serna. Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad Tecnológica Tecnología en Construcciones Civiles Bogotá 2017.

(3) Nota de aceptación _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________. Jurado. _________________________________. Bogotá Junio de 2017.

(4) Dedicatoria A mis padres Luis Bernardo Navarro Curaran, Betty Yalile Jiménez Sánchez, por su apoyo en este proceso de formación, familiares que estuvieron pendientes de este camino que tome, y amigos que siempre estuvieron pendientes que han sido una gran ayuda para lograr este esta etapa, a todos los que estuvieron, pero aportaron en mi un grano de arena para culminar mis estudios. Ellerly Alejandro Navarro Jiménez. A mis padres Horacio Forero Mendoza, Olga Beatriz Romero Cruz por su apoyo incondicional en las noches y madrugadas, por sus sabios y acertados consejos, familiares que estuvieron pendientes en este camino que tome y amigos que siempre estuvieron pendientes ya que han sido un apoyo indudable en momentos duros de este gran camino, a todos los que estuvieron y aportaron en mi un grano de arena para subir el primer escalón de una escalera sin fin. Horacio Forero Romero.

(5) Agradecimiento. A la universidad distrital francisco José de caldas por darnos la oportunidad de ser parte de esta gran familia universitaria, prestándonos sus instalaciones y guiándonos con los docentes que han hecho que esta profesión sea querida y amada, al Ing. Milton Mena quien con sus conocimientos nos orientó en la elaboración de esta monografía..

(6) TABLA DE CONTENIDO. LISTA DE TABLAS .......................................................................................... 17 LISTA DE ILUSTRACIONES ........................................................................... 18 LISTA DE ECUACIONES ................................................................................. 19 LISTA DE ANEXOS ......................................................................................... 20 RESUMEN ........................................................................................................ 21 INTRODUCCION .............................................................................................. 22 IDENTIFICACIÓN Y DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA .................................. 23 JUSTIFICACIÓN .............................................................................................. 24 HIPOTESIS ....................................................................................................... 25 VARIABLES ..................................................................................................... 25 OBJETIVOS ..................................................................................................... 26 ALCANCES ...................................................................................................... 27 DISEÑO METODOLOGICO ............................................................................. 28 1. MARCOS DE REFERENCIA .................................................................... 30 1.1. Marco de Antecedentes.................................................................... 30 1.2. Marco Conceptual ............................................................................. 32 1.2.1. Descubrimiento .......................................................................... 32 1.2.2. Nanotecnología .......................................................................... 33 1.3. Marco Teórico ................................................................................... 34 2. Nanotecnología en Colombia ................................................................. 36 2.1. Principales grupos de investigación1 ............................................. 37 3. Usos y aplicaciones de la nanotecnología2 .......................................... 38 3.1.1. Nanotecnología aplicada a la administración de fármacos .... 38 3.1.2. Nanotecnología aplicada a la terapia del cáncer ..................... 38 3.1.3. Aplicaciones de la nanotecnología en el Medio Ambiente ..... 39 3.1.4. Aplicaciones de la nanotecnología en la obtención de energía ............................................................................................................... 39 3.1.5. Nanotecnología aplicada en el agua......................................... 39 3.1.6. Nano tecnología aplicada a dispositivos nanoinformaticos .. 39 3.1.7. Riesgos De la nanotecnología en el medio ambiente ............. 40 3.1.8. Riesgos de la nanotecnología en la salud de los seres humanos ............................................................................................... 41.

(7) 4. Implementación de la nanotecnología en el concreto ......................... 42 4.1. Nano tubos de carbono (NTC) ......................................................... 43 4.1.1. Método de elaboración .............................................................. 44 4.1.1.1. Deposición química en fase de vapor (CVD) Método del sustrato 5 ........................................................................................... 44 4.1.1.2. Método de Ablación Laser 6 ................................................ 46 4.1.1.3. Método del Arco de Descarga 7 .......................................... 48. 4.1.1.4. Otros Métodos De Síntesis 8 ............................................... 49 4.1.2. Estructura de los nanotubos de carbono ................................ 50 4.1.3. Tipos de Nanotubos de Carbono .............................................. 51 4.1.3.1. Nanotubo monocapa o pared sencilla ............................... 51 4.1.3.2. Nanotubos de carbono de pared múltiple ......................... 52 4.1.4. Tipos de Nanotubos de carbono Según su geometría interna, metálicos- semiconductor.10 ............................................................... 53 4.1.4.1. Nanotubos tipo zig-zag, metálico –semiconductor, según su geometría interna. ....................................................................... 53. 4.1.4.2. Nanotubos tipo armchair, comportamiento metálico. ...... 54 4.1.4.3. Nanotubos tipo quiral, comportamiento semiconductor. 54 4.1.5. Propiedades de los Nanotubos de carbono ............................ 55 4.1.5.1. Electrónicas ......................................................................... 55 4.1.5.2. Ópticas ................................................................................. 56 4.1.5.3. Ignífugas. .............................................................................. 56 4.1.5.4. Térmicas ............................................................................... 57 4.1.5.5. Mecánicas............................................................................. 57. 4.1.5.6. Defectos en los nanotubos de carbono ............................. 59 5. Implementación de Nanotubos de Carbono en el Concreto ................ 60 5.1.1. Resistencia Del Cemento .......................................................... 60 5.1.1.1. Hidratación de la pasta de Cemento Pórtland................... 61 5.1.1.2. Propiedades mecánicas del concreto ................................ 63 5.1.1.3. Nanotubos De Carbono Como Refuerzo En El Concreto . 63 6. Diseño de mezclas de concreto con Nanotubos de carbono .............. 65 6.1. Desarrollo del experimento .............................................................. 65 6.1.1. Diseño de mezclas para concreto, por el método RNL (Road Note Laboratory) ....................................................................... 65.

(8) 6.1.1.1. Datos necesarios de los materiales para el diseño de mezcla de concreto. ......................................................................... 65 6.1.1.2. Proceso de dosificación del concreto ............................... 66 6.1.1.3. Tabla resumen Diseño de Mescla por el método NRL ..... 80 6.1.2. Dispersión de los nanotubos de carbono en el agua. ............ 81 6.1.3. Equipos para elaboración del concreto con nanotubos de carbono ................................................................................................. 81 6.1.3.1. Tamices ................................................................................ 81 6.1.3.2. Probeta ................................................................................. 81 6.1.3.3. Balanza ................................................................................. 81 6.1.3.4. Vibrador mecánico para mallas .......................................... 81 6.1.3.5. Charolas ............................................................................... 81 6.1.3.6. Palustre ................................................................................ 82 6.1.3.1. Máquina para compresión .................................................. 82 6.1.4. Preparación de las muestras .................................................... 82 6.1.5. Materiales necesarios ................................................................ 82 6.1.5.1. Arena .................................................................................... 82 6.1.5.2. Grava .................................................................................... 82 6.1.5.3. Agua ...................................................................................... 83 6.1.5.4. Nanotubos de carbono de múltiple pared ......................... 83 6.1.5.5. Lubricante o desmoldante .................................................. 83 6.1.5.6. Cemento ............................................................................... 83 6.1.6. Ensayo a compresión ................................................................ 83 6.2. Resultados obtenidos ...................................................................... 83 CONCLUSIONES ............................................................................................. 86 ANEXOS ........................................................................................................... 90 BIBLIOGRAFIA .............................................................................................. 103.

(9) LISTA DE TABLAS. Tabla 1: Propiedades NTC de pared simple con otros materiales ............................... 58 Tabla 2: Resistencia del concreto a la compresión en función del tiempo ................... 63 Tabla 3: Granulometría de los Agregados .................................................................. 66 Tabla 4: Propiedades de los agregados pétreos del diseño de mezclas. .................... 66 Tabla 5: Valores de asentamiento para diversas clases de construcción. ................... 67 Tabla 6: Contenido aproximado de aire en el concreto para varios grados de exposición................................................................................................................... 68 Tabla 7: Requerimiento aproximado de agua de mezclado y contenido de aire para asentamientos y TMN del agregado. .......................................................................... 69 Tabla 8: Relación entre la resistencia a la compresión y algunos calores de la relación a/c. ............................................................................................................................. 70 Tabla 9: Verificación de las especificaciones granulométricas .................................... 71 Tabla 10: Rango granulométrico recomendando ........................................................ 72 Tabla 11: Porcentaje pasa con límites para método NRL ........................................... 73 Tabla 12: Resultados (% pasa) optimizado Por método Grafico RNL. ........................ 75 Tabla 13: Volumen de agregados en m3 para 1 m3 de concreto ................................ 75 Tabla 14: Cantidad de agregados para 1 m3 de concreto de 3000 PSI. ..................... 77 Tabla 15: cantidad de material para 1 m3 de concreto de 3000 PSI de resistencia. – ajustado. ..................................................................................................................... 79 Tabla 16: Propiedades de los Nanotubos de Carbono de Múltiple pared (NTC). ........ 83 Tabla 17: Resultados ensayo compresión de cilindros 28 días ................................... 84 Tabla 18: Ventajas y Desventajas del uso de Nanotubos de Carbono en Concreto .... 85 Tabla 19: Granulometría agregado Grueso optimizada............................................... 92 Tabla 20: Granulometría agregado fino optimizado. ................................................... 92 Tabla 21: Datos obtenidos peso específico Agregado Grueso .................................... 93 Tabla 22: Resultados Peso específico y absorción agregado Grueso. ........................ 93 Tabla 23: Resultados de laboratorio agregado fino peso específico ........................... 94 Tabla 24: Resultados Peso específico y absorción Agregado Fino ............................. 94 Tabla 25: Datos necesarios de los materiales para masas unitarias. .......................... 96 Tabla 26: Resultados masas unitarias de agregados. ................................................. 96 Tabla 27: Resultados de laboratorio en Maquina de los Ángeles ................................ 98 Tabla 28: Datos de laboratorio Micro-Deval ................................................................ 99 Tabla 29: Resultado abrasión Micro-Deval ................................................................. 99 Tabla 30: Resultados aplanamiento y alargamiento .................................................... 99 Tabla 31: Resultados aplanamiento y alargamiento de agregados Gruesos ............. 100. 17.

(10) LISTA DE ILUSTRACIONES. Ilustración 1: (A) nano tubos de pared simple SWNT y (B) nano tubos de doble pared MWNTs ...................................................................................................................... 43 Ilustración 2: esquema de reactor térmico CVD, por sus características operativas. .. 45 Ilustración 3: esquema del método de ABLACION utilizado por Smalley en 1995 ...... 47 Ilustración 4: Detalles del equipo utilizado en el método por arco. .............................. 48 Ilustración 5: Detalle del equipo usado en la elaboración de NTC por arco eléctrico .. 49 Ilustración 6: Hoja de grafeno y sus posibles opciones de generar un nanotubo de carbono ...................................................................................................................... 50 Ilustración 7: Representación de un nanotubo de carbono de pared simple (monocapa) ................................................................................................................................... 51 Ilustración 8: Representación de nanotubo de carbono multicapa, se identifica cada tubo con diferente color .............................................................................................. 52 Ilustración 9 : Se le llaman zig-zag por la terminación del nanotubo de carbón con ese diseño ......................................................................................................................... 53 Ilustración 10: se le llama nanotubo armchair por la forma que termina, que significa en español '' sillón '' ......................................................................................................... 54 Ilustración 11: La característica de nanotubos quiral es su terminación de forma irregular. ..................................................................................................................... 55 Ilustración 12: Ilustración de los defectos posibles en nanotubos de carbono ............. 59 Ilustración 13: Evolución de calor en función del tiempo para el Cemento portland .... 61 Ilustración 14: Secuencia de la hidratación del cemento ............................................. 62 Ilustración 15: Optimización Granulometría por Método Grafico RNL ........................ 74 Ilustración 16: Resistencia a la compresión a 28 días referencia y con adición de NTC ................................................................................................................................... 84 Ilustración 17: Colorimetría del agregado fino ............................................................. 97. 18.

(11) LISTA DE ECUACIONES. Ecuación 1: Vector quiral ( ) ...................................................................................... 50 Ecuación 2: Cantidad de Cemento, usando el agua y la relación a/c. ......................... 70 Ecuación 3: Volumen Agregados Pétreos en el concreto............................................ 75 Ecuación 4: Densidad promedio de agregados pétreos .............................................. 76 Ecuación 5: Peso seco del agregado grueso .............................................................. 76 Ecuación 6: Peso Seco del agregado Fino ................................................................. 76 Ecuación 7: Corrección peso seco a húmedo ............................................................. 77 Ecuación 8: Agua en exceso o en defecto respecto a la condición SSS ..................... 78. 19.

(12) LISTA DE ANEXOS. Anexo A: Estructura de los nanotubos de carbono vista bajo microscopio electrónico. 9090 Anexo B: Incorporación de nanotubos de carbono de forma manual directamente en la mezcla. 9191 Anexo C: Ensayos necesarios a los agregados para el desarrollo del diseño de mezclas. 92 Anexo D: Análisis de Precios Unitarios (APU) Para concreto 3000 PSI un Cilindro de 10x20 (Diámetro x Altura). 101. 20.

(13) RESUMEN La nanotecnología es un tema que ha legado a incursionar en el ámbito de la construcción, el concreto es una serie de nano partículas que se conglomeran para formar una matriz fuerte y rígida capaz de soportar esfuerzos grandes. El uso de nano tubos de carbono en la matriz de concreto para mejorar sus propiedades físicas como lo es su resistencia a la compresión, este es el tema principal que se tratara en este documento, la incorporación de nanotubos de carbono a la mezcla de concreto y los efectos que este tenga. Para lo cual se harán 9 muestras de las cuales se tendrá 3 muestras de referencias, 3 más con un 0.5% de nanotubos con respecto al volumen de cemento y otras 3 con 0.3% de nanotubos, se incorporan de manera directa al momento del mezclado, luego se observara paso a paso que sucede con la mezcla de concreto, y determinar qué efectos tiene el agregar nanotubos de carbono de forma directa al concreto fresco, se tendrá cuidado en el curado durante 28 días manteniendo una temperatura constante y en agua limpia. En los dos casos de la adición se encontró mejoría en la resistencia a la compresión, dándonos valores positivos para la implementación a futuro de nanotubos de carbono en concretos súper resistentes.. 21.

(14) INTRODUCCION El concreto es uno de los materiales más comunes en las construcciones de edificaciones, y demás estructuras que requieren del mismo, cada vez más exigentes, necesitan materiales de alto desempeño, que satisfagan las necesidades de los diseñadores de manera eficaz y económica, por lo cual el concreto al ser uno de los materiales más usados en los proyectos de obras civiles, se hace necesaria la investigación para mejorar sus propiedades tanto físicas como químicas. Hoy en día la necesidad de construir mayor número de viviendas, edificaciones y estructuras que necesitan concreto es muy alta, por lo cual mejorar y optimizar los materiales será una necesidad básica en el futuro. El concreto al ser uno de los materiales mayormente usados en las construcciones civiles, está cambiando de ser una simple materia prima para las edificaciones y se convierte en un material inteligente capaz de mejorar cualquier tipo de construcción. El punto crítico para capacidad y durabilidad de los concretos está dada por la organización y estructura de las nanoparticulas que lo conforman, con lo cual la adición de estos a mezclas de concreto logra una mejor respuesta cuando son puestos bajo esfuerzos. En la actualidad se ha reconocido el uso de nano partículas como adiciones para mejorar las propiedades del concreto, dentro del grupo de nanoparticulas se le ha dado bastante interés al grupo de nanotubos de carbón. Para mejorar sus propiedades mecánicas del concreto se hacen uso de adiciones y aditivos, logrando mejorarlo en su estado fluido como endurecido, para mejorar estas propiedades se pueden utilizar nano materiales en este caso se usaran nanotubos de carbono siendo este nuestro tema principal de este trabajo. Los nanotubos de carbono son estructuras en forma de tubo o cilindros de medida manométrica que pueden ir de 2 nm hasta 550 nm de longitud. Se pueden encontrar varios tipos de nanotubos de carbono si detallamos como está conformado los nanotubos hay dos grupos principales que se dividen en nanotubos de pared simple y nanotubos de pared múltiple estos últimos serán los que se utilizara en este trabajo, los de pared simple son más costosos por la dificultad para sintetizarlos con lo cual se optara en utilizar nanotubos de pared múltiple que consiste en múltiples tubos o cilindros uno dentro de otro. Se adicionara nanotubos de carbono de pared múltiple al concreto de forma manual para conocer que tendrá en las propiedades mecánicas de resistencia a compresión. 22.

(15) IDENTIFICACIÓN Y DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA En las construcciones civiles el concreto está compuesto básicamente de Cemento, agua, grava, arena, pero actualmente se pueden incorporar muchos más materiales tales como acelerantes, plastificantes, fibras y muchos más que causan que el concreto mejore su comportamiento como su manejabilidad durante su vaciado y sus propiedades físicas al ser sometido a cargas. En la última década el avance de la tecnología ha sido clave en la optimización de los materiales y la búsqueda necesaria para mejorar el concreto. La nanotecnología se está tomando muy enserio y ya es claro que en ella se encuentra el futuro de nuestros materiales, la utilización de nanotubos de carbono en el concreto genera la necesidad de investigar para conocer su comportamiento y posibles aplicaciones en las edificaciones, conocer nuevas investigaciones y propiedades que ya se han desarrollado, aprovechándolas para impulsarnos a realizar un concreto súper resistente y eficiente. El concreto puede ser reforzado de múltiples maneras, fibras de polímeros, varillas de acero, pero a nivel molecular estos elementos de refuerzo no forman una matriz homogénea que trabaje de manera monolítica al ser sometido a cargas, pueden encontrarse fisuras y la no unión entre el concreto y los materiales de refuerzo perdiendo desempeño y durabilidad. Este estudio pretende determinar los efectos que conlleva el uso de nanotubos de carbono en el concreto y el mejoramiento de sus propiedades físicas como lo es su resistencia a la compresión. ¿Los efectos en el concreto por el uso de nanotubos de carbono mejoran las propiedades mecánicas de resistencia a compresión, que efectos trae el uso de NTC en el concreto?. 23.

(16) JUSTIFICACIÓN. Las necesidades que se encuentra el concreto con respecto a las construcciones hoy en día es generar un mejor desempeño, aumentando su capacidad para soportar la fatiga a la que es sometido durante su vida útil, esto toma más relevancia que la capacidad de carga a la cual será sometido. El descubrimiento de los nanotubos de carbono ha causado furor en el mundo de la investigación de los nuevos materiales por sus propiedades interesantes, dando un paso importante en la creación de productos con capacidades únicas. Actualmente el interés en la nanotecnología ha aumentado exponencialmente y muchas empresas a nivel mundial han puesto sus ojos en los nano materiales, siguiendo con mucho recelo los avances que se realicen por la competitividad y ventajas que pueda tener esto en el mejoramiento de sus productos y aumento de sus economías. Actualmente se está estudiando la implementación de nanotubos de carbono en el concreto, buscando un mejoramiento en su capacidad para soportar cargas y esfuerzos a los cuales es sometido normalmente en una construcción, la implementación de este material en el concreto puede llegar a crear un concreto capaz de soportar grandes cargas y esfuerzos, con un volumen menor del concreto convencional, adicionando también propiedades de los nanotubos al concreto mismo. Las múltiples propiedades de los nanotubos de carbono lo cual se puede aprovechar para beneficiar el mejoramiento de las propiedades físicas del concreto, al estar manejando materiales de medidas nanometricas se está mejorando directamente la estructura molecular del cemento , dando como resultado un aumento en sus propiedades físicas como resistencia a la compresión, flexibilidad y rigidez aumentando su durabilidad o vida útil, buscando un mejor comportamiento del concreto, capaz de reducir su porosidad y controlando las micro-grietas que se puedan generar en el concreto ya sea por temperaturas externas o por su mismo proceso de fraguado. El punto clave para el mejoramiento de las propiedades del concreto está en sus partículas a nivel nanometrico, al intervenir estas partículas con adiciones de nanotubos de carbono podemos reforzar y mejorar su estructura molecular, aumenta su resistencia a la compresión reduciendo los elementos estructurales de tamaño, su durabilidad y reduciendo las labores de mantenimiento. Mejorar el concreto con nanotubos de carbón, nos dará como garantía mejores resultados en aumentar su resistencia a la compresión y así directamente mejoramos la vida útil del concreto, siendo capaz de reducir el volumen a usar con una mayor resistencia, dándole mayor autonomía disminuyendo su mantenimiento. 24.

(17) HIPOTESIS Se mejorara la resistencia a la compresión de un concreto tradicional por ser esta una de las principales propiedades mecánicas para evaluar concretos con cemento Portland. La adición de nanotubos de carbono con un diámetro de 10 a 30 nano milímetros teniendo como patrón de referencia cilindros con resistencia a la compresión de 3000 PSI. Con el fin de ser parte de las súper estructuras que nos exigen mejores propiedades de los concretos que actualmente se utilizan, también complementándose con otros refuerzos y formar una matriz cementante de mayores capacidades y durabilidad.. VARIABLES Se utilizaran variables dependientes e independientes en el trabajo de investigación para designar cualquier característica de la realidad que pueda ser determinado por observación y que pueda mostrar diferentes valores de una unidad de observación a otra. La variable dependiente es el concreto a realizar puesto que la resistencia, característica de este mismo está ligada a la cantidad de adición que se estableció y se desea agregar al diseño de mezcla, de esta manera designamos la adición de nano tubos de carbono como la variable independiente, teniendo presente que esta variable no será constante en toda la cantidad de cilindros, esto con la finalidad de establecer que proporción sea la más adecuada en el diseño de mezcal y también observar el comportamiento de esta adición en pocas y grandes cantidades. De esta manera se decidió que esta variable independiente en un caso sea 0.3 % y 0.5 % con respecto al peso del cemento.. 25.

(18) OBJETIVOS Objetivo General: Diseño de mezcla de concreto para y adicionar nanotubos de carbono para mejorar sus propiedades mecánicas de resistencia a compresión.. Objetivos Específicos: Determinar las ventajas y desventajas del uso de los nanotubos de carbono, de acuerdo con la información de investigaciones existentes. Determinar si mejora o no la resistencia a compresión del concreto mejorado con nanotubos de carbono. Conocer la diferencia entre un concreto con nanotubos y otro sin nanotubos de carbono. Conocer cuánto es capaz de mejorar las propiedades físicas del concreto cuando se adicionan nanotubos de carbono. Se realizaran ensayos a compresión a las muestras echas con nanotubos de carbono y sin nanotubos de carbono, no se medirán otro esfuerzos y más ensayos por limitaciones de las cantidades obtenidas de nanotubos de carbono, por lo cual queda abierta esta investigación a poder ser sometido a nuevos ensayos en cursos más avanzados para conocer más a fondo el comportamiento y la reacciones que pueda tener el mejoramiento del concreto con nanotubos de carbono.. 26.

(19) ALCANCES Analizar el uso de Nanotubos de carbono como refuerzo para mejorar las propiedades mecánicas del concreto. Estudiar le procedimiento correcto para implementar los nanotubos de carbono en una mezcla de concreto. Conocer los posibles efectos colaterales al adicionar nanotubos de carbono a la mezcla de concreto. Comparar los resultados de esfuerzo a compresión de cilindros de prueba elaborados con una mezcla de concreto mejorada con nanotubos de carbono y una muestra sin nanotubos de carbono.. 27.

(20) DISEÑO METODOLOGICO Tipo de investigación El tipo de investigación es cuantitativa ya que busca calcular los datos en los que generalmente se aplica algún tipo de análisis estadístico. Emplea conceptos preconcebidos y teorías para determinar qué datos van a ser recolectados. Al ser un método deductivo necesita apoyarse en experimentos para así lograr la recolección de datos, de la misma manera trabaja bajo una realidad observable, medible y que pueda ser percibida de una manera precisa buscando que esta investigación demuestre la hipótesis planteada y estableciendo con seguridad relaciones de causa y efecto. Dentro de la investigación cuantitativa se desarrollara una investigación experimental con el propósito de determinar de la manera más confiable posible relaciones de causa efecto, para esto se requiere la manipulación de variables o factores experimentales, de control o procedimientos estadísticos al azar. En la manipulación de variables independientes el investigador decide los niveles que corresponderán a cada grupo de sujetos. La variable se manipula con diferentes niveles que asigna el investigador. Es muy importante que las asigne éste. La medición de variables dependientes. Los fenómenos que serán valores pueden ser consignados con variables numéricas. Es imprescindible que la variable sea en forma numérica. Para ello habrá la necesidad de que haya dos grupos como mínimo para establecer comparaciones. Por lo tanto nos dice que no se puede llevar a cabo con un sólo grupo de sujetos y una única condición experimental. Este método implica comparar el efecto de una condición entre dos grupos o más. Población La población que se estableció es el cemento portland ya que en los últimos años se ha incursionando con diferentes materiales para desarrollar una variedad de adiciones buscando mejorar sus propiedades, en particular las fuerzas a la que se ven sometidos algunos concretos como: compresión, tracción, flexión y tensión. De esta manera se tratara de simular condiciones de obra en los laboratorios a realizar. Muestra De esta manera frente a este universo poblacional se establecieron características y términos para definir una muestra y los pasos que se deben seguir en la selección tanto de estudios cuantitativos y cualitativos para un estudio determinado, por lo tanto se ha considerado por lo delicado de la. 28.

(21) problemática una muestra de un concreto tradicional de media pulgada con resistencia de 3000 PSI sometido a una fuerza de compresión en laboratorio. En la planificación del muestreo calculamos el tamaño de la muestra que en este caso son cilindros con diámetro de 10 centímetros y altura de 20 centímetros, ya definida esa parte se decide la cantidad de muestras necesarias para realizar un cálculo promedio y obtener un valor con el cual se va a dar validez a la hipótesis planteada, la compactación será ejecutada manualmente con varilla metálica estándar. Las técnicas utilizadas para la recolección de datos ha sido el seguimiento a tesis, monografías, investigaciones y expertos que se han encargado de abordar el tema, así mismo los procedimientos están basados en laboratorios los cuales nos permitieron determinar y calcular la información necesaria para el diseño de mezcla. De igual manera en el procesamiento de datos se presentan cuadros donde se plantea procedimientos y los resultados en cada caso.. 29.

(22) 1. MARCOS DE REFERENCIA 1.1. Marco de Antecedentes. NANOTUBOS DE CARBONO EN EL HORMIGON PARA MEJORAR PUENTES Y OTRAS OBRAS CIVILES RAFAEL CASTRO TRIGUERO INGENIERO CIVIL; INGENIERO INDUSTRIAL INVESTIGADOR DE LA UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA (ESPAÑA) Las infraestructuras viarias permiten superar obstáculos naturales. Por ejemplo, donde hay una depresión en el terreno, un puente la salva. Aunque se construyen con afán de pervivencia, las condiciones meteorológicas y el tráfico motivan un desgaste en sus materiales. Un Proyecto Nacional de Investigación, en el que participa el investigador de la Universidad de Córdoba Rafael Castro, estudia la incorporación de nanotubos de carbono a la construcción de obra civil con el fin de hacerlas más duraderas y más controlables de forma remota, en definitiva, convertir estas estructuras en lo que se denomina estructuras inteligentes. Para ello, acaba de describir en un artículo recientemente publicado parte del comportamiento de estos nanotubos. El objetivo es conocer de forma amplia las propiedades electromecánicas de los nanos materiales para, posteriormente, emplearlos en construcciones como por ejemplo viaductos ferroviarios. EFECTO HÍBRIDO DE LOS NANOTUBOS DE CARBONO Y LA NANO SÍLICE SOBRE LAS PROPIEDADES MINERALÓGICAS Y MECÁNICAS DE MORTEROS DE CEMENTO PORTLAND. OSCAR AURELIO MENDOZA REALES INGENIERO CIVIL UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA, MEDELLÍN Tesis presentada como requisito parcial para optar al título de: Magister en Ingeniería de Materiales y Procesos En este trabajo se estudió el efecto híbrido de los nanotubos de carbono y la nano sílice sobre las propiedades mineralógicas y mecánicas de morteros de cemento portland. Se caracterizó el proceso de dispersión de los nanotubos de carbono en agua usando super-plastificante como agente dispersante y se identificaron fenómenos de reaglomeración de los nanotubos debido a la presencia de Ca (OH)2 en el medio.. 30.

(23) ADICIÓN DE NANO PARTÍCULAS AL CEMENTO PORTLAND. JORGE IVÁN TOBÓN - Profesor Asociado, Universidad Nacional de Colombia OSCAR JAIME RESTREPO BAENA - Profesor Asociado, Universidad Nacional de Colombia JORGE JUAN PAYÁ BERNABEU - Profesor Titular, Universidad Politécnica de Valencia – España REVISTA DE INGENIERIA DYNA En este artículo se presenta la revisión del estado del arte sobre la adición de nano partículas al cemento Portland. Se muestra cómo la nanotecnología está empezando a llegar a este material de construcción buscando generar hormigones de alto desempeño y cómo varios investigadores han incorporado algunos tipos de partículas manométricas para evaluar fundamentalmente el desempeño físico y mecánico de los cementos adicionados con éstas contra cementos con adiciones de comportamiento más conocido como el humo de sílice, escorias de alto horno y las cenizas volantes.. NANOTUBOS DE CARBONO EN CONCRETO DE CEMENTO PORTLAND. INFLUENCIA DE LA DISPERSIÓN EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS Y EN LA ABSORCIÓN DE AGUA. C. G. N. Marcondes Universidad Pontificia Católica de Paraná (PUCPR), Brasil M. H. F. Medeiros, J. Marques Filho. Departamento de Construcción Civil, Universidad Federal de Paraná (UFPR), Brasil. P. Helene Universidad de São Paulo (USP), Brasil. Revista de la Asociación Latinoamericana de Control de Calidad, Patología y Recuperación de la Construcción Revista ALCONPAT, Volumen 5, Número 2, Mayo - Agosto 2015, Páginas 97 – 114 Los nanotubos de carbono (NTC) son estructuras de carbono que se obtienen en forma cilíndrica de escala nanométrica. Este artículo presenta una evaluación de la adición de NTC en hormigón de cemento Portland, centrándose en la importancia de llevar a cabo la dispersión de los NTC en el agua con el uso del ultrasonido antes de su incorporación en la masa de hormigón. Para ello, tres mezclas de hormigón se prepararon con un NTC libre (referencia) y dos NTC (con una serie previa de dispersión en agua y el aditivo con el uso de ondas ultrasónicas y otras sin dispersión). A continuación, se analizó las propiedades de fluidez, resistencia a la compresión, tracción y la 31.

(24) absorción del agua. El NTC añadió contenido de 0,30% a respecto de la masa de cemento. En todos los casos, la dispersión previa de NTC usando ultrasonido potenció el efecto de la adición de nanotubos de carbono, siendo importante para la eficiencia de este material cuando se añade al cemento.. 1.2. Marco Conceptual 1.2.1. Descubrimiento 1889. El primer antecedente descrito sobre la producción de filamentos carbonosos a partir de vapor se debe a Hugues y Chambers, que patentaron en EE.UU un procedimiento para la fabricación de filamentos de carbono utilizando como gases precursores hidrógeno y metano en un crisol de hierro. En 1952 y L. V. Radushkevich y V. M. Lukyanovich, publicaron imágenes claras de 50 tubos de carbono de diámetro nanométrico en el diario oficial de química física en la Unión Soviética. Este descubrimiento fue en gran medida inadvertido, ya que el artículo fue publicado en idioma ruso, los científicos occidentales y el acceso a la prensa soviética, fue hecho casi imposible durante la guerra fría. 1953. Con el desarrollo del microscopio electrónico, Davis, Slawson y Rugby describen la producción unos filamentos entre 100 y 200 nm, de forma helicoidal, a partir de la desproporción de CO catalizada por hierro a 450ºC, permaneciendo éste en la punta de los filamentos 1958. Hillert y Lange realizan una exhaustiva caracterización estructural de estos filamentos, corroborando la presencia de una partícula metálica en la punta 1970s. En esta década comienza a estudiarse de forma exhaustiva la generación de filamentos de carbono por procesos catalíticos, a partir de distintos precursores (hidrocarburos o CO) y usando como catalizadores diversos metales (Fe, Co, Ni, etc.). En 1981 un grupo de científicos soviéticos publicó los resultados de la estructura química y caracterización de las nanoparticulas de carbono, producido por una desproporción termo-catalítica de monóxido de carbono. Usando imágenes TEM y patrones de XRD, los autores sugirieron que sus "cristales tubulares de carbono multicapa”, fueron formados mediante el enrollamiento de capas de grafito en forma de cilindros. 32.

(25) En 1987, le fue entregada una patente de los EE.UU. a Howard G. Tennent de Hyperion Catálisis, por la producción de “fibrillas discretas cilíndricas de carbono", con un diámetro de entre 3.5 y alrededor de 70 nanómetros. En el año 2006 un artículo escrito por Marc Monthioux y Vladimir Kuznetsov en el “Carbón Journal”, describe el interesante y a menudo erróneo origen de los nanotubos de carbono. Un elevado porcentaje de universitarios y de literatura popular, atribuye el descubrimiento de tubos huecos de carbono compuestos de grafito a Sumio Iijima de NEC en 1991. Pueden distinguirse 3 tipos de estructura de nanotubo, dependiendo de la forma como se produzca el cierre de la lámina de grafeno para formar el cilindro: • En sillón – se cierra por los vértices de los hexágonos – la línea axial del cilindro pasa por un vértice de cada hexágono sucesivo. • En zig-zag – se cierra por los lados de los hexágonos – la línea axial del cilindro pasa por un lado de cada hexágono alterno. • Quiral – es la forma más común; hay inclinación, menor simetría y, como consecuencia, dos formas enantioméricas – la línea axial forma un ángulo con cualquier línea que una sucesivos átomos equivalentes en los hexágonos. Milímetro: 1 mm = 1 000 000 nm Micrómetro: 1 µm = 1000 nm Angstrom: 1 Å = 1/10 nm Picómetro: 1 pm = 1/1000 nm. 1.2.2. Nanotecnología La palabra "nanotecnología" se usa extensivamente para definir las ciencias y técnicas que se aplican al nivel de nanoescala, esto es, medidas extremadamente pequeñas, "nanos" que permiten trabajar y manipular las estructuras moleculares y sus átomos. En síntesis conduciría a la posibilidad de fabricar materiales y máquinas a partir del reordenamiento de átomos y moléculas. El desarrollo de esta disciplina se produce a partir de las propuestas de Richard Feynman quién es considerado el padre de la "nanociencia", premio Nóbel de Física, quién en 1959 propuso fabricar productos en base a un reordenamiento de átomos y moléculas.. 33.

(26) Los nanomateriales son materiales con propiedades morfológicas más pequeñas que un micrómetro en al menos una dimensión. A pesar del hecho de que no hay consenso sobre el tamaño mínimo o máximo de un nanomaterial, algunos autores restringen su tamaño de 1 a 100 nm, una definición lógica situaría la nanoescala entre la microescala (1 micrómetro) y la escala atómica/molecular (alrededor de 0.2 nanómetros).. 1.3. Marco Teórico El concreto es un material muy utilizado en la actualidad y el más común en las construcciones de edificaciones, el concreto es considerado hoy en día como un material común en las construcciones de edificaciones, y demás estructuras que requieran del mismo, por lo cual se ha llevado a una investigación ardua en el uso de aditivos para mejorar su comportamiento mecánico y químico, el uso de aditivos en el concreto hoy en día es un tema bastante extenso y de mucho cuidado. La implementación de aditivos y adiciones en el concreto ha llevado a que el concreto se convierta en un material muy versátil capaz de generar diversos resultados de acuerdo a las necesidades que se tengan en la construcción a realizar. La importancia de estos es que son capaces de crear un concreto con mejor trabajabilidad sin necesidad de aumentar la cantidad de agua, acelerar o retrasar el tiempo de fraguado, reduciendo su segregación entre otras propiedades que han hecho del concreto un material muy manejable y ampliando la capacidad de ser utilizado en muchos escenarios que en un el principio del concreto no se hubieran considerado posibles. Las adiciones al concreto van de fibras metálicas o sintéticas, minerales como puzolanas entre otros, de esta manera se empieza la investigación de adiciones en el concreto, y la utilización de nanotecnología en el concreto como es la incorporación de nanotubos de carbono a la mezcla de concreto. Los nanotubos de carbono son una forma alotrópica o diferente del carbono, se podría explicar para entenderlo como láminas de grafeno enrolladas, creando un cilindro hueco de diversas longitudes, la longitud de los nanotubos no se puede definir como exacta pues puede cambiar de unos cuantos nanómetros hasta 5 centímetros o más, lo cual depende del método de fabricación. Sus múltiples aplicaciones y posibilidades que tienen hacen de este un material muy tentador para mejorar las propiedades del concreto e incluso adicionarle. La manera en la cual están organizados los átomos de los nanotubos de carbono hace que sean muy fuertes y flexibles, siendo de 10 a 100 veces más fuertes que el acero por unidad de peso, esta es una de las propiedades que más interesan al momento de ser usados para mejorar las propiedades físicas del concreto.. 34.

(27) En países como Brasil se logró un cemento con nanotubos de carbono en el año 2008 lo llamaron “El súper cemento” siendo una mezcla de Clinker, caliza cocida y nanotubos de carbono, cabe aclarar que se realizó el proceso al cemento, materia principal cementante para generar el concreto.. 35.

(28) 2. NANOTECNOLOGÍA EN COLOMBIA. La nanotecnología en Colombia es prácticamente nueva, unos cuantos años atrás el estudio de nanotecnología se considera mínimo de aspecto casi individual, de investigadores que les gustara estos temas, en aspecto de gobierno o entidades que colaboraran en esta nueva rama que empieza a surgir en Colombia era muy limitada casi nula. En Colombia se puede decir que hasta el 2004 se toma la implementación de la nanotecnología en investigaciones, esto sucede gracias a que Colciencias entidad encargada de fomentar la ciencia, tecnología y la innovación en Colombia, añade como una de sus áreas estratégicas para el desarrollo de la investigación, dándole el nombre de “Nanotecnología y Materiales Avanzados”. El instituto de ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE), fue quien creo el concejo nacional de Nanociencia y nanotecnología en el año 2005, después de ser creado se hace una red de investigación y desarrollo de nanotecnociencia en entidades educativas como “Universidad Javeriana, Universidad de San Buenaventura, Universidad del Bosque, Universidad Distrital, y Universidad Santo Tomás”. Se contempla de manera importante la aplicación y desarrollo de las tecnologías convergentes en nuestro país, en universidades la implementación de una asignatura de nanotecnología, esta se presenta en algunos programas de pregrado como ingenierías, física y química, a nivel superior especializaciones, maestrías y doctorados en diversas carreras y áreas. Colciencias afirma que para el año 2006 había un 48 programas que ofrecían una oferta educativa con relación al tema nanotecnología. 42% para programas universitarios de pregrado, 10% para especializaciones, 38% para maestrías y un 10% en doctorados. No podemos afirmar que estos datos sean lo que sucede en realidad, pues lo que más se contempla en ámbitos de educación en Colombia son física, ciencia físicas e ingeniería física, siendo la física la oferta educativa a presentar en cambio la nanotecnología no sale directamente en programas educativos, lo cual nos lleva a dejar en segundo plano una temática muy importante para el desarrollo de nuevos materiales y optimización de muchos procesos actuales.. 36.

(29) 2.1. Principales grupos de investigación1 En la investigación realizada, se han identificado hoy en día tres entes principales entre instituciones y grupos de investigación que lideran el desarrollo en nanotecnología en Colombia y que son referentes obligatorios, éstos se presentan a continuación. (CENM) Es el Centro de Excelencia en Nuevos Materiales, hace parte de un esfuerzo de la nación y fue producto de una convocatoria para la creación de centros de investigación de excelencia catalogada como alta prioridad con el apoyo de COLCIENCIAS. Involucra grupos de investigación de 10 universidades colombianas y 4 diferentes entidades internacionales, 3 de Estados Unidos y 1 de Chile. Entre las actividades que realiza el centro, está la redacción de artículos científicos que se encuentran para libre difusión, estudios de prospectiva, realización de eventos, capacitaciones y desarrollo de proyectos. También se debe resaltar que el centro cuenta con una variedad de equipos de laboratorio y personal altamente calificado, por lo tanto es un impulsor clave en el tema de la nanotecnología en Colombia. Las universidades colombianas que se encuentran asociadas al CENM son: Universidad del Valle, Universidad del Norte, Universidad Industrial de Santander, Universidad de Antioquia, Universidad del Quindío, Universidad del Tolima, Universidad Nacional de Colombia, Universidad Autónoma de Occidente, Universidad Tecnológica de Pereira y Universidad del Cauca.. ___________________ 1. (En línea) Archivo Digital: Nanotecnología en Colombia, Disponible en: http://nanotech-col.blogspot.in/p/nanotecnologia-en-colombia.html. 37.

(30) 3. USOS Y APLICACIONES DE LA NANOTECNOLOGÍA2 3.1.1. Nanotecnología aplicada a la administración de fármacos Dentro de las posibilidades de administración de fármacos, ha surgido la posibilidad de utilizar la nanotecnología como un sistema de liberación del principio activo. En general los vehículos utilizados para administrar un fármaco, deben ser de baja toxicidad, con propiedades óptimas para el transporte y liberación y vida media larga. Ejemplos de nanosistemas son: micelas, liposomas, dentrímeros, nanopartículas, nanotubos y bioconjugados En los últimos años se han desarrollado dispositivos implantables de distribución de fármacos. La principal función de esta nueva tecnología es la administración controlada de fármaco durante varias semanas a meses, de acuerdo las necesidades terapéuticas de un paciente individual. Terapias a largo plazo pueden ayudar a mejorar el cumplimiento y la adherencia de los pacientes a los tratamientos farmacológicos. Los dispositivos implantables utilizan una estrategia on demand de los agentes terapéuticos y algunas tecnologías ayudarían a controlar la liberación de manera remota, mediante radiofrecuencia, energía de ultrasonido y de campos magnéticos, se podrían activar y controlar las administraciones. A pesar del gran número de estudios reportados acerca de los dispositivos médicos auto-regulados y de los esfuerzos tecnológicos, no se ha logrado probar los beneficios de este tipo de tecnologías. 3.1.2. Nanotecnología aplicada a la terapia del cáncer Uno de los aspectos más desafiantes en las terapias que existen contra el cáncer, es la especificidad de los tratamientos. Esto podría conducir a reducir los efectos tóxicos que se generar luego de administrar las terapias anticancerígenas. Además de esta posibilidad, podría mejorarse la solubilidad y biodisponibilidad de fármacos que son pobremente solubles. Debido a estas necesidades, han surgido algunas investigaciones que utilizan nanotransportadores (liposomas, micelas poliméricas y nanoparticulas poliméricas) para la preparación de nuevas formulaciones que mejoran la biodisponibilidad de estos tratamientos y mejoran la distribución del fármaco anticancerígeno en el sitio del tumor. Dentro de los factores que se consideran del tipo fisicoquímicos, se encuentra el potencial Z, el tamaño de partícula, la carga catiónica de la superficie y la solubilidad.. ___________________ 2. (En línea) Archivo Digital: La Nanotecnología Disponible en: http://brayaguilar099nanotec.blogspot.in/2016/10/e-l-concepto-de-nanotecnologia-engloba.html. 38.

(31) 3.1.3. Aplicaciones de la nanotecnología en el Medio Ambiente Las aplicaciones de la Nanotecnología en el medio ambiente, involucran el desarrollo de materiales, energías y procesos no contaminantes, tratamiento de aguas residuales, desalinización de agua, descontaminación de suelos, tratamiento de residuos, reciclaje de sustancias, nanosensores para la detección de sustancias químicas dañinas o gases tóxicos. 3.1.4. Aplicaciones de la nanotecnología en la obtención de energía Las aplicaciones de la Nanotecnología en sector energético, tiene relación con la mejora de los sistemas de producción y almacenamiento de energía, en especial aquellas energías limpias y renovables como la energía solar, o basadas en el Hidrógeno, además de tecnologías que ayuden a reducir el consumo energético a través del desarrollo de nuevos aislantes térmicos más eficientes basados en nanomateriales. El aumento de la eficiencia de los paneles solares y placas solares gracias a nanomateriales especializados en la captura y almacenamiento de energía solar. 3.1.5. Nanotecnología aplicada en el agua Unos cuantos problemas básicos crean grandes sufrimientos y tragedias para la humanidad. Según un informe del Banco Mundial, el agua es una de las grandes preocupaciones de las Naciones Unidas. Casi la mitad de la población mundial no tiene acceso a un sistema básico de sanidad, y casi 1,5 billones de personas no tienen acceso a agua limpia y potable. De toda el agua consumida en el mundo, el 67% se utiliza para la agricultura y el 19% para la industria. El uso doméstico cuenta por menos del 9%. La fabricación molecular podría reemplazar a un gran porcentaje de la producción industrial. Se podría trasladar gran parte de la agricultura a invernaderos. El agua de uso doméstico se puede tratar y reciclar. Si se adoptasen estos pasos se podría reducir el consumo del agua por al menos de 50% y, probablemente, hasta por un 90%. Enfermedades relacionadas con el agua suponen la causa de la muerte de miles, tal vez decenas de miles de niños cada día. Todo esto se podría prevenir con tecnología básica, tecnología que se puede fabricar de forma muy económica si las fábricas son económicas y portátiles. 3.1.6. Nano tecnología aplicada a dispositivos nanoinformaticos Usando nanotubos semiconductores, investigadores de varias empresas y laboratorios han desarrollado circuitos de computación de funcionamiento lógico y transistores, las puertas electrónicas lógicas de que están compuestos los chips incrementando su velocidad, disminuyendo el consumo y aumentando las prestaciones. El desarrollo de nanotransistores como las nanomemorias. 39.

(32) puede ser cruciales para absorber las crecientes e inmensas capacidades de procesamiento y memoria que demandan los desarrollos multimedia, más aún cuando se avizora que de acá a máximo diez años la tecnología actual de semiconductores habrá agotado sus posibilidades de crecimiento. Usando nanotubos semiconductores, investigadores de varias empresas y laboratorios han desarrollado circuitos de computación de funcionamiento lógico y transistores, las puertas electrónicas lógicas de que están compuestos los chips. En agosto de 2004, en lo que es considerado un paso fundamental hacia la computadora molecular, una compañía de sistemas de alta tecnología mostró el primer circuito de ordenamiento lógico formado por nanotubos de carbono. Las computadoras moleculares basadas en estos circuitos tienen el potencial de ser mucho más pequeñas y rápidas que las actuales, además de consumir una cantidad considerablemente menor de energía. En cuanto a los transistores, un transistor a escala molecular tiene la misma capacidad que el clásico transistor de silicio. Para el 2007 se espera estar fabricando chips conteniendo mil millones de estos transistores, lo que le permitiría llegar a una velocidad de 20 Ghz con la energía de un voltio.. 3.1.7. Riesgos De la nanotecnología en el medio ambiente Daños medioambientales colectivos derivados de productos no regulados. La nanotecnología molecular permite la fabricación barata de aparatos y productos con una potencia increíble. ¿Cuál será nuestra demanda para este tipo de productos? ¿Qué daños medioambientales podrán causar? El potencial de posibles daños es inmenso, desde daños causados a animales por aviones supersónicos personales volando bajo, hasta el impacto de la energía solar a gran escala que podrían hasta modificar el albedo de la Tierra y afectar el medioambiente. Materiales más fuertes permitirán el desarrollo de máquinas mucho más grandes, capaces de excavar o destrozar grandes áreas de nuestro planeta a un paso mucho más acelerado. Es pronto para decir si habrá incentivos económicos para hacer esto. Sin embargo, dado el gran número de actividades y propósitos que, llevados al extremo, podrían dañar el medioambiente, y dada la facilidad con la que se los podrían llevar al extremo gracias a la fabricación molecular, parece al menos probable que debemos tener en cuenta este posible riesgo. Algunos daños pueden ser resultado de acciones colectivas o individuales que solas serían inofensivas. Es bastante difícil impedir este tipo de daños con argumentos o leyes por lo que tal vez será necesaria una normativa centralizada que regule la propia tecnología.. 40.

(33) Por último, la naturaleza compacta de maquinaria fabricada por la nanotecnología podría fomentar el uso de productos muy pequeños, que podrían a su vez convertirse con el tiempo en un tipo de nano-basura que sería difícil de limpiar y podría causar problemas de salud.. 3.1.8. Riesgos de la nanotecnología en la salud de los seres humanos En 1997 investigadores de la Universidad de Oxford y la Universidad de Montreal mostraron que el dióxido de titanio y el óxido de zinc usados como nanoparticulas en la mayoría de los bloqueadores solares producen radicales libres en las células de la piel, dañando el ADN. En 2002, el Centro de Nanotecnología Biológica y Ambiental de la Universidad de Rice, Houston, informó que las nanoparticulas se acumulan en los órganos de animales de laboratorio (hígado y pulmones). Esto podría dar origen a tumores, al igual que el daño del ADN. Los nanotubos, similares a finísimas agujas, podrían clavarse en los pulmones con efectos parecidos al que provoca el asbesto. En 2003 en un estudio solicitado por el Grupo ETC, el tóxico-patólogo Vyvyan Howard concluyó que el tamaño de las nanoparticulas, más que el material que las constituye, es un riesgo en sí mismo porque aumenta exponencialmente su potencial catalítico y el sistema inmunológico no las detecta. En 2004, Howard informó en una conferencia mundial sobre nanotoxicidad que las nanoparticulas se mueven de la madre al feto por medio de la placenta. Se mostró que las nanoesferas de carbono disueltas en agua, simulando un grado de contaminación ambiental común, dañan el cerebro de los peces y provocan mortandad en pulgas de agua.. 41.

(34) 4. IMPLEMENTACIÓN DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL CONCRETO. El mundo actual está lleno de nuevos inventos estudios e investigadores que han logrado generar nuevos materiales con nanotecnología en diversas áreas, es claro que llegara el momento que la nanotecnología se incorporara en aspectos de las construcciones mejorando los materiales con súper características a la hora de ser empleados, esperando grandes resultados a futuro. La implementación de nanotecnología en el mejoramiento de los materiales también será una ayuda en el combate contra la contaminación ambiental, claramente un punto importante en la actualidad. En nuestra actualidad ya se está empezando a implementar la nanotecnología en la construcción como sensores que se incorporan en las edificaciones para poder así monitorear de manera más precisa la estructura, también se está generando acero y concreto de mayor durabilidad. Actualmente los estudios que se han realizado en el ámbito de la construcción han sido de aspecto investigativo dándole prioridad a los materiales cementantes, buscando encontrar mayor conocimiento de los nanomateriales y su comportamiento a los esfuerzos a nivel manométrico. El avance y estudio de los nanomateriales ha ido aumentando a medida que avanzan los años gracias también a un colectivo de profesiones que se encargan de generar herramientas capaces de poder observar y trabajar los nanomateriales, algo que hace unos 20 años sonaría imposible. Hacer modificaciones a nivel manométrico es posible en el concreto incorporando nanomateriales para poder controlar su comportamiento y así mejorar sus propiedades o agregar propiedades nuevas. El mejoramiento del cemento o sus agregados independientemente, con los nanomateriales, esto nos puede generar concretos con alta resistencia a la compresión, baja resistividad eléctrica, capacidad de auto limpieza, capacidad hasta incluso de poder generar auto reparaciones de micro fisuras, estas y muchas más propiedades que pueden mejorarse o incorporarse al concreto.. 42.

(35) 4.1. Nano tubos de carbono (NTC) Es una estructura de forma tubular con tamaño de su diámetro de orden nanométrico (nm), donde un nanómetro es igual a 1 billonésima parte de un metro 1x10-9 m, los nanotubos se pueden encontrar de diversos materiales coo por ejemplo el silicio, nitruro de boro entre otros, generalmente se le llama asi a los nanotubos de carbono. Los nanotubos son una forma alotrópica del carbono, como el diamante grafito o fullerenos, donde son compuestos por el mismo elemento en este caso carbono pero el orden de su estructura molecular es diferente con lo cual se puede obtener diversas presentaciones del carbono. Los nanotubos de carbono se pueden considerar como una lámina de grafito enrollada, dependiendo del tamaño de la lámina y la estructura interna de la misma se pueden presentar diversos tamaños y geometría interna de los nanotubos de carbono. Existen nanotubos los cuales se encuentran conformados por una sola capa de grafito e denominan nanotubos monocapa, también se pueden encontrar varios nanotubos dentro de más nanotubos de forma concretica, a estos se les conoce como nanotubos de múltiple pared o multicapa. Ilustración 1: (A) nano tubos de pared simple SWNT y (B) nano tubos de doble pared MWNTs. Fuente 1 : www.madrimasd.org. 43.

(36) En 1952 y L. V. Radushkevich y V. M. Lukyanovich, publicaron imágenes claras de 50 tubos de carbono de diámetro nanométrico en el diario oficial de química física en la Unión Soviética. Este descubrimiento fue en gran medida inadvertido, ya que el artículo fue publicado en idioma ruso, los científicos occidentales y el acceso a la prensa soviética, fue hecho casi imposible durante la guerra fría. Es probable que los nanotubos de carbono se produjeran antes de esta fecha, pero fue la invención del microscopio de transmisión de electrones o TEM (Transmission electrón microscopy), quien permitió la visualización directa de estas estructuras.3 En 1953. Con el desarrollo del microscopio electrónico, Davis, Slawson y Rugby describen la producción unos filamentos entre 100 y 200 nm, de forma helicoidal, a partir de la desproporción de CO catalizada por hierro a 450ºC, permaneciendo éste en la punta de los filamentos. A la vez que los filamentos, se producían también carbono amorfo y carburos de hierro.4 4.1.1. Método de elaboración La elaboración de nanotubos es complicado porque actualmente no se ha logrado controlar la estructura de los nanotubos y los métodos de fabricación dan como resultado nanotubos de diferentes longitudes diámetros curvados y demás efectos que no se buscan. 4.1.1.1. Deposición química en fase de vapor (CVD) Método del sustrato 5 Desarrollada por Morinubo Endo, de la Universidad de Shinshu en Nagano. Se coloca un sustrato en un horno, se calienta a 600 ºC y lentamente se añade metano, gas, liberando átomos de carbono, que se pueden recombinar en forma de nanotubos. Fase primera.- Preparación de los catalizadores: Se dispersan nanopartículas de un metal de transición sobre un substrato. Dado que el elemento activo es el metal en estado elemental, es necesario un tratamiento de reducción con hidrógeno para inducir la nucleación de partículas catalíticas en el sustrato. A partir de este momento el catalizador ha de estar ya en todo momento en atmósfera controlada libre de aire. ___________________ 3. (En línea) Archivo Digital: Nano materiales Disponible en: <http://olimpia.cuautitlan2.unam.mx/pagina_ingenieria/mecanica/mat/mat_mec/m6/Introduccion %20a%20los%20nanomateriales.pdf ., p. 20. 4. (En línea) Archivo Digital: Nano materiales: lbid ., p. 21. 5. (En línea) Archivo Digital: Nano materiales: lbid ., p. 23.. 44.

(37) Fase segunda: Crecimiento de los nanotubos: Se introduce en el sistema la fuente de carbono para producir el crecimiento de los nanotubos. Las temperaturas utilizadas para la síntesis de nanotubos por CVD se hallan generalmente comprendidas entre 650 y 900ºC. Suele emplearse un reactor tubular, introducido en un horno eléctrico, para llevar a cabo ambas etapas, pasando de una a otra mediante los flujos de gases y las temperaturas. Durante la etapa de crecimiento de nanotubos, suele seguir. utilizándose hidrógeno como gas portador ya que este inhibe la formación de carbono amorfo. Ilustración 2: esquema de reactor térmico CVD, por sus características operativas.. Fuente 2: www.wikipedia.com Cuando se desea producir VGCF engordadas, suele realizarse una tercera etapa de engrosamiento, donde se disminuye la relación de hidrógeno y se incrementa la temperatura para favorecer el craqueo. El método del sustrato es versátil y permite obtener los distintos tipos de filamentos con alta selectividad. Sin embargo, al ser un proceso discontinuo que requiere de unos tiempos de residencia elevadísimos, las cantidades a producir son muy pequeñas, por lo que los costes son elevadísimos. De los métodos desarrollados para la síntesis de nanotubos, la técnica CVD se muestra la más prometedora para la escala industrial en términos de relación precio/unidad. Hay ventajas adicionales para la síntesis de nanotubos por CVD. 45.

(38) De los diferentes métodos de obtención de nanotubos, CVD es la única técnica capaz de lograr un crecimiento directamente sobre un sustrato determinado. Sin embargo, en las demás técnicas, los nanotubos deben ser recopilados posteriormente. Los lugares de crecimiento son controlables por deposición cuidadosa de un catalizador. Además no hay otros métodos de crecimiento, por ahora, que se hayan desarrollado para producir nanotubos alineados verticalmente.. Sus características son: Rendimiento normal: de 20 a casi 100 por cien. Ventajas: la técnica de CVD es el más sencillo de los tres métodos para su aplicación a escala industrial. Podría emplearse para fabricar nanotubos largos, necesarios en las fibras empleadas en materiales compuestos. Limitaciones: Los nanotubos fabricados así suelen ser de pared múltiple y a veces están plagados de defectos. De ahí que los tubos tengan sólo una décima de la resistencia a la tracción respecto a los fabricados por la descarga de arco.. 4.1.1.2. Método de Ablación Laser 6 Este método, empleado por primera vez por Smalley en 1995, es también una técnica de síntesis de nanotubos de carbono a alta temperatura. Sus principios y mecanismos son similares a los del arco de descarga, con la diferencia de que la energía procede del impacto de un láser pulsado contra un blanco de grafito que contiene catalizadores metálicos (como Ni o Co), que actúan como centros de nucleación permitiendo el crecimiento del nanotubo. El blanco se encuentra dentro de un tubo de cuarzo, que se calienta a 1.200 ºC, y junto al cual se sitúa un colector de cobre enfriado con agua sobre el que se condensan los átomos de carbono evaporados del grafito que irán formando los nanotubos. Permite obtener SWNT de gran calidad y pureza.. ___________________ 6. (En línea) Archivo Digital: Método de síntesis de nanotubos de carbono Disponible en: <https://lidiaconlaquimica.wordpress.com/2016/01/18/metodos-de-sintesis-de-nanotubos-decarbono/. 46.

(39) Ilustración 3: esquema del método de ABLACION utilizado por Smalley en 1995. Fuente 3: juanperdomo.webnode.com.co Las propiedades de los nanotubos obtenidos dependen de muchos factores, como las características del láser (energía, potencia máxima, frecuencia de oscilación, longitud de onda), la estructura y composición del blanco, la presión en la cámara, la composición y el flujo del gas o la temperatura. Los láseres habitualmente empleados son los de Nd – YAG (neodymium-doped yttrium aluminium garnet) o los de dióxido de carbono, observándose que el diámetro promedio aumenta al incrementar la potencia del láser. Con un láser excimer de XeCl a una longitud de onda de 308 nm se han obtenido SWNT con un diámetro entre 1’2 y 1’7 nm, y una longitud de más de 2 µm, comprobándose que el rendimiento era mayor cuanto más elevada era la temperatura (1350 ºC).. 47.

(40) 4.1.1.3. Método del Arco de Descarga 7 Este método, similar al empleado en la síntesis de fullerentos, emplea elevadas temperaturas (en torno a 1.700 ºC) que permiten un crecimiento de los nanotubos con menos defectos estructurales. Se produce un paso de corriente continua, de unos 50 – 100 A a través de dos electrodos de grafito de elevada pureza de 6 – 12 µm de diámetro, refrigerados con agua y separados entre sí unos pocos milímetros, en una cámara a una presión que puede variar entre 4.000 y 65.000 Pa. Entre los electrodos se forma un plasma de átomos de carbono, sublimados del electrodo positivo (ánodo), que se condensa en el electrodo negativo (cátodo) formando nanotubos de carbono. A medida que se forman los tubos disminuye la longitud del electrodo positivo y se forma un depósito de carbono en el electrodo negativo.. Ilustración 4: Detalles del equipo utilizado en el método por arco.. Fuente 4: www.lidiaconlaquimica.wordpress.com. ___________________ 7. (En línea) Archivo Digital: Método de síntesis de nanotubos de carbono Disponible en: <https://lidiaconlaquimica.wordpress.com/2016/01/18/metodos-de-sintesis-de-nanotubos-decarbono/. 48.