Mª Teresa Martínez
Instituto de Carboquímica, CSIC
GRUPO DE NANOESTRUCTURAS DE CARBONO Y NANOTECNOLOGÍA mtmartínez@carbon.icb.csic.es
http://www.icb.csic.es/nanotubos/first.html
CATEDRA PARA LA DIVERSIFICACIÓN INDUSTRIAL Y TECNOLÓGICA- Nov.2007
Nuevos materiales: nanomateriales
Nanotubos de carbono y Nanotecnología
Ley de Moore en la “Nano Era” Escala de los dispositivos funcionales
Fuente: Nanotechnology Research Directions: IWGN Workshop Report http://itri.loyola.edu/nano
C
60C
1.000.000Nanotubos de carbono: estructura
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Nanotubos de carbono: estructura
Hibridación sp3 Hibridación sp2
Dist. entre átomos: 1,544 Å Dist. entre átomos: 1,421 Å Dist. entre capas: 3,354 Å
Configuración electrónica del carbono en su estado fundamental: 1s2 2s2 2p2
Nanotubos de carbono: tipos
Capa única Capa múltiple
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Nanotubos de carbono: descubrimiento
Nanotubos de capa múltiple descubiertos por Iijima 1991
Nº de capas: 2-50 Diámetro: 2-10 nm
15-30 nm
Distancia entre capas: 3,4 Å
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Nanotubos de carbono: capa única
Descubiertos por Iijima y Bethune en 1993
Diámetro: 0,4-3 nm Longitud: ~1 μm
Haces 10-20 cm longitud , 0,3-0,5 mm diámetro
Nanotubos de carbono: estructura
Arm-chair (n, n)
zig-zag (n, 0)
quiral (n, m)
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Nanotubos de carbono: estructura
r = 3 /2M ac-c (n2+mn+m2)1/2 tan θ = 3m /(2n+m)
Nanotubos de carbono: estructura
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Nanotubos de carbono: Propiedades
- Diámetro medio SWNTs 1,2 - 1,4 nm
- Diámetro medio MWNTs 2 - 10 nm (d.i.) 15 -30 nm (d.e.)
- Propiedades ópticas SWNTs: Intervalo de energía - Para (n-m) divisible por 3 0 eV (metálicos)
- Para (n-m) no divisible por 3 0,4-1 eV (semicond.) - Transporte eléctrico SWNTs
- Conductancia quantizada n*(12,9 kΩ)-1
- Resistividad 10-4 Ω-cm
- Máxima densidad de corriente 1013 A/m2
- Superconductividad a Temperaturas <0,55 K (1,4 nm)
<5 K (0,5 nm)
Nanotubos de carbono: Propìedades
- Conductividad térmica ~3000 W/m/K - Emisores de electrones 0,11 eV
- Densidad SWNTs 1,33 - 1,40 g/cm3
-Propiedades mecánicas
- Módulo de Young SWNTs ~ 0,6-1 TPa - Módulo de Young MWNTs 1,28 TPa - Resistencia a la ruptura SWNTs 37 GPa
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Nanotubos de carbono: Propiedades
Nanotubos de Carbono: Aplicaciones
FÍSICA
Prop. Estado Sólido, conductividad, Superconductividad, Efectos cuánticos, Emisión de electrones, Prop. Mecánicas, Efecto Aharanov- Bohm
CIENCIA DE MATERIALES
• Materiales compuestos reforzados
• Plásticos conductores
•Nuevos materiales de carbono (estructurales y funcionales)
ELECTRÓNICA
• Nanoelectrónica
•Pantallas planas
• Memoria mecánica.
• Sensores de gases
• Optoelectrónica
QUÍMICA
• Funcionalización
• Catálisis
BIOLOGIA MOLECULAR
• Transporte drogas y medicamentos
• Inmunoquímica
• Pipetas moleculares
• Sensores de ADN
• Nanopinzas, Musculos artificiales
ENERGÍA
• Almacenamiento
electroquímico de Energía
• Pilas de combustible MICROSCOPÍA
•Sondas en microscopios de barrido
• Cañones de electrones TEM
Nanotubos de carbono: Materiales Compuestos
Basados en sus propiedades mecánicas
- Polímeros; Resinas epoxi, estireno
- Materiales cerámicos; Sílice, alúmina - Fibras compuestas NTs/polímeros
- Alineamiento magnético de los NTs en el polímero - Crecimiento de NTs sobre fibras de carbono
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Composites anisotrópicos: Fibras compuestas
B. Vigolo, Science 298, 2000, 1331 B. Vigolo, Appl. Phys. Lett., 81, 2002, 1211
Nanotubos de carbono: Materiales Compuestos
A.B. Dalton et al.
Science, 423, 703 (2003)
100 m fibras 5 µm diámetro 70 cm/min
60 wt.% NTs
Resistencia Ruptura 1.8 GPa Módulo de Young 80 GPa
R.R. M.Y.
Fibras Vigolo 125 MPa 10 GPa
Fibras tratadas Vigolo 230 MPa 40 GPa
Fibras Dalton 1, 8 GPa 80 GPa
Nanotubos de carbono: Materiales Compuestos
Basados en sus propiedades eléctricas - Eliminación de la electricidad estática,
- líneas de transporte de combustible
- cadenas de pintado electrostático de automóviles
(P. Pötschke, Polymer, 43 (2002) 3247)
(R.H. Baughman, Science, 297 (2002) 787)
- Apantallamiento de interferencias electromagnéticas PVdF/PVP - Aumento de la conductividad de 0.6 a 27 S/cm,
(0.1-0.4% MWNTs)
(W.S. Kim, Macromolecular Research, 10, 5, 258, 2002) - Dispositivos fotónicos
- Comportamiento óptico no lineal
- Limitación óptica de mezclas PmPV/MWNTs
(S.M.O. Flaherty et al. Opt. Soc. Am. B., 20, 1, 49, 2003)
Nanotubos de carbono: Materiales Compuestos
Dispositivos fotovoltaicos
P3OT/SWNT PPV/MWNT
E. Kymakis, Eficiencia quántica 1,8% (2,9-3,2 eV)
Appl. Phys. Lett., 80 81), 113 (2002) H. Ago, Adv. Mat. 1999, 11, 15, 1285
Nanotubos de carbono: Materiales Compuestos
Diodos emisores de luz (LEDs)
- Dopado de PmPV con MWNTs mejora la conductividad hasta ocho órdenes de magnitud
Electroluminiscencia a densidades de corriente más bajas S.A. Curran, Adv. Mat. 10 (14), 1091 (1998)
a) PmPV
b-d) 1,2,y 4 g/l
Nanotubos de carbono: Materiales Compuestos
Retos
- Mejora de la dispersión - Mejora de la adherencia - Mojado de los NTs
Posibles soluciones
- Utilización de surfactantes
- Utilización de compatibilizantes
(PVDF + PMMA/MWNTs)- Funcionalización química de los NTs
- Investigación de las propiedades interfaciales de enlace
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Aplicaciones: Nanoelectrónica
Aplicaciones: Nanoelectrónica
Aplicaciones: Nanoelectrónica
Monolithic Integration of Carbon Nanotube devices with Silicon MOS Technology.
Y. C. Tseng et al. Nanoletters, 2004, 4,1, 123.
NANTERO
(http://www.nantero.com/index.html) Primera compañía que desarrolla productos semiconductores usando CNTs
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Aplicaciones: Emisores de campo
CNTS, UNO DE LOS MATERIALES MÁS PROMETEDORES - Alta capacidad de emisión
de electrones - Alta estabilidad
- Estrecha rango de emisión de energía
- Alto brillo
- Amplio ángulo de visión - Capacidad de trabajar en condiciones extremas de Tª - Características emisoras
(dependen fuertemente del tipo de muestra)
Fransen et al., Appl. Surf. Sci. 146, 312 (1999)
Aplicaciones: Emisores de campo
- DISPOSITIVOS DE EMISIÓN DE ELECTRONES
- Microscopios LEEPS
(Low Energy Electron Point Source) - Microscopios electrónicos
- Elementos de iluminación (Jumbotron)
- Amplificadores de microondas - Tubos de rayos catódicos
- Espectrómetros de Rayos X - Pantallas planas
Aplicaciones: Pantallas planas
-
Wang, 1998, 1ª Pantalla plana con CNTs (32*32 pixels)- Chor, 1999, 4,5 pulgadas de tres colores
- Samsung, 1999, 4,5 pulgadas con todos los colores
- Samsung, 2000, 576*242 pixels -- Samsung 2006, 15 pulgadas
Aplicaciones: Biomédicas
Pantarotto, D., Partidos, C.D., Hoebeke, J. Bianco, A. Chem. Biol., 2003, 10, 961-966
SUMINISTRO DE VACUNAS Y FÁRMACOS
Unión del antígeno al CNT induciendo una respuesta con la adecuada especifidad
CNT Funcionalización con grupos NH2
CNT- Peptidos (mono o bis conjugados)
Respuesta antipeptido-anticuerpo
Aplicaciones Biomédicas
Electronics/Output Analyte/
Sample
Biosensor
electrode Receiver
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Aplicaciones Biomédicas: Sensores
i) Inmovilizando unidades de (PEO) ii) Biotinización (CNT o Polímero) iii) Detección de Streptavidina
iv) Cambio de conductancia
Reconocimiento molecular Biotina- Streptavidina (Funcionalización no-covalente)
Otras biomoléculas; oligonucleotidos, secuencias de ADN
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Aplicaciones Biomédicas: Sensores
FUNCIONALIZACIÓN COVALENTE
Grupos amino
Esquema de la funcionalización covalente de CNTscon ADN y Biotina
Grupos maleimido
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Fuente: Carbon Nanotubes the route towards applications, R. H. Baughman, A. A.
Zakhidov, W.de Heer. Science, 297, 2002, 787-792.
Aplicaciones /Patentes
Multicountry
Individual
PRODUCCIÓN
Reactor de Arquema (Lacq, France) 10-30 Toneladas/año Bayer (60 Toneladas/año)