Nuevos materiales: nanomateriales

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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

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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

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C

60

C

1.000.000

Nanotubos 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

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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

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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)

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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)

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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

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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

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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

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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

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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)

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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

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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

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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

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Aplicaciones: Nanoelectrónica

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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)

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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

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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

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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

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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

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PRODUCCIÓN

Reactor de Arquema (Lacq, France) 10-30 Toneladas/año Bayer (60 Toneladas/año)

Figure

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