Especial Grafeno

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ESPECIAL

Grafeno

y

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Introducción

de los nanotubos en el

dominio de la electrónica

Philip G. Collins y Phaedon Avouris Philip G. Collins y Phaedon Avouris Investigación y Ciencia,

Investigación y Ciencia, febrero 2001febrero 2001

Nanotubos de carbono

Mauricio Terrones y Humberto Terrones Mauricio Terrones y Humberto Terrones

Investigación y Ciencia,

Investigación y Ciencia, junio 2004 junio 2004

Aplicaciones

microelectrónicas

de los nanotubos

Gary Stix Gary Stix Investigación y Ciencia,

Investigación y Ciencia, abril 2005abril 2005

Grafeno

André K. Geim y Philip Kim André K. Geim y Philip Kim Investigación y Ciencia,

Electrónica del grafeno

José Gonzále

José González Carmona, Maz Carmona, María A. H. Vría A. H. Vozmedianozmedianoo y Francisco Guinea

y Francisco Guinea Investigación y Ciencia,

Investigación y Ciencia, septiembre 2010septiembre 2010

Constantes que corren

María A. H. Vozmediano María A. H. Vozmediano Investigación y Ciencia,

Investigación y Ciencia, marzo 2012marzo 2012

Control del grafeno

mediante sonido

Gerardo García Naumis Gerardo García Naumis Investigación y Ciencia,

Investigación y Ciencia, julio 2017 julio 2017

Lego a escala atómica

André K. Geim André K. Geim Investigación y Ciencia,

Investigación y Ciencia, febrero 2015febrero 2015

Bienv

Bienvenidos

enidos a

a Planilandia

Planilandia

Vincenzo Palermo y Francesco Bonaccorso Vincenzo Palermo y Francesco Bonaccorso

Investigación y Ciencia,

EDITA EDITA Prensa Cientíca, S.A. Prensa Cientíca, S.A. Muntaner, 339 pral. 1

Muntaner, 339 pral. 1aa_{, 08021}_{, 08021 Barcel}_{Barcelona (España)}_{ona (España)}

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ESPECIAL n.

ESPECIAL n.oo₃₂₃₂ _{ISSN: 2385-5657}_ISSN:_2385-5657

En portada:

En portada: iStock/Rost-9D |iStock/Rost-9D | Imagen superior:Imagen superior: Wikimedia Commons/Michael Ströck Wikimedia Commons/Michael Ströck (CC BY-SA 3.0)(CC BY-SA 3.0)

ESPECIAL

Grafeno y nanotubos

CONTENIDO

Nuestra selección de artículos sobre dos

Nuestra selección de artículos sobre dos alótropos del carbonoalótropos del carbono

llamados a transformar la

llamados a transformar la microelectrónica, la nanotecnologíamicroelectrónica, la nanotecnología

y la ciencia de materiales

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ESPECIAL

MONOGRÁFICOS DIGITALES

Descubre los monográﬁcos digitales que reúnen nuestros

mejores artículos (en pdf) sobre temas de

actualidad

www.investigacionyciencia.es/revistas/especial

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H

ará unos diez años Sumio Iijima, sentado anteará unos diez años Sumio Iijima, sentado ante su microscopio electrónico en el Laboratorio de su microscopio electrónico en el Laboratorio de Investig

Investigación Fundamental de ación Fundamental de NEC en Tsukuba,NEC en Tsukuba, observaba unas extrañas fibras nanoscópicas observaba unas extrañas fibras nanoscópicas depositadas sobre una mota de hollín. depositadas sobre una mota de hollín. Consti-tuidas por carbono, y de

tuidas por carbono, y de forma tan regular y forma tan regular y simétrica comosimétrica como los cristales, estas macromoléculas de primorosa finura e los cristales, estas macromoléculas de primorosa finura e impresionante longitud no tardaron en llamarse nanotubos. impresionante longitud no tardaron en llamarse nanotubos. Desde entonces han sido objeto de intensa investigación básica. Desde entonces han sido objeto de intensa investigación básica. Se ha dado un paso más. Ahora interesa también a la Se ha dado un paso más. Ahora interesa también a la in-geniería. Muchas de las propiedades extraordinarias de los geniería. Muchas de las propiedades extraordinarias de los nanotubos —superlativa elasticidad, resisten

nanotubos —superlativa elasticidad, resistencia a la traccióncia a la tracción y estabilidad térmica— han

y estabilidad térmica— han desatado la imaginación, quedesatado la imaginación, que sueña con robots microscópicos, carrocerías de automóviles sueña con robots microscópicos, carrocerías de automóviles resistentes a las abolladuras y edif

resistentes a las abolladuras y edif icios a prueba de tericios a prueba de ter remotos.remotos. Sin embargo, l

Sin embargo, los primeros productos que incorporan nanotos primeros productos que incorporan nanotubosubos no lo hacen en razón de tales atributos, sino en virtud de sus no lo hacen en razón de tales atributos, sino en virtud de sus propiedades eléctricas. Algunos automóviles de General Motors propiedades eléctricas. Algunos automóviles de General Motors incluyen piezas de plástico a las que se añaden nanotubos; el incluyen piezas de plástico a las que se añaden nanotubos; el material plástico se carga eléctricamente durante la fase de material plástico se carga eléctricamente durante la fase de pintur

pintura para que ésta se adhiera mejor. Muy pronto saldrán ala para que ésta se adhiera mejor. Muy pronto saldrán al mercado dos productos de i

mercado dos productos de i luminación y presentación visualluminación y presentación visual basados en nanotubos.

basados en nanotubos.

A largo plazo, las aplicaciones más valiosas saca

A largo plazo, las aplicaciones más valiosas saca rán mayorrán mayor partido de las singulares propiedades electrónicas de los partido de las singulares propiedades electrónicas de los nanotubos. En principio, los nanotubos de carbono pueden nanotubos. En principio, los nanotubos de carbono pueden desempeñar el mismo papel que cumple el silicio en los desempeñar el mismo papel que cumple el silicio en los cir-cuitos electrónicos, pero a

cuitos electrónicos, pero a escala molecular, donde el silicioescala molecular, donde el silicio y otros semiconductores al uso dejan de fu

y otros semiconductores al uso dejan de fu ncionar. Aunquencionar. Aunque la industria electrónica está llevando las dimensiones críticas la industria electrónica está llevando las dimensiones críticas de los transistores de los chips comerciales por debajo de de los transistores de los chips comerciales por debajo de 200 nanómetros (mil millonésimas de un metro) —unos 400 200 nanómetros (mil millonésimas de un metro) —unos 400 átomos de anchura— los ingenieros se enfrentan con átomos de anchura— los ingenieros se enfrentan con gran-des obstáculos para avanzar en la miniaturización. De aquí des obstáculos para avanzar en la miniaturización. De aquí a 10 años, los materiales y los procesos sobre los que se ha a 10 años, los materiales y los procesos sobre los que se ha basado la revolu

basado la revolución informática comenzarán a ación informática comenzarán a a lcanzar sulcanzar su límite físico

límite físico infranqueable. Todavía hay enormes incentivosinfranqueable. Todavía hay enormes incentivos económicos para reducir aún más los dispositivos, porque económicos para reducir aún más los dispositivos, porque la velocidad, la densidad y el rendimiento de los ingenios la velocidad, la densidad y el rendimiento de los ingenios microelectrónicos aumentarán con la reducción del tamaño microelectrónicos aumentarán con la reducción del tamaño

Introducción

de los nanotubos

en el dominio

de la electrónica

Más

Más resistentes

resistentes que

que el

el acero,

acero, estas

estas macromoléculas

macromoléculas

fibriformes

fibriformes hallan

hallan un

un campo

campo prometedor

prometedor

de aplicación en los dispositivos electrónicos

Philip G. Collins y Phaedon Avouris

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mínimo de

mínimo de los componentes. Los experimentos de los últimoslos componentes. Los experimentos de los últimos años han dado espera

años han dado espera nzas a los investigadores de que podríannzas a los investigadores de que podrían fabricarse con nanotubos

fabricarse con nanotubos las conexiones y los dispositivoslas conexiones y los dispositivos activos de un tamaño de diez nanómetros o inferior. activos de un tamaño de diez nanómetros o inferior. Incorpo-rados los nanotubos en circuitos electrónicos, éstos operarían rados los nanotubos en circuitos electrónicos, éstos operarían más deprisa y sin consumir tanta energía como los actuales. más deprisa y sin consumir tanta energía como los actuales. Los primeros nanotubos de carbono que observó Iijima en Los primeros nanotubos de carbono que observó Iijima en 1991 se denominaron tubos de paredes múltiples. Cada uno 1991 se denominaron tubos de paredes múltiples. Cada uno contenía cierto número de cilindros huecos de

contenía cierto número de cilindros huecos de átomos de car-átomos de car-bono anidados a la manera

bono anidados a la manera de muñecas rusas. Dos años después,de muñecas rusas. Dos años después, Iijima y Donald Be

Iijima y Donald Bethune, éste de IBM, crearon cada uno por suthune, éste de IBM, crearon cada uno por su lado nanotubos de pared única, formados exclusivamente de una lado nanotubos de pared única, formados exclusivamente de una capa de átomos de carbono. Ambos tipos de tubos, fabricados capa de átomos de carbono. Ambos tipos de tubos, fabricados de modo parecido, gozan de muchas propiedades simi

de modo parecido, gozan de muchas propiedades simi lares; laslares; las más obvias, su longitud y estrechez, enormes. El modelo de más obvias, su longitud y estrechez, enormes. El modelo de

pared única, de un

pared única, de un nanómetro aproximadnanómetro aproximado de diámetro, puedeo de diámetro, puede abarcar miles de

abarcar miles de nanómetros de longitud.nanómetros de longitud.

Lo que confiere a estos tubos su estabilidad notable es la Lo que confiere a estos tubos su estabilidad notable es la intensidad con que se unen los átomos de carbono entre sí, intensidad con que se unen los átomos de carbono entre sí, propiedad que explica la dureza del diamante. En este propiedad que explica la dureza del diamante. En este mine-ral, los átomos de carbono se unen en un tetraedro de cuatro ral, los átomos de carbono se unen en un tetraedro de cuatro lados. Sin embargo, en los nanotubos los átomos se disponen lados. Sin embargo, en los nanotubos los átomos se disponen en anillos hexagonales, la misma estructura que caracteriza en anillos hexagonales, la misma estructura que caracteriza alal grafito; de hecho un nanotubo parece

grafito; de hecho un nanotubo parece una lámina (o varias lá-una lámina (o varias lá-minas apiladas) de grafito enrollada en un cilind

minas apiladas) de grafito enrollada en un cilind ro sin costuras.ro sin costuras. No se sabe a ciencia cierta por qué los átomos se condensan No se sabe a ciencia cierta por qué los átomos se condensan en tubos, pero parece que

en tubos, pero parece que pueden crecer añadiendo átomos apueden crecer añadiendo átomos a sus extremos, igual que una tejedora va agregando puntos a la sus extremos, igual que una tejedora va agregando puntos a la manga de un jersey.

manga de un jersey.

Tubos retorcidos Tubos retorcidos

L

a composición y la geometría de los nanotubos dea composición y la geometría de los nanotubos de carbono engendran, con independencia de su formación, una carbono engendran, con independencia de su formación, una complejidad electrónica única. Ello se debe, en parte, al tamaño, complejidad electrónica única. Ello se debe, en parte, al tamaño, pues no olvidemos que la física cuántica manda a escala pues no olvidemos que la física cuántica manda a escala nano-métrica. Pero el propio grafito constituye, de suyo, un material métrica. Pero el propio grafito constituye, de suyo, un material muy especial. Si la mayoría de los conductores eléctricos son o muy especial. Si la mayoría de los conductores eléctricos son o metales o semiconduc

metales o semiconductores, el grafito pertenece al grtores, el grafito pertenece al gr upo restrin-upo restrin-gido de los semimetales, instalado, en un delicado equilibrio, en gido de los semimetales, instalado, en un delicado equilibrio, en la zona de transición entre aquéllos. Combinando las propiedades la zona de transición entre aquéllos. Combinando las propiedades semimetálicas del grafito con las reglas cuánticas de niveles de semimetálicas del grafito con las reglas cuánticas de niveles de energía y ondas electrónicas, los nanotubos de carbono surgen energía y ondas electrónicas, los nanotubos de carbono surgen como conductores exóticos.

como conductores exóticos.

Impone cierta regla del mundo cuántico que los electrones Impone cierta regla del mundo cuántico que los electrones se comporten como ondas y como par

se comporten como ondas y como par tículas; las ondas elec-tículas; las ondas elec-trónicas se amplifican o cancelan entre sí. Por consiguiente, trónicas se amplifican o cancelan entre sí. Por consiguiente, un electrón que se

un electrón que se distribuya alrededor de la circunferencia dedistribuya alrededor de la circunferencia de un nanotubo puede autocancelarse por completo

un nanotubo puede autocancelarse por completo; y queda; y queda ránrán sólo los electrones con idéntica longitud de onda correcta. De sólo los electrones con idéntica longitud de onda correcta. De todas las posibles longitudes de onda electrónicas, o estados todas las posibles longitudes de onda electrónicas, o estados cuánticos, que haya en una lámina plana de grafito, sólo un cuánticos, que haya en una lámina plana de grafito, sólo un pequeño conjunto estará permitido cuando se enrolle para pequeño conjunto estará permitido cuando se enrolle para formar un nanotubo. El conjunto dependerá de la circun

formar un nanotubo. El conjunto dependerá de la circun ferenciaferencia del nanotubo, como también de si el nanotubo se retuerce a la del nanotubo, como también de si el nanotubo se retuerce a la manera de los anuncios luminosos de una barbería.

manera de los anuncios luminosos de una barbería.

PHILIP G. COLLINS y PHAEDON AVOURIS trabajan PHILIP G. COLLINS y PHAEDON AVOURIS trabajan en el Centro de Investigación Thomas J. Watson de IBM, en el Centro de Investigación Thomas J. Watson de IBM, interesados en las propiedades eléctricas de diversos tipos interesados en las propiedades eléctricas de diversos tipos de nanotubos. Collins estudió física e ingeniería electrónica de nanotubos. Collins estudió física e ingeniería electrónica en el Instituto de Tecnología de Massachusetts y la en el Instituto de Tecnología de Massachusetts y la Uni-versidad de California en Berkeley. Avouris, que dirige el versidad de California en Berkeley. Avouris, que dirige el grupo de nanociencia y nanotecnología de IBM, ha recibido grupo de nanociencia y nanotecnología de IBM, ha recibido el premio Feynman de nanotecnia molecular.

el premio Feynman de nanotecnia molecular.

1. MICROCHIPS DEL FUTURO, que exigirán conexiones y

transistores menores que los producidos por fotolitografía.

Se están ensayando macromoléculas de carbono conductoras

eléctricamente que se autoensamblan en tubos para operar

como hilos ultrafinos (

como hilos ultrafinos (izquierdaizquierda) y como canales en transis-) y como canales en

transis-tores experimentales de efecto de campo (

tores experimentales de efecto de campo ( arriba arriba).).

FUENTE FUENTE DE ORO DE ORO CANAL CANAL DE NANOTUBO DE NANOTUBO AISLANTE AISLANTE DE DIOXIDO DE DIOXIDO DE SILICIO DE SILICIO SUMIDERO SUMIDERO DE ORO DE ORO 5 5

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Metálico

Semiconductor

Metálico

Semiconductor

Metal Semiconductor Grafito

2_/ 3 2_/ 3 1_/ 3 1_/ 3

El comportamiento eléctrico de los nanotubos

Doble personalidad

LAS PROPIEDADES ELECTRICAS de un material dependen de la separación entre los estados de energía ocupados por electrones (rojo ) y los estados adicionales de “conducción” vacíos y dispo-nibles para que los electrones salten a ellos (azul claro ). Los metales conducen electricidad por la gran cantidad de electrones que hay con fácil acceso a los estados de conducción adyacentes. En los semiconductores, los electrones necesitan un estímulo energético con luz o un campo eléctrico para superar el intervalo de separación hasta el primer estado de conducción disponible. El grafito es un semimetal apenas conductor, porque, sin tales estímulos externos, sólo unos pocos electro-nes pueden acceder al estrecho camino hacia un estado de conducción.

LOS NANOTUBOS RECTOS semejan un corte limpio de una lámina de grafito (izquierda) y enrollado en un tubo (centro ). La geometría de los nanotubos limita los electrones a unas zonas específicas de estados de energía del grafito (derecha). A tenor del diámetro del tubo, una de estas rebanadas puede incluir el estrecho camino que une a los electrones con los estados de conducción. Débese a ese punto especial, o punto de Fermi, el que dos tercios de los nanotubos sean metálicos. Pero si el punto de Fermi no queda incluido en esas láminas, los nanotubos serán semiconductores.

NANOTUBOS RETORCIDOS, cortados en el grafito con cierto ángulo (izquierda). Recuerdan los postes indicadores de las barberías (centro ). Las láminas de estados de energía permitidos para los electrones (derecha) se hallan cortadas de forma similar con un ángulo determinado; en virtud de ello, unos dos tercios de los tubos retorcidos no incluyen el punto de Fermi y son semiconductores.

PUNTO DE FERMI

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Al rebanar unos cuantos estados electrónicos de un metal o un semiconductor simples no se producen muchas sorpresas. Los semimetales, en cambio, son mucho más sensibles. Y, por tales, más interesantes los nanotubos de carbono. En una lámina de grafito, el punto de Fermi, cierto estado electrónico específico, confiere al grafito casi toda la conductividad que esgrime; en ningún otro estado gozan de libertad de movi-miento los electrones. Sólo un tercio de todos los nanotubos de carbono combina el diámetro correcto y el correspondiente grado de torsión para incluir este punto de Fermi espe cial en su conjunto de estados permitidos. Estos nanotubos son auténticos nanofilamentos metálicos.

Los dos tercios restantes de nanotubos son semiconductores. Eso significa que necesitan, igual que el silicio, una aportación adicional de energía para dejar fluir la corriente. Una ráfaga de luz o un voltaje pueden llevar a los electrones desde los estados de valencia hasta los estados de conducción, donde se mueven con libertad. La cant idad de energía requerida depende de la separación entre ambos niveles, es decir, del intervalo de banda de un semiconductor. Gracias a esos intervalos los semiconductores resultan tan útiles en los circuitos. Merced a un amplio repertorio de materiales con diferentes intervalos de banda, los ingenieros han creado la rica batería actual de dispositivos electrónicos.

Los nanotubos de carbono no t ienen todos el mismo intervalo de banda, porque para cada circunferencia existe un conjunto exclusivo de estados permitidos de valencia y de conducción. Los nanotubos de menor diámetro cuentan con muy pocos estados muy separados en energía. Al aumentar el diámetro de los nanotubos, se admiten cada vez más estados y la d istancia entre ellos se acorta. Acontece, pues, que nanotubos de diferente tamaño pueden tener inter valos de banda nulos (cero, igual que un metal), de la magnitud del intervalo de banda del silicio o de casi cualquier valor entre ambos extremos. Ningún otro material conocido puede afinarse con semejante facilidad. Pero el crecimiento de los nanotubos pro duce todavía un montón de geometrías dispares. Por eso los investigadores se afanan en la búsqueda de mecanismos que nos garanticen tipos específicos de nanotubos.

Los nanotubos gruesos de pared múltiple pueden desarrollar incluso un comportamiento más complejo. Cada capa del tubo presenta una geometría algo distinta. Si pudiéramos diseñar a medida la composición de cada uno, se habría cumplido el sueño de fabricar tubos con pared múltiple que sean autoais-lantes o que transporten señales múltiples al instante, como cables coaxiales nanoscópicos. Nuestro conocimiento y con-trol del crecimiento de los nanotubos se hallan muy lejos de tales metas. No obstante, al incorporar nanotubos en circuitos operativos hemos comenzado, por lo menos, a desentrañar sus propiedades básicas.

Nanocircuitos

V

arios g rupos de investigación, el nuestro incluido, han construido con éxito dispositivos electrónicos operativos a parti r de nanotubos de carbono. Nuestros transistores de efecto de campo (FET) utilizan nanotubos semiconductores sencillos entre dos electrodos metálicos para crear un canal por donde circulan los electrones. La corriente que fluye a través del mismo puede activarse o desactivarse aplicando voltajes a un tercer electrodo inmediato. Los dispositivos basados en nanotubos funcionan a temperatura ambiente con características eléctricas notablemente similares a los dispositivos comerciales de silicio. Nosotros y otros grupos hemos encontrado que el electrodo de la puerta puede cambiar la conductividad del canal de nanotubo en un FET en un factor de un millón o más, equiparable a los FET de silicio. Debido a su minúsculo tamaño, sin embargo,

NANOTUBO

2. AL SER FILAMENTOS ULTRAFINOS, los nanotubos de carbono podrían liberar espacio en los microchips para alojar más dispositivos, así como solucionar los problemas térmicos y de estabilidad. Con un diámetro ligeramente superior a un nanómetro, este nanotubo de una sola pared hace que las líneas trazadas por fotolitografía de última generación nos parezcan descomunales.

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el FET de nanotubos conmutaría sin errar y consumiendo mucha menos energía que un dispositivo de silicio. En teoría, un conmutador fabricado a nanoescala podría trabajar a veloci-dades cronométricas de un terahertz o más, mil veces más depr isa que los procesadores disponibles.

Ante el amplio abanico de inter-valos de banda y conductividades propios de los nanotubos, son múl-tiples las posibilidades que se abren para nanodispositivos ad icionales. En nuestro laboratorio, y no sólo en él, al medir uniones de nanotubos metálicos y semiconductores, se ha observado que éstas se comportan como diodos, permitiendo que la elec-tricidad circule en una sola dirección. En línea de principio, las

combinacio-nes de nanotubos con diferentes intervalos de banda podrían convertirse en diodos emisores de luz y quizás en láseres nanoscópicos. Nada parece ahora impedir la creación de un nanocircuito dotado de conexiones, conmutadores y elementos de memoria realizados con nanotubos y otras moléculas. Con esta ingeniería molecular podrían obtenerse, por fin, no sólo versiones minúsculas de dispositivos al uso sino también otros nuevos que exploten los efectos cuánticos.

Hasta ahora, apresurémonos a decirlo, nuestros circuitos se han fabricado uno a uno y con sumo esfuerzo. Aunque cada grupo de investigación sigue su propio protocolo para fijar un nanotubo a los electrodos metálicos, en todos se recurre a la combinación de litografía tradicional para los electrodos con herramientas de mayor resolución, como microscopios de fuerza atómica, para colocar los nanotubos. Ni que decir tiene que nos queda un largo camino por recorrer desde la producción industrial, compleja, automatizada y paralela de microchips de silicio sobre los que se asienta la industria informática.

Antes de que podamos pensar en la fabricación de una es-tructura de circuitos fundada en na notubos, habrá que encontrar métodos de desarrollo de nanotubos en posiciones, orientaciones, formas y tamaños específicos. En la Universidad de Stanford y en otras instituciones se ha demostrado que, colocando partículas de níquel, hierro o algún otro catalizador sobre un sustrato, se obtienen nanotubos que crecen donde se quiera. En Harva rd se ha encontrado una forma de unir nanotubos con nanofilamentos de silicio, hilvanando conexiones a los circuitos fabricados por los medios habituales.

Hablamos de tímidos pasos. Con todo, suficientes para entrever la aplicación de nanotubos de carbono como transistores e hilos de interconexión en los circuitos de microchips. Estos filamentos, de unos 250 nanómetros de anchura, son metá licos. A los ingenieros les encantaría lograrlos mucho menores, para así integrar más dispositivos en la misma sección. Pero la miniaturización ulterior de los hilos metálicos ha de vencer dos dificultades imponentes. En primer lugar, no contamos todavía con un método eficaz para disipar el calor generado por los dispositivos; si apretaran más se provocaría un rápido sobrecalentamiento. En segundo lugar, al afilar los hilos metálicos la ráfaga de electrones que se mueve a través de ellos tiene suficiente fuerza par a desplazar a los átomos metálicos y, en breve tiempo, los filamentos se degradarían, como fusibles fundidos.

En teoría los nanotubos p odrían resolver ambos problemas. Predice ésta que los nanotubos de carbono conducen el calor a la manera casi del diamante o el zafiro; idea que parece confirmada en experimentos provisionales. Los nanotubos p odrían, pues, refrigerar eficientemente series muy densas de dispositivos.

Además, por ser los enlaces entre átomos de carbono mucho más fuertes que los de cualquier metal, los nanotubos pueden transportar enormes cantidades de corr iente eléctrica; las me-didas recientes muestran que un manojo de nanotubos de un centímetro cuadrado de sección transversal podría conducir unos mil millones de ampère. Estas corrientes tan altas vapo-rizarían el cobre o el oro.

Donde destacan los nanotubos

L

os nanotubos de carbono muestran un segundo com-portamiento electrónico de sumo interés para los inge-nieros. En 1995 un grupo de la Universidad Rice observó que, cuando se colocaban erguidos y se cargaban eléctricamente, los nanotubos de carbono semejaban varillas o tubos de alumbrado, concentrando el campo eléctrico en sus puntas. Pero mientras una varilla de alumbrado conduce un arco a tierra, un nanotubo emite electrones desde su punta a una velocidad prodigiosa. Como son tan agudos, los nanotubos emiten electrones a voltajes menores que los electrodos fabricados con la mayoría de otros materiales, y sus vigorosos enlaces de carbono per miten que los nanotubos duren más sin n ingún desperfecto.

Se había imaginado este comportamiento, llamado emisión de campo, para aprovecharlo en una técnica que sustituyera a los televisores y los monitores de ordenador, voluminosos y poco eficientes, con pa neles planos de menor volumen y mayor rendimiento, sin merma del brillo. La idea, sin embargo, ha tropezado siempre con la fragilidad de los emisores de campo disponibles. Se confía en que los nanotubos puedan salvar ese escollo y despejar el camino para una alternativa a los tubos de rayos catódicos y los paneles de cristal líquido.

Resulta de una sencillez asombrosa fabricar, a partir de nanotubos, un emisor de campo de alta corriente. Basta con mezclarlos con plásticos en una pasta compuesta, se untan sobre un electrodo y se aplica un voltaje. Algunos nanotubos de la capa apuntarán, indefectiblemente, hacia el electrodo opuesto y emitirán electrones. En el Instituto de Tecnología de Georgia, Stanford y otras instituciones se han encontrado ya métodos para el desarrollo de grupos de nanotubos erguidos en pequeñas rejillas ordenadas. Con una óptima densidad, estos grupos pueden emitir más de un ampère por centímetro cuadrado, suficiente para iluminar los fósforos en una pantalla y capaz de controlar relés de microondas y conmutadores de alta frecuencia en estaciones de telefonía móvil.

Sabemos de dos compañías empeñadas en la fabricación de bienes que utilizan nanotubos de carbono como emisores de campo. La japonesa Ise Electronics ha ensayado compuestos

3. PRIMEROS DISPOSITIVOS ELECTRONICOS en incorporar nanotubos. Ofrecemos los elementos de iluminación de tubos de vacío (izquierda) y pantallas planas a todo color ( derecha). Unos y otras aprovechan la capacidad de los nanotubos para emitir electrones a un voltaje bastante bajo sin fundirse, lo que se traduce en un uso más eficiente de la energía y una mayor duración.

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Tres formas de fabricar nanotubos

Volatilizar, hornear o bombardear

A

unque Sumio Iijima fue el primero en ver un nanotubo, otros se adelantaron en su fabricación. Sin saberlo, los hombres de Neandertal fabricarían cantidades minúsculas de nanotubos en las hogueras con que calen-taban sus cuevas. Separados por el calor, los átomos de carbono se recombinan en el hollín; unos engendran gló-bulos amorfos, otros unas esferas llamadas “buckybolas”

y otros largas cápsulas cilíndricas, los “buckytubos” o na-notubos. La ciencia ha descubierto tres formas de fabricar hollín que contiene una proporción notable de nanotubos. Hasta ahora, sin embargo, los tres métodos sufren algunas limitaciones importantes: todos producen mezclas de nano-tubos con una amplia gama de longitudes, muchos defectos y variedad de torsiones.

UNA GRAN CHISPA

En 1992 Thomas Ebbesen y Pullickel M. Ajayan, del Laborator io de Investigación Fundamental de NEC en Tsukuba, publicaron el pri-mer método de fabricación de cantidades macroscópicas de nano-tubos. Consiste en conectar dos barras de grafito a una fuente de alimentación, separarlas unos milímetros y accionar un interruptor. Al saltar una chispa de 100 ampère de intensidad entre las barras, el carbono se evapora en un plasma caliente (derecha). Parte del mismo se vuelve a condensar en forma de nanotubos.

Rendimiento normal: Hasta un 30 por ciento en peso.

Ventajas: Las altas temperaturas y los catalizadores metálicos añadidos a las barras pueden producir nanotubos de pared única y múltiple con pocos defectos estructurales, si alguno.

Limitaciones: Los tubos tienden a ser cortos (50 micras o menos) y depositarse en formas y tamaños aleatorios.

UN GAS CALIENTE

Morinubo Endo, de la Universidad de Shinshu en Nagano, introdujo, en la fabricación de nanotubos, el método de la deposición química en fase va-por (CVD). Se coloca un sustrato en un horno, se calienta a 600 grados centígrados y lentamente se añade metano, gas que contiene carbono. Al descomponerse el gas, libera átomos de carbono, que se pueden recombinar en forma de nanotubos.

Jie Liu y sus colegas de la Universidad de Duke han ideado un catalizador poroso que convierte casi todo el carbono en gas para creación de nanotubos. Imprimiendo diagra-mas de partículas de catalizador sobre el sustrato, Hongjie Dai y sus colegas de Stanford han controlado las

posicio-nes de formación de los tubos y han venido trabajando para combinar este crecimiento controlado con la técnica estándar de silicio.

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 lar-gos, necesarios en las fibras emplea-das 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. UN BOMBARDEO CON LASER

Se ocupaban Richard Smalley y su grupo, de la Universidad Rice, del bombardeo de un metal con pulsos intensos de

láser para producir moléculas metálicas más extravagantes cuando les llegó la noticia del descubrimiento de los nano-tubos. En su dispositivo sustituyeron el metal por barras de grafito. No tardaron en producir nanotubos de carbono utili-zando pulsos de láser en lugar de electricidad para generar el gas caliente de carbono a partir del que se forman los nanotubos (izquierda). Ensayaron con varios catalizadores y lograron, por fin, las condiciones en que se producen can-tidades prodigiosas de nanotubos de pared única.

Rendimiento normal: Hasta un 70 por ciento.

Ventajas: Produce nanotubos de pared única con una gama de diámetros que se puede controlar variando la tem-peratura de reacción.

Limitaciones: Este método necesita láseres muy caros. —P.G.C. y P.A.

HORNO

NANOTUBOS

EN CRECIMIENTO COLECTOR_{DE COBRE}

BLANCO DE GRAFITO ARGON

HAZ DE LASER

(11)

de nanotubos para fabricar prototipos de bombillas de tubos de vacío en seis colores, cuyo brillo dobla el de las bombillas tradicionales, tienen una mayor duración y decuplican el ahorro energético. El primer prototipo ha funcionado bien durante más de 10.000 horas y aún no ha fallado. Los i ngenieros de Samsung en Seúl esparcen nanotubos en una película delgada sobre la

electrónica de control y luego colocan encima vidrio revestido de fósforo para fabricar un prototipo de pantalla plana. Cuando realizaron la demostración del panel, en 1999, eran optimistas respecto a que la compañía pudiese tener el dispositivo —que brillará como un tubo de rayos catódicos y consumirá una décima parte de potencia— listo para su producción en el año en curso.

LA IDEA OBSTACULOS VIABILIDAD

0

Incrustados en un material compuesto, los nanotubos disfrutan de enorme elasticidad y resistencia a la tracción. Podrían em-plearse en coches que reboten en un ac-cidente o edificios que oscilen en caso de terremoto en lugar de agrietarse.

Los nanotubos aún cuestan de 10 a 10.000 veces más que las fibras de carbono de los materiales compuestos. Además, son tan lisos, que se deslizan de la matriz y fa-cilitan su degradación.

4

Unidos a la punta de un microscopio de sonda de barrido, los nanotubos pueden amplificar la resolución lateral del instru-mento en un factor de diez o más, per-mitiendo representaciones claras de las proteínas y otras macromoléculas.

Aunque disponible en comercio, las pun-tas se fabrican todavía una a una. Las puntas de nanotubos no mejoran la re-solución vertical, pero permiten la forma-ción de imágenes de pozos profundos en nanoestructuras que antes permanecían escondidas. Materiales de máxima resistencia Prueba de tensión mecánica en nanotubos Microscopio de barrido de mayor resolución Anticuerpos IgM

1

Los nanotubos podrían almacenar hidró-geno en su interior hueco y liberarlo gra-dualmente en pilas de combustible bara-tas y eficientes. Albergan también iones de litio, que podrían llevarnos a pilas de mayor duración.

Los informes más solventes hablan de una captación de hidrógeno del 6,5 por ciento, sin densidad suficiente, pues, para hacer que las pilas de combustible resulten económicas. El trabajo con los iones de litio está aún en fase preliminar.

Almacenamiento de hidrógeno y iones Atomos en un nucleo hueco

3

2

Dos nanotubos, unidos a los electro-dos en una barra de vidrio, se abren y cierran a través de un cambio de voltaje. Estas pinzas se emplean para aprisionar y mover objetos de 500 nanómetros de tamaño.

Aunque las pinzas pueden aprehender objetos que son grandes si los compara-mos con su anchura, los nanotubos son tan adherentes, que la mayoría de los ob-jetos no pueden liberarse. Por otro lado, hay formas más sencillas de mover estos objetos minúsculos.

2

Se ha ensayado una pantalla de nanotubos depositada sobre unos bloques de soporte en su función de dispositivo de memoria binaria, con voltajes que fuerzan el con-tacto entre tubos (estado “encendido”) o su separación (estado “apagado”).

No se midió la velocidad de conmutación del dispositivo. Sin embargo, el límite de velocidad para una memoria mecánica se halla en torno al megahertz, muy por debajo de los chips de memoria al uso.

Memoria mecánica

RAM no volátil

3

Un microscopio de fuerza atómica con punta de nanotubo puede localizar una hebra de ADN e identificar los marca-dores químicos que revelan cuál de las variantes posibles de un gen presenta la hebra.

Se trata del único método inventado hasta ahora para ver la imagen de la quí-mica de una superficie, pero no se ha generalizado su empleo. Tan sólo se ha aplicado a fragmentos de ADN.

Sondas químicas y genéticas

Hebra de ADN marcada

Otras aplicaciones de los nanotubos

Más allá de la electrónica

Escala de viabilidad

0 = fantasía científica 2 = demostrado

4 = listo para comercializarse

Los nanotubos semiconductores cam-bian su resistencia de un modo drástico cuando se exponen a álcalis, halógenos y otros gases a temperatura ambiente. De ahí la esperanza en lograr mejores sensores químicos.

Los nanotubos son sumamente sensi-bles a objetos tan dispares (oxígeno y agua incluidos), que podrían resultar in-capaces de distinguir entre compuestos químicos o gases semejantes.

Sensores supersensibles El oxígeno se pega a los tubos Nanopinzas Pinzas de cinco micras de longitud

Recopilado por W. Wayt Gibbs, de la redacción

(12)

El tercer ámbito en el que los nano-tubos de carbono muestran propiedades electrónicas especiales es el de escala muy pequeña, allí donde revisten interés los efectos que dependen del tamaño. A ciertas escalas, nuestras ideas de fila-mentos con resistencia fracasan de forma estrepitosa y deben sustituirse por modelos de mecánica cuántica. Se trata de un reino, inalcanzable para la técnica de silicio, que puede ofrecer nuevos descubrimientos sorprendentes; exigirá también bastante mayor investigación que en el caso de los nanocircuitos o los dispositivos de emisión de campo con nanotubos.

Entre los temas debatidos a resolver citemos el concerniente al movimiento preciso de los electrones a lo largo de un nanotubo. Según parece, en los nano-tubos sin defectos los electrones viajan “balísticamente”, sin ninguna dispersión, que es el agente causal de la resistencia de los filamentos metálicos. Cuando los electrones pueden viajar largas distan-cias sin dispersión, mantienen sus estados cuánticos, fenómeno clave para observar la interferencia entre ondas electrónicas. Además, la falta de dispersión ayudar ía a entender por qué los nanotubos conservan su estado de espín electrónico cuando se desplazan. (El espín electrónico es una propiedad cuántica.) Apoyados en ese insó-lito comportamiento algunos se proponen construir dispositivos “espín trónicos” que se activen o desactiven en respuesta al espín electrónico, en lugar de hacerlo en respuesta a su carga (lo que ocurre en los dispositivos electrónicos).

Asimismo, puede controlarse con exqui-sita precisión el flujo de electrones en el tamaño mínimo de un nanotubo. Se acaba de demostrar en los nanotubos el bloqueo de Coulomb, fenómeno en virtud del cual los electrones repelen cualquier pretensión de insertar simultáneamente más de un electrón en dichas estructuras. El fenó-meno podría facilitar la construcción de transistores de un solo electrón, lo último en electrónica sensible. Pero las propias mediciones abren interrogantes que la fí-sica actual no sabe despejar. Confinados en estos finísimos filamentos unidimen-sionales, los electrones se comportan de forma tan extraña que apenas si parecen tales partículas.

Con el tiempo, pues, los nanotubos podrían ofrecer no sólo versiones menores y mejores de los dispositivos existentes, sino también algunos de nuevo cuño que dependerían por entero de los efectos cuánticos. Queda mucho, cierto, por co-nocer a propósito de dichas propiedades de los nanotubos antes de poder sacarles partido. Sobre la mesa yacen ya algu-nas cuestiones. Sabemos que todos los dispositivos moleculares, incluidos los nanotubos, son muy sensibles al r uido

producido por fluctuaciones eléctricas, térmicas y químicas. Hemos compro-bado que, cuando se fija un contaminante (oxígeno, por ejemplo) a un nanotubo, se resienten sus propiedades eléctricas. Eso, que puede ser útil para crear detectores químicos delicadamente sensibles, cons-tituye un obstáculo para la fabricación de circuitos de una sola molécula. En el control de la contaminación reside el principal reto cuando una sola molécula puede marcar la diferencia.

Pese a todo, con tantas vías de desarro -llo en marcha, parece claro que ya no se trata de saber si los nanotubos se converti-rán en componentes útiles de los i ngenios

electrónicos del futuro, sino simplemente cómo y cuándo.

EN COMPARACION PROPIEDAD NANOTUBOS DE

PARED UNICA

Estables hasta 2800 gra-dos centígragra-dos en vacío, 750 grados centígrados en aire

Los filamentos metálicos en microchips se funden de 600 a 1000 grados centígrados

Se predice que tienen un valor de 6000 watt por metro por kelvin a temperatura ambiente

El diamante casi puro transmite 3320 W/m⋅k

Pueden activar fósforos a un voltaje de uno a tr es volt si media una micra entre electrodos

Las puntas de molibdeno necesitan campos de 50 a 100 V/ µm y tienen períodos

de vida muy limitados Estimada en 109_ampère

por centímetro cuadrado

Los hilos de cobre se funden a un millón A/cm2

aproxima-damente Se pueden doblar hasta

grandes ángulos y recuperarse sin sufrir daño

Los metales y las fibras de carbono se rompen en las fronteras de grano 45 ×109 pascal Las aleaciones de acero de

alta resistencia se rompen aproximadamente a 2 ×109

pascal 1,33 a 1,40 gramos

por centímetro cúbico

El aluminio tiene una densidad de 2,7 g/cm3

0,6 a 1,8 nanómetros de diámetro

La litografía por haz electró-nico puede crear líneas de 50 nm de anchura y un espesor de unos pocos nm

Estabilidad térmica Transmisión de calor Emisión de campo Capacidad de transporte de corriente Elasticidad Densidad Tamaño Resistencia a la tracción

Propiedades de los nanotubos de carbono

Llegando hasta los extremos

BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA

CARBONNANOTUBES AS MOLECULAR

QUANTUM WIRES, Cees Dekker en

Physics Today, volumen 52, número 5, páginas 22-28; mayo 1999.

CARBON NANOTUBES. Sección especial

en Physics World , volumen 13, n.o

6, páginas 29-53; junio 2000.

CARBON NANOTUBES. Mildred S.

Dres-selhaus, Gene Dresselhaus y Phaedon Avouris. Springer-Verlag, 2000.

(13)

Nanotubos

de carbono

La versatilidad del carbono le ha permitido adoptar nuevas estructuras nanométricas

con propiedades físicas y químicas que abren un horizonte inmenso de aplicaciones

Mauricio Terrones y Humberto Terrones

M . T E R R O N E S Y H . T E R R O N E S

1. SIMULACION TEORICA DE UNA RED tridimensional de nanotubos de carbono de una capa. En un futuro, este tipo de redes podrían utilizarse en la fabricación de tejidos ligeros y superresistentes, así como en dispositivos nanoelectrónicos.

(14)

I

NVESTIGACIÓN Y

C

IENCIA

,

junio, 2004

77 L

a fabricación de

instru-mentos que nos hacen la

vida más fácil se remonta

a tiempos inmemoriales. Ya

en la prehistoria, el ser

hu-mano construía utensilios

con los materiales que tenía a su

alcance. Empezó con la piedra, la

madera y los huesos de animales.

Posteriormente, descubrió las

apli-caciones del bronce, el hierro y otros

metales. En la actualidad, tras

si-glos de desarrollo de la ciencia de

los materiales, una nueva era acaba

de empezar: la edad de los

nano-materiales.

Cuando escribimos con un lápiz

o contemplamos la belleza de un

brillante en una joya, quizá no

ad-virtamos que el grafito del lápiz y

el diamante están hechos con el

mismo tipo de átomos, a saber,

áto-mos de carbono. Se trata de formas

alotrópicas, es decir, estructuras con

propiedades físicas distintas, pero

constituidas por el mismo elemento

químico. Además del grafito y el

diamante, el carbono puede formar

moléculas nanométricas (un

nanó-metro corresponde a la

milloné-sima parte de un milímetro):

fulle-renos y nanotubos.

Fullerenos

y nanocebollas

En 1985, mediante la simulación de

explosiones interestelares en el

labo-ratorio, Harold Kroto, de la

Univer-sidad de Sussex, y sus compañeros

Richard E. Smalley y Robert F. Curl,

de la Universidad de Rice,

encontra-ron una nueva molécula de

carbo-no (el hallazgo les valió el premio

Nobel de química en 1996).

Forma-da por 60 átomos de carbono (C

₆₀

)

ordenados esféricamente, recibió el

nombre de buckminsterfullereno, en

honor al arquitecto que diseñó los

primeros domos geodésicos: Richard

Buckminsterfuller. En 1990,

Wolf-gang Krätschmer, del Instituto Max

Planck, y Donald Huffman, de la

Universidad de Arizona,

sintetiza-ron los primeros cristales de C

₆₀

.

Había nacido la nanotecnología del

carbono.

En la década de los ochenta,

Su-mio Iijima, del Laboratorio de

In-vestigación Fundamental de NEC

en Tsukuba, descubrió una

estruc-tura concéntrica de partículas

po-liédricas de grafito en películas

delgadas de carbono amorfo. En

1992, Daniel Ugarte, de la Escuela

Politécnica de Lausana, observó que

la irradiación de electrones dentro

de un microscopio electrónico

per-mitía generar estructuras de carbono

cuasiesféricas. Se trataba de

fulle-renos gigantes anidados:

nanoce-bollas. Puesto que la molécula más

interna resultó ser el C

₆₀

, las

res-tantes fueron consideradas

fullere-nos gigantes. En 1997, los autores

del artículo propusieron un modelo

teórico que permitía comprender la

formación del grafito cuasiesférico.

A tenor de éste, las partículas

po-liédricas podían tornarse esféricas

si se les añadían anillos

heptago-nales y pentagoheptago-nales. Esta

hipóte-sis concordaba con los resultados

experimentales que Ugarte halló

en 1992.

Las propiedades de las

nanoce-bollas posibilitan múltiples

aplica-ciones. Pueden albergar metales

magnéticos y carburos, lo que

per-mitiría su uso para almacenar

in-formación. Bajo tratamiento

tér-mico e irradiación simultánea se

puede transformar su interior en

diamante. Encapsulados en

nano-cebollas de carbono, el estaño o el

plomo incrementan su punto de

fusión hasta en 265

o

_{C, fenómeno}

que se podría aprovechar en la

fa-bricación de dispositivos electró-

M .

T E R R O N E S Y H . T E R R O N E S 2 nm

2. HAZ DE CATORCE NANOTUBOS de carbono de una capa y 1,4 nanómetros

de diámetro. (Microscopía electrónica de transmisión de alta resolución de una sección transversal.)

3. SIMULACION TEORICA de una nanocebolla cuasiesférica con anillos heptagonales, hexa-gonales y pentahexa-gonales.

(15)

78 I

NVESTIGACIÓN Y

C

IENCIA

,

junio, 2004

nicos operativos a temperaturas

ele-vadas.

Nanotubos de carbono

Ya en el decenio de 1970, el grupo

de Morinobu Endo, de la Universidad

de Shinshu, había publicado las

pri-meras imágenes (tomadas por

mi-croscopía electrónica de

transmi-sión) de nanotubos de carbono de

una y varias capas. Sin embargo,

en aquel entonces el interés se

cen-traba en la fabricación de

microfi-bras de carbono, por lo que dicho

hallazgo no recibió su merecida

aten-ción. La revolución de los

nanotu-bos no llegó hasta casi veinte años

más tarde. En 1991, Sumio Iijima,

del Laboratorio de Investigación

Fundamental de NEC en Tsukuba,

observó y caracterizó unas extrañas

fibras nanoscópicas depositadas

so-bre una mota de hollín. Constituidas

por carbono, regulares y

simétri-cas, estas finas macromoléculas de

impresionante longitud no tardaron

en llamarse nanotubos. Aunque se

crean espontáneamente en cualquier

hoguera, se han descubierto varias

formas de sintetizar estas

estructu-ras tubulares: arco eléctrico entre

electrodos de grafito, pirólisis de

hidrocarburos sobre catalizadores

metálicos, vaporización de grafito

por rayo láser, vaporización de

subs-tratos carbonosos por energía solar

y electrólisis mediante electrodos de

grafito en sales iónicas fundidas.

Más resistentes que el acero,

lige-ros, conductores térmicos,

semicon-ductores y superconsemicon-ductores

eléc-tricos, los nanotubos de carbono han

revolucionado la ciencia de los

ma-teriales.

Combinando las reglas cuánticas

que rigen la conductividad

eléctri-ca con el tamaño y la geometría,

los nanotubos presentan una

com-plejidad electrónica única. Desde

el carácter

semimetálico/semicon-ductor del grafito hasta la

super-conducción, estas estructuras

tubu-lares exhiben una gran variedad de

comportamientos eléctricos en

fun-ción del diámetro, la “torsión”

(qui-ralidad) y el número de capas

com-ponentes. Estructuras de varias capas

presentan semiconducción en un

rango de 2 a 300 K. Nanotubos de

una sola capa y 0,4 nanómetros de

diámetro pueden comportarse como

superconductores a temperaturas del

orden de 15 K. Sin embargo,

nano-tubos de una capa con diámetros del

orden de 1,4 nanómetros, operan

como conductores cuánticos (la

grá-fica “voltaje en función de

intensi-dad” resulta escalonada en vez de

lineal). Merced a este repertorio de

posibilidades, se ha recurrido a los

nanotubos de carbono para

desarro-llar múltiples dispositivos

nanoe-lectrónicos [

véase

“Introducción de

los nanotubos en el dominio de la

electrónica”, por Philip G. Collins

y Phaedon Avouris; I

NVESTIGACIÓN Y

C

IENCIA

, febrero de 2001].

El enlace entre átomos de carbono

constituye uno de los más robustos

de la naturaleza. Esta característica

confiere a los nanotubos (igual que

a los diamantes y a los fullerenos,

ambas estructuras con enlaces C-C

en las tres dimensiones del espacio)

unas propiedades mecánicas

excep-cionales. En función de la técnica

usada para medir las deformaciones

ocasionadas por la vibración térmica

y las particularidades de la

estruc-tura molecular, el módulo de Young

(parámetro que define la resistencia

a la deformación) de los nanotubos

oscila entre 1,3 y 1,8 terapascal.

Tanta elasticidad les convierte en

buenos aspirantes a ocupar el podio

de las nanofibras más resistentes.

Además, esta excelencia mecánica

podría potenciarse mediante la unión

de varios nanotubos de una sola capa

en haces o cuerdas. De romperse

un nanotubo, la fractura no se

pro-pagaría a los otros, puesto que se

comportan como unidades

indepen-dientes.

Merced a la buena relación

en-tre diámetro y longitud, la excelente

transferencia de sus propiedades

mecánicas, la baja densidad y la alta

conductividad eléctrica, los

nano-tubos constituyen unas de las

me- jores estructuras para introducirlas

en matrices poliméricas. Basta un

uno por ciento (en peso) de

nano-tubos multicapa para aumentar en

un 40 por ciento la resistencia

me-cánica de un polímero. Otra

for-ma de aprovechar las propiedades

de los nanotubos consiste en

recu-brirlos con materiales cerámicos,

como el óxido de silicio (vidrio) y

el óxido de aluminio. Así, se

mejo-ran las propiedades mecánicas y se

evita la degradación en atmósferas

oxidantes.

GRAFITO DIAMANTE NANOTUBOS FORMA ALOTROPICA FULLERENOS

FORMAS ALOTROPICAS: LADRI

LA ALOTROPIA define la propiedad que tienen algunos elementos quími-cos de presentarse bajo estructuras distintas. En función de su

(16)

I

NVESTIGACIÓN Y

C

IENCIA

,

junio, 2004

79

Cada átomo de carbono se une a otros tres, formando capas planas de hexágo-nos. El ángulo entre tres átomos vecinos es de 120o_{. Las capas están separadas} por una distancia de 0,335 nanómetros.

El grafito es un sólido negro muy blando, puesto que sus capas de hexágonos, débilmente unidas, se des-lizan entre sí con facilidad. Esta libertad de movimien-to se traduce en una conductividad térmica semejante a la del cobre. El cuarto electrón de valencia

de cada átomo (los otros tres se utilizan para unirse a los átomos vecinos) le confiere una conductividad eléctrica moderada.

Cada átomo de carbono se une a otros cuatro (rojo ), localizados en los vértices de un tetraedro y separados a una distan-cia de 0,156 nanómetros. El ángulo entre tres átomos vecinos es de 109o_.

Incoloro y trasparente, el diamante es el material más duro que se conoce (10 en la escala de Mohs). Dado que las uniones entre átomos de carbono ocurren en las tres direcciones espaciales, su estructura es capaz de resistir presiones enormes sin romperse (1180 GPa). Todos los electrones de valencia se utilizan para formar la red; por lo tanto, no conduce la electricidad. Su conductividad térmica quintuplica la del cobre.

Los átomos de carbono se organizan en una red esférica, de igual simetría que una pelota de fútbol. Cada molécula

contiene al menos 12 pentágonos y más de un hexágono. El C₆₀ (fullereno de 60 átomos de carbono) tiene un diámetro de 0,7 nanómetros y consta de 20 hexágonos y 12 pentágonos.

Las fulleritas, cristales de fullerenos, son blandas como el grafito. Sin embargo, si se comprime su vo-lumen hasta un 70 % del valor inicial, superan la du-reza del diamante. Sus propiedades eléctricas varían de un extremo a otro en función del compuesto: las fulleritas puras son aislantes; ahora bien, dopadas con metales alcalinos se comportan como supercon-ductores a temperaturas que alcanzan los 40 K.

Los átomos de carbono se organizan en una red cilíndrica de hexágonos, que puede estar tapada por disposiciones hexagonales (con 6 pentágonos por hemisferio) o bien quedar abierta (con los extremos saturados con átomos de hidrógeno u otros grupos químicos). El diámetro oscila entre 0,4 y 100 nanómetros y la longitud puede alcanzar milímetros e incluso centímetros. Pueden tener una o varias capas.

En función de la orientación de los hexágonos con respecto al eje del tubo y del diámetro del mismo, encontramos nanotubos conductores o semiconduc-tores. Estas nanofibras resisten presiones enormes sin romperse (1,8 TPa). Puesto que la estructura cede a movimientos longitudinales, la conductividad térmica resulta elevada a lo largo del tubo pero es-casa en la dirección perpendicular.

ESTRUCTURA PROPIEDADES FISICAS

LLOS IDENTICOS, CONSTRUCCIONES DISTINTAS

ción en el espacio, un solo tipo de átomos genera una amplia variedad de materiales y propiedades físicas. La forma alotrópica más común del carbono es el grafito, aunque bajo presiones muy elevadas también se encuentra en forma de diamante. En el polvo interestelar y algunas formaciones geológicas terrestres se han encontrado fullerenos. Algunos tipos de hollín producidos en el laboratorio contienen nanotubos.

M . T E R R O N E S Y H . T E R R O N E S 15

(17)

80 I

NVESTIGACIÓN Y

C

IENCIA

,

junio, 2004 C O R T E S I A D E C . D E K K E R ( a r r i b a ) ; C O R T E S I A D E S A M S U N G ( a b a j o , d e r e c h a ) ; M . T E R R O N E S Y H . T E R R O N E S

La posibilidad de transmitir calor

a lo largo del eje del cilindro

con-fiere a los nanotubos una

conducti-vidad térmica mayor, a temperatura

ambiente, que la del diamante y el

grafito. Los nanotubos multicapa son

mejores conductores térmicos que

las “esterillas” de nanotubos de una

capa alineados. Por ese motivo, los

nanotubos de carbono de una y

va-rias capas podrían utilizarse como

disipadores de calor. Sin embargo,

los estudios en este campo son

to-davía escasos.

Aplicaciones

de los nanotubos de carbono

La combinación de todas estas

pro-piedades físicas, derivadas de la

estructura molecular de los

nanotu-bos, ofrece un amplio abanico de

aplicaciones que la ingeniería está

aprovechando en forma de

disposi-tivos innovadores.

Para empezar, veamos cómo

po-drían mejorar los nanotubos el

al-macenamiento de gases. Las celdas

de hidrógeno facilitan una

com-bustión limpia (únicamente liberan

agua al medio) que podría

revolu-cionar la industria del transporte

ecológico. Sin embargo, todavía

existen algunas dificultades

técni-cas que impiden su aplicación. El

principal problema radica en la

ne-cesidad de celdas livianas que

aco-pien grandes cantidades de

com-bustible. Si bien los valores de

captación de hidrógeno deben

me- jorarse (los informes más solventes

sólo hablan del cuatro al seis por

ciento), los haces de nanotubos de

una sola capa cuentan con

cavida-des internas e intertubulares que

permiten almacenar el gas. Muy

recientemente se ha demostrado

que es posible almacenar nitrógeno,

argón y helio a presiones elevadas

(10.000-30.000 atmósferas) en el

conducto interno de tubos multicapa.

A tenor de estos resultados, los

na-notubos podrían albergar

hidrocar-buros como el metano y

conver-tirse así en los menores cilindros

jamás construidos.

¿Podrían operar como sensores?

En 2000, Hongjie Dai y sus

colabo-radores, de la Universidad de

Stan-ford, demostraron que la

conducti-vidad de nanotubos de una sola capa

variaba en función de la

composi-ción atmosférica. Por ejemplo, si los

tubos se exponen repentinamente a

una atmósfera que contiene un uno

por ciento de amonio, la resistividad

de los tubos aumenta casi al

instan-te. Asimismo, si los nanotubos se

exponen a un medio con 200 ppm

(partes por millón o miligramos por

litro) de dióxido de nitrógeno, la

re-sistividad disminuye drásticamente.

Esta propiedad permite pensar en

mejores sensores químicos de

ga-ses tóxicos.

Dada la gran superficie y alta

con-ductividad eléctrica, los nanotubos

de carbono resultan también

ade-cuados en dispositivos

electroquími-cos como supercapacitores

(capaci-tores dieléctricos con capacitancias

gigantes) y actuadores.

El grupo de Niu, de la compañía

Hyper Catalysis demostró en 1998

que electrodos compuestos de

nano-tubos multicapa generan

capacitan-cias específicas de 102 y 49 farad

por gramo en celdas que contienen,

por electrolitro, ácido sulfúrico.

Dichas celdas alcanzan densidades

de potencia superiores a 8000 watt

por kilogramo. Más recientemente

se han generado capacitancias

es-pecíficas de 163 farad por gramo.

Estos supercapacitores de

nanotu-bos multicapa podrían satisfacer la

necesidad de grandes potencias y

capacidades de almacenamiento de

energía.

Los nanoactuadores podrían

uti-lizarse para fabricar músculos

arti-ficiales. En nanotubos de una capa,

se han observado resistencias a la

deformación de unos 26 MPa

(va-lor 100 veces mayor a los

observa-dos en los músculos animales). Estos

dispositivos podrían trabajar con

ba- jos voltajes a temperaturas de

alre-dedor de los 350

o

_C.

Los nanotubos de carbono

ofre-cen aplicaciones para dispositivos

electrónicos. Al ser ultrafinos,

po-drían liberar espacio en los

micro-chips para alojar más transistores,

4. NANOCONMUTADOR DE CARBONO fabricado a partir de un nanotubo de una sola capa doblado con un ángulo de 30o _{sobre electrodos de oro (Au) y sustrato de sílice}

(SiO₂). Defectos estructurales, un heptágono (H) y un pentágono (P), generan el codo que divide el nanotubo en dos secciones: una metálica y otra semiconductora.

Au SiO₂ NANOTUBOS ELECTRODOS CATODICOS FOSFORO CRISTAL

5. PANTALLA DE TV de nanotubos de carbono (derecha). A la izquierda, un esquema

muestra los principales componentes del dispositivo (de D. Rotman en Technology Revi ew , marzo 2002, págs. 38-45).

P H

(18)

A PARTIR DE LA SIMULACION TEORICA de redes grafíticas, Alan Mackay, del Colegio Birkbeck, y Humberto Terrones predijeron en 1992 la existencia de anillos heptagonales y octagonales que intro-ducían curvatura negativa en la estructura. Un año después, Sumio Iijima, del Laboratorio de Investigación Fundamental de NEC en Tsukuba, lo detectó experimentalmente. En la figura de la derecha, dos vistas muestran la punta de un nanotubo de carbono que pre-senta curvatura negativa debido a la presencia de un anillo heptago-nal (verde ), compensado con otro pentagonal (rojo ). La combinación de estos y otros defectos estructurales en la red hexagonal del gra-feno permite transformar los nanotubos en una gran variedad de es-tructuras.

LA COALESCENCIA de nanotubos de carbono se puede asociar a una “soldadura” de tuberías. Se produce de forma parecida al cierre de una “cremallera”. Se debe primordialmente a la generación de “vacantes” (se desprenden átomos de carbono de las redes de los tubos) y defectos en las estructuras. Muy recientemente se ha observado la creación de uniones del tipo “X” y “Y”, utilizando altas irradiaciones electrónicas a temperaturas elevadas.

HELICES

REDES

LA CURVATURA negativa que introducen los anillos heptagonales se puede utilizar para gene-rar estructuras periódicas con áreas superficiales de entre 2000 y 3000 m2_{/g. La complejidad de}

éstas depende de la complejidad de la celda primitiva, unidad que se repite una y otra vez hasta formar el “tejido” de carbono.

ESTRUCTURAS PERIODICAS Pentágono Heptágono La distribución ade-cuada de anillos hexagonales, penta-gonales ( rojo) y

hep-tagonales (verde) permite generar nano-tubos helicoidales.

Las nanohélices de esta microscopía electró-nica se han obtenido mediante la pirólisis de melamina sobre sustratos de óxido de cobalto a 1000o_C.

Vista superior de dos nanotubos de una capa orientados 90o_{uno con respecto al otro.}

Tras calentar la muestra a 700 o_{C durante}

10 picosegundos (billonésimas de segundo), los nanotubos comienzan a unirse mediante la generación de enlaces entre los átomos de carbono adyacentes a las “vacantes”.

Tras 220 picosegundos, los dos nanotubos terminan la unión tipo “X”.

Las estructuras toroidales se obtienen mediante la combinación de pentágonos y heptágonos…

...o bien uniendo los extremos de un nanotubo abierto. Como éstos, que se han fabricado a partir de haces de nanotubos de una sola capa.

3 µm

TOROIDES

Superficie hiperbólica que se genera por la unión de cuatro celdas primitivas.

M . T E R R O N E S Y H . T E R R O N E S

NANOTUBOS A LA CARTA

CELDA PRIMITIVA C O R T E S I A D E N . G R O B E R T C O R T E S I A D E R I C H A R D M A R T E L , I B M