Nanotubos
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UNIVERSIDAD PRIVADA GRAN MARISCAL DE AYACUCHO FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA NÚCLEO – CUMANÁ ESTADO SUCRE NUEVOS MATERIALES NANOTUBOS DE CARBONO MARIA ROSA ALONSO
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UNIVERSIDAD PRIVADA GRAN MARISCAL DE AYACUCHOFACULTAD DE INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA
NÚCLEO – CUMANÁESTADO SUCRE
NUEVOS MATERIALES
NANOTUBOS DE CARBONO
MARIA ROSA ALONSOC.I. N° 8.643.219
Prof.: Ing° Evana Castillo
Cumaná, Junio del 2013
INDICE
Pag.
INTRODUCCION………………………………………………………….. 01
OBJETIVO GENERAL…………………………………………………….. 02
OBJETIVOS ESPECIFICOS………………………………………………. 02
MARCO TEORICO……………………………………………………….. 03
LOS NANOTUBOS DE CARBONO ……………………………………… 04
ORIGEN…………………………………………………………………… 05
RESPONSABLES DEL ESTUDIO …………………………………………. 06
El Grupo de RTK Baker……………………………………………. 06
El Grupo de Oberlin …………………………………………………. 06
CARACTERISTICAS Y PROPIEDADES…………………………………… 07
Propiedades Eléctricas………………………………………………… 07
Propiedades Mecánicas……………………………………………….. 07
Propiedades Térmicas…………………………………………………. 08
APLICACIONES……………………………………………………………….. 10
PROYECCIONES…………………………………………………………… 11
Nuevas Técnicas de Terapia………………………………………… 11
En Ascensor Espacial………………………………………………… 11
Agua de Nanotubos …………………………………………………... 12
CONCLUSIONES…………………………………………………………….. 13
BIBLIOGRAFIA…………………………………………………………….. . 14
ANEXOS……………………………………………………………………….. 15
INTRODUCCION
La nanotecnología representa sin duda, la revolución tecnológica de los próximos
años, es por eso que es de suma importancia conocer como se han mejorado las
distintas características de los materiales con el uso de la Nanociencia y las
Nanotecnologías.
La nanotecnología comprende el estudio, diseño, creación, síntesis, manipulación
y aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales a través del control de la
materia a nanoescala, y la explotación de fenómenos y propiedades de la materia a
nanoescala. Cuando se manipula la materia a escala tan minúscula, presenta
fenómenos y propiedades totalmente nuevas. Por lo tanto, los científicos utilizan la
nanotecnología para crear materiales, aparatos y sistemas novedosos y poco costosos
con propiedades únicas.
Una de las formas en las que se materializa la nanotecnología son los nanotubos de
carbono
El objetivo de este trabajo es conocer el concepto, características y estudios
realizados alrededor de estas estructuras, a manera de que este documento sea una
guía informativa para todas aquellas personas que estén interesadas en el
conocimiento y desarrollo de esta reciente tecnología.
OBJETIVO GENERAL
Dar a conocer las características, usos y estudios realizados en cuanto a los
Nanotubos de Carbono.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Conocer la estructura de los Nanotubos.
Tener conocimiento del avance de los estudios realizados a través de la
historia, en cuanto al estudio de este material.
Conocer la aplicación dentro de la industria y en el campo de la Ingeniería.
MARCO TEORICO
Estructuras: Es la distribución de las partes de un cuerpo o de otra cosa. El
concepto, que procede del latín structūra, hace mención a la disposición y el
orden de las partes dentro de un todo.
C arbono : Es un elemento químico de número atómico 6 y símbolo C. Es sólido a
temperatura ambiente. Dependiendo de las condiciones de formación, puede
encontrarse en la naturaleza en distintas formas alotrópicas, carbono amorfo y
cristalino en forma de grafito o diamante respectivamente. Es el pilar básico de la
Química Orgánica.
Grafeno: Es una sustancia formada por carbono puro, con átomos dispuestos en un
patrón regular hexagonal similar al grafito, pero en una hoja de un átomo de espesor.
Es muy ligero, una lámina de 1 metro cuadrado pesa tan sólo 0,77 miligramos.
Alotrópica: Propiedad de algunos elementos químicos de poseer estructuras químicas
diferentes.
Fullerenos: Son la tercera forma más estable del carbono, tras el diamante y el
grafito.
Los composites: Son materiales sintéticos que están mezclados heterogéneamente y
que forman un compuesto, como su nombre indica. Están compuestos
por moléculas de elementos variados.
NANOTUBOS
En Química, se denominan nanotubos a estructuras tubulares cuyo diámetro es del
orden del nanómetro (nm). Existen nanotubos de muchos materiales, tales
como silicio o nitruro de boro, pero generalmente el término se aplica a los nanotubos
de carbono.
Para entender qué es un nanotubo de carbono se toma una hoja de grafeno y
enrolla en forma cilíndrica como se puede ver en el dibujo.
Los nanotubos de carbono son una forma alotrópica del carbono, como el
diamante, el grafito o los fullerenos. Su estructura puede considerarse procedente de
una lámina de grafito enrollada sobre sí misma. Dependiendo del grado de
enrollamiento y la manera como se conforma la lámina original, el resultado puede
llevar a nanotubos de distinto diámetro y geometría interna. Los nanotubos
conformados como si las esquinas de un folio se uniesen por sus extremos formando
un canuto, se denominan nanotubos monocapa.
Existen también nanotubos cuya estructura se asemeja a la de una serie de tubos
concéntricos, incluidos unos dentro de otros y lógicamente de grosores crecientes
desde el centro a la periferia. Estos últimos son los nanotubos multicapa.
Se conocen derivados en los que el tubo está cerrado por media esfera de
fullereno, y otros que no están cerrados.
Los nanotubos están siendo estudiados activamente, como los fullerenos por su
interés fundamental para la química y por sus aplicaciones tecnológicas. Es, por
ejemplo, la primera sustancia conocida por la humanidad capaz de sustentar
indefinidamente su propio peso, una condición necesaria para la construcción de
un ascensor espacial.
ORIGEN
Los nanotubos de carbono fueron descubiertos y desarrollados por grupo de
investigación que trabajaban sintetizando Fullerenos (moléculas de carbono)
vaporizando grafito; en cambio, las nanofibras de carbono fueron desarrollados a fin
de producir unas fibras de carbono alternativas y más económicas que las obtenidas
por hilado.
Fibras de Carbono
Como primer antecedente histórico, en 1889 Hugues Chambers patentó 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 el año 1952 ya se habían descubierto nanotubos en Rusia por los científicos
Radushkevich y Lukyanovich, donde hicieron publicaciones en ruso que pasaron
desapercibidas para los científicos de la época.
Al año siguiente, Davis, Slawson y Rugby con el desarrollo del microscópico
electrónico describen la producción de unos filamentos entre 100 y 200 nm de forma
helicoidal, a partir de la desproporción de monóxido de carbono catalizado por hierro
a 450ºC, permaneciendo este en la punta de los filamentos; a la vez se producían
también carbono amorfo y carburos de hierro.
Ya en 1958, Hillert y Lange realizan una caracterización estructural de los
filamentos ya mencionados, corroborando así la presencia de una partícula metálica
en la punta. Los diámetros de los filamentos llegaban entre 10 y 100 nm y poseían
una estructura grafitica.
En la década de los 70, se comenzó a estudiar profundamente la generación de
filamentos de carbono por procesos catalíticos, a partir de hidrocarburos o monóxido
de carbono y usando como catalizadores diversos metales.
Todo esto llevo a que en 1985 se descubrieran los fullerenos y más adelante en
1991 se realizara el descubrimiento final de nanotubos.
Línea de tiempo de los nanotubos:
1952 Primeros indicios de nanotubos de carbono en Rusia por Radushkevich
y Lukyanovich.
1991 Descubrimiento reconocido.
1991-2000 Producto mayormente de interés académico.
2000-2005 Se investiga su uso industrial.
2005-2010 Desarrollo de aplicaciones industriales (proyectado).
2010 Gran desarrollo de aplicaciones integradas a productos (proyectado).
RESPONSABLES DEL ESTUDIO
Caben destacar dos grupos principales de trabajo:
El Grupo de RTK Baker, del Departamento de Energía Atómica Británico
que siempre trabajo a nivel de laboratorios y quien definió los filamentos de
carbono.
El Grupo de Oberlin, de la Universidad de Orleans, quien propuso
el modelo de crecimiento del filamento interior catalítico, entre otros.
CARACTERISTICAS Y PROPIEDADES
Son moléculas con estructura tubular constituidas únicamente de átomos de
carbono. Son sistemas ligeros, huecos y porosos que tienen alta resistencia mecánica,
y por tanto, interesantes para el reforzamiento estructural de materiales y formación
de composites³ de bajo peso, alta resistencia a la tracción y enorme elasticidad.
Además posee una alta capacidad de conducción eléctrica siendo un semiconductor y
a veces casi se comporta como un superconductor.
Otra capacidad que tiene es la alta resistencia a la temperatura.
Con todas estas propiedades, los nanotubos de carbono se han vuelto un objeto
muy interesante de analizar, estudiar y desarrollar para los científicos de la nueva era,
ya que cumplen con la habilidad para trabajar a escala molecular permitiendo crear
grandes estructuras con nueva organización molecular, son materiales base, utilizados
para la síntesis de nanoestructuras vía autoensamblado, tienen propiedades y simetría
únicas que determinan sus potenciales aplicaciones en diferentes campos que van
desde la electrónica, formación de composites, almacenamiento de energía y
biomedicina. Además de poseer muchas ventajas competitivas entre otros materiales
y tecnologías que existen actualmente. Incluso tecnologías recientes como las
pantallas de LCD y plasma, donde la fabricación de pantallas con nanotubos de
carbono permite tener imágenes mas definidas y con un menor costo.
Sobre las características de los nanotubos se puede decir que la distancia entre los
átomos de carbono es de 1,425 Å. Los nanotubos suelen tener diámetros típicos entre
0,4 y 2,5 nm. Por debajo de los 0,4 nm la tensión causada por la curvatura es muy
fuerte y puede romper los enlaces y por encima de los 2,5 nm es energéticamente
mejor no formar un tubo sino una cinta doble.
Ahora existen variadas formas y tipos de nanotubos, todo esto depende según el
método en que se formen, los nanotubos van a tener una distinta distribución. Esto
puede producir que el nanotubos tengan una sola pared o más paredes, o que la forma
de la malla sea distinta formando tubos de carbono con distintas propiedades.
APLICACIONES
Muchas son las aplicaciones que pueden obtener importantes beneficios al
incorporar nanotubos de carbono.
Los materiales compuestos reforzados con nanotubos, las pantallas planas que
utilizan los nanotubos como emisores de campo, los sensores biológicos y químicos
para detectar sustancias contaminantes, la administración de fármacos o las pilas de
combustible son sólo algunas de ellas.
En general, sectores como electrónica, materiales, sensores, biotecnología,
química, energía, mecánica, instrumentación científica y fotónica podrían verse
favorecidos por la introducción de nanotubos de carbono en muchos de sus productos.
La evolución de las publicaciones que tratan sobre aplicaciones de nanotubos de
carbono presenta una tendencia ascendente en los últimos años, lo cual es una
muestra del gran interés que suscitan.
Estados Unidos es el líder mundial en cuanto a número de publicaciones, pero
también Asia es una región importante, debido en parte a la presencia en ella de
importantes empresas electrónicas que pueden obtener grandes beneficios al
incorporar nanotubos de carbono en sus productos. No hay que olvidarse tampoco de
Europa, que también apuesta por estas nuevas tecnologías.
El mercado de las aplicaciones de los nanotubos de carbono es todavía muy
incipiente. Sólo los materiales compuestos reforzados con nanotubos aparecen en
accesorios deportivos como raquetas de tenis o bicicletas.
Las aplicaciones electrónicas son muy prometedoras ya que en ellas los nanotubos
de carbono permitirán continuar con la miniaturización progresiva que afecta a esta
área y que se encuentra amenazada por los límites físicos de funcionamiento del
silicio, a punto de ser alcanzados.
Sin embargo sólo hay prototipos electrónicos que incorporan nanotubos de
carbono, todavía no hay productos comerciales debido a la falta de procesos
industriales adecuados para su elaboración.
Las tecnologías restantes que incorporan nanotubos de carbono muestran distintos
grados de madurez para su acceso al mercado, pero ninguna se comercializa aún.
PROYECCIONES
Las proyecciones que pueden existir en este tema son muy variadas, ya que es un
descubrimiento medianamente reciente en tiempo cronológico, pero muy reciente en
cuanto a tiempo de investigación. Las proyecciones son muy diversas y variadas y
toca temas tan distintos como son el espacio, a temas tan terrenales como la
terapia genética.
Para entender mejor de lo que se habla, se presentan los siguientes casos:
Los Nanotubos de carbono ofrecen nuevas técnicas de terapia.
Gracias a últimos avances científicos en la medicina, se ha logrado identificar
muchos genes relacionados con ciertas enfermedades, y con ese conocimiento se
están realizando investigaciones para desarrollar nuevos tratamientos.
Se cree que se podría reemplazar genes defectuosos o ausentes a través de la
implantación en células humanas desde el exterior del mismo tipo de gen. Esto se
torna complicado porque el ADN no puede traspasar las membranas células, por lo
que se requiere la ayuda de un transportador. Uno de estos transportadores pueden ser
los nanotubos de carbono ya que un equipo europeo de investigadores ha desarrollado
un nuevo método para introducir el ADN en células de mamíferos a través de éstos.
El uso de nanotubos de carbón como transportador no se limitará al trasplante de
genes. Nuevos avances científicos lograrán que sea posible el transporte de
medicamentos y el desarrollo de otras nuevas técnicas médicas.
Los Nanotubos de carbono en ascensor espacial
Uno de los aspectos más curiosos sobre los nanotubos de carbono es la posibilidad
de fabricar un futurista ascensor espacial que se desplazaría por una cinta basada en
materiales compuestos con nanotubos de carbono, muy ligera y tremendamente
resistente. El Ascensor podría ser construido a base de casi 40.000 kilómetros de
nanotubos de carbono y sería capaz de transportar hasta 20 toneladas al espacio sin
emplear motores.
Agua de Nanotubos
Unos científicos de Argonne han descubierto una nueva forma de agua llamada,
agua de nanotubos. Esta agua está formada por dos átomos de hidrógeno y un átomo
de oxígeno pero no se convierte en hielo, incluso a temperaturas que se aproximan al
cero absoluto. En vez de formarse hielo, al bajar la temperatura hasta 8º Kelvin,
dentro de un tubo monocapa de carbón, el agua forma una capa helada (pero no
congelada) de moléculas de agua con una cadena de moléculas líquidas que fluye por
el centro. Al subirse la temperatura hasta temperatura ambiental, el agua helada de
nanotubos se convierte paulatinamente en líquido.
Biólogos y Geólogos investigan el comportamiento del agua en espacios
confinados controlados por materiales hidrofóbicos, porque esta situación ocurre en
la naturaleza. Un ejemplo sería cuando raíces diminutas transportan agua a plantas.
También algunas proteínas de membrana como por ejemplo aquaporina, que controla
el flujo de agua a través de las paredes celulares. Este estudio supone el primer
experimento con agua en un nanotubo.
CONCLUSIONES
Los Nanotubos de Carbono, debido a sus numerosas y variadas posibilidades de
aplicación y de su capacidad para el desarrollo de nuevos materiales, son una de las
más brillantes promesas de la nanotecnología.
Se ha podido observar que los nanotubos poseen características únicas, tanto en su
estructura física como en su configuración electrónica, por esto poseen un número
casi ilimitado de aplicaciones siendo posible utilizarlos en la totalidad de los campos
ya sea para producir nuevos materiales y dispositivos o para mejorar las propiedades
físicas de un material en cuestión. Sin embargo también existen muchas limitaciones
en especial en los métodos de producción a gran escala y la determinación de ciertas
características de estos materiales por lo que aún se requieren estudios y el desarrollo
de nuevas tecnologías para poder mejorar el entendimiento de esta revolucionaria
tecnología.
Como punto final un factor a tener en cuenta sería el cambio económico que
produciría el desarrollo de materiales basados en nanotubos ya que por un lado
mejoraría la producción y ventas de determinadas empresas al ofrecer un producto de
mayor calidad pero a su vez esto relegaría a países en vías de desarrollo ya que estos
serían incapaces de producir artículos competentes, esto agravaría aún más la
desigual distribución de riquezas que existe en la actualidad.
BIBLIOGRAFIA
Páguinas Web consultadas:
es.wikipedia.org/wiki/
nanotubosdecarbono.com
www.euroresidentes.com/futuro/
www.nanooze.org/.../nanoquestsp_nanotubes.html
Figura N° 01Para entender qué es un nanotubo de carbono se toma una hoja de grafeno y enrolla en forma cilíndrica como puede ver en el dibujo.
Figura N° 02
Tipos de Nanotubo de Carbono: Multicapa y Monocapa
Figura N° 03
Imagen de una punta de nanotubo realizada mediante un microscopio electrónico
Figura N° 04
Imagen de nanotubos de carbono producidos por microondas, con Nitrato de Plata como Catalizador (Mediante un microscopio electrónicoa 50.000 aumentos)
Figura N° 05
Imagen de lo que sería un ascensor espacial, Proyecto en estudio
Figura N° 06
Vista Microscópica de las Fibras de Carbono
Figura N° 07
El Científico Ruso Radushkevich, quien junto con Lukyanovich, realizaron las primeras publicaciones referentes a los Nanotubos de Carbonos
Figura N° 08
Entre las características de estas estructuras se tiene que son sistemas ligeros, huecos, porosos y con alta resistencia mecánica, por tanto, interesantes para el
reforzamiento estructural de materiales y formación de composites de bajo peso, alta resistencia a la tracción y enorme elasticidad
Figura N° 09
Esquema de un reactor CDV. La deposición catalítica en fase de vapor, o Catalytic Vapor Phase, fue descrita por primera vez en 1959, pero no fue hasta 1993 cuando los nanotubos se pudieron sintetizar mediante este proceso.
Figura N° 10
Nanotubo entre electrodos. L. Kouwenhoven,| Universidad de Delft (Holanda)
Figura N° 11
Un nanotubo de carbono como conductor cuántico.
Figura N° 12
Los Nanotubos están siendo usados en la fabricación de pantallas de LCD y plasma, ya que permite tener imágenes más definidas, a con un menor costo.
Figura N° 13
El mercado de las aplicaciones de los nanotubos de carbono es todavía muy incipiente. Sólo los materiales compuestos reforzados con nanotubos aparecen en accesorios deportivos como raquetas de tenis o bicicletas
Figura N° 14
Las aplicaciones electrónicas son muy prometedoras ya que en ellas los nanotubos de carbono permitirán continuar con la miniaturización progresiva
Figura N° 15
Entre las proyecciones que se tiene, en cuanto al uso de los Nanotubos de Carbono, en el campo de la tecnología se estudia la posibilidad de que sean usados como transportadores en el trasplante de genes, para regeneración de estos, en caso de enfermedades.
Figura N° 16
Unos científicos han descubierto una nueva forma de agua llamada, agua de nanotubos. Esta agua está formada por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno, no se convierte en hielo, incluso a temperaturas que se aproximan al cero absoluto.
