Nanotubos de Carbono

La nanotecnología es la ciencia que esta destinada a cambiarnos la vida. Mediante nanomaquinas podremos llevar a cabo tareas que hoy ni siquiera alcanzamos a imaginar. Se dice que esta tecnología cambiara el mundo como en su momento lo hicieron los materiales plásticos. Una de las nano-estructuras que ya se están utilizando son los nanotubos.
Un poco de historia.

Corría el año 1991, cuando en el laboratorio de Investigación Fundamental de NEC, ubicado en la ciudad japonesa de Tsukuba, el investigador Sumio Iijima utilizaba su microscopio electrónico para observar unas extrañas fibras nanoscópicas depositadas sobre una mota de hollín. Antes de seguir leyendo, y para tener una idea de las dimensiones de estas fibras, debemos saber que un manómetro es una unidad de longitud, y equivale a un metro dividido en mil millones de partes. O la millonésima parte de un milímetro.
De forma tan regular y simétrica como si se tratase de un cristal, estas fibras constituidas por carbono eran macromoléculas de una impresionante longitud, que debido a su forma no tardaron en llamarse “nanotubos”.
Una vez superada la atracción debida a la novedad del descubrimiento, se comenzaron a realizar estudios, descubriendo propiedades extraordinarias como su superlativa elasticidad, resistencia a la tracción y estabilidad térmica. Sin embargo, quince años mas tarde, los primeros productos que incorporan nanotubos no lo hacen en razón de tales atributos, sino en virtud de sus propiedades eléctricas.
Los nanotubos de carbono que observó Iijima se denominaron nanotubos de paredes múltiples, dado que cada uno contenía cierto número de cilindros huecos de átomos de carbono uno dentro de otros, en forma concéntrica. Dos años después, Iijima con la colaboración de Donald Iijima, perteneciente a IBM, crearon los primeros nanotubos de pared única, formados exclusivamente de una capa de átomos de carbono. Ambos tipos de tubos, fabricados de modo parecido, gozan de muchas propiedades similares; las más obvias, su enorme longitud y pequeño diámetro. El modelo de pared única, de un nanómetro aproximado de diámetro, puede tener miles de nanómetros de longitud.

Estructura.

Los que confiere a estos tubos su notable estabilidad es la manera en que se disponen los átomos de carbono dentro de la macromolécula. De hecho, esta misma característica es la que diferencia al diamante del grafito común. Como aprendimos en el colegio, el grafito esta compuesto por moléculas individuales de carbono unidas sin ningún tipo de organización en particular. Esta amorfosidad le confiere una muy débil resistencia (la mina de un lápiz esta hecha de grafito). En cambio, en un diamante, cuyos componentes son los mismos átomos de carbono que componen el grafito, la organización es sumamente regular, simétrica en los 3 ejes espaciales, características que le confieren esa notable dureza. En este mineral, los átomos de carbono se unen en un tetraedro de cuatro lados.
Un nanotubo es una tercera forma de agrupar átomos de carbono para lograr una estructura más grande. Podemos imaginar un nanotubo como una gran lamina de un átomo de grosor, dispuestos en los vértices de anillos hexagonales adyacentes que comparten un lado, mas o menos como la forma de un panal de abejas. Esta “lamina” esta enrollada sobre si misma para formar el nanotubo, de la misma manera que podemos enrollar una hoja de papel para hacer un tubo. No esta demasiado claro por qué los átomos se agrupan de esta forma para crear tubos, pero parece que pueden crecer añadiendo átomos a sus extremos, igual que una maquina de tejer va agregando puntos a la manga de un pulóver.

Fabricando nanotubos.
Aunque Sumio Iijima fue el primero en ver un nanotubo, lejos estuvo de ser el primero en fabricar uno. De hecho, y sin saberlo, los hombres de Neandertal fabricaban pequeñas cantidades de nanotubos en las hogueras con que calentaban sus cuevas. En efecto, una vez separados por el calor, los átomos de carbono se recombinan en el hollín; la mayoría generando glóbulos amorfos como en el grafito, y algunos se disponen en forma de nanotubos.
La ciencia ha descubierto tres formas de fabricar hollín que contiene una proporción notable de nanotubos, cada una con ventajas y limitaciones que comentaremos a continuación:
1) La gran chispa
El primer método para la fabricaron de nanotubos en cantidades macroscópicas se remonta a 1992, y se atribuye a dos investigadores también de NEC, Ebbeser y Pullickel M. Ajayan, 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 amperes de intensidad entre las barras, el carbono se evapora en un plasma caliente. Parte del mismo se vuelve a condensar en forma de nanotubos. Este sistema proporciona un rendimiento de hasta un 30% en peso.
Su ventaja mas destacables es las altas temperaturas y los catalizadores metálicos añadidos a las barras puede producir nanotubos de pared única y múltiple con pocos defectos estructurales (o ninguno). Pero tienen la limitación que rara vez se producen tubos de mas de 50 micras de largo, y se encuentran depositados en formas y tamaños aleatorios.

2) El gas caliente
Este método, descubierto por Morinubo Endo, de la Universidad de Shinshu, consiste en la deposición química en fase vapor (CVD). Se coloca un sustrato en un horno, se calienta a 600 grados centígrados y lentamente se va adicionando metano, un gas que libera átomos de carbono, que se van recombinando en forma de nanotubos.
Trabajando de esta manera se puede obtener entre un 20% y 100% del peso original en nanotubos, con la ventaja de ser el método más sencillo para aplicar a escala industrial. La limitación que pesa sobre su espalda es que los tubos así construidos suelen ser de pared múltiple y tienen frecuentemente defectos, de ahí que tengan sólo una décima de la resistencia a la tracción respecto a los fabricados por la descarga de arco.

3) El rayo láser
Un grupo de científicos de la universidad de Rice estaba experimentando el bombardeo de un metal con pulsos intensos de láser para producir moléculas metálicas extravagantes cuando les llegó la noticia del descubrimiento de los nanotubos. Simplemente sustituyeron el metal por barras de grafito en su dispositivo y no tardaron en producir nanotubos de carbono utilizando pulsos de láser en lugar de electricidad para generar el gas caliente de carbono a partir del que se forman los nanotubos. Luego de ensayar con varios catalizadores, lograron por fin las condiciones en que se producen cantidades muy grandes de nanotubos de pared única, logrando rendimientos de alrededor de un 70 por ciento. La ventaja del láser es que permite producir nanotubos de pared única con una gama de diámetros que se pueden controlar variando la temperatura de la reacción. La desventaja radica en el altísimo costo de los láseres implicados.

Aplicaciones.
Los nanotubos han desatado la imaginación de la gente, que sueña con robots microscópicos, carrocerías de automóviles resistentes a las abolladuras, edificios a prueba de terremotos o micromáquinas capaces de reparar daños en el cuerpo humano. Sin embargo, los primeros productos que incorporan nanotubos no hacen aun nada de esto, sino en virtud de sus propiedades eléctricas. Automóviles de la General Motors incluyen piezas de plástico a las que se añaden nanotubos; de esta manera el material plástico se carga eléctricamente durante la fase de pintura para que ésta se adhiere mejor. Muy pronto saldrán al mercado dos productos de iluminación y presentación visual basados en nanotubos, uno de ellos una pantalla de TV de 42 pulgadas de diagonal.

Con el tiempo, las aplicaciones mas que mayor partido sacaran de las propiedades de los nanotubos son las que aprovechan sus características eléctricas. En principio, lo nanotubos de carbono pueden desempeñar el mismo papel que cumple el silicio en los circuitos electrónicos, pero a escala molecular, donde el silicio y otros semiconductores dejan de funcionar. Aunque la industria electrónica continua llevando las dimensiones de los transistores en los chips comerciales por debajo de 200 nanómetros (esto representa solo unos 400 átomos de ancho), los ingenieros se enfrentan con grandes obstáculos para avanzar en la miniaturización. De aquí a 10 años, los materiales y los procesos sobre los que se ha basado la revolución informática comenzarán alcanzar su límite físico infranqueable, a pesar de los enormes incentivos económicos para reducir aún más los circuitos, porque la velocidad, la densidad y el rendimiento de los ingenios microeléctricos aumentan con la reducción del tamaño mínimo de los componentes. Los experimentos de los últimos años han dado esperanzas a los investigadores de que podrían fabricarse con nanotubos las conexiones y los dispositivos activos de un tamaño de diez nanómetros o inferior. Incorporados los nanotubos en circuitos electrónicos, éstos operarían más deprisa y sin consumir tanta energía como los actuales.

Según IBM, se puede entrever la aplicación de nanotubos de carbono como transistores e hilos de interconexiones en los circuitos de microchips. Actualmente, estos filamentos, de unos 250 nanómetros de anchura, son metálicos. Es deseable que sean menores, para así integrar más dispositivos en la misma superficie. Pero la miniaturización ulterior de los hilos metálicos ha de vencer dos dificultades importantes. En primer lugar, no existes todavía con un método eficaz para disipar el calor generado por los dispositivos; si apretaran más se provocaría un rápido sobrecalentamiento. En segundo lugar, el fenómeno de migración que se produce en los metales al circular una corriente eléctrica funde con el tiempo los hilos metálicos.
En teoría los nanotubos podrían resolver ambos problemas. Los nanotubos de carbono conducen el calor a la manera casi del diamante o al zafiro; idea que parece confirmada en experimentos provisionales. Los nanotubos podrían, pues, refrigerar eficientemente series muy densas de dispositivos. Además por ser los enlaces entre átomos de carbono mucho más fuertes que los de cualquier otro metal, los nanotubos pueden transportar enormes cantidades de corriente eléctrica; las medidas recientes muestran que un manojo de nanotubos de un centímetro cuadrado de sección transversal podría conducir unos mil millones de Amperes. Estas corrientes tan altas vaporizarían el cobre o el oro.

El futuro.
Si bien todo lo comentado parece maravilloso, como siempre lo mas impresionante aún esta por venir. La misma IBM, que posee varias patentes relacionadas con los nanotubos afirma que han construido la primera matriz de transistores hecha de nanotubos que son 500 veces más pequeños que los actuales transistores de silicio mediante este material, pero recién ahora han descubierto un proceso que les permitiría fabricarlos en forma masiva.
“Podemos fabricar buenos semiconductores a partir de nanotubos de carbono”, dice Tom Theis, director de ciencias físicas para el departamento de investigación de IBM. Los investigadores dicen que han descubierto un proceso mediante el cual pueden crear tandas de transistores nanotubulares de tan sólo 10 átomos de ancho. Hasta ahora, los nanotubos debían ser ubicados uno por uno u obtenidos por azar, informó IBM. En otros campos, como la ingeniería civil, donde los nanotubos todavía siguen sin aplicaciones practicas, es donde se manejan proyectos que parecen extraídos de textos de ciencia ficción. De hecho, el mas ambicioso de ellos esta basado en una idea que se puede ver en libros de A. Clarke o de C. Shieffeld, y consiste en la construcción de un ascensor para ir al espacio.
Un ascensor espacial consiste en un peso ubicado en orbita geoestacionaria, a unos 30.000 km de la tierra, y un cable tendido entre este objeto y un punto debajo de el que actúa como anclaje. La idea es utilizar esta estructura para que un “ascensor” coloque carga o personas en el espacio sin tener que utilizar un cohete, de una forma sumamente segura y económica. Los ingenieros han calculado que el único material que posee la resistencia necesaria para soportar su propio peso al formar una columna de semejante longitud es… un nanotubo gigante.
Otras aplicaciones mas “sencillas” permitirían utilizar nanotubos como memorias de ordenador, de hecho IBM ha logrado grabar una densidad de datos de 25 DVD´s, en un área de 3mm cuadrados con su proyecto milpiés (Millipede). Esta notable densidad, suficiente para almacenar 25 millones de páginas de texto en una superficie del tamaño de un sello postal. En lugar de usar medios magnéticos o electrónicos tradicionales para almacenar datos, Millipede usa miles de afiladas puntas de escala nanométrica para crear muescas que representan bits individuales en una delgada película de plástico. El resultado es semejante a una versión nanotecnológica de la venerable “tarjeta perforada” para procesar datos.

Este método único es de escala más pequeña que las tecnologías tradicionales y, además de ser reescribible, puede operarse con menos requisitos de consumo. Los científicos de IBM creen que es posible alcanzar densidades de almacenamiento incluso mayores. “Puesto que una punta de escala nanométrica puede singularizar átomos individuales, prevemos mejoras ulteriores más allá de este fantástico hito “, comentó Gerd Binnig, ganador del Premio Nóbel y una de las fuerzas impulsoras del proyecto Millipede.