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C

 

 Carbono

 

                           

                             Peso atomico: 12.0107 u.m.a.

                              [He] 2s2 p2

 

 

 

Realizado por Susana Trasobares, Universidad de Cádiz.

 

 

 

 EL MUNDO "NANO"

 

¿Cómo podríamos entrar en un mundo dónde se hace uso de las nuevas tecnologías para reducir el tamaño de objetos tales como reproductores de música, coches etc…? ¿Qué quiere decir “nano” y que son los materiales nanométricos?

 

Imaginaros que somos los niños de la película de Disney “Honey, I Shrunk the Kids” (Cariño he encogido a los Niños, 1989) y de repente nos vemos reducidos a un tamaño tal, que objetos o animales que ahora nos parecen pequeños (una hormiga, una moneda de un céntimo de euro) se convierten en gigantes para nosotros. Para llegar a la escala del nanómetro tendríamos que viajar desde el metro hasta 10-9m, seríamos más pequeños que un glóbulo rojo o una cadena de ADN. Por ejemplo Pau Gasol (jugador de baloncesto de los Lakers en la NBA) mide 2.15 metros es decir 2.150.000.000 nanómetros. Es difícil no perderse con tantos ceros pero imagínate que eres un niño de 1.5m, si reduces tu tamaño 1000 veces, estarías en la escala del milímetro y serías tan pequeño como la mina de un lápiz, si seguimos reduciendo nuestro tamaño 1000 veces tendríamos el mismo tamaño que un glóbulo rojo, pero aún sería necesario reducirnos 1000 veces más para llegar a la escala del nanómetro, donde se encuentran los fullerenos, los nanotubos de carbono y las nanopartículas, sistemas que explicaremos más a delante.

 

 

 

 

 

 

Figura 1.- Ilustración escala nanométrica.

 

 

Hoy en día la sociedad quiere equipos de talla reducida (televisiones de pantalla plana, ordenadores ultra-portátiles, lectores Mp3 de talla reducida). Así mismo se buscan nuevos sistemas de energía que nos permitan obtener energías limpias con una emisión mínima (o nula) de CO2, nuevos fármacos que sean efectivos en enfermedades como el cáncer, y aplicaciones de las nuevas tecnologías para mejorar el confort de la sociedad; Por ejemplo la producción de los primeros coches plegables que podrían ser una solución al problema de aparcamiento en las grandes ciudades

 

 

Todos estos sistemas requieren de nuevas tecnologías y materiales que presenten unas propiedades específicas, por ejemplo los materiales desarrollados a partir de estructuras de talla nanométrica. Entre estas podemos destacar las nanopartículas de oro y plata usadas hoy en día en cosméticos y apósitos y los fullerenos y nanotubos de carbono que fueron descubiertos a finales del siglo X

X y que poseen unas propiedades únicas. Por supuesto para poder desarrollar estas estructuras y hacer con ellos, materiales y equipos que sean cotidianamente usados en nuestra sociedad, necesitamos conocer tanto su estructura como sus propiedades. ¿Cómo podemos ver y estudiar estos sistemas nanométricos que no son visibles al ojo humano? Seguro que la mayoría conocéis como una lupa nos proporciona los aumentos necesarios para poder leer ciertas letras que tienen un tamaño reducido, pero si queremos observar objetos que están en la escala de las micras necesitamos un microscopio óptico. Desafortunadamente éste equipo no tiene los aumentos necesarios para observar estructuras en la escala nanométrica para ello requerimos de tecnologías más potentes como son los microscopios electrónicos que usan electrones y lentes magnéticas en vez de luz y lentes ópticas. Con un microscopio óptico podríamos observar células y estructuras en la escala de la micra pero no podríamos ver el interior de las células o los átomos que forman las estructuras para ello requerimos del microscopio electrónico. Con este tipo de microscopio además de ser capaces de ver la distribución de partículas de talla nanométrica en una muestra (imagen derecha superior) también podemos ver la distribución de los átomos en una estructura determinada, en este caso cada punto de la imagen corresponde a una columna de átomos (imagen derecha inferior).

 

Microscopios.jpg

 

Figura 2.- La microscopía electronica (imagen inferior izquierda) para la visualización de nanopartículas metálicas (imagen superior derecha) y distribución de las columnas atómicas en el material (imagen inferior derecha)  

 

Dentro del los compuestos a base de carbono, además del grafito y el diamante se encuentran las estructuras de talla nanométrica conocidas  como fullerenos y nanotubos. Estas estructuras fueron descubiertas a finales del siglo XX, exactamente en 1986 se descubrió la tercera forma alótropa del carbono que fue conocida en sus inicios como Buckminster Fullerene, en honor al arquitecto que construyó el Dome de Montreal utilizado como pabellón de EEUU en la Exposición Universal de 1969. Esta molécula de 60 átomos de carbono tiene una estructura que asemeja a un balón de fútbol donde 12 pentágonos se combinan con hexágonos para formar una estructura cerrada. Si a esta estructura le añadimos cientos de átomos de carbono podemos llegar a los conocidos nanotubos de carbono descubiertos en 1991 por el profesor Sumio Iijima, Premio Príncipe de Asturias del 2008.

 

grafito-diamante-nanotubos.jpg


Figura 3.- Formas alótropas del carbono

 

Los nanotubos de carbono se caracterizan por presentar una estructura cilíndrica unidimensional con un diámetro que va desde el nanómetro (nanotubos de una pared) hasta decenas de nanómetros (nanotubos de varias paredes). Estos sistemas tienen una estructura única que se caracteriza, entre otros, por la versatilidad de sus propiedades electrónicas que dependen directamente de su estructura. Por ejemplo, hipotéticamente uno podría construir un nanotubo de carbono partiendo de una lámina de grafito hecha sólo por hexágonos, esta lámina puede enrollarse de diversas formas, con el enlace C-C de los hexágonos perpendicular o paralelo al eje del cilindro (armchair o zig-zag) o en cualquier configuración intermedia. Experimentalmente se ha demostrado que los nanotubos de carbono pueden presentar cualquiera de estas estructuras

  

Actualmente muchos grupos de investigación trabajan hoy en día en el desarrollo de un método de síntesis o método de separación que permita aislar cada una de estas estructuras, controlando el crecimiento de estas estructuras uno es capaz de controlar sus propiedades electrónicas. Además de estas propiedades, los nanotubos se caracterizan por ser 100 veces más fuertes que el acero y pesar 6 veces menos que éste.

 

 Pueden doblarse a grandes ángulos y volver a su estado original sin sufrir daño alguno. Conducen la corriente eléctrica cientos de veces más eficazmente que los tradicionales cables de cobre. Tienen una alta estabilidad térmica, son estables hasta 2800 ºC en vacío y 750°C en aire (los alambres metálicos que se emplean actualmente en microchips funden entre 600 y 1000°C). Al poseer una estructura hueca, en su interior se pueden incorporar diversas moléculas modificando de nuevo sus propiedades. La incorporación de fullerenos en el interior de los nanotubos de carbono ha dado lugar a las estructuras conocidas hoy en día como “peapods”, que combinan las propiedades de ambas estructuras obteniendo así nanoestructuras con propiedades muy diversas.

 

 peapods.jpg


Figura 3.- Imagen por microscopia electronica de "peapods", nanotubos de carbono que contienen fullerenos en su interior, patrón de la estrcutura creado dentro del proyecto ES4FUN.

 

A pesar de que los nanotubos de carbono son todavía un material relativamente nuevo, podríamos decir que están en su etapa adolescente, son varias ya las aplicaciones que han surgido a lo largo de los últimos años. Dentro de las aplicaciones ya comercializadas podemos destacar la utilización de los nanotubos de carbono como puntas de microscopía de fuerzas atómicas AFM, estas mejoras en la tecnología han aumentado la resolución espacial del equipo permitiendo así el estudio estructural de anticuerpos de proteínas Nature 394, 52 (1998). Los nanotubos de carbono son también utilizados hoy en día en la producción de composites que son posteriormente empleados en materiales deportivos como son; raquetas de tenis, palos de golf, bates de béisbol, barcos etc.....

 

Así mismo son muchas las aplicaciones que han dado lugar a prototipos, entre estos podemos destacar; el primer dispositivo de rayos X portátil a base de nanotubos de carbono Appl. Phys. Lett. 81, 355 (2002), radio construida a partir de nanotubos individuales de una sola pared (Nano Lett., 2007, 7 (11), pp 3508 ) y pantalla plana de 4.6-inch fabricada con nanotubos como dispositivos de emisión de electrones (Nature Photonics 1, 273 - 275 (2007)).

 


 

 

 

 

 

 

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