Nanotecnología

De todos es conocido que  el material semiconductor por excelencia es el Silicio. No obstante, se están desarrollando nuevos materiales con propiedades de conductividad extremadamente buenas que podrían utilizarse en la nanoelectrónica. Este es el caso del grafeno, fabricado por primera vez en un laboratorio en el año 2004.

El grafeno es una forma particular de disponer los átomos de carbono, así como los fullerenos y los nanotubos de carbono. En el grafeno los átomos de carbono se unen en láminas planas de un átomo de espesor, formando un panal de abejas hexagonal (con un átomo en cada vértice).

                                                  Grafeno

En el caso de que se coloquen muchos panales uno sobre otro, se tiene grafito, como es el caso de los lápices comunes. Si se enrolla una porción de una de esas láminas en forma de esfera, como un balón de fútbol, se producen fullerenos, unas moléculas de tan gran interés que a sus descubridores se les concedió el Nobel de Química del año 1996. Si se enrolla el panal formando un cilindro, se tiene un nanotubo de carbono.

                        Fullereno                          Nanotubo de carbono

Como ya se había predicho hace algunos años, una lámina bidimensional, casi plana, de carbono es  termodinámicamente inestable. De ahí, que el grafeno que se ha conseguido sintetizar hasta ahora no es perfecto, y posee defectos microscópicos que son los que le otorgan parte de sus propiedades tan especiales. Entre ellas, cabe destacar las siguientes:

 - Los electrones que se mueven en el “panal” formado por celdas hexagonales con átomos de carbono en los vértices, debido a la interacción con esta red, se comportan como cuasipartículas sin masa llamadas fermiones de Dirac, que se mueven a una velocidad constante cercana a la velocidad de la luz. De manera que pueden mostrar comportamientos relativistas que pueden corroborar experimentalmente lo que se había predicho hace más de 50 años de manera teórica.

 - El paso de los electrones por el grafeno origina un efecto Hall cuántico que es imprescindible para su comportamiento como semiconductor. No obstante mientras que otros semiconductores sólo presentan este efecto a temperaturas muy bajas, el grafeno lo mantiene a temperatura ambiente, lo que le convierte en un semiconductor excelente y su conductividad eléctrica nunca puede ser cero, incluso cuando no hay electrones libres en el grafeno.

 - Debido a las propiedades anteriores, los electrones del grafeno pueden moverse libremente por toda la lámina y no limitarse a un camino recto como ocurre en los transistores convencionales de Si, donde se crean pequeños tubos por donde circula la corriente eléctrica. 

En resumen, el grafeno es un semiconductor que puede operar a escala nanométrica y a temperatura ambiente, con propiedades que ningún otro semiconductor ofrece.

Los nanotubos son objetos que poseen estructura tubular con diámetros del orden de un nanómetro, o sea, de un millonésimo de milímetro y, sin embargo, su longitud puede ser de hasta un milímetro, por lo que dispone de una relación longitud : anchura tremendamente alta. El carbono es de los pocos materiales que puede llegar a formar nanotubos, al igual que puede adoptar otras formas por su estructura cristalina. Los nanotubos de carbono más estudiados son los de estructuras de fullerenos.

Los nanotubos de carbono son las fibras más fuertes que se conocen. Un solo nanotubo perfecto es de 10 a 100 veces más fuerte que el acero por peso de unidad y poseen propiedades eléctricas muy interesantes, conduciendo la corriente eléctrica cientos de veces más eficazmente que los tradicionales cables de cobre.

 El grafito (sustancia utilizada en lápices) es formado por átomos de carbono estructurados en forma de panel. Estas capas tipo panel se colocan una encima de otra. Una sola capa de grafito es muy estable, fuerte y flexible. Dado que una capa de grafito es tan estable sola, se adhiere de forma débil a las capas de al lado, por esto se utiliza en lápices, porque mientras se escribe, se caen pequeñas escamas de grafito. En fibras de carbono, las capas individuales de grafito son mucho más grandes que en lápices, y forman una estructura larga, ondulada y fina, tipo-espiral. Se pueden pegar estas fibras una a otras y formar así una sustancia muy fuerte, ligera (y cara) utilizada en aviones, raquetas de tenis, bicicletas de carrera etc. Pero existe otra forma de estructurar las capas que produce un material más fuerte todavía, enrollando la estructura tipo-panel para que forme un tubo de grafito. Este tubo es un nanotubo de carbono.

         En el caso de formar nanotubos de carbono, éstos pueden ser clasificados en función de parámetros estructurales de los mismos y así podemos establecer las siguientes clasificaciones:

            1.- Según el número de capas, pueden ser:

- nanotubos de capa múltiple, formadas por capas concéntricas de forma cilíndrica:

- nanotubos de capa múltiple, formadas solo por una capa bidimensional de grafito:

2.- Clasificación genérica:

- nanotubos charal, no tiene simetría de reflexión y son no isomórficos.

- nanotubos no-chiral, poseen simetría de reflexión y son isomórficos.

En cuanto a las características de los nanotubos de carbono, además de ser tremendamente resistentes, poseen propiedades eléctricas interesantes. Una capa de grafito es un semi-metal, esto quiere decir que tiene propiedades intermedias entre semiconductores (como la silicona en microchips de ordenador, cuando los electrones se muevan con restricciones) y metales (como el cobre utilizado en cables cuando los electrones se mueven sin restricción). Cuando se enrolla una capa de grafito en un nanotubo, además de tener que alinearse los átomos de carbono alrededor de la circunferencia del tubo, también las funciones de onda estilo mecánica cuántica de los electrones deben ajustarse. Este ajuste restringe las clases de función de onda que puedan tener los electrones, lo que a su vez afecta el movimiento de éstos. Dependiendo de la forma exacta en la que se enrolla, el nanotubo puede ser un semiconductor o un metal.

     El nombre de nanotubo tiene su origen del hecho que estos objetos poseen estructura tubular con diámetros del orden de un nanómetro, o sea, de un millonésimo de milímetro. El carbono puede llegar a formar nanotubos, denominados nanotubos de carbono, del mismo modo que puede formar otras estructuras atendiendo a la estructura cristalina.

     En el caso de formar nanotubos de carbono, éstos pueden ser clasificados en función de parámetros estructurales de los mismos y así podemos establecer las siguientes clasificaciones.

• Atendiendo al número de capas se pueden clasificar en:

	Nanotubos de capa múltiple (MWNT); son aquellas formadas por capas concéntricas de forma ciclíndrica, las cuales están separadas aproximadamente una distancia similar a la distancia interplanar del grafito.
	Nanotubos de capa única (SWNT); Son los que se pueden describir como una capa bidimensional de grafito enrollada formando un cilindro de décimas de micrones de longitud y radio del orden de los nanómetros, los cuales además poseen en sus extremos semiestructuras de fullerenos.

• Atendiendo a una clasificación genérica en:

• De acuerdo a los índices de Hamada (n,m):

	Nanotubos ZigZag; Tendrán esta denominación si n=m y si además poseen una helicidad de  Φ=0
	Nanotubos ArmChair; Se llamará así cuando m=0 y poseen además una helicidad de Φ=30
	Nanotubos chiral; Los nanotubos son tipo chiral si n>m>0 y si además poseen una helicidad de Φ<30

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Nuestros conceptos acerca de la naturaleza de la materia a menudo están muy influidos por los descubrimientos azarosos. Ningún evento reciente ha cautivado tanto la imaginación de los científicos y del público como el descubrimiento, hecho casualmente en 1985, de la molécula C60, con forma de balón de fútbol. Esta molécula, su pariente C70 y otras moléculas semejantes descubiertas en 1985 se conocen como fullerenos, o más comúnmente buckyballs .

A partir de estos descubrimientos, miles de grupos de investigación en todo el mundo han estudiado las propiedades físicas y químicas de estas moléculas tan estables. Éstas representan una tercera forma alotrópica del carbono además del grafito y del diamante. 

La preparación de los fullerenos es casi trivial. Cuando se establece un arco de corriente entre dos electrodos de carbono bajo una atmósfera de helio, el hollín que se deposita es rico en C60 y C70. Aunque la preparación es sencilla, la separación y purificación de unos pocos miligramos de C60 resulta laboriosa y costosa. Recientemente se descubrió que se pueden separar cantidades relativamente grandes de buckyballs mediante cromatografía de exclusión por tamaño. Leer más »

Los elementos pueden existir en diversas formas, o alótropos, dependiendo de las condiciones y modos en que se han formado. Así se conocen más de 40 formas de carbono muchas de las cuales son amorfas y no cristalinas.

Por ejemplo, el coque es el residuo sólido que se obtiene después de separar los componentes volátiles del petróleo crudo o del carbón. La combustión incompleta de los compuestos orgánicos produce hollín. El negro de carbón es un importante producto comercial, que resulta de calentar los hidrocarburos a temperaturas cercanas a 1000ºC en ausencia de aire, y que tiene múltiples aplicaciones, entre ellas como tinta de impresión. El carbón activo es altamente poroso y posee la propiedad de absorber trazas de sustancias orgánicas del aire (filtros de aire, máscaras de gas) y del agua (filtros de agua). Probablemente las formas cristalinas más conocidas del carbono son el grafito y el diamante.

El grafito, el alótropo de carbón más estable, esta formado por un extenso sistema políciclico de anillos bencénicos fusionados que se disponen en capas, separadas entre sí 3,35 A. El carácter completamente deslocalizado de estas láminas, formadas únicamente por la unión de carbonos sp2, es el origen del color negro y de la conductividad del grafito. Además, como estas láminas pueden desplazarse lateralmente, el grafito tiene propiedades lubricantes. También se emplea en las minas de los lápices.

En el diamante, los átomos de carbono, todos ellos con hibridación sp3, forman una red entrecruzada de ciclohexanos en conformación silla. Debido a ello el diamante es incoloro, aislante, y el más denso y duro de los materiales conocidos. Es menos estable que el grafito, en 0,45 kcal/g De átomo de C. Se transforma en grafito a altas temperaturas o cuando se somete a una radiación de energía elevada, propiedad que, es poco apreciada en joyería. Leer más »

Parece ser que la conexión mencionada en el post del Nobel de Química de 1996 entre algunos objetos astronómicos y los fullerenos ha llamado la atención de alguno de vosotros, por lo que me he decidido a comentarla un poco más en este nuevo post.

A comienzos de la década de 1970, dos nuevas ramas de la Química, la Química Astrofísica y la Química de Racimos o de Agregados (Cluster Chemistry), abrían el camino a nuevos descubrimientos con la ayuda de la Radioastronomía (las señales de radio generadas por las nubes interestelares pueden utilizarse para detectar moléculas). En la Universidad de Sussex, Harry Kroto y David Walton trabajaban por aquel entonces en la síntesis de largas cadenas de C terminadas en hidrógeno por un extremo y nitrógeno por el otro (como HC5N, HC7N y HC9N). Ambos se dieron cuenta de que los espectros de estas sustancias coincidían con algunos picos de emisión o absorción observados en nubes de gas procedentes de la Vía Láctea . También detectaron señales de esas nubes que sugerían la presencia de cadenas de C todavía más largas de las que ellos podían sintetizar en la Tierra. Además, la concentración de dichas moléculas era mucho mayor de la esperada. Por tanto, la pregunta era: ¿de donde venían?…. Leer más »

El premio Nobel de Química de 1996 fue concedido a Curl, Kroto y Smalley por el descubrimiento de una nueva forma estable de carbono; los fullerenos. Robert Curl nació en Alice (Tejas, Estados Unidos) en 1933 y trabajó en las universidades de Berkeley y Harvard. En 1958 se incorporó al Departamento de Química de la Universidad de Rice (Houston), del que es profesor emérito. Harold Kroto nació en 1939 en Wisbech (Cambridgeshire, Reino Unido) y se doctoró en la Universidad de Sheffield. Tras estancias en Ottawa (Canadá) y en los Laboratorios Bell Telephone, comenzó su carrera académica en la Universidad de Sussex en 1967. Richard Smalley nació en Akron (Ohio, Estados Unidos) en 1943 y en estos días se cumple el primer aniversario de su muerte, consecuencia de un cáncer. Smalley se doctoró en la Universidad de Princeton en 1973. Tras su trabajo post-doctoral en la Universidad de Chicago, se incorporó a la Universidad de Rice en 1976. Smalley fue un apasionado defensor de la nanotecnología y jugó un papel clave en el establecimiento en el año 2000 del programa federal “National Nanotechnology Initiative”.

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