Las verdaderas propiedades de nanotubos de carbono

Publicado el 22 Ago, 2008 por Eugenio Rodríguez en Electrónica

El buque insignia de los materiales basados en nanotecnología en los últimos 20 años han sido los nanotubos de carbono (CNTs). Los ingenieros lo han concebido para aplicaciones que van desde nanotubos para dispositivos microelectrónicos hasta el tratamiento contra el cáncer. Su estructura atómica debería, en teoría, ofrecer propiedades mecánicas y eléctricas muy superiores a los materiales más comunes.

Lamentablemente, la teoría y los experimentos no han podido converger en las verdaderas propiedades mecánicas de CNTs. Los ingenieros de la Universidad Northwestern recientemente han realizado la primera medición experimental de las propiedades mecánicas de los nanotubos de carbono que directamente corresponden a las predicciones teóricas.

Los nanotubos de carbono son estructuras cilíndricas por lo general con menos de 30 nanómetros de diámetro y varias micras de largo. Su pequeño tamaño hace que sean muy fuertes, pero al mismo tiempo son muy difíciles de poner a prueba a título individual, como resultado de ello, los experimentos suelen apartarse mucho de las predicciones basadas en la mecánica cuántica.

Como nos comentaba Horacio Espinosa, profesor de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Northwestern; “Las imágenes y resoluciones de medición, así como las ambigüedades estructurales atómicas (defectos), ocultan los resultados de la mayoría de los experimentos y siempre ofrecen poca fiabilidad en la predicciones mecánicas”.

El profesor Espinosa y su equipo de investigación en Northwestern, han resuelto estos problemas utilizando un ensayo con los materiales a nanoescala basados tecnológicamente en un sistema microelectromecánico (MEMS). Este sistema electrónico permite que las mediciones de carga y de desplazamiento durante una prueba, que se realiza dentro de un microscopio electrónico de transmisión, proporcione en tiempo real imágenes atómicas. Este método elimina toda ambigüedad en los resultados de las pruebas, ofreciendo seguridad en todas las cantidades medidas, resultando coincidente con las predicciones de la mecánica cuántica de una manera magnífica.

Los investigadores adicionalmente, también informaron en el mismo artículo de la revista “Nature”, la relación con el efecto de irradiación de electrones en estos materiales. Se podría pensar que la irradiación podría degradar la estructura atómica del material, pero los investigadores encontraron lo contrario. Irradiar un multi-recubrimiento de nanotubos de carbono con un intenso haz de electrones en realidad forman lazos entre las capas del tubo. Esto es como la combinación de múltiples nanotubos en uno para formar una estructura más fuerte.

Este fenómeno también se ha teorizado en el pasado, y la investigación confirma que las propiedades de los nanotubos de multi-recubrimiento puede ser fácilmente y controlablemente alterado por la radiación de electrones. El uso de simulaciones por ordenador de la estructura atómica de los nanotubos, dio la capacidad a los investigadores para aislar el mecanismo de refuerzo mediante la irradiación.

El mismo procedimiento utilizado para fortalecer los nanotubos individuales de multi-recubrimiento por irradiación puede también ser utilizado para unir los nanotubos individuales en un conjunto. Este mecanismo de “crosslinking” es un método prometedor para crear estructuras más largas de nanotubos. Cuando los nanotubos son embalados como conjunto, por lo general poseen muy débiles interacciones a lo largo de sus superficies; hilar una cuerda de nanotubos no sería casi tan fuerte como sus componentes a nanoescala. Sin embargo, la irradiación puede ser la clave para mejorar estas interacciones mediante la inducción de enlaces covalentes entre tubos. Si las propiedades de los nanotubos se pueden ampliar hasta la macroescala de cuerdas y fibras, pueden llegar a ser una opción viable para cualquier resolución de alta resistencia. Esto podría incluir grandes cables para aplicaciones en la industria o infraestructuras, así como pequeños hilos para tejidos ligeros, balísticos o armaduras de refuerzo compuesto.

Más información: Northwestern University