Nanotubo de Carbono

Un nanotubo de carbono (CNT, Carbon nanotube) es un tubo hecho de carbono con diámetros típicamente medidos en nanómetros.

Los nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT) son uno de los alótropos del carbono, intermedios entre las jaulas de fullereno y el grafeno plano, con diámetros en el rango de un nanómetro. Aunque no están hechos de esta manera, los nanotubos de carbono de pared simple pueden idealizarse como recortes de una red hexagonal bidimensional de átomos de carbono enrollados a lo largo de uno de los vectores de red de Bravais de la red hexagonal para formar un cilindro hueco. En esta construcción, se imponen condiciones de contorno periódicas sobre la longitud de este vector de enrollamiento para producir una red helicoidal de átomos de carbono unidos sin costura en la superficie del cilindro.

Nanotubos de carbono de pared múltiple (MWCNT) que consisten en nanotubos de carbono de pared simple anidados unidos débilmente por interacciones de van der Waals en una estructura similar a un anillo de árbol. Si no son idénticos, estos tubos son muy similares a las largas capas de carbono rectas y paralelas de Oberlin, Endo y Koyama dispuestas cilíndricamente alrededor de un tubo hueco. Los nanotubos de carbono de pared múltiple también se utilizan a veces para referirse a los nanotubos de carbono de pared doble y triple.

Los nanotubos de carbono también pueden referirse a tubos con una estructura de pared de carbono indeterminada y diámetros inferiores a 100 nanómetros. Dichos tubos fueron descubiertos en 1952 por Radushkevich y Lukyanovich.

La longitud de un nanotubo de carbono producido por métodos de producción comunes a menudo no se informa, pero generalmente es mucho mayor que su diámetro. Por lo tanto, para muchos propósitos, se desprecian los efectos finales y se supone que la longitud de los nanotubos de carbono es infinita.

Los nanotubos de carbono pueden exhibir una conductividad eléctrica notable, mientras que otros son semiconductores. También tienen una resistencia a la tracción y conductividad térmica excepcionales debido a su nanoestructura y la fuerza de los enlaces entre los átomos de carbono. Además, pueden modificarse químicamente. Se espera que estas propiedades sean valiosas en muchas áreas de la tecnología, como la electrónica, la óptica, los materiales compuestos (que reemplazan o complementan las fibras de carbono), la nanotecnología y otras aplicaciones de la ciencia de los materiales.

Enrollar una red hexagonal a lo largo de diferentes direcciones para formar diferentes nanotubos de carbono de pared simple infinitamente largos muestra que todos estos tubos no solo tienen simetría helicoidal sino también traslacional a lo largo del eje del tubo y muchos también tienen simetría rotacional no trivial alrededor de este eje. Además, la mayoría son quirales, lo que significa que el tubo y su imagen especular no se pueden superponer. Esta construcción también permite que los nanotubos de carbono de pared simple se etiqueten con un par de números enteros.

Un grupo especial de nanotubos de carbono de pared simple aquirales son metálicos, pero el resto son semiconductores de banda prohibida pequeña o moderada. Sin embargo, estas propiedades eléctricas no dependen de si la red hexagonal se enrolla de atrás hacia adelante o de adelante hacia atrás y, por lo tanto, son las mismas para el tubo y su imagen especular.

Las notables propiedades predichas para los SWCNT eran tentadoras, pero faltaba un camino para crearlas hasta 1993, cuando Iijima e Ichihashi en NEC y Bethune et al. en IBM descubrió de forma independiente que la covaporización de carbono y metales de transición como el hierro y el cobalto podría catalizar específicamente la formación de SWCNT. Estos descubrimientos desencadenaron investigaciones que lograron aumentar en gran medida la eficiencia de la técnica de producción catalítica y dieron lugar a una explosión de trabajo para caracterizar y encontrar aplicaciones para los SWCNT.

Estructura de los SWNT

Detalles básicos

La estructura de un nanotubo de carbono de pared simple ideal (infinitamente largo) es la de una red hexagonal regular dibujada sobre una superficie cilíndrica infinita, cuyos vértices son las posiciones de los átomos de carbono. Dado que la longitud de los enlaces carbono-carbono es bastante fija, existen restricciones sobre el diámetro del cilindro y la disposición de los átomos en él.

En el estudio de los nanotubos, se define un camino en zigzag en una red similar al grafeno como un camino que gira 60 grados, alternando a la izquierda y a la derecha, después de atravesar cada enlace. También es convencional definir un camino de sillón como aquel que hace dos giros a la izquierda de 60 grados seguidos de dos giros a la derecha cada cuatro pasos. En algunos nanotubos de carbono, hay un camino cerrado en zigzag que rodea el tubo. Se dice que el tubo es del tipo o configuración en zigzag, o simplemente es un nanotubo en zigzag. Si, en cambio, el tubo está rodeado por un camino de sillón cerrado, se dice que es del tipo sillón, o un nanotubo de sillón.. Un nanotubo infinito que es del tipo zigzag (o sillón) consiste enteramente en caminos cerrados en zigzag (o sillón), conectados entre sí.

Las configuraciones en zigzag y de sillón no son las únicas estructuras que puede tener un nanotubo de pared simple. Para describir la estructura de un tubo infinitamente largo en general, uno debe imaginar que se abre en rodajas mediante un corte paralelo a su eje, que atraviesa algún átomo A, y luego se desenrolla plano sobre el plano, de modo que sus átomos y enlaces coincidan con los del mismo. de una hoja de grafeno imaginaria, más precisamente, con una tira infinitamente larga de esa hoja. Las dos mitades del átomo A terminarán en los bordes opuestos de la tira, sobre dos átomos A1 y A2 del grafeno. La línea de A1 a A2 corresponderá a la circunferencia del cilindro que atravesó el átomo A, y será perpendicular a los bordes de la tira. En la red de grafeno, los átomos se pueden dividir en dos clases, según las direcciones de sus tres enlaces. La mitad de los átomos tienen sus tres enlaces dirigidos de la misma manera, y la otra mitad tienen sus tres enlaces girados 180 grados con respecto a la primera mitad. Los átomos A1 y A2, que corresponden al mismo átomo A en el cilindro, deben ser de la misma clase. De ello se deduce que la circunferencia del tubo y el ángulo de la tira no son arbitrarios, porque están restringidos a las longitudes y direcciones de las líneas que conectan pares de átomos de grafeno de la misma clase.

Sean u y v dos vectores linealmente independientes que conectan el átomo de grafeno A1 con dos de sus átomos más cercanos con las mismas direcciones de enlace. Es decir, si uno numera carbonos consecutivos alrededor de una celda de grafeno con C1 a C6, entonces u puede ser el vector de C1 a C3 y v ser el vector de C1 a C5. Entonces, para cualquier otro átomo A2 con la misma clase que A1, el vector de A1 a A2 se puede escribir como una combinación lineal n u + m v, donde n y mson números enteros. Y, a la inversa, cada par de números enteros (n, m) define una posición posible para A2. Dados n y m, se puede invertir esta operación teórica dibujando el vector w en la red de grafeno, cortando una tira de este último a lo largo de las líneas perpendiculares a w a través de sus extremos A1 y A2, y enrollando la tira en un cilindro para traer esos dos puntos juntos. Si esta construcción se aplica a un par (k,0), el resultado es un nanotubo en zigzag, con caminos cerrados en zigzag de 2 k átomos. Si se aplica a un par (k, k), se obtiene un tubo de sillón, con caminos de sillón cerrados de átomos de 4 k.

Tipos

Además, la estructura del nanotubo no cambia si la tira se gira 60 grados en el sentido de las agujas del reloj alrededor de A1 antes de aplicar la reconstrucción hipotética anterior. Tal rotación cambia el par correspondiente (n, m) al par (−2 m, n + m). De ello se deduce que muchas posiciones posibles de A2 en relación con A1, es decir, muchos pares (n, m), corresponden a la misma disposición de átomos en el nanotubo. Ese es el caso, por ejemplo, de los seis pares (1,2), (−2,3), (−3,1), (−1,−2), (2,−3) y (3,−1). En particular, los pares (k,0) y (0, k) describen la misma geometría de nanotubos. Estas redundancias se pueden evitar considerando sólo pares (n, m) tales que n > 0 y m ≥ 0; es decir, donde la dirección del vector w se encuentra entre las de u (inclusivo) y v (exclusivo). Se puede verificar que todo nanotubo tiene exactamente un par (n, m) que cumple esas condiciones, al que se le llama tipo de tubo. Por el contrario, para cada tipo hay un nanotubo hipotético. De hecho, dos nanotubos tienen el mismo tipo si, y solo si, uno puede girarse y trasladarse conceptualmente para que coincida exactamente con el otro. En lugar del tipo (n, m), la estructura de un nanotubo de carbono se puede especificar dando la longitud del vector w (es decir, la circunferencia del nanotubo) y el ángulo α entre las direcciones de u y w, que puede oscilar entre 0 (inclusive) a 60 grados en el sentido de las agujas del reloj (exclusivo). Si el diagrama se dibuja con u horizontal, este último es la inclinación de la tira alejándose de la vertical.

Quiralidad y simetría especular

Un nanotubo es quiral si tiene tipo (n, m), con m > 0 y m ≠ n; entonces su enantiómero (imagen especular) tiene tipo (m, n), que es diferente de (n, m). Esta operación corresponde a reflejar la tira desenrollada alrededor de la línea L por A1 que forma un ángulo de 30 grados en el sentido de las agujas del reloj desde la dirección del vector u (es decir, con la dirección del vector u + v). Los únicos tipos de nanotubos que son aquirales son los (k,0) tubos en "zigzag" y los (k, k) tubos "sillón". Si se considera que dos enantiómeros tienen la misma estructura, entonces se pueden considerar solo los tipos (n, m) con 0 ≤ m ≤ n y n > 0. Entonces, el ángulo α entre u y w, que puede variar de 0 a 30 grados (ambos incluidos), se denomina "ángulo quiral" del nanotubo.

Circunferencia y diámetro

A partir de n y m también se puede calcular la circunferencia c, que es la longitud del vector w, que resulta ser:

en picómetros. El diámetro del tubo es entonces , es decir

también en picómetros. (Estas fórmulas son solo aproximadas, especialmente para n y m pequeños donde los enlaces están tensos; y no tienen en cuenta el espesor de la pared).

El ángulo de inclinación α entre u y w y la circunferencia c están relacionados con los índices de tipo n y m por:

donde arg(x, y) es el ángulo en el sentido de las agujas del reloj entre el eje X y el vector (x, y); una función que está disponible en muchos lenguajes de programación como atan2(y, x). Por el contrario, dadas c y α, se puede obtener el tipo (n, m) mediante las fórmulas:

que debe evaluar a números enteros.

Límites físicos

Ejemplos más estrechos

Si n y m son demasiado pequeños, la estructura descrita por el par (n, m) describirá una molécula que no puede llamarse razonablemente "tubo" y puede que ni siquiera sea estable. Por ejemplo, la estructura teóricamente descrita por el par (1,0) (del tipo "zigzag" limitante) sería simplemente una cadena de carbonos. Esa es una molécula real, el carbino; que tiene algunas características de los nanotubos (como hibridación orbital, alta resistencia a la tracción, etc.), pero no tiene espacio hueco y es posible que no se pueda obtener como una fase condensada. El par (2,0) produciría teóricamente una cadena de 4 ciclos fusionados; y (1,1), la estructura de "sillón" limitante, produciría una cadena de 4 anillos biconectados. Estas estructuras pueden no ser realizables.

El nanotubo de carbono más delgado propiamente dicho es la estructura de sillón de tipo (2,2), que tiene un diámetro de 0,3 nm. Este nanotubo se cultivó dentro de un nanotubo de carbono de paredes múltiples. La asignación del tipo de nanotubo de carbono se realizó mediante una combinación de cálculos de microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM), espectroscopía Raman y teoría funcional de la densidad (DFT).

El nanotubo de carbono de pared simple independiente más delgado tiene un diámetro de aproximadamente 0,43 nm. Los investigadores sugirieron que puede ser (5,1) o (4,2) SWCNT, pero el tipo exacto de nanotubo de carbono sigue siendo cuestionable. Los nanotubos de carbono (3,3), (4,3) y (5,1) (todos de aproximadamente 0,4 nm de diámetro) se identificaron sin ambigüedades mediante microscopía electrónica de transmisión de alta resolución con corrección de aberraciones dentro de nanotubos de carbono de doble pared.

Longitud

La observación de los nanotubos de carbono más largos crecidos hasta ahora, alrededor de 0,5 metros (550 mm) de largo, se informó en 2013. Estos nanotubos se cultivaron en sustratos de silicio utilizando un método mejorado de deposición química de vapor (CVD) y representan matrices eléctricamente uniformes de un solo nanotubos de carbono con paredes.

Se puede considerar que el nanotubo de carbono más corto es el compuesto orgánico cicloparafenileno, que fue sintetizado en 2008 por Ramesh Jasti. Desde entonces, se han sintetizado otros nanotubos de carbono de molécula pequeña.

Densidad

La densidad más alta de nanotubos de carbono se logró en 2013, cultivados en una superficie de cobre recubierta de titanio conductora que se recubrió con cocatalizadores de cobalto y molibdeno a temperaturas inferiores a las típicas de 450 °C. Los tubos promediaron una altura de 380 nm y una densidad de masa de 1,6 g cm. El material mostró conductividad óhmica (resistencia mínima ~22 kΩ).

Variantes

No hay consenso sobre algunos términos que describen los nanotubos de carbono en la literatura científica: tanto "pared" como "pared" se utilizan en combinación con "simple", "doble", "triple" o "múltiple", y la letra C a menudo se omite en la abreviatura, por ejemplo, nanotubo de carbono de paredes múltiples (MWNT). La Organización Internacional de Normalización utiliza paredes simples o paredes múltiples en sus documentos.

De paredes múltiples

Los nanotubos de pared múltiple (MWNT) consisten en múltiples capas enrolladas (tubos concéntricos) de grafeno. Hay dos modelos que se pueden utilizar para describir las estructuras de los nanotubos de paredes múltiples. En el modelo de la muñeca rusa, las láminas de grafito están dispuestas en cilindros concéntricos, por ejemplo, un nanotubo de pared simple (0,8) (SWNT) dentro de un nanotubo de pared simple más grande (0,17). en el pergaminomodelo, una sola hoja de grafito se enrolla sobre sí misma, asemejándose a un rollo de pergamino o un periódico enrollado. La distancia entre capas en los nanotubos de pared múltiple es cercana a la distancia entre las capas de grafeno en el grafito, aproximadamente 3,4 Å. La estructura de la muñeca rusa se observa con mayor frecuencia. Sus capas individuales se pueden describir como SWNT, que pueden ser metálicas o semiconductoras. Debido a la probabilidad estadística y las restricciones sobre los diámetros relativos de los tubos individuales, una de las carcasas y, por lo tanto, todo el MWNT, suele ser un metal de separación cero.

Los nanotubos de carbono de doble pared (DWNT) forman una clase especial de nanotubos porque su morfología y propiedades son similares a las de los SWNT pero son más resistentes a los ataques de los productos químicos. Esto es especialmente importante cuando es necesario injertar funciones químicas en la superficie de los nanotubos (funcionalización) para añadir propiedades al CNT. La funcionalización covalente de los SWNT romperá algunos enlaces dobles C=C, dejando "agujeros" en la estructura del nanotubo y modificando así sus propiedades mecánicas y eléctricas. En el caso de DWNT, solo se modifica la pared exterior. La síntesis de DWNT en escala de gramos mediante la técnica CCVD se propuso por primera vez en 2003 a partir de la reducción selectiva de soluciones de óxido en metano e hidrógeno.

La capacidad de movimiento telescópico de las cubiertas internas y sus propiedades mecánicas únicas permitirán el uso de nanotubos de paredes múltiples como brazos móviles principales en los próximos dispositivos nanomecánicos. La fuerza de retracción que se produce en el movimiento telescópico es causada por la interacción de Lennard-Jones entre las capas, y su valor es de aproximadamente 1,5 nN.

Uniones y entrecruzamiento

Las uniones entre dos o más nanotubos han sido ampliamente discutidas teóricamente. Tales uniones se observan con bastante frecuencia en muestras preparadas por descarga de arco así como por deposición química de vapor. Las propiedades electrónicas de tales uniones fueron consideradas teóricamente por primera vez por Lambin et al., quienes señalaron que una conexión entre un tubo metálico y uno semiconductor representaría una heterounión a nanoescala. Por lo tanto, tal unión podría formar un componente de un circuito electrónico basado en nanotubos. La imagen adyacente muestra una unión entre dos nanotubos de paredes múltiples.

Las uniones entre nanotubos y grafeno han sido consideradas teóricamente y estudiadas experimentalmente. Las uniones de nanotubos y grafeno forman la base del grafeno en pilares, en el que las láminas de grafeno paralelas están separadas por nanotubos cortos. El grafeno en pilares representa una clase de arquitecturas tridimensionales de nanotubos de carbono.

Recientemente, varios estudios han destacado la posibilidad de utilizar nanotubos de carbono como componentes básicos para fabricar dispositivos de carbono macroscópicos tridimensionales (>100 nm en las tres dimensiones). Lalwani et al. han informado sobre un nuevo método de reticulación térmica iniciado por radicales para fabricar andamios macroscópicos, autónomos, porosos y totalmente de carbono utilizando nanotubos de carbono de pared única y de pared múltiple como bloques de construcción. Estos andamios poseen poros macro, micro y nanoestructurados, y la porosidad se puede adaptar para aplicaciones específicas. Estos andamios/arquitecturas 3D totalmente de carbono pueden utilizarse para la fabricación de la próxima generación de almacenamiento de energía, supercondensadores, transistores de emisión de campo, catálisis de alto rendimiento, dispositivos fotovoltaicos y biomédicos, implantes y sensores.

Otras morfologías

Los nanobrotes de carbono son un material de nueva creación que combina dos alótropos de carbono descubiertos previamente: nanotubos de carbono y fullerenos. En este nuevo material, los "brotes" similares a los fullereno están unidos covalentemente a las paredes laterales exteriores del nanotubo de carbono subyacente. Este material híbrido tiene propiedades útiles tanto de fullerenos como de nanotubos de carbono. En particular, se ha encontrado que son emisores de campo excepcionalmente buenos. En los materiales compuestos, las moléculas de fullereno adjuntas pueden funcionar como anclajes moleculares que evitan el deslizamiento de los nanotubos, mejorando así las propiedades mecánicas del compuesto.

Un guisante de carbono es un nuevo material de carbono híbrido que atrapa fullereno dentro de un nanotubo de carbono. Puede poseer interesantes propiedades magnéticas con calentamiento e irradiación. También se puede aplicar como oscilador durante investigaciones teóricas y predicciones.

En teoría, un nanotorus es un nanotubo de carbono doblado en un toro (forma de rosquilla). Se prevé que los nanotori tengan muchas propiedades únicas, como momentos magnéticos 1000 veces mayores que los esperados previamente para ciertos radios específicos. Propiedades como el momento magnético, la estabilidad térmica, etc. varían mucho según el radio del toro y el radio del tubo.

Los nanotubos de carbono con grafeno son un híbrido relativamente nuevo que combina foliados de grafito que crecen a lo largo de las paredes laterales de CNT de paredes múltiples o estilo bambú. La densidad foliar puede variar en función de las condiciones de depósito (p. ej., temperatura y tiempo) y su estructura varía desde unas pocas capas de grafeno (< 10) hasta más gruesas, más parecidas al grafito. La ventaja fundamental de una estructura integrada de grafeno-CNT es el marco tridimensional de área superficial alta de los CNT junto con la alta densidad de borde del grafeno. Depositar una alta densidad de foliolos de grafeno a lo largo de los CNT alineados puede aumentar significativamente la capacidad de carga total por unidad de área nominal en comparación con otras nanoestructuras de carbono.

Los nanotubos de carbono apilados en copa (CSCNT) difieren de otras estructuras de carbono cuasi-1D, que normalmente se comportan como conductores de electrones cuasimetálicos. Los CSCNT exhiben un comportamiento semiconductor debido a la microestructura de apilamiento de las capas de grafeno.

Propiedades

Muchas propiedades de los nanotubos de carbono de pared simple dependen significativamente del tipo (n, m), y esta dependencia no es monotónica (consulte el diagrama de Kataura). En particular, la banda prohibida puede variar de cero a aproximadamente 2 eV y la conductividad eléctrica puede mostrar un comportamiento metálico o semiconductor.

Mecánico

Los nanotubos de carbono son los materiales más fuertes y rígidos descubiertos hasta ahora en términos de resistencia a la tracción y módulo elástico. Esta fuerza resulta de los enlaces sp covalentes formados entre los átomos de carbono individuales. En 2000, se probó que un nanotubo de carbono de paredes múltiples tenía una resistencia a la tracción de 63 gigapascales (9 100 000 psi). (Por ejemplo, esto se traduce en la capacidad de soportar la tensión de un peso equivalente a 6422 kilogramos-fuerza (62 980 N; 14 160 lbf) en un cable con una sección transversal de 1 milímetro cuadrado (0,0016 pulgadas cuadradas)). Otros estudios, como uno realizado en 2008, revelaron que las capas individuales de CNT tienen una fuerza de hasta ≈100 gigapascales (15 000 000 psi), lo que está de acuerdo con los modelos cuánticos/atomísticos.Debido a que los nanotubos de carbono tienen una densidad baja para un sólido de 1,3 a 1,4 g/cm, su resistencia específica de hasta 48.000 kN·m·kg es la mejor de los materiales conocidos, en comparación con los 154 kN·m·kg del acero con alto contenido de carbono.

Aunque la resistencia de las cubiertas de CNT individuales es extremadamente alta, las débiles interacciones de cizallamiento entre las cubiertas y los tubos adyacentes conducen a una reducción significativa de la resistencia efectiva de los nanotubos de carbono de pared múltiple y los paquetes de nanotubos de carbono hasta unos pocos GPa. Esta limitación se ha abordado recientemente mediante la aplicación de irradiación de electrones de alta energía, que reticula las cubiertas y los tubos internos y aumenta efectivamente la resistencia de estos materiales a ≈60 GPa para nanotubos de carbono de pared múltiple y ≈17 GPa para haces de nanotubos de carbono de pared doble. Los CNT no son tan fuertes bajo compresión. Debido a su estructura hueca y su alta relación de aspecto, tienden a sufrir pandeo cuando se someten a esfuerzos de compresión, torsión o flexión.

Por otro lado, hubo evidencia de que en la dirección radial son bastante blandas. La primera observación del microscopio electrónico de transmisión de la elasticidad radial sugirió que incluso las fuerzas de van der Waals pueden deformar dos nanotubos adyacentes. Más tarde, varios grupos realizaron nanoindentaciones con un microscopio de fuerza atómica para medir cuantitativamente la elasticidad radial de los nanotubos de carbono de pared múltiple y también se realizó microscopía de fuerza atómica en modo de golpeteo/contacto en nanotubos de carbono de pared simple. El módulo de Young del orden de varios GPa mostró que los CNT son, de hecho, muy blandos en la dirección radial.

Eléctrico

A diferencia del grafeno, que es un semimetal bidimensional, los nanotubos de carbono son metálicos o semiconductores a lo largo del eje tubular. Para un nanotubo (n, m) dado, si n = m, el nanotubo es metálico; si n − m es un múltiplo de 3 y n ≠ m, entonces el nanotubo es casi metálico con una banda prohibida muy pequeña; de lo contrario, el nanotubo es un semiconductor moderado. Así, todos los nanotubos de sillón (n = m) son metálicos, y los nanotubos (6,4), (9,1), etc. son semiconductores. Los nanotubos de carbono no son semimetálicos porque el punto degenerado (el punto donde la banda π [enlace] se encuentra con la banda π* [anti-enlace], en el que la energía llega a cero) se aleja ligeramente del punto K en la zona de Brillouin debido a la curvatura de la superficie del tubo, provocando la hibridación entre las bandas de antienlace σ* y π*, modificando la dispersión de bandas.

La regla con respecto al comportamiento metálico versus semiconductor tiene excepciones porque los efectos de curvatura en tubos de diámetro pequeño pueden influir fuertemente en las propiedades eléctricas. Por lo tanto, un SWCNT (5,0) que debería ser semiconductor de hecho es metálico según los cálculos. Del mismo modo, los SWCNT en zigzag y quirales con diámetros pequeños que deberían ser metálicos tienen un espacio finito (los nanotubos de sillón siguen siendo metálicos). En teoría, los nanotubos metálicos pueden transportar una densidad de corriente eléctrica de 4 × 10 A/cm, que es más de 1.000 veces mayor que la de metales como el cobre,donde para las interconexiones de cobre, las densidades de corriente están limitadas por la electromigración. Por lo tanto, los nanotubos de carbono se están explorando como interconexiones y componentes que mejoran la conductividad en materiales compuestos, y muchos grupos están intentando comercializar cables eléctricos de alta conductividad ensamblados a partir de nanotubos de carbono individuales. Sin embargo, hay desafíos importantes que superar, como la saturación de corriente no deseada bajo voltaje y las uniones e impurezas de nanotubos a nanotubos mucho más resistentes, todo lo cual reduce la conductividad eléctrica de los cables de nanotubos macroscópicos en órdenes de magnitud, en comparación con a la conductividad de los nanotubos individuales.

Debido a su sección transversal a nanoescala, los electrones se propagan solo a lo largo del eje del tubo. Como resultado, los nanotubos de carbono se denominan con frecuencia conductores unidimensionales. La conductancia eléctrica máxima de un nanotubo de carbono de pared simple es 2 G ₀, donde G ₀ = 2 e / h es la conductancia de un solo canal cuántico balístico.

Debido al papel del sistema de electrones π en la determinación de las propiedades electrónicas del grafeno, el dopaje en los nanotubos de carbono difiere del de los semiconductores cristalinos a granel del mismo grupo de la tabla periódica (por ejemplo, el silicio). La sustitución grafítica de átomos de carbono en la pared del nanotubo por dopantes de boro o nitrógeno conduce a un comportamiento de tipo p y tipo n, respectivamente, como se esperaría en el silicio. Sin embargo, algunos dopantes no sustitutivos (intercalados o adsorbidos) introducidos en un nanotubo de carbono, como los metales alcalinos y los metalocenos ricos en electrones, dan como resultado una conducción de tipo n porque donan electrones al sistema de electrones π del nanotubo. Por el contrario, los aceptores de electrones π como el FeCl ₃o los metalocenos deficientes en electrones funcionan como dopantes de tipo p porque extraen electrones π de la parte superior de la banda de valencia.

Se ha informado sobre la superconductividad intrínseca, aunque otros experimentos no encontraron evidencia de esto, lo que deja la afirmación como tema de debate.

En 2021, Michael Strano, profesor de ingeniería química Carbon P. Dubbs en el MIT, publicó los hallazgos del departamento sobre el uso de nanotubos de carbono para crear una corriente eléctrica. Al sumergir las estructuras en un solvente orgánico, el líquido extrajo electrones de las partículas de carbono. Strano fue citado diciendo: "Esto le permite hacer electroquímica, pero sin cables", y representa un avance significativo en la tecnología. Las aplicaciones futuras incluyen la alimentación de robots a microescala o nanoescala, así como la conducción de reacciones de oxidación de alcohol, que son importantes en la industria química.

Óptico

Los nanotubos de carbono tienen propiedades útiles de absorción, fotoluminiscencia (fluorescencia) y espectroscopia Raman. Los métodos espectroscópicos ofrecen la posibilidad de una caracterización rápida y no destructiva de cantidades relativamente grandes de nanotubos de carbono. Existe una fuerte demanda de dicha caracterización desde el punto de vista industrial: se pueden cambiar numerosos parámetros de la síntesis de nanotubos, intencionalmente o no, para alterar la calidad de los nanotubos. Como se muestra a continuación, las espectroscopias de absorción óptica, fotoluminiscencia y Raman permiten una caracterización rápida y confiable de esta "calidad de nanotubo" en términos de contenido de carbono no tubular, estructura (quiralidad) de los nanotubos producidos y defectos estructurales. Estas características determinan casi cualquier otra propiedad, como propiedades ópticas, mecánicas y eléctricas.

Los nanotubos de carbono son "sistemas unidimensionales" únicos que se pueden imaginar como láminas individuales enrolladas de grafito (o, más precisamente, grafeno). Este laminado se puede realizar en diferentes ángulos y curvaturas, lo que da como resultado diferentes propiedades de los nanotubos. El diámetro generalmente varía en el rango de 0,4 a 40 nm (es decir, "solo" ~ 100 veces), pero la longitud puede variar ~ 100 000 000 000 veces, desde 0,14 nm hasta 55,5 cm. La relación de aspecto de los nanotubos, o la relación longitud-diámetro, puede ser tan alta como 132 000 000:1, que no es igualada por ningún otro material. En consecuencia, todas las propiedades de los nanotubos de carbono en relación con las de los semiconductores típicos son extremadamente anisotrópicas (dependientes de la dirección) y ajustables.

Mientras que las propiedades mecánicas, eléctricas y electroquímicas (supercondensador) de los nanotubos de carbono están bien establecidas y tienen aplicaciones inmediatas, el uso práctico de las propiedades ópticas aún no está claro. La capacidad de ajuste de propiedades antes mencionada es potencialmente útil en óptica y fotónica. En particular, se han producido en el laboratorio diodos emisores de luz (LED) y fotodetectores basados ​​en un solo nanotubo. Su característica única no es la eficiencia, que todavía es relativamente baja, sino la estrecha selectividad en la longitud de onda de emisión y detección de la luz y la posibilidad de su ajuste fino a través de la estructura de nanotubos. Además, se han realizado bolómetros y dispositivos de memoria optoelectrónica sobre conjuntos de nanotubos de carbono de pared simple.

Los defectos cristalográficos también afectan las propiedades eléctricas del tubo. Un resultado común es la reducción de la conductividad a través de la región defectuosa del tubo. Un defecto en los tubos tipo sillón (que pueden conducir electricidad) puede hacer que la región circundante se vuelva semiconductora, y las vacantes monoatómicas individuales inducen propiedades magnéticas.

Térmico

Se espera que todos los nanotubos sean muy buenos conductores térmicos a lo largo del tubo, exhibiendo una propiedad conocida como "conducción balística", pero buenos aislantes laterales al eje del tubo. Las mediciones muestran que un SWNT individual tiene una conductividad térmica a temperatura ambiente a lo largo de su eje de aproximadamente 3500 W·m ·K; compare esto con el cobre, un metal bien conocido por su buena conductividad térmica, que transmite 385 W·m ·K. Un SWNT individual tiene una conductividad térmica a temperatura ambiente lateral a su eje (en la dirección radial) de aproximadamente 1,52 W·m ·K, que es tan conductivo térmicamente como el suelo. Los ensamblajes macroscópicos de nanotubos, como películas o fibras, han alcanzado hasta ahora 1500 W·m ·K.Las redes compuestas por nanotubos presentan diferentes valores de conductividad térmica, desde el nivel de aislamiento térmico con una conductividad térmica de 0,1 W·m ·K hasta valores tan elevados. Eso depende de la cantidad de contribución a la resistencia térmica del sistema causada por la presencia de impurezas, desalineaciones y otros factores. Se estima que la estabilidad de temperatura de los nanotubos de carbono es de hasta 2800 °C en el vacío y de unos 750 °C en el aire.

Los defectos cristalográficos afectan fuertemente las propiedades térmicas del tubo. Dichos defectos conducen a la dispersión de fonones, lo que a su vez aumenta la tasa de relajación de los fonones. Esto reduce el camino libre medio y reduce la conductividad térmica de las estructuras de nanotubos. Las simulaciones de transporte de fonones indican que los defectos de sustitución, como el nitrógeno o el boro, conducirán principalmente a la dispersión de fonones ópticos de alta frecuencia. Sin embargo, los defectos a mayor escala, como los defectos de Stone-Wales, provocan la dispersión de fonones en una amplia gama de frecuencias, lo que conduce a una mayor reducción de la conductividad térmica.

Síntesis

Se han desarrollado técnicas para producir nanotubos en cantidades considerables, incluida la descarga de arco, la ablación con láser, la deposición química de vapor (CVD) y la desproporción de monóxido de carbono a alta presión (HiPCO). Entre estos, la descarga de arco, la ablación láser, la deposición química de vapor (CVD) son procesos lote por lote y HiPCO es un proceso continuo en fase gaseosa. La mayoría de estos procesos tienen lugar en vacío o con gases de proceso. El método de crecimiento CVD es popular, ya que produce una gran cantidad y tiene cierto grado de control sobre el diámetro, la longitud y la morfología. Usando catalizadores de partículas, se pueden sintetizar grandes cantidades de nanotubos mediante estos métodos, pero lograr la repetibilidad se convierte en un problema importante con el crecimiento de CVD.Los avances del proceso HiPCO en catálisis y el crecimiento continuo están haciendo que los CNT sean más viables comercialmente. El proceso HiPCO ayuda a producir nanotubos de carbono de pared simple de alta pureza en mayor cantidad. El reactor HiPCO opera a alta temperatura 900-1100 °C y alta presión ~30-50 bar. Utiliza monóxido de carbono como fuente de carbono y pentacarbonilo de hierro o tetracarbonilo de níquel como catalizador. Estos catalizadores proporcionan un sitio de nucleación para que crezcan los nanotubos.

Las matrices de nanotubos de carbono alineados verticalmente también se cultivan mediante deposición de vapor químico térmico. Un sustrato (cuarzo, silicio, acero inoxidable, etc.) se recubre con una capa de metal catalítico (Fe, Co, Ni). Por lo general, esa capa es de hierro y se deposita mediante pulverización con un espesor de 1 a 5 nm. A menudo, también se coloca primero sobre el sustrato una capa inferior de alúmina de 10 a 50 nm. Esto imparte humectación controlable y buenas propiedades interfaciales. Cuando el sustrato se calienta a la temperatura de crecimiento (~700 °C), la película continua de hierro se rompe en pequeñas islas y cada isla forma un nanotubo de carbono. El espesor pulverizado controla el tamaño de la isla y esto, a su vez, determina el diámetro del nanotubo. Las capas de hierro más delgadas reducen el diámetro de las islas y reducen el diámetro de los nanotubos que crecen. La cantidad de tiempo que la isla de metal puede permanecer a la temperatura de crecimiento es limitada, ya que son móviles y pueden fusionarse en islas más grandes (pero menos). El recocido a la temperatura de crecimiento reduce la densidad del sitio (número de CNT/mm) mientras aumenta el diámetro del catalizador.

Los nanotubos de carbono preparados siempre tienen impurezas como otras formas de carbono (carbono amorfo, fullereno, etc.) e impurezas no carbonosas (metal utilizado como catalizador). Estas impurezas deben eliminarse para utilizar los nanotubos de carbono en las aplicaciones.

Funcionalización

Se sabe que los CNT tienen una dispersabilidad débil en muchos solventes, como el agua, como consecuencia de las fuertes interacciones p-p intermoleculares. Esto dificulta la procesabilidad de los CNT en aplicaciones industriales. Para abordar el problema, se han desarrollado varias técnicas para modificar la superficie de los CNT con el fin de mejorar su estabilidad y solubilidad en agua. Esto mejora el procesamiento y la manipulación de CNT insolubles, lo que los hace útiles para sintetizar nanofluidos CNT innovadores con propiedades impresionantes que se pueden ajustar para una amplia gama de aplicaciones. Las rutas químicas, como la funcionalización covalente, se han estudiado ampliamente, lo que implica la oxidación de los nanotubos de carbono a través de ácidos fuertes (p. ej., ácido sulfúrico, ácido nítrico, o una mezcla de ambos) para fijar los grupos carboxílicos en la superficie de los CNT como producto final o para su posterior modificación por esterificación o aminación. El injerto de radicales libres es una técnica prometedora entre los métodos de funcionalización covalente, en los que se utilizan peróxidos de alquilo o arilo, anilinas sustituidas y sales de diazonio como agentes de partida.

El injerto de radicales libres de macromoléculas (como el grupo funcional) en la superficie de los CNT puede mejorar la solubilidad de los CNT en comparación con los tratamientos ácidos comunes que implican la unión de moléculas pequeñas como el hidroxilo en la superficie de los CNT. La solubilidad de los nanotubos de carbono se puede mejorar significativamente mediante el injerto de radicales libres porque las moléculas funcionales grandes facilitan la dispersión de los nanotubos de carbono en una variedad de disolventes, incluso con un bajo grado de funcionalización. Recientemente, se ha desarrollado un enfoque innovador y respetuoso con el medio ambiente para la funcionalización covalente de nanotubos de carbono de pared múltiple (MWCNT) utilizando yemas de clavo. Este enfoque es innovador y ecológico porque no utiliza ácidos tóxicos y peligrosos que normalmente se utilizan en los procedimientos comunes de funcionalización de nanomateriales de carbono. Los MWCNT se funcionalizan en un recipiente mediante una reacción de injerto de radicales libres. Los MWCNT funcionalizados con clavo se dispersan luego en agua produciendo una suspensión acuosa de nanotubos de carbono de paredes múltiples altamente estable (nanofluidos).

Modelado

Los nanotubos de carbono se modelan de manera similar a los compuestos tradicionales en los que una fase de refuerzo está rodeada por una fase de matriz. Los modelos ideales como los modelos cilíndricos, hexagonales y cuadrados son comunes. El tamaño del modelo micromecánico es altamente función de las propiedades mecánicas estudiadas. El concepto de elemento de volumen representativo (RVE) se utiliza para determinar el tamaño y la configuración apropiados del modelo informático para replicar el comportamiento real del nanocompuesto reforzado con CNT. Dependiendo de la propiedad del material de interés (térmica, eléctrica, módulo, fluencia), un RVE podría predecir la propiedad mejor que las alternativas. Si bien la implementación del modelo ideal es computacionalmente eficiente, no representan características microestructurales observadas en microscopía electrónica de barrido de nanocompuestos reales.

Metrología

Hay muchos estándares de metrología y materiales de referencia disponibles para los nanotubos de carbono.

Para nanotubos de carbono de pared simple, ISO/TS 10868 describe un método de medición para el diámetro, pureza y fracción de nanotubos metálicos a través de espectroscopia de absorción óptica, mientras que ISO/TS 10797 e ISO/TS 10798 establecen métodos para caracterizar la morfología y composición elemental. de nanotubos de carbono de pared simple, utilizando microscopía electrónica de transmisión y microscopía electrónica de barrido respectivamente, junto con análisis de espectrometría de rayos X de dispersión de energía.

NIST SRM 2483 es ​​un hollín de nanotubos de carbono de pared simple que se utiliza como material de referencia para el análisis elemental y se caracterizó mediante análisis termogravimétrico, análisis de activación gamma rápida, análisis de activación de neutrones inducidos, espectroscopia de masas de plasma acoplado inductivamente, dispersión Raman resonante, UV- espectroscopia de fluorescencia del infrarrojo cercano visible y espectroscopia de absorción, microscopia electrónica de barrido y microscopia electrónica de transmisión. El Consejo Nacional de Investigación de Canadá también ofrece un material de referencia certificado SWCNT-1 para análisis elemental mediante análisis de activación de neutrones y espectroscopia de masas de plasma acoplado inductivamente. NIST RM 8281 es una mezcla de tres longitudes de nanotubos de carbono de pared simple.

Para los nanotubos de carbono de paredes múltiples, ISO/TR 10929 identifica las propiedades básicas y el contenido de impurezas, mientras que ISO/TS 11888 describe la morfología utilizando microscopía electrónica de barrido, microscopía electrónica de transmisión, viscosimetría y análisis de dispersión de luz. ISO/TS 10798 también es válido para nanotubos de carbono de paredes múltiples.

Modificación química

Los nanotubos de carbono se pueden funcionalizar para lograr las propiedades deseadas que se pueden usar en una amplia variedad de aplicaciones. Los dos métodos principales de funcionalización de nanotubos de carbono son las modificaciones covalentes y no covalentes. Debido a su aparente naturaleza hidrófoba, los nanotubos de carbono tienden a aglomerarse dificultando su dispersión en disolventes o polímeros fundidos viscosos. Los haces o agregados de nanotubos resultantes reducen el rendimiento mecánico del material compuesto final. La superficie de los nanotubos de carbono se puede modificar para reducir la hidrofobicidad y mejorar la adhesión interfacial a un polímero a granel mediante unión química.

La superficie de los nanotubos de carbono se puede modificar químicamente mediante el recubrimiento de nanopartículas de espinela mediante síntesis hidrotermal y se puede utilizar con fines de oxidación del agua.

Además, la superficie de los nanotubos de carbono se puede fluorar o halofluorar mediante calentamiento mientras está en contacto con una sustancia fluoroorgánica, formando así carbonos parcialmente fluorados (los llamados materiales Fluocar) con funcionalidad de (halo)fluoroalquilo injertada.

Aplicaciones

Un obstáculo principal para las aplicaciones de nanotubos de carbono ha sido su costo. Los precios de los nanotubos de pared simple se redujeron de alrededor de $ 1500 por gramo en 2000 a precios minoristas de alrededor de $ 50 por gramo de SWNT al 40-60 % en peso según producción en marzo de 2010. A partir de 2016, el precio minorista de El 75% en peso de SWNT costaba $2 por gramo.

Actual

El uso y aplicación actual de los nanotubos se ha limitado principalmente al uso de nanotubos a granel, que es una masa de fragmentos de nanotubos bastante desorganizados. Es posible que los materiales de nanotubos a granel nunca alcancen una resistencia a la tracción similar a la de los tubos individuales, pero tales compuestos pueden, sin embargo, producir resistencias suficientes para muchas aplicaciones. Los nanotubos de carbono a granel ya se han utilizado como fibras compuestas en polímeros para mejorar las propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas del producto a granel.

• Easton-Bell Sports, Inc. se ha asociado con Zyvex Performance Materials, utilizando la tecnología CNT en varios de sus componentes de bicicleta, incluidos manillares planos y de elevación, bielas, horquillas, tijas de sillín, potencias y manillares aerodinámicos.
• Amroy Europe Oy fabrica resinas nanoepoxi de carbono Hybtonite en las que los nanotubos de carbono se han activado químicamente para unirse al epoxi, lo que da como resultado un material compuesto que es entre un 20 % y un 30 % más resistente que otros materiales compuestos. Se ha utilizado para turbinas eólicas, pinturas marinas y una variedad de equipos deportivos como esquís, palos de hockey sobre hielo, bates de béisbol, flechas de caza y tablas de surf.
• Surrey NanoSystems sintetiza nanotubos de carbono para crear vantablack.
• La "cinta Gecko" (también llamada "cinta nano") a menudo se vende comercialmente como cinta adhesiva de doble cara. Se puede utilizar para colgar elementos ligeros, como cuadros y elementos decorativos, en paredes lisas sin perforar agujeros en la pared. Las matrices de nanotubos de carbono que comprenden las setas sintéticas no dejan residuos después de retirarlas y pueden permanecer pegajosas en temperaturas extremas.
• En la ingeniería de tejidos, los nanotubos de carbono se han utilizado como andamiaje para el crecimiento óseo.
• Consejos para sondas de microscopio de fuerza atómica.

En desarrollo

La investigación actual para aplicaciones modernas incluye:

• Utilización de nanotubos de carbono como material de canal de transistores de efecto de campo de nanotubos de carbono.
• Uso de nanotubos de carbono como andamio para diversas técnicas de microfabricación.
• Disipación de energía en nanoestructuras autoorganizadas bajo la influencia de un campo eléctrico.
• Utilización de nanotubos de carbono para la monitorización ambiental por su superficie activa y su capacidad de absorción de gases.
• Jack Andraka usó nanotubos de carbono en su prueba de cáncer de páncreas. Su método de prueba ganó el Premio Gordon E. Moore de la Feria Internacional de Ciencias e Ingeniería de Intel en la primavera de 2012.
• The Boeing Company ha patentado el uso de nanotubos de carbono para el control de la salud estructural de los compuestos utilizados en las estructuras de las aeronaves. Esta tecnología reducirá en gran medida el riesgo de una falla en vuelo causada por la degradación estructural de la aeronave.
• Zyvex Technologies también ha construido una embarcación marítima de 54', la embarcación de superficie no tripulada Piranha, como demostración tecnológica de lo que es posible con la tecnología CNT. Los CNT ayudan a mejorar el rendimiento estructural de la embarcación, lo que da como resultado una embarcación liviana de 8,000 lb que puede transportar una carga útil de 15,000 lb en un rango de 2,500 millas.

Los nanotubos de carbono pueden servir como aditivos para varios materiales estructurales. Por ejemplo, los nanotubos forman una pequeña porción de los materiales en algunos (principalmente fibra de carbono) bates de béisbol, palos de golf, piezas de automóviles o acero de damasco.

IBM esperaba que los transistores de nanotubos de carbono se utilizaran en circuitos integrados para 2020.

Potencial

La fuerza y ​​flexibilidad de los nanotubos de carbono los convierte en un uso potencial para controlar otras estructuras a nanoescala, lo que sugiere que tendrán un papel importante en la ingeniería de nanotecnología. Se ha probado que la resistencia a la tracción más alta de un nanotubo de carbono de pared múltiple individual es de 63 GPa. Se encontraron nanotubos de carbono en el acero de Damasco del siglo XVII, lo que posiblemente ayude a explicar la fuerza legendaria de las espadas hechas con él.Recientemente, varios estudios han destacado la posibilidad de utilizar nanotubos de carbono como componentes básicos para fabricar dispositivos macroscópicos tridimensionales (>1 mm en las tres dimensiones) totalmente de carbono. Lalwani et al. han informado sobre un nuevo método de reticulación térmica iniciado por radicales para fabricar andamios macroscópicos, autónomos, porosos y totalmente de carbono utilizando nanotubos de carbono de pared simple y múltiple como bloques de construcción. Estos andamios poseen poros macro, micro y nanoestructurados y la porosidad se puede adaptar para aplicaciones específicas. Estos andamios/arquitecturas 3D totalmente de carbono pueden utilizarse para la fabricación de la próxima generación de almacenamiento de energía, supercondensadores, transistores de emisión de campo, catálisis de alto rendimiento, fotovoltaicos y dispositivos e implantes biomédicos.

Los CNT son candidatos potenciales para futuras vías y material de alambre en circuitos VLSI a nanoescala. Al eliminar las preocupaciones sobre la confiabilidad de la electromigración que plagan las interconexiones de cobre actuales, los CNT aislados (de una o varias paredes) pueden transportar densidades de corriente superiores a 1000 MA/cm sin daño por electromigración.

Los nanotubos de pared simple son candidatos probables para la miniaturización de la electrónica. El bloque de construcción más básico de estos sistemas es un cable eléctrico, y los SWNT con diámetros del orden de un nanómetro pueden ser excelentes conductores. Una aplicación útil de los SWNT es el desarrollo de los primeros transistores de efecto de campo intermolecular (FET). La primera puerta lógica intermolecular que utiliza FET SWCNT se fabricó en 2001. Una puerta lógica requiere un p-FET y un n-FET. Debido a que los SWNT son p-FET cuando se exponen al oxígeno y n-FET de lo contrario, es posible exponer la mitad de un SWNT al oxígeno y proteger la otra mitad de él. El SWNT resultante actúa como una puerta no lógica con FET de tipo p y n en la misma molécula.

Se pueden convertir grandes cantidades de CNT puros en una lámina o película independiente mediante la técnica de fabricación de fundición de cinta diseñada en superficie (SETC), que es un método escalable para fabricar láminas flexibles y plegables con propiedades superiores. Otro factor de forma informado es la fibra CNT (también conocida como filamento) por hilado en húmedo.La fibra se hila directamente desde el recipiente de síntesis o se hila a partir de CNT disueltos prefabricados. Las fibras individuales se pueden convertir en un hilo. Aparte de su fuerza y ​​flexibilidad, la principal ventaja es hacer un hilo eléctricamente conductor. Las propiedades electrónicas de las fibras CNT individuales (es decir, el haz de CNT individuales) se rigen por la estructura bidimensional de los CNT. Se midió que las fibras tenían una resistividad de solo un orden de magnitud mayor que la de los conductores metálicos a 300K. Al optimizar aún más los CNT y las fibras CNT, se podrían desarrollar fibras CNT con propiedades eléctricas mejoradas.

Los hilos a base de CNT son adecuados para aplicaciones en energía y tratamiento electroquímico de agua cuando se recubren con una membrana de intercambio iónico. Además, los hilos a base de CNT podrían reemplazar al cobre como material de bobinado. Pyrhönen et al. (2015) han construido un motor usando devanado CNT.

Seguridad y salud

El Instituto Nacional para la Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH) es la principal agencia federal de los Estados Unidos que realiza investigaciones y brinda orientación sobre las implicaciones y aplicaciones de los nanomateriales para la seguridad y la salud ocupacional. Los primeros estudios científicos han indicado que las partículas a nanoescala pueden representar un mayor riesgo para la salud que los materiales a granel debido a un aumento relativo en el área de superficie por unidad de masa. Las interacciones biológicas de los nanotubos no se comprenden bien y el campo está abierto a estudios toxicológicos continuos. A menudo es difícil separar los factores de confusión, y dado que el carbono es relativamente inerte desde el punto de vista biológico, parte de la toxicidad atribuida a los nanotubos de carbono puede deberse a la contaminación residual del catalizador metálico. En estudios previos, solo se demostró de manera confiable que Mitsui-7 es cancerígeno,A diferencia de muchas fibras minerales comunes (como el asbesto), la mayoría de las SWCNT y MWCNT no se ajustan a los criterios de tamaño y relación de aspecto para ser clasificadas como fibras respirables. En 2013, dado que aún no se han medido los efectos a largo plazo en la salud, NIOSH publicó un Boletín de inteligencia actual que detalla los peligros potenciales y el límite de exposición recomendado para los nanotubos y fibras de carbono.

A partir de octubre de 2016, los nanotubos de carbono de pared simple se han registrado a través de las regulaciones de Registro, Evaluación, Autorización y Restricción de Productos Químicos (REACH) de la Unión Europea, según la evaluación de las propiedades potencialmente peligrosas de SWCNT. Con base en este registro, se permite la comercialización de SWCNT en la UE hasta 10 toneladas métricas. Actualmente, el tipo de SWCNT registrado a través de REACH se limita al tipo específico de nanotubos de carbono de pared simple fabricados por OCSiAl, que presentó la solicitud.

Historia

La verdadera identidad de los descubridores de los nanotubos de carbono es objeto de cierta controversia. Un editorial de 2006 escrito por Marc Monthioux y Vladimir Kuznetsov en la revista Carbon describió el origen de los nanotubos de carbono. Un gran porcentaje de la literatura académica y popular atribuye el descubrimiento de tubos huecos de tamaño nanométrico compuestos de carbono grafítico a Sumio Iijima de NEC en 1991. Su artículo provocó una oleada de entusiasmo y se le puede atribuir el mérito de inspirar a muchos científicos que ahora estudian las aplicaciones de nanotubos de carbon. Aunque a Iijima se le ha dado gran parte del crédito por descubrir los nanotubos de carbono, resulta que la línea de tiempo de los nanotubos de carbono se remonta mucho más allá de 1991.

En 1952, LV Radushkevich y VM Lukyanovich publicaron imágenes claras de tubos de carbono de 50 nanómetros de diámetro en el Journal of Physical Chemistry Of Russia. Este descubrimiento pasó desapercibido en gran medida, ya que el artículo se publicó en ruso y el acceso de los científicos occidentales a la prensa soviética fue limitado durante la Guerra Fría. Monthioux y Kuznetsov mencionaron en su editorial Carbon:

El hecho es que a Radushkevich y Lukyanovich [...] se les debe atribuir el descubrimiento de que los filamentos de carbono pueden ser huecos y tener un diámetro del tamaño de un nanómetro, es decir, el descubrimiento de los nanotubos de carbono.

En 1976, Morinobu Endo del CNRS observó tubos huecos de láminas de grafito enrolladas sintetizadas mediante una técnica de crecimiento de vapor químico. Los primeros especímenes observados se conocerían más tarde como nanotubos de carbono de pared simple (SWNT). Endo, en su revisión inicial de las fibras de carbono cultivadas en fase de vapor (VPCF), también nos recordó que había observado un tubo hueco, extendido linealmente con caras de capas de carbono paralelas cerca del núcleo de la fibra. Esta parece ser la observación de nanotubos de carbono de paredes múltiples en el centro de la fibra. Los MWCNT producidos en masa hoy en día están fuertemente relacionados con el VPGCF desarrollado por Endo. De hecho, lo llaman el "Endo-proceso", por respeto a sus primeros trabajos y patentes.

En 1979, John Abrahamson presentó evidencia de nanotubos de carbono en la 14ª Conferencia Bienal de Carbono en la Universidad Estatal de Pensilvania. El documento de la conferencia describió los nanotubos de carbono como fibras de carbono que se produjeron en ánodos de carbono durante la descarga del arco. Se realizó una caracterización de estas fibras, así como hipótesis para su crecimiento en atmósfera de nitrógeno a bajas presiones.

En 1981, un grupo de científicos soviéticos publicó los resultados de la caracterización química y estructural de nanopartículas de carbono producidas por una desproporción termocatalítica de monóxido de carbono. Usando imágenes TEM y patrones XRD, los autores sugirieron que sus "cristales tubulares multicapa de carbono" se formaron enrollando capas de grafeno en cilindros. Especularon que a través de este rodamiento, son posibles muchos arreglos diferentes de redes hexagonales de grafeno. Sugirieron dos arreglos posibles: arreglo circular (nanotubo de sillón); y una disposición helicoidal en espiral (tubo quiral).

En 1987, Howard G. Tennent de Hyperion Catalysis obtuvo una patente estadounidense para la producción de "fibrillas de carbono discretas cilíndricas" con un "diámetro constante entre aproximadamente 3,5 y aproximadamente 70 nanómetros..., longitud 10 veces el diámetro, y un exterior región de múltiples capas esencialmente continuas de átomos de carbono ordenados y un núcleo interno distinto..."

Contribuyendo a crear el entusiasmo inicial asociado con los nanotubos de carbono estuvo el descubrimiento de Iijima en 1991 de nanotubos de carbono de pared múltiple en el material insoluble de las varillas de grafito quemadas con arco; y la predicción independiente de Mintmire, Dunlap y White de que si se pudieran hacer nanotubos de carbono de pared simple, exhibirían propiedades conductoras notables. La investigación de nanotubos se aceleró enormemente tras los descubrimientos independientes de Iijima e Ichihashi en NEC, y Bethune et al. en IBM, de nanotubos de carbono de pared simple y métodos para producirlos específicamente mediante la adición de catalizadores de metales de transición al carbono en una descarga de arco . La técnica de descarga de arco era bien conocida por producir el famoso fullereno de Buckminster.en una escala preparatoria, y estos resultados parecían extender la serie de descubrimientos accidentales relacionados con los fullerenos. Tess et al. refinó este método catalítico vaporizando la combinación de carbono/metal de transición en un horno de alta temperatura. Esto mejoró enormemente el rendimiento y la pureza de los SWMT. El descubrimiento de los nanotubos sigue siendo un tema polémico. Muchos creen que el informe de Iijima en 1991 es de particular importancia porque trajo los nanotubos de carbono a la conciencia de la comunidad científica en su conjunto.

En 2020, durante la excavación arqueológica de Keezhadi en Tamil Nadu, India, se descubrió cerámica de unos 2500 años de antigüedad cuyos revestimientos parecen contener nanotubos de carbono. Las sólidas propiedades mecánicas de los nanotubos explican en parte por qué los recubrimientos han durado tantos años, dicen los científicos.