Cultivando nanotubos de carbono con el giro correcto
En un artículo publicado recientemente en Science Advances, Feng Ding del Centro de Materiales Multidimensionales de Carbono, dentro del Instituto de Ciencias Básicas (IBS, Corea del Sur) y sus colegas, han logrado la creación de un tipo específico de Nanotubos de carbono (CNTs) con una selectividad del 90%, y han expandido la teoría actual que explica la síntesis de estos prometedores nano-cilindros.
(a) Los nanotubos de carbono (CNT) podrían considerarse como láminas de grafeno de una sola capa de un solo átomo enrolladas en un cilindro. Diferentes direcciones de laminación determinan las propiedades de los CNTs. (b) Diagrama esquemático que muestra la vida útil de un nanotubo de carbono durante la síntesis de la deposición química de vapor. Los metales de transición (estructura azul) sirven como catalizadores, críticos para alargar el CNT (izquierda), hasta que la concentración de carbono en la superficie del catalizador se vuelve tan abundante que la nanopartícula queda encapsulada en carbono grafito o amorfo, formando un "capuchón" al final del cilindro y terminando el crecimiento del CNT (derecha). (c) Imágenes de microscopía electrónica de transmisión ambiental de un CNT tomadas en diferentes momentos del crecimiento. El CNT contiene una nanopartícula de cobalto en su extremo superior, una característica típica del crecimiento de la punta.
IBS
Los CNTs son nanomateriales increíblemente fuertes y ligeros hechos de carbono con una capacidad de carga de corriente superior y una conductividad térmica muy alta, lo que los hace ideales para aplicaciones electrónicas. Aunque los CNTs son considerados como algunos de los materiales más interesantes para el futuro, los científicos todavía están luchando por su síntesis controlable.
La forma de los CNTs puede compararse con la de los tubos de papel: de la misma manera que se puede crear un cilindro enrollando una hoja de papel, los CNTs pueden imaginarse como una sola capa de grafito enrollado sobre sí mismo. Del mismo modo, como diferentes tubos se pueden producir enrollando un papel alrededor de su lado largo, su lado corto, o diagonalmente en diferentes ángulos. Dependiendo de la dirección de laminación, una capa de grafito puede producir diferentes estructuras de CNT, algunas son conductoras y otras semiconductoras, por lo que la creación selectiva de un tipo específico de CNT será clave para su uso futuro, como la construcción de chips informáticos de bajo consumo energético. Sin embargo, los CNTs no se producen por laminación, sino que crecen nanómetro tras nanómetro, añadiendo carbono en el borde de los nano-cilindros, un átomo a la vez. A pesar de los diversos estudios realizados durante las últimas tres décadas, los conocimientos sobre el crecimiento de la NNT siguen siendo muy limitados y el diseño experimental racional para el crecimiento de tipos específicos de NNT es un reto.
Uno de los métodos de fabricación más prometedores para la CNT es la deposición química de vapor (CVD). En este proceso, las nanopartículas metálicas combinadas con gases que contienen carbono forman CNTs dentro de un horno de alta temperatura. En la punta de los tubos, las nanopartículas metálicas desempeñan un papel fundamental como catalizadores: disocian la fuente de carbono de los gases y ayudan a la fijación de estos átomos de carbono a la pared de la CNT, haciendo que los tubos sean cada vez más largos. El crecimiento del CNT termina una vez que la partícula del catalizador es encapsulada por carbono grafítico o amorfo.
Los átomos de carbono se insertan en la interfaz entre un CNT en crecimiento y una nanopartícula catalizadora, en sitios activos de la llanta, y están disponibles para incorporar nuevos átomos. Un modelo anterior de la tasa de crecimiento de la CNT mostró que esta última es proporcional a la densidad de estos sitios activos en la interfaz entre la CNT y el catalizador, o a la estructura específica de la CNT.
En este estudio, los investigadores monitorearon el crecimiento constante de CNTs en un soporte de óxido de magnesio (MgO) con monóxido de carbono (CO) como materia prima de carbono y nanopartículas de cobalto como catalizadores a 700oC. Las mediciones experimentales directas de 16 CNTs mostraron cómo expandir la teoría anterior. "Fue sorprendente que la tasa de crecimiento de los nanotubos de carbono sólo dependa del tamaño de la partícula del catalizador. Esto implica que nuestro entendimiento previo sobre el crecimiento de los nanotubos de carbono no estaba completo", dice Maoshuai He, el primer autor del artículo.
Más específicamente, los átomos de carbono que se depositan en la superficie de la partícula del catalizador pueden ser incorporados en el lado activo del CNT o eliminados por agentes grabadores, tales como H2, H2O, O2 o CO2. Para explicar las nuevas observaciones experimentales, el equipo incluyó los efectos de la inserción y remoción de carbono durante el crecimiento de CNT y descubrió que la tasa de crecimiento depende de la superficie del catalizador y de la proporción de diámetro del tubo.
"En comparación con el modelo anterior, añadimos tres factores más: la tasa de deposición de precursores, la tasa de eliminación de carbono mediante agentes grabadores y la tasa de inserción de carbono en la pared de un nanotubo de carbono. Cuando la disociación de la materia prima no puede ser compensada por el grabado al carbono, la tasa de crecimiento de los nanotubos de carbono ya no dependerá de la estructura del nanotubo de carbono. Por otro lado, la teoría anterior sigue siendo válida si el aguafuerte es dominante", explica Ding, un líder del grupo del Centro para Materiales de Carbono Multidimensionales.
Curiosamente, la nueva teoría del crecimiento de la CNT conduce a un nuevo mecanismo para cultivar selectivamente un tipo específico de CNT, denominado (2n, n) CNT, que se caracteriza por el máximo número de sitios activos en la interfaz entre la CNT y el catalizador. Esta estructura CNT correspondería al laminado diagonal de una lámina de grafito en un ángulo de unos 19 grados.
"Si no hay grabado al carbono y el crecimiento de los nanotubos de carbono es lento, se acumularán átomos de carbono en la superficie del catalizador", dice Jin Zhang, coautor del estudio y profesor de la Universidad de Pekín, China. "Esto puede llevar a la formación de carbono grafito o amorfo, que son mecanismos establecidos de terminación del crecimiento de nanotubos de carbono. En este caso, sólo los nanotubos de carbono que son capaces de añadir átomos de carbono en sus paredes, es decir, con el mayor número de sitios activos, pueden sobrevivir".
Guiados por la nueva comprensión teórica, los investigadores fueron capaces de diseñar experimentos que produjeron (2n, n) CNTs con una selectividad de hasta el 90%: el mayor crecimiento selectivo de este tipo de CNT se logró en ausencia de cualquier agente grabador y con una alta concentración de materia prima.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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