Nanotubos de
carbono: la tecnología que puede reemplazar al cobre
Tienen la estructura de un panal de abejas y son diez mil veces más
finos que un cabello. Un investigador mexicano explica por qué esta tecnología
podría revolucionar el uso de la electricidad
Los nanotubos se obtienen a partir de metano u otros gases en un proceso
de síntesis en un horno a más de mil grados.
(BBC Mundo). En una de las academias de ciencia
más antiguas del mundo, en Londres, un joven científico mexicano habló con pasión al
público británico sobre una de las tecnologías
más innovadoras.
César Miranda-Reyes es investigador del Departamento de Materiales de la
Universidad de Cambridge, una de las instituciones invitadas a
exponer en el reciente festival anual de ciencia de la Royal Society.
Cientos de personas de todas las edades visitaron los stands de cada
centro y escucharon a Miranda Reyes y sus colegas de Cambridge hablar sobre
nanotubos de carbono, un material más de diez mil veces más fino que un cabello
humano que podría revolucionar el acceso a la electricidad
y llegar incluso a reemplazar el cobre.
“Uno de los principales problemas que hemos comenzado a enfrentar es la
creciente demanda de electricidad y aunado a ella, el continuo incremento en
los precios del cobre producto de la escasez de este material. Es necesario
encontrar nuevos materiales conductores que ayuden a satisfacer nuestra
necesidad de electricidad”, dijo a BBC Mundo Miranda-Reyes, quien realiza
actualmente su doctorado en la Universidad de Cambridge.
“Por otro lado, a pesar de que el cobre ha sido por mucho años el
material utilizado en casi todas las aplicaciones electrónicas gracias a su
excelente conductividad eléctrica, muchas aplicaciones y dispositivos electrónicos en
la actualidad comienzan a requerir características que el cobre no posee; por
ejemplo, materiales cada vez más ligeros son necesarios en cualquier tipo de
vehículo para reducir el peso del vehículo y por tanto el consumo de
combustible”.
Los nanotubos de carbono pueden obtenerse además a partir de metano,
ofreciendo una tecnología con menor impacto ambiental que el relacionado con la
extracción del cobre.
¿Pero qué son exactamente los nanotubos de carbono?
SIMILAR A UN PANAL DE ABEJAS
“Un nanotubo de carbono es un cilindro hueco y extremadamente pequeño cuyas paredes están formadas por átomos de carbono acomodados de tal manera que forman una red de hexágonos, muy similar a un panal de abejas en el que los átomos de carbono se encuentran en los vértices de cada hexágono. Estas nanoestructuras, además de ser uno de los materiales más ligeros y fuertes que se conocen, también son excelentes conductores de electricidad”, dijo a BBC Mundo Miranda-Reyes.
“Un nanotubo de carbono es un cilindro hueco y extremadamente pequeño cuyas paredes están formadas por átomos de carbono acomodados de tal manera que forman una red de hexágonos, muy similar a un panal de abejas en el que los átomos de carbono se encuentran en los vértices de cada hexágono. Estas nanoestructuras, además de ser uno de los materiales más ligeros y fuertes que se conocen, también son excelentes conductores de electricidad”, dijo a BBC Mundo Miranda-Reyes.
El investigador de la Universidad de Cambridge explicó que
existen distintos tipos de nanotubos de carbono y la diferencia radica en la
orientación de la red de hexágonos con relación al eje del nanotubo.
“Dicha orientación es muy importante, pues determina las propiedades
electrónicas del material”.
Existen diferentes procedimientos para sintetizar nanotubos de carbono.
“El método que utilizamos en la universidad para generar las fibras de
nanotubos de carbono es la deposición química del vapor (CVD por sus siglas en
inglés)”.
“Se trata de un proceso de síntesis en el que se introducen a un horno
que se encuentra en su parte central a un poco más de 1000 grados centígrados
precursores de carbono y un catalizador en estado gaseoso. Cuando el precursor,
que es un gas que contiene carbono (por ejemplo metano), llega a la zona más
caliente del horno, las moléculas del gas se descomponen produciendo átomos de
carbono que comienzan a nuclear en las partículas catalizadoras. Los átomos de
carbono se acomodan sobre estas partículas formando los nanotubos de carbono”.
Miranda-Reyes explicó a BBC Mundo que la reacción forma una nube de
nanotubos que es transportada a una zona del horno que se encuentra a una
temperatura más baja.
“Es ahí en donde la nube se condensa y puede comenzar a enrollarse en
forma de fibra. Una vez que la nube se ha enrollado se extrae del horno y se
enrolla de forma continua en un rodillo que gira a una velocidad constante
colectando la fibra. El material resultante es un hilo muy delgado”.
El “hilo” que sale del horno es la fibra de nanotubos de carbono. Esta
fibra está formada por millones de nanotubos principalmente orientados
paralelamente al eje longitudinal de la fibra. “Cada hilo que sale del horno tiene
un diámetro de unos micrómetros (análogos a un décimo de un cabello humano). Si
hablamos de un sólo nanotubo (la nanoestructura), entonces las dimensiones son
nanómetros (más de 10 mil veces más delgado que un cabello humano)”.
El científico explicó que enrollando varias hebras se pueden formar
cables que además de ser muy ligeros y resistentes, son conductores de electricidad,
explicó el investigador mexicano.
MÁS VERDE
“La producción de fibras de nanotubos de carbono desarrollado en la Universidad de Cambridge requiere dos componentes principales, una fuente de carbono de donde se puedan extraer los átomos de carbono y partículas catalizadoras que sirven para comenzar la formación de los nanotubos”.
“La producción de fibras de nanotubos de carbono desarrollado en la Universidad de Cambridge requiere dos componentes principales, una fuente de carbono de donde se puedan extraer los átomos de carbono y partículas catalizadoras que sirven para comenzar la formación de los nanotubos”.
“El proceso de fabricación de las fibras requiere que la fuente de
carbono sea introducida en un estado gaseoso, gracias a esto, gases de
invernadero como el metano (CH4) y el dióxido de
carbono (CO2) pueden ser utilizados en la formación de este
material”, señaló Miranda-Reyes.
El investigador explicó a BBC Mundo que para poder reemplazar al cobre
es fundamental mejorar la conductividad eléctrica de los cables producidos con
nanotubos de carbono.
Una vez que en el futuro se alcance una conductividad similar a la del
cobre, “las ventajas de las fibras de nanotubos, como el hecho de que son
extremadamente ligeras, flexibles, muy fuertes, resistentes a la corrosión y no
tan costosas como el cobre si son producidas a grandes escalas convertirán a
este nuevo material en una alternativa viable para reemplazar al cobre”.
Miranda-Reyes precisó que se trata de un proceso largo, “que requiere
aún mucha investigación encaminada tanto a mejorar la producción de las fibras
de nanotubos como al control de sus propiedades” y “uno de los retos más
difíciles que enfrenta la nanotecnología es poder llevar las características de
estructuras en una escala nanométrica a materiales macroscópicos”.
CONDUCTIVIDAD
En el caso de los cables de nanotubos de carbono, a pesar de que los nanotubos pueden conducir corriente más eficientemente que cualquier metal, “cuando se producen en forma de fibra la conductividad del material resultante disminuye considerablemente. Esto se debe a que la fibra está formada por millones de nanotubos con tan sólo unos milímetros de longitud unidos unos con otros; estas uniones crean pequeñas barreras para el flujo libre de los electrones, lo cual resulta en perdidas de conductividad eléctrica”.
En el caso de los cables de nanotubos de carbono, a pesar de que los nanotubos pueden conducir corriente más eficientemente que cualquier metal, “cuando se producen en forma de fibra la conductividad del material resultante disminuye considerablemente. Esto se debe a que la fibra está formada por millones de nanotubos con tan sólo unos milímetros de longitud unidos unos con otros; estas uniones crean pequeñas barreras para el flujo libre de los electrones, lo cual resulta en perdidas de conductividad eléctrica”.
Lo particular del proceso de fabricación de fibras de nanotubos de
carbono desarrollado en la Universidad de Cambridge, comparado con el trabajo
realizado en otros centros, “es que la fibra se condensa directamente de la
fase gaseosa en la que se forman los nanotubos. Esto permite una producción
continua de la fibra, lo cual es fundamental para poder llevar la fabricación
de este material a escalas industriales”.
Otros métodos “dispersan los nanotubos en alguna solución líquida y
después los condensan en forma de fibra, otros sintetizan nanotubos en forma de
“carpetas” o “bosques” (se les conoce como mats o forest) y después los
enrollan para formar las fibras”.
A nivel personal, César Miranda-Reyes dijo a BBC Mundo que un aspecto
fascinante de la nanotecnología es “que es un campo multidisciplinario en el
que convergen muchas ramas de la ciencia y que por lo tanto requiere de un continuo aprendizaje
para alcanzar un conocimiento profundo de algún tema”.
“En términos más generales, la sensación que se obtiene cuando se
termina alguna etapa de un proyecto de investigación
que produjo resultados tangibles es muy grata. A veces se obtienen resultados
que nadie había encontrado antes y ser parte de ese tipo de investigaciones
produce una satisfacción muy grande”.
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