Cómo los nanotubos de carbono están redefiniendo la resistencia de los materiales

¿Qué es 100 veces más fuerte que el acero, pero más liviano que el aluminio? Los nanotubos de carbono se encuentran entre los materiales más fuertes jamás descubiertos, pero los ingenieros apenas están comenzando a desbloquear todo su potencial.

Los nanotubos de carbono son un alótropo del carbono , lo que significa que son uno de varios arreglos posibles de átomos que puede tomar el carbono . En la naturaleza, el carbono puro se encuentra en forma de grafito , un sólido escamoso blando, o diamante , que es transparente y el material natural más duro.

Los nanotubos de carbono están más estrechamente relacionados con el grafito que con el diamante. Aunque el grafito es muy blando, está construido con capas de átomos de carbono dispuestas en láminas de un átomo de espesor. Estas láminas individuales se denominan grafeno y los nanotubos de carbono son lo que se obtendría al enrollar una lámina de grafeno en forma de tubo. .

El grafeno es un material notable por derecho propio. Al igual que los nanotubos de carbono, es increíblemente fuerte . El Premio Nobel de Física de 2010 se otorgó al equipo que aisló por primera vez una hoja de grafeno, y el grafeno es tan fuerte que, en teoría, una hoja de grafeno que pese alrededor de un miligramo podría contener un gato .

Esta hipotética “hamaca para gatos” sería de un solo átomo de espesor y completamente invisible para el ojo humano . Los nanotubos de carbono se forman a partir de una o más capas de grafeno dispuestas en un tubo y también son extremadamente fuertes .

Según el documento de la Academia Nobel, si una hamaca de grafeno de un metro cuadrado fuera “atada entre dos árboles, podrías colocar un peso de aproximadamente 4 kilogramos antes de que se rompiera. Por lo tanto, debería ser posible hacer una hamaca casi invisible con grafeno que pudiera sostener a un gato sin romperse.

En la actualidad, los nanotubos de carbono se utilizan principalmente para mejorar las propiedades de los compuestos poliméricos . Los nanotubos de carbono pueden ofrecer una gama de propiedades beneficiosas:

• Muy alta resistencia
• Alta relación resistencia-peso
• Alta conductividad eléctrica
• Alta conductividad térmica

Propiedades de los nanotubos de carbono

En comparación con otros materiales de refuerzo, los nanotubos de carbono son considerablemente más resistentes que otras fibras. utilizado en compuestos poliméricos reforzados con fibras. La investigación reciente también se ha centrado en el desarrollo de polímeros funcionalmente graduados, donde los nanotubos de carbono se distribuyen estratégicamente. dentro de una estructura de polímero para otorgarle propiedades mecánicas personalizadas.

Material	Fortaleza (fuentes de datos en enlaces)
Nanotubos de carbono de paredes múltiples	11 - 63 GPa
Fibra de carbono	3,5 - 5,5 GPa
Fibra de vidrio	3,5 - 4,6 GPa
Kevlar	3,0 GPa
Acero	0,23 - 0,73 GPa

Los nanotubos de carbono también ofrecen buena conductividad eléctrica y térmica , lo que los hace útiles en aplicaciones de embalaje electrónico o como aditivos para polímeros y adhesivos para hacerlos conductores. Tradicionalmente, los metales han sido el material principal utilizado como conductores eléctricos y térmicos en la electrónica porque los polímeros y las cerámicas ofrecen una conductividad eléctrica y térmica deficiente en comparación.

Sin embargo, al agregar nanotubos de carbono, se pueden hacer conductores varios polímeros , que abre nuevas posibilidades para una fabricación de productos electrónicos más rápida y menos costosa .

Material	Conductividad eléctrica (fuentes de datos en enlaces)	Conductividad térmica (fuentes de datos en enlaces)
Nanotubos de carbono de pared simple	10 2 - 10 6 S/cm	6000 W/mK
Nanotubos de carbono multipared	10 3 - 10 5 S/cm	2000 W/mK
Diamante	10 -2 - 10 -15 S/cm	900 - 2320 W/mK
Grafito	3,3 - 4000 S/cm	2,2-298 W/mK
Cobre	4.3•10 9 - 5.9•10 9 S/cm	305 - 385 W/mK

Compuestos reforzados con nanotubos de carbono

Si el grafeno y los nanotubos de carbono son tan increíblemente fuertes, entonces, ¿por qué no los usamos en todo? ? Una pieza con una resistencia comparable al grafeno o los nanotubos de carbono sería prácticamente indestructible en comparación con cualquier otro material.

Para comprender el desafío de aprovechar la increíble fuerza de los nanotubos de carbono y el grafeno, podemos ver por qué el grafito es blando . Las hojas individuales de grafeno son extremadamente fuertes, pero el grafito es suave porque los enlaces entre las hojas de grafeno son débiles .

Los nanotubos de carbono individuales son uno de los materiales más fuertes jamás descubiertos, pero deben estar conectados entre sí para que su fuerza sea útil .

Los nanotubos de carbono son lo que obtendrías al enrollar una hoja de grafeno en forma de tubo.

Esta es la razón por la que los nanotubos de carbono se utilizan a menudo como aditivo en otros materiales , generalmente polímeros, para mejorar sus propiedades. Los nanotubos de carbono añaden fuerza y el material de "matriz" en el que están dispersos mantiene todo unido. Pero esto nos deja con la pregunta:¿Por qué esos diminutos nanotubos de carbono son mucho más resistentes que los materiales a granel? Son fuertes porque son pequeños.

Nanomateriales ultrarresistentes

La clave de la resistencia de los nanotubos de carbono radica en el hecho de que se acercan a alcanzar la resistencia teórica del carbono debido a su pequeño tamaño . La fuerza teórica de un material es la tensión que sería necesaria para romper un cristal perfecto libre de cualquier defecto.

Por ejemplo, la resistencia teórica del hierro puro es de 31,8 GPa, mientras que los aceros a granel tienen resistencias en el rango de 270-740 MPa, menos del 2,5 % de la resistencia teórica. Esto se debe a que los pequeños defectos conocidos como dislocaciones hacen que los aceros a granel sean susceptibles a la deformación plástica y fallas a tensiones más bajas en comparación con un cristal hipotético sin defectos .

Imagen SEM de nanotubos de carbono alineados. © Fraunhofer IKTS

Los materiales a granel nunca se acercan a sus resistencias teóricas porque, incluso con un procesamiento extremadamente cuidadoso, los materiales a gran escala terminan inevitablemente con defectos microestructurales que reducen su fuerza. Esta es también la razón por la que, desafortunadamente, es poco probable que los humanos alguna vez fabriquen una hoja grande y perfecta de grafeno como la hamaca para gatos de grafeno de un átomo de espesor descrita en la ceremonia de entrega del Premio Nobel de 2010.

Una hoja tan grande seguramente contendría defectos eso reduciría su fuerza, y el gato rompería la hamaca. Por lo tanto, el procesamiento de la mayoría de los materiales a granel se centra en limitar el efecto de sus defectos microestructurales en lugar de eliminar los defectos por completo. . Crear grandes cantidades de material completamente libre de defectos es prácticamente imposible con la tecnología actual.

Una imagen de microscopio electrónico de nanotubos de TiO2 cultivados electroquímicamente. 10 000 veces más pequeños que el ancho de un cabello humano, los tubos están llenos de polímeros orgánicos en una nueva técnica para "crecer" células solares con el potencial de ser más baratas que las células solares actuales.

Sintetizar un material libre de defectos es mucho más factible si el volumen del material es muy, muy pequeño. En pocas palabras, es estadísticamente menos probable que una cantidad muy pequeña de material contenga un defecto que una grande , y los pequeños volúmenes de material son más fáciles de crear mediante procesos de crecimiento químico que introducen pocos defectos.

Por lo tanto, es posible crear grandes cantidades de nanotubos sin defectos , pero no es posible crear una gran pieza monolítica de material libre de defectos. Los nanotubos de carbono son ultrarresistentes porque son ultrapequeños lo que hace posible que estén libres de defectos.

Se hilan nanotubos de carbono para formar un hilo.

También vale la pena tener en cuenta que la resistencia de los materiales se mide dividiendo la fuerza requerida para romper un espécimen por el área transversal de ese espécimen , resultando en unidades como el megapascal (MPa) que equivale a un newton por milímetro cuadrado (N/mm2). Por lo tanto, las mediciones de resistencia compensan automáticamente la cantidad de material en una muestra y, en consecuencia, podemos comparar la resistencia de una varilla de acero de 1 cm de diámetro con la de un nanotubo de carbono de 1 µm de diámetro.

Es mucho más probable que el diminuto nanotubo esté completamente libre de defectos , y por lo tanto extremadamente fuerte. Pero para agrupar suficientes nanotubos para crear una parte del mismo tamaño que la varilla de acero, tendríamos que crear un material compuesto reforzado con fibra .

Su pequeño tamaño y la consiguiente falta de defectos son los que hacen de los nanotubos de carbono un nanomaterial ultrarresistente. , con nanotubos de carbono de paredes múltiples individuales con resistencias reportadas de 11 a 63 GPa, que está cerca de la resistencia teórica del carbono de 156,0 GPa. Otros materiales también se pueden convertir en ultrapequeños , "bigotes" libres de defectos, incluido el hierro, que tiene una resistencia reportada de 13 GPa en forma de nano-bigotes, un valor mucho más cercano a la resistencia teórica del hierro que los aceros a granel.

Se han sintetizado muchos otros materiales en nanotubos , nanoalambre o bigotes se forman en condiciones de laboratorio, pero los nanotubos de carbono son uno de los pocos nanomateriales ultrarresistentes disponibles en cantidades comerciales de proveedores como Goodfellow.

Conclusiones

Los nanotubos de carbono son uno de los materiales más fuertes jamás descubiertos porque su tamaño extremadamente pequeño les permite estar libres de defectos y acercarse a lograr la resistencia teórica del carbono . Esta es la razón por la cual los nanotubos de carbono se usan más comúnmente para mejorar las propiedades de otros materiales. , como cuando se agregan a matrices poliméricas para mejorar su resistencia, conductividad eléctrica y conductividad térmica.

La resistencia de los nanotubos de carbono es mucho mayor que la de otras fibras comúnmente utilizadas en compuestos reforzados con fibras. La buena conductividad eléctrica y térmica de los nanotubos de carbono también permite crear polímeros conductores para aplicaciones electrónicas donde tradicionalmente se utilizan metales.