Nanotubos de carbono: pioneros en materiales ultra-resistentes y ultra-ligeros

¿Qué es 100 veces más fuerte que el acero, pero más ligero que el aluminio? Los nanotubos de carbono están entre los materiales más resistentes jamás descubiertos, pero los ingenieros apenas están empezando a desbloquear su pleno potencial.

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

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

El grafeno es un material notable por derecho propio. Como los nanotubos de carbono, es increíblemente fuerte. El Premio Nobel de Física 2010 se otorgó al equipo que primero aisló una lámina de grafeno, y el grafeno es tan fuerte que, en teoría, una lámina de grafeno de un miligramo podría sostener un gato.

Esta «hamaca de gato» hipotética tendría solo un átomo de grosor y sería completamente invisible al 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.

Actualmente, los nanotubos de carbono se usan principalmente para mejorar las propiedades de compuestos poliméricos. Los nanotubos de carbono pueden ofrecer una gama de propiedades beneficiosas:

• Resistencia muy alta
• Alta relación resistencia-peso
• Alta conductividad eléctrica
• Alta conductividad térmica

Propiedades de los nanotubos de carbono

Comparados con otros materiales de refuerzo, los nanotubos de carbono son considerablemente más fuertes que otras fibras usadas en compuestos poliméricos reforzados con fibra. Investigaciones recientes también se han centrado en el desarrollo de polímeros graduados funcionalmente, donde los nanotubos de carbono se distribuyen estratégicamente dentro de una estructura polimérica para otorgarle propiedades mecánicas personalizadas.

Los nanotubos de carbono también ofrecen buena conductividad eléctrica y térmica, lo que los hace útiles en aplicaciones de encapsulado electrónico o como aditivos a polímeros y adhesivos para hacerlos conductores. Tradicionalmente, los metales han sido el material principal usado como conductores eléctricos y térmicos en electrónica porque polímeros y cerámicas ofrecían mala conductividad eléctrica y térmica en comparación.

Sin embargo, al añadir nanotubos de carbono, varios polímeros pueden volverse conductores, lo que abre nuevas posibilidades para una fabricación electrónica más rápida y menos costosa.

Compuestos reforzados con nanotubos de carbono

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

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

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

Por eso los nanotubos de carbono se usan a menudo como aditivo en otros materiales, usualmente polímeros, para mejorar sus propiedades. Los nanotubos de carbono añaden resistencia y el material «matriz» en el que se dispersan mantiene todo unido. Pero esto nos deja la pregunta: ¿Por qué esos diminutos nanotubos son mucho más fuertes que materiales a granel? Son fuertes porque son pequeños.

Nanomateriales ultra-resistentes

La clave de la resistencia de los nanotubos de carbono radica en que se acercan a alcanzar la resistencia teórica del carbono debido a su tamaño diminuto. La resistencia teórica de un material es la tensión necesaria para romper un cristal perfecto libre de defectos.

Por ejemplo, la resistencia teórica del hierro puro es 31,8 GPa, mientras que los aceros a granel tienen resistencias en el rango 270-740 MPa, menos del 2,5 % de la resistencia teórica. Esto es porque diminutos defectos conocidos como dislocaciones hacen que los aceros a granel sean susceptibles a deformación plástica y fallo a tensiones menores comparadas con un cristal hipotético libre de defectos.

Los materiales a granel nunca se acercan a sus resistencias teóricas porque, incluso con procesamiento extremadamente cuidadoso, los materiales a mayor escala inevitablemente acaban con defectos microestructurales que reducen su resistencia. Esta es también la razón por la que, lamentablemente, es poco probable que los humanos fabriquen alguna vez una lámina grande y perfecta de grafeno como la hamaca de gato de un átomo de grosor descrita en la ceremonia del Premio Nobel 2010.

Una lámina tan grande seguramente contendría defectos que reducirían su resistencia, y el gato la rompería. Así, el procesamiento de la mayoría de materiales a granel se centra en limitar el efecto de sus defectos microestructurales en lugar de eliminarlos por completo. Crear grandes cantidades de material completamente libre de defectos es prácticamente imposible con la tecnología actual.

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

Así, es posible crear grandes cantidades de nanotubos libres de defectos, pero no es posible crear una pieza monolítica grande de material libre de defectos. Los nanotubos de carbono son ultra-resistentes porque son ultra-pequeños, lo que hace posible que sean libres de defectos.

También vale la pena tener en cuenta que la resistencia de los materiales se mide dividiendo la fuerza requerida para romper una probeta por su área de sección transversal, resultando en unidades como el megapascal (MPa), equivalente a un newton por milímetro cuadrado (N/mm²). Así, las mediciones de resistencia compensan automáticamente la cantidad de material en una probeta, y por tanto 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.

El diminuto nanotubo es mucho más probable que sea completamente libre de defectos, y por tanto extremadamente fuerte. Pero para agrupar suficientes nanotubos y crear una pieza del tamaño de la varilla de acero, tendríamos que crear un compuesto reforzado con fibra.

Su pequeño tamaño, y la resultante falta de defectos, es lo que hace a los nanotubos de carbono un nanomaterial ultra-resistente, con nanotubos de carbono de pared múltiple individuales teniendo resistencias reportadas de 11-63 GPa, cercano a la resistencia teórica del carbono de 156,0 GPa. Otros materiales también pueden hacerse ultra-pequeños, «bigotes» libres de defectos, incluyendo el hierro, que tiene una resistencia reportada de 13 GPa en forma de nano-bigote, un valor mucho más cercano a la resistencia teórica del hierro que los aceros a granel.

Muchos otros materiales se han sintetizado en forma de nanotubo, nanohilo o bigote bajo condiciones de laboratorio, pero los nanotubos de carbono son uno de los pocos nanomateriales ultra-resistentes 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 hace posible que sean libres de defectos y se acerquen a alcanzar la resistencia teórica del carbono. Por eso los nanotubos de carbono se usan más comúnmente para mejorar las propiedades de otros materiales, como cuando se añaden a matrices poliméricas para mejorar su resistencia, conductividad eléctrica y térmica.

La resistencia de los nanotubos de carbono es órdenes de magnitud superior a otras fibras usadas comúnmente en compuestos reforzados con fibra. La buena conductividad eléctrica y térmica de los nanotubos de carbono también permite crear polímeros conductores para aplicaciones electrónicas donde tradicionalmente se usan metales.