Propiedades de los Nanotubos de carbono. Qué los hace

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Propiedades de los Nanotubos de
carbono. Qué los hace interesantes ?
Julio A. Alonso
Universidad de Valladolid
Departamento de Física Teórica, Atómica y Optica
Grupo de Física de Nanoestructuras
http://lab2.fam.cie.uva.es
Jornada sobre Nanotubos. INTA. 26 Octubre 2007
Guión
‰ 1. Introducción a los nanotubos
‰ 2. Propiedades eléctricas
‰ 3. Propiedades químicas
‰ 4. Propiedades mecánicas
‰ 5. Aplicaciones biomédicas
‰ 6. Conclusiones
Descubrimiento de los nanotubos de carbono
S. Iijima,
1991
cilindros de carbono formados por
una o varias capas atómicas
Tamaño
diámetro de varios nanómetros
longitud de hasta 100 micras o más
1 nanometro nm = 10-9 metros
1 metro = 1.000.000.000 nanómetros
1 micra = 1.000 nanómetros
cuatro
capas
dos
capas
GRAFITO: material laminar; los átomos forman una estructura
hexagonal plana
nanotubo de una capa:
Cortamos una cinta de una lámina de grafito: 1
Después la doblamos en forma de tubo y unimos los bordes: 2, 3, 4
1
2
4
3
Propiedades de los Nanotubos de Carbono
h
h
Sistemas uni-dimensionales
h
h
h
h
Buenos conductores
Semiconductores o metálicos dependiendo de la
estructura
Densidad baja (menor que la del aluminio)
Propiedades mecánicas y elásticas muy favorables
Buena estabilidad térmica y conducción térmica
Cómo es el material que se sintetiza en el laboratorio ?
Haz de nanotubos
Cómo es el material que se sintetiza en el laboratorio ?
haz de nanotubos
pegados lateralmente
gavillas prensadas
como papel
Separación de nanotubos
• Nanotubos a menudo están pegados lateralmente
• Muchas aplicaciones necesitan nanotubos individuales
• Separación difícil: no se disuelven en los disolventes
usuales
• Intensa investigación en métodos de separación
PROPIEDADES DE LOS NANOTUBOS DE CARBONO
Eléctricas
Químicas
Mecánicas
Notación para los nanotubos
Los vectores R1 y R2 generan la
estructura del grafito
[6,3] tube
R = n1R1 + n2R2
nanotubo (n1,n2)
R
índices n1 y n2 determinan el carácter eléctrico
Caracter eléctrico de nanotubos de una capa (SWCNT)
(n,m)
n = m metálico
n - m = 3q semiconductor
de gap estrecho
n – m ≠ 3q semiconductor
de gap moderado
PROPIEDAD
APLICACIÓN
Metálicos
Nanocircuitos
Semiconductores
Diodos,Transistores
Emisión de campo
Pantallas planas, tubos de rayos
catódicos, lámparas luminiscentes,
litografía por haz de electrones,
fuentes de rayos X, amplificadores
de microondas, tubos de descarga,
microscopios electrónicos, triodos,
betatrones.
Resuenan mecánicamente ante una
señal electromagnética
Filtros de Radio Frecuencia
Comportamiento
capacitivo e inductivo
Filtros de Radio Frecuencia
resistivo,
Se deforman en presencia de un
campo eléctrico
Memorias
Transforman luz en electricidad.
Producen luz al inyectarles carga.
Dispositivos optoelectrónicos
Informe CIMTAN: Nanotubos de carbono; aplicaciones
M. Jesús RIVAS MARTÍNEZ, M. Luisa COSME HUERTAS, José ROMÁN GANZER
1. Transporte a través de nanotubos.
cables de dimensión nanoscópica
Nanotubo conectando dos electrodos de platino
Tans et al, Nature 386, 474 (1997)
Comparación de tamaños: nanotubo y líneas trazadas por fotolitografía
en circuitos electrónicos
P. Collins y P. Avouris, Investigación y Ciencia, Febrero. 2001
Interconectores, nanocables
Las conexiones a otros componentes
son todavía un problema que se está investigando
Nanocircuitería
Red de nanotubos suspendidos, crecidos sobre torres de
silicio
N. Franklin… Adv. Mater. 12, 890 (2000)
Crecimiento por deposición
química del vapor
red
Estructura en forma
de línea de postes
NANOTUBOS: conductores uni-dimensionales
Ventajas sobre otros sistemas unidimensionales
1. Uniformes a escala atómica y bien definidos
2. Carácter unidimensional se mantiene a temperatura ambiente
3. Alta movilidad electrónica. Conducción balística. Poca resistencia.
Corriente apenas genera calor
4. Compatibles con aplicaciones electrónicas de alta velocidad.
5. Conducen bien el calor. Disiparán bien el calor a través de los
contactos metálicos
6. Gran estabilidad estructural
7. Químicamente inertes
3. Transistores
Transistor de efecto de campo
FET: Field Effect Transistor
Nanotubo entre dos electrodos metálicos.
La corriente se controla mediante un voltaje de puerta (tercer electrodo)
P. Collins y P. Avouris, Investigación y Ciencia, febrero 2001
Contactos entre los nanotubos y electrodos
Problema en exploración
Uniones de tres nanotubos
Base para formar circuitos complejos
Permitiría eliminar los contactos
Sintetizadas en el laboratorio
Uniones de tres nanotubos
Podrían actuar como transistores
corriente que circula entre las dos ramas secundarias
puede ser controlada aplicando un voltaje a la rama principal
4. Emisión de campo
electrones arrancados de nanotubos inciden
sobre una pantalla fosforescente dando lugar a la emisión de luz
basta un voltaje
V pequeño
1. efecto túnel
2. tubos largos y estrechos
Emisión de campo
(Informe Cimtan)
Pantallas planas
Lámparas y tubos luminiscentes
Tubos de rayos catódicos
Litografía por haz de electrones
Fuentes de rayos X
Amplificadores de microondas
Tubos de descarga de gas
Microscopios electrónicos de barrido
Nanotriodos
Betatrones
Nanotubos alineados verticalmente
Pueden llenar áreas de varios cm2
en agujeros en obleas de Silicio
Pantallas planas
5. Memorias
Se esperan aplicaciones de los
nanotubos en ordenadores
Un nuevo tipo de memoria usa carbono,
en lugar de silicio
The Economist, May 2003
6. Microscopio de efecto túnel STM
Se aplica una diferencia de potencial entre la punta del microscopio
y la superficie que se quiere estudiar
Æ fluye una corriente de electrones (por efecto túnel cuántico)
A medida que la punta barre la superficie, las variaciones en la corriente
reflejan la topografía de la superficie.
nanotubo de carbono
usado como punta
Imágenes de ADN depositado sobre una superficie de mica
Agilent Technologies
Ultima moda para propiedades eléctricas:
grafeno (nanotubo desenrollado)
Propiedades químicas de los nanotubos
Sensores
Almacenamiento de hidrógeno
Sensores químicos
una de las aplicaciones más cercanas a la comercialización
INTERACCION ENTRE PROPIEDADES QUIMICAS Y ELECTRICAS
Conductividad de nanotubos semiconductores
es sensible al entorno químico
Detección de NO2 (dióxido de nitrógeno)
para controlar la polución de las emisiones automovilísticas
Conductancia eléctrica de nanotubos semiconductores expuestos
a 200 partes por millón de NO2 aumenta hasta tres órdenes de
magnitud en pocos segundos
Razón : transferencia de electrones
Kong et al, Science 287, 622 (2000)
La detección de NH3 (amoníaco) es vital en
entornos industriales, médicos y biológicos
La exposición de nanotubos semiconductores a
1% NH3 disminuye su conductancia en dos órdenes de
magnitud
Kong et al, Science 287, 622 (2000)
Sensibilidad de la resistividad eléctrica R al aire
La resistividad de los nanotubos de carbono cambia en 10-15%
Responsable: La absorción de oxígeno
Características de los sensores formados por
nanotubos de una capa
• Conductancia eléctrica de nanotubos semiconductores
cambia en órdenes de magnitud con el dopado
• Alta sensibilidad a la presencia de cantidades muy
pequeñas de moléculas (partes por millón)
• Operan a temperatura ambiente. Sensores de estado
sólido para NO2 y NH3 operan a 200-600 C
• Respuesta rápida
Otras moléculas
CO
monóxido de carbono. Interacción muy débil
H2O
agua. Interacción muy débil
no afecta a la conductancia del nanotubo
posibilidad de usar nanotubos como sensores
bioquímicos
Aplicaciones contra el terrorismo:
detección de un agente nervioso (gas sarin)
Transistor: el entramado de
nanotubos sirve de puente
entre la fuente y el sumidero
Fotografía de un sensor
Resistencia tras 10 segundos de exposición
al DMMP (dimethyl methylphosphonate),
un simulador del gas Sarin.
J. P. Novak et al, APL 83, 4026 (2003)
entramado de
nanotubos
Almacenamiento de hidrógeno
Reservas combustible fósil
años
---------------------------------------------------------------------------------Petroleo
41
Gas natural
Carbón
64
219
Hidrógeno: combustible del futuro en automóviles?
1. abundante
2. más importante: no contaminante; no CO2
Tecnología lista
principal dificultad: almacenamiento
Motor
eléctrico
Tanque de combustible
motor eléctrico
La corriente eléctrica se obtiene por reacción de
hidrógeno y oxígeno para dar agua en una celda de
combustible
Prototipos
• Ford, BMW, Renault, Mazda,Toyota, Honda, General
Motors,…
• Hidrógeno: gas comprimido
• No alcanzan una autonomía 500 km.
Densidad de energía de distintos combustibles
(masa del contenedor incluida)
Objetivo DOE:
6.5 % en peso y 62 gramos H / litro
G. Crabtree, Physics Today, Dec. 2004
Se han propuesto como contenedores los materiales
grafíticos con gran superficie
ABSORCION es la clave
enorme superficie específica: varios cientos m2/gramo
Aunque los carbones porosos son posiblemente más prometedores
Simulación computacional de un carbon poroso
Maria J. López, Univ. Valladolid
Poro en forma de rendija
Excelentes Propiedades mecánicas
de los nanotubos de carbono
Extremadamente duros en la dirección del eje,
pero son flexibles: capacidad para doblarse sin romperse.
Alto módulo de elasticidad longitudinal
(módulo de Young Y)
deformación = tensión / Y
en el régimen lineal
Y (nanotubo) = 1.3 TeraPascals
Y (tungsteno) = 0.4 TeraPascals
Gran rigidez (resistencia a la deformación)
Altísima resistencia a la tracción (tensile strength):
máxima tensión que resiste un material antes de que falle (se rompa).
en nanotubos de carbono es cien veces mayor que la del acero
Gran rigidez
Arthur C. Clarke
1978
Fountains of Paradise
Ascensor a un satélite
solo sería posible con
columnas de nanotubos
Alta flexibilidad de los nanotubos de carbono
Se les puede doblar sin que se rompan
Fabricación da la letra θ con
nanotubos soportados en un
sustrato, usando la punta de un
microscopio de fuerza atómica
(AFM).
Posiblemente hay más de un
nanotubo
Solo hay deformaciones elásticas
(estabilizadas por el sustrato)
Hertel et al, J Phys Chem B 102, 910 (1998)
Propiedades electro - mecánicas
Efecto del estiramiento sobre el gap
electrónico en un nanotubo semiconductor
El aplanamiento de la sección de un nanotubo semiconductor
afecta al gap
Peng et al
deformación η = (D-d) / D
D = diámetro original
d = diámetro menor de tubo aplanado
Nanotubos de carbono como sensores mecánicos
acoplo entre propiedades eléctricas y mecánicas
Conductancia de un nanotubo metálico cambia con la deformación mecánica
nanotubo suspendido
entre dos soportes
desplazamiento
vertical
cambio reversible en
la conductancia
Se dobla por la acción de la
punta del microscopio AFM
T. Tombler et al, Nature 405, 769 (2000)
respuesta mecánica a un campo eléctrico que forma un ángulo de 45º
es reversible
Z. Wang, PRB 2007
Composites
Composites conductores:
basta una pequeña cantidad de nanotubos
Aplicaciones:
Aplicación electrostática de pintura sobre componentes de automóvil
Apantallamiento antiestático de alas de aviones
Apantallamiento de interferencias electromagnéticas (futuro)
Conductores transparentes para pantallas flexibles
Nanotubos son flexibles y compatibles con sustratos poliméricos
Composites estructurales ligeros (poco peso)
Refuerzo en composites ligeros y de gran resistencia
mecánica
Se espera que mejoren las prestaciones obtenidas con fibras de
carbono
Uso en raquetas de tenis
Aplicaciones biomédicas
Traslado de drogas a células cancerosas
droga anti-cáncer
basada en Platino
atada a un nanotubo
aumenta la eficiencia
para penetrar
en la célula
Qué se necesita para hacer
factibles las aplicaciones
comerciales de los nanotubos
de carbono ?
h
disponibilidad de cantidades sustanciales del material
La producción a mayor escala está mejorando: deposición química a
partir del vapor (CVP) es el único método de producción masiva
h
h
h
control del crecimiento de los nanotubos
Separacion entre metálicos y semiconductores
Nanotubos individuales
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