‘Carbono’

Materiales para un ascensor espacial

Por Patricia Muñoz, Ingeniera de Materiales

Aún no disponemos de los materiales que permitan construir un ascensor espacial para conectar la superficie de la tierra con una órbita geoestacionaria.
Es una idea que investigadores de todo el mundo han tenido en mente desde hace tiempo, sin haber encontrado aún una solución práctica para llevarlo a cabo. En 1895, Konstantin Tsiolkovski, en su libro “Especulaciones sobre la Tierra y el cielo”, calculaba que en extremo de una torre cuya altura fuese unos 36000 km los cuerpos parecerían no tener peso, como ocurre con los astronautas en el interior de estaciones que orbitan la Tierra. La altura de 36000 km corresponde a la de las órbitas geoestacionarias, en las que se sitúan la mayoría de satélites. En 1960, el ingeniero ruso Yuri Artsutanov, en un artículo titulado “Al espacio en una locomotora eléctrica” explicaba que los astronautas usarían una nave de propulsión eléctrica que subiría en días al espacio, guiada por un cable como si fuera un raíl aunque reconocía que la resistencia a la tracción que debía tener el material utilizado para su construcción hacía imposible su realización práctica.

Artículo de 1960 de Yuri Artsutanov proponiendo ascensor espacial (1).

Esta idea es recurrente en ciencia ficción. Aparece por ejemplo en la franquicia de videojuegos “Halo” y en el libro “Los viajes de Tuf” del escritor de “Canción de hielo y fuego”, George R. R. Martin.

Un ascensor espacial tendría una masa contrapeso a una altura mayor de la órbita geoestacionaria, lo cual permitiría mantener de forma estable el cable, evitando que se enrollara sobre la Tierra debido al movimiento de rotación de nuestro planeta. Para mantener el equilibrio de la estructura, se situaría el anclaje en algún punto lo más cerca posible del ecuador, para minimizar los efectos de tensión por la diferencia entre la rotación de la Tierra y la órbita geosincrónica del ascensor. Una vez instalado el cable en su lugar, podrían subir y bajar por él naves y cargas a un coste relativamente más barato que el que supone actualmente el lanzamiento de una nave.

Esquema de un ascensor espacial.

Existe un informe publicado por la Academia Internacional de Astronáutica (IAA) en el que se expone que los ascensores harían más viable y segura la exploración espacial. Las cabinas ascenderían por el cable a una velocidad de unos 200 kilómetros por hora, por lo que serían necesarios unos siete días para recorrer la distancia total del ascensor. Menos tiempo y más barato que propulsar una nave hasta la ISS.

El problema infranqueable llegó al buscar un material que pudiera resistir la fuerza de tracción que aparecería en el cable. Se ha estimado que la tensión podría ser de unos 50 GPa, muy superior a la resistencia de los materiales estructurales actuales. Con el descubrimiento del grafeno y el desarrollo de los nanotubos de carbono se pensó que se podría haber encontrado el candidato perfecto. La resistencia de una malla de nanotubos de carbono, de un átomo de espesor, es de 100 GPa.

Formación de un defecto en un nanotubo de carbono sometido a tracción. (a) Situación inicial; (b) rotura de un enlace; (c) rotura de dos enlaces; (d) formación del defecto (5-7-7-5). Simulación usando dinámica molecular. (Para más detalles ver Bernholc, cap. 15 del libro Fiber Fracture, M. Elices y J. Llorca Eds.).

Nanotubos de carbono con defectos (2).

El problema al pensar en emplear estos materiales a base de carbono para construir un cable es que un pequeño defecto en la malla de átomos puede reducir las propiedades considerablemente (2). Este mismo año, se ha publicado en la revista ACS Nano un estudio de la Universidad Politécnica de Hong Kong donde han introducido defectos en una estructura de nanotubos de carbono y han observado ese detrimento en las propiedades (3).

De momento, podemos conformarnos con proyectos de empresas como Thoth Technology que ha patentado un modelo de ascensor que llegaría hasta 20 km sobre la superficie de la Tierra con una estructura parcialmente inflable (4).

Más información sobre ascensores espaciales en la ref. (1).

Referencias y enlaces:

2. Manuel Elices 2012, “Nanomateriales (3): la fibra ideal”, Blog materiales al día
3. Liyan Zhu, Jinlan Wang, and Feng Ding 2016, ”The Great Reduction of a Carbon Nanotube’s Mechanical Performance by a Few Topological Defects”, ACS Nano, 2016, 10 (6), pp 6410–6415.
4. Ver noticia en http://thothx.com/news-2/.
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Teslaforesis

Por Patricia Muñoz, Ingeniera de Materiales

Nikola Tesla es uno de los científicos e inventores más influyentes en la historia de la ciencia y uno de sus grandes sueños era la transmisión de energía sin necesidad de usar cables, igual que la transmisión de información en el caso de la radio. En 1891 patentó la bobina de Tesla, un tipo de transformador resonante compuesto por una serie de bobinas de Tesla que crean diferencias de potencial muy elevadas, produciendo producir descargas eléctricas con un alcance del orden de varios metros.

Científicos de la Universidad Rice, dirigidos por el investigador Paul Rice Cherukuri, han llevado al campo de la nanotecnología la bobina inventada por Tesla. Aplicando el campo electromagnético generado por una bobina Tesla a nanotubos de carbono, estos se autoensamblan en cables largos formando una red. A este fenómeno lo han llamado “teslaphoresis”. La bobina de Tesla genera un campo eléctrico que oscila y que hace que las cargas positivas y negativas de cada nanotubo oscilen y atraigan a las de los nanotubos cercanos siendo el resultado que la materia forme cables y transmita electricidad sin tener que tocarla.

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Fig. 1. (A) Nanotubos son atraídos a la fuente de un campo Tesla en uno de los laboratorios de la Universidad de Rice. (B) El material se autoensambla en hilos y es capaz de alimentar circuitos LED (Figuras adaptadas de la ref. 2).

Como se observa en el experiemento, la corriente alterna de la bobina polariza las piezas de nanotubos, que se alinean de inmediato y forman cadenas y conectándolos a LEDs son capaces de transmitir una corriente eléctrica a ellos.

El equipo dirigido por Paul Rice Cherukuri acaba de publicar sus resultados en la revista ACS Nano.

Referencias:

1. Artículo en la revista ACS Nano.

2. Noticia en la web de la Universidad de Rice.

3. Vídeo del experimento.

 

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Las láminas de grafeno mantienen una elevadísima resistencia incluso con defectos

Después de haberse publicado en el último número de la revista Science un trabajo en el que se analiza el efecto de los defectos sobre la resistencia de las láminas de grafeno, estos días podemos leer cómo los medios se hacen eco de la noticia.

En las láminas de grafeno los átomos de carbono se disponen ordenadamente ocupando los vértices de una red bidimensional de hexágonos. Es difícil técnicamente producir una lámina de grafeno de grandes dimensiones y que sea monocristalina, es decir, que la red ordenada de hexágonos se extienda perfectamente a toda la lámina. A cambio, lo esperable es que se produzcan láminas policristalinas, esto es, con diferentes dominios en cuyas fronteras se produce un cambio de orientación en la red de átomos.

Láminas de grafeno y nanotubos ideales obtenidos enrollando una lámina de grafeno, haciendo coincidir el extremo A del vector OA (n,m) con su origen O, de manera que OA sea la circunferencia directriz del cilindro: (a) AO (9,0) Estructura en zig-zag; (b) AO (5,5) estructura en armchair; (c) AO (10,5) estructura quiral.

Para nuestros lectores más jovenes, queremos aclarar que muchos de los materiales que habitualmente utilizamos tienen una estructura ordenada a nivel atómico. Se habla así de materiales cristalinos (en realidad, policristalinos, por contener granos cristalinos). Por ejemplo, el aluminio con el que se construyen muchas de nuestras ventanas, el acero utilizado en las estructuras de nuestros edificios o el cobre de los cables eléctricos son materiales policristalinos. Se llaman granos a las regiones dentro de las cuales no varía la orientación del ordenamiento cristalino. Las fronteras entre granos cristalinos se llaman bordes de grano. El vidrio de nuestras ventanas es un material transparente y, aunque confusamente en castellano solemos emplear la palabra cristal para referirnos a ese material, el vidrio no es un material cristalino, ya que a nivel atómico el material presenta un desorden característico de los materiales no cristalinos o amorfos.

Pues bien, el trabajo sobre láminas de grafeno del que hablamos ha sido llevado a cabo por un equipo formado por investigadores de universidades y centros de investigación en EE.UU y en Korea. En sus ensayos han utilizado microscopía de fuerzas atómicas para estudiar las propiedades mecánicas del material. Sus resultados muestran que la presencia de bordes de grano no modifica la rigidez del material y apenas reduce la resistencia.

Recordemos aquí que la resistencia de las láminas de grafeno es la más alta que se ha medido hasta ahora para cualquier material. La tensión de rotura es del orden de 100 GPa (que equivale a unos 33 N/m para la lámina). A modo de comparación, el acero que habitualmente se utiliza en las estructuras de nuestros edificios tiene una resistencia significativamente del orden de 0.5 GPa.

Los resultados del trabajo mencionado son una buena noticia de cara a las futuras aplicaciones de láminas de grafeno, por ejemplo en dispositivos electrónicos. De hecho una de las universidades participantes forma parte del grupo Samsung.

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Ejemplo de aplicación exótica con nanotubos de carbono: filtros que impiden la acumulación de bacterias

Por Gustavo R. Plaza (UPM)

Anteriormente hemos hablado en este blog de trabajos de investigación sobre nanotubos de carbono. Este material destaca especialmente por su espectacular resistencia mecánica y de hecho una aplicación muy simple es emplearlos como fibras de refuerzo de materiales poliméricos. Además también se han estudiado posibles aplicaciones en circuitos eléctricos y de producción o almacenamiento de energía.

Además de estas aplicaciones más convencionales, los nanotubos han resultado atractivos para otras aplicaciones más imaginativas, como la estudiada por el investigador David Jassby y sus colaboradores: emplearlos en filtros de purificación de agua.

Se emplean filtros para purificar agua mediante el proceso de ósmosis inversa, que consiste en hacer pasar el agua a través de los filtros. Por ellos no pueden pasar los iones y contaminantes que se desean eliminar. Las bacterias presentes en el agua pueden acumularse en el filtro, dando lugar a la formación de una película (biofilm) de proteínas y polisacáridos que obstruye los filtros incrementando el consumo de energía por la mayor presión requerida para llevar a cabo el proceso de ósmosis inversa.

Pues bien, un trabajo previo de investigadores japoneses, que comprobaron la menor acumulación en tuberías al aplicar de un pequeño potencial eléctrico, sirvió de inspiración a David Jassby. Su trabajo ha permitido demostrar el efecto positivo de emplear nanotubos de carbono en los filtros, aplicando un pequeño potencial eléctrico.

Nos ha gustado tomar este trabajo como ejemplo interesante de desarrollo de una nueva aplicación para un material inspirándose en diferentes ideas. Sirva también como ejemplo de la utilidad de fortalecer nuestro conocimiento, ampliando nuestras capacidades para generar ideas innovadoras.

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Empujón de la Comisión Europea a la investigación en Materiales con el gran proyecto de grafeno

Gustavo R. Plaza (U.P.M.)

No queríamos dejar de recoger en el blog el resultado de la convocatoria hecha por la comisión europea para la concesión de dos grandes proyectos de investigación, cada uno de ellos con un presupuesto de nada menos que 1000 millones de euros.

Entre las propuestas presentadas, han resultado ganadoras las que han propuesto la modelización del cerebro humano y el estudio y desarrollo de aplicaciones del grafeno. Por tratarse de grandes (enormes) proyectos de investigación, participan en ellos diferentes instituciones, incluida la que para nosotros personalmente es más cercana, la Universidad Politécnica de Madrid.

El consorcio al que se le ha adjudicado el proyecto de grafeno está liderado por la Chalmers University of Technology, en Gothenburg, Suecia. Según la información facilitada por el consorcio, coordinará 126 grupos de universidades y empresas, en 17 países europeos (incluida España), con un presupuesto inicial de 54 millones de euros para 30 meses. El consorcio prevé su ampliación con otros 20-30 grupos a través de una convocatoria abierta, lo cual puede ser una oportunidad a tener en cuenta para los investigadores interesados.

Es previsible que el proyecto acelere el desarrollo de aplicaciones para el grafeno, como veremos en los próximos años, y de las que seguiremos hablando en este espacio.

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Nanotecnología (4): doble personalidad electrónica

Manuel Elices Calafat (Universidad Politécnica de Madrid; Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales; National Academy of Engineering USA)

Se han hecho predicciones muy interesantes sobre el comportamiento electrónico, magnético y térmico de los nanotubos de carbono, basadas en su pequeño tamaño —con diámetros de unos pocos nm los efectos cuánticos ya empiezan a notarse— y en sus curiosas simetrías.

Apenas descubiertos, grupos de investigadores en distintas universidades realizaron cálculos demostrando que los nanotubos tenían una doble personalidad electrónica —podían comportarse como metales o como semiconductores— según su estructura y diámetro y dejaron entrever la posibilidad de utilizar los nanotubos como componentes lógicos. Otros investigadores indicaron que los nanotubos podrían exhibir comportamientos cuánticos exóticos en presencia de campos magnéticos, como el efecto Bohm-Aharomov. En los primeros años resultó difícil comprobar experimentalmente las predicciones teóricas porque las muestras eran muy pequeñas y contenían diversos tipos de nanotubos. Estas dificultades se han superado y la experimentación con nanotubos es un área de mucha actividad; ya se hacen experimentos con un solo nanotubo y se han construido dispositivos electrónicos basados en nanotubos.

Las primeras medidas de conductividad eléctrica se efectuaron con nanotubos de varias capas y mostraron que la resistividad variaba mucho de un nanotubo a otro, confirmando las predicciones teóricas de que las propiedades electrónicas dependían de la estructura de los nanotubos. Cuando se hicieron medidas con nanotubos de una sola capa —mediante una combinación de microscopía y espectroscopía de efecto túnel— se pudo comprobar directamente las relaciones entre la estructura y el comportamiento electrónico (Wildöer J.W.G. et al. (1998) Electronic structure of atomically resolved carbon nanotubes. Nature 391, 59-62; Odom T.W. et al. (1998) Atomic structure and electronic properties of single-walled carbon nanotubes. Nature 391, 62-64).

La experimentación ha sido más fácil con los nanotubos más abundantes; los quirales o retorcidos. De entre todas las geometrías posibles, sólo un tercio de ellas combina el diámetro correcto y el correspondiente grado de torsión para ser conductores. Los dos tercios restantes son semiconductores; existe un gap energético, Eg, en su estructura electrónica (como ya se comentó al citar los puntos cuánticos). Eso significa que necesitan una aportación adicional de energía —en forma de luz o de un voltaje— para que fluya la corriente. Esta energía Eg es función de la geometría del nanotubo. Variando el diámetro de estos nanotubos se puede variar Eg. Ningún otro material conocido puede afinarse con tanta precisión, propiedad que los hace muy atractivos para la industria electrónica. Las dificultades  surgen  a  la hora de fabricar de forma controlada nanotubos con una geometría predeterminada.

Ya se han construido transistores de efecto campo a partir de nanotubos de carbono (Tans S.J., Verschueren A.R., Dekker C. (1998) Room-temperature transistor based on a single carbon nanotube. Nature 393, 49-52). En esencia, consisten en un nanotubo semiconductor con dos electrodos —uno en cada extremo para crear un canal por donde circulan los electrones— y un electrodo intermedio al que se le aplica un voltaje para activar o desactivar la corriente que fluye por el nanotubo. Este dispositivo funciona a temperatura ambiente con características electrónicas similares a los transistores comerciales de silicio y tiene la ventaja —por su pequeño tamaño— que consume menos energía. Estos conmutadores podrían trabajar mil veces más deprisa que los procesadores actuales.

En teoría se podrán fabricar diodos emisores de luz y láseres nanoscópicos a partir de nanotubos. También se podrán utilizar, con ventaja, como nanoconductores por su gran capacidad de transporte de corriente (estimada en 1000 millones de amperios/cm2, cuando los hilos de cobre se funden con un millón de amperios/cm2) y su enorme conductividad calorífica (alrededor de 6000 W/mK, frente al diamante, considerado uno de los mejores conductores, con 3320 W/mK).

Por último se ha descubierto que los nanotubos de carbono también son superconductores (Tang Z.K. et al. (2001) Superconductivity in 4 angstrom single-walled carbon nanotubes. Science 292, 2462-2465). Los superconductores son materiales que pierden la resistencia clásica al paso de corriente por debajo de una cierta temperatura, llamada temperatura de transición o crítica. Por el momento, la temperatura de transición más alta registrada en nanotubos de carbono es de 15 K, demasiado baja para buscar aplicaciones prácticas, pero este descubrimiento disparó la carrera en busca de nanotubos de carbono superconductores a temperaturas más altas.

Estos interesantes resultados han fomentado muchas esperanzas en los nanotubos de carbono como componentes básicos de la nanoelectrónica. No cabe duda de que harán falta nuevas ideas si se quiere mantener el ritmo de miniaturización de las últimas cuatro décadas. Es posible miniaturizar un poco más los chips comerciales  y llegar hasta detalles de 100 nm pero, difícilmente, se podrá ir más allá usando la fotolitografía convencional. Cuando se llega a estas dimensiones conviene considerar las técnicas de fabricación que van de abajo hacia arriba (bottom-up) —ensamblando átomos o moléculas— en vez de apurar los procedimientos convencionales de miniaturización (top-down). Sin embargo, para fabricar un dispositivo que sea útil hace falta posicionar sobre un sustrato numerosos nanotubos con precisión casi atómica. La fabricación de estos nanomateriales es uno de los grandes desafios que tiene la nanotécnica y se comentará en la próxima entrada del blog.

Los nanotubos de carbono ofrecen oportunidades muy interesantes además de las electrónicas, porque son robustos y químicamente poco reactivos. El mundo de los nanotubos no se limita a los nanotubos de carbono, otros materiales capaces de formar láminas —como el nitruro de boro, compuestos de boro, carbono y nitrógeno, y el sulfuro de molibdeno— también pueden formar nanotubos y, a partir de ellos, se pueden fabricar nanotubos compuestos (Rubio A. (1997) Nanocomposite tubules: A new class of materials from theory. Condensed Matter News 6, 6-18.) encapsulando en su interior otros materiales —como el galio, en el nanotermómetro comentado al comienzo de este apartado—. Las posibles aplicaciones tecnológicas de los nanotubos son ilimitadas.

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Nanomateriales (3): la fibra ideal

Manuel Elices Calafat (Universidad Politécnica de Madrid; Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales; National Academy of Engineering USA)

 

Nanotubos de carbono

En 1991 Sumio Iijima (Iijima S. (1991) Helical microtubules of graphitic carbon. Nature 354, 56-58), trabajando en un laboratorio de investigación básica en Tsukuba, Japón, descubrió una aguja en un pajar que ha revolucionado la nanociencia. La aguja era un cilindro hueco que se había formado en la punta de un electrodo de grafito. Tenía un diámetro de unos pocos nanómetros y una longitud de unas cuantas micras. Estaba hecha de carbono puro. Era un nanotubo de carbono.

Desde su descubrimiento hasta nuestros días, las aplicaciones de los nanotubos —algunas reales, otras potenciales— han crecido de forma impresionante. Es posible que los nanotubos de carbono desempeñen el mismo papel que el silicio en los circuitos electrónicos, pero a escala molecular, donde el silicio y otros semiconductores dejan de funcionar. Ya se han fabricado con nanotubos dispositivos lógicos —los componentes básicos de los ordenadores— y se han creado expectativas para producir, a partir de ellos, circuitos electrónicos e incluso ordenadores. Los nanotubos de carbono han permitido mejorar la resolución de los microscopios de barrido basados en el efecto túnel, se han usado como sondas químicas en microscopios de fuerza atómica y como sensores extremadamente sensibles.

En el incio del siglo XXI, unos investigadores japoneses (Gao Y., Bando Y. (2002) Carbon nanothermometer containing gallium. Nature 415, 599) fabricaron el termómetro más pequeño del mundo llenando con galio un nanotubo de carbono. La altura de la columna de galio en el nanotermómetro varía linealmente con la temperatura, mientras que el diámetro del nanotubo apenas varía, debido al pequeño coeficiente de dilatación del tubo. El nanotermómetro opera entre 50 y 500˚C y puede resultar muy útil para medir la temperatura en una gran variedad de microambientes. Sólo tiene un pequeño inconveniente: hace falta un microscopio electrónico para leer la temperatura del termómetro.

 

Nanotubos ideales obtenidos enrollando una lámina de grafito, haciendo coincidir el extremo A del vector OA (n,m) con su origen O, de manera que OA sea la circunferencia directriz del cilindro: (a) AO (9,0) Estructura en zig-zag; (b) AO (5,5) estructura en armchair; (c) AO (10,5) estructura quiral.

La estructura de los nanotubos de carbono se ha observado utilizando microscopía electrónica de transmisión de alta resolución. La forma ideal de un nanotubo se puede obtener enrollando una lámina de grafito, como  la indicada en la figura anterior, haciendo coincidir el extremo A del vector  OA(n, m)  con su origen O de manera que OA sea la circunferencia directriz del cilindro. Las estructuras más simétricas se obtienen a partir de los vectores (n, 0) —llamadas en zig-zag, donde q = 0˚— y de los vectores (n,n) —llamadas en butaca (armchair), donde q = 30˚—. Las estructuras intermedias, donde 0 < q < 30, se llaman quirales porque pueden existir en dos formas con simetría especular. Los extremos de los tubos de carbono se cierran con medias moléculas de fullereno. Las estructuras que se observan frecuentemente son tubos de varias paredes, formadas por la superposición de tubos coaxiales. Son estructuras que recuerdan a las muñecas rusas.

La fibra ideal

Cuando los átomos de carbono se unen para construir un diamante lo hacen mediante cuatro enlaces covalentes y forman una rígida red tridimensional que le confiere a la preciada gema su proverbial dureza. Cuando se unen para construir grafito, los átomos de carbono lo hacen a través de tres enlaces covalentes situados en un plano; la estructura sigue siendo muy resistente en este plano pero es débil en dirección perpendicular. Una forma de aprovechar esta resistencia es orientar estos planos de forma que las direcciones  de  máximo  esfuerzo estén contenidas en ellos.

Basta imaginar un mil hojas y tirar en la dirección paralela a las hojas en vez de hacerlo en dirección perpendicular. Arrollando estas hojas, como si fueran las de un cigarro puro, se pueden obtener fibras de carbono muy resistentes.

Ya se producen, desde hace algún tiempo, fibras de carbono con esta estructura y se utilizan (embebidas en una matriz polimérica) para fabricar palos de golf, cañas de pescar, coches de fórmula uno y aviones de combate. Estas fibras son rígidas (tienen un módulo de elasticidad elevado) y resistentes (una tensión de rotura grande) pero sus valores todavía están lejos de los valores teóricos debido a sus defectos e imperfecciones. Cuando se descubrieron los nanotubos de carbono —con una estructura casi perfecta— se despertaron muchas esperanzas y se empezó a especular sobre la posibilidad de obtener fibras ideales.

Muy pronto se hicieron estimaciones teóricas de las propiedades mecánicas de los nanotubos (Overney G., Zhong W., Tomanek D. (1993) Structural rigidity and low frequency vibrational modes of long carbon tubules. Zeit. Physik D 27, 93-96) y se confirmó que deberían poseer una rigidez y una resistencia superiores a cualquier otra fibra conocida, (módulo de elasticidad E = 1250 GPa y tensión de rotura, sR, alrededor de 60 GPa), pero la comprobación experimental de estas predicciones no resultó fácil por la pequeñez de los nanotubos y la dificultad de su manipulación; basta imaginar de qué forma se podría realizar un ensayo de tracción con una fibra de 5 nm de diámetro y 1 mm de longitud.

Por otra parte, R.S. Ruoff y sus colaboradores (Yu M.F., Files B.S., Arepalli S., Ruoff R.S. (2000) Tensile loading of ropes of single wall carbon nanotubes and their mechanical properties. Phys. Rev. Lett. 84(24), 5552-5555) se las ingeniaron para ensayar a tracción 15 nanotubos de una sola capa. En algunos observaron que la deformación en rotura llega a alcanzar valores del 5%. También medieron las fuerzas en el momento de la rotura, obteniendo valores entre 400 y 1300 nN. Suponiendo que esta carga está soportada uniformemente por el borde del nanotubo, dedujeron que las tensiones de rotura deberían oscilar entre 13 y 52 GPa. A partir de estos resultados también se puede estimar el módulo de elasticidad; el valor más alto —para una tensión de rotura de 52 GPa y una deformación del 0.05— es de 1040 GPa.

Estos resultados son muy parecidos a las predicciones teóricas, anteriormente señaladas, y están lejos de los mejores valores alcanzados por las fibras comerciales como el Kevlar® (E = 120 GPa, sR = 3 GPa), el acero (E = 210 GPa, sR = 3 GPa), o algunas fibras de carbono (E entre 250 y 800 GPa y sR entre 3 y 4 GPa) como se muestra en la figura siguiente.

 

Comparación de la resistencia o tensión de rotura (extremos de las rectas) y de la rigidez o módulo de elasticidad (pendiente de las rectas) de los nanotubos de carbono con las fibras comerciales de más altas prestaciones (Kevlar 49, acero y fibras de carbono).

La aparente sencillez del nanotubo de carbono ha estimulado cálculos teóricos más precisos y simulaciones utilizando dinámica molecular. J. Bernholc y sus colaboradores (Bernholc J. (1999) Computational materials science. Physics Today Sept., 30-35; Bernholc J. et al. (2002) Atomic transformations, strength, plasticity, and electron transport in strained carbon nanotubes. In Fiber Fracture (M. Elices, J. Llorca Eds.), Elsevier, Chap. 15) han simulado la respuesta de un nanotubo a un ensayo de tracción y han observado que pueden comportarse de forma dúctil o frágil, según las condiciones de contorno y la simetría de los nanotubos. A partir de un valor crítico de la tensión, el nanotubo libera parte de la energía elástica almacenada creando defectos (ver figura).

Formación de un defecto en un nanotubo de carbono sometido a tracción. (a) Situación inicial; (b) rotura de un enlace; (c) rotura de dos enlaces; (d) formación del defecto (5-7-7-5). Simulación usando dinámica molecular. (Para más detalles ver Bernholc, cap. 15 del libro Fiber Fracture, M. Elices y J. Llorca Eds.).

Formación de un defecto en un nanotubo de carbono sometido a tracción. (a) Situación inicial; (b) rotura de un enlace; (c) rotura de dos enlaces; (d) formación del defecto (5-7-7-5). Simulación usando dinámica molecular. (Para más detalles ver Bernholc, cap. 15 del libro Fiber Fracture, M. Elices y J. Llorca Eds.).

Los cálculos indican que esto sucede cuando la deformación es del orden del 5%. Estos defectos pueden disparar la rotura o bien formar dislocaciones que iniciarán una deformación plástica. Nuevamente, la deformación crítica del 5% indica que los nanotubos pueden soportar tensiones de 60 GPa.

A pesar de todo lo anterior,  es en el campo de las propiedades electrónicas donde las predicciones teóricas ofrecen resultados más expectaculares como veremos en el post de la próxima semana.

 

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Los nanotubos de carbono y la ingeniería de tejidos (I)

Por Rafael Daza (Universidad Politécnica de Madrid)

La Ingeniería de tejidos es una disciplina que persigue remplazar tejido dañado o enfermo por un sustituto biológico capaz de restaurar y mantener la funcionalidad del tejido original. Los avances realizados en áreas tan dispares como las relativas al trasplante de células y órganos y la ciencia de materiales o la ingeniería, han contribuido al continuo desarrollo de la ingeniería de tejidos y la medicina regenerativa.
Al igual que la regeneración tisular, la cual supone el empleo de células para formar estructuras de mayores dimensiones, la nanotecnología es una disciplina “bottom-up” (de abajo a arriba) cuyo fundamento es el ensamble de elementos simples para constituir estructuras complejas. Recordemos que en un post anterior definíamos la nanotecnología como el estudio, diseño, creación, síntesis, manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales mediante el control de la materia a escala nanométrica (aquella en la que la unidad de longitud de referencia es el nanómetro, 1 nm equivale a 10-9 m, esto es, la millonésima parte del milímetro), y la explotación de fenómenos y propiedades de la propia materia a dicha escala. Entonces vimos que los principales “ladrillos de la vida” existen en esta escala nanométrica de la que hablamos.

La presencia de nano-dimensionalidad en la naturaleza ha llevado a los investigadores a plantearse la viabilidad de emplear nanomateriales también en la ingeniería de tejidos. De hecho, en los últimos años son numerosos los estudios que muestran la poderosa influencia de una topografía nanoestructurada en el comportamiento celular, observándose su repercusión sobre procesos celulares tan vitales como la adhesión, proliferación y/o reorganización del citoesqueleto e incluso en la regulación de la expresión de sus genes.
De entre todos los nanomateriales que actualmente están en proceso de investigación, aquí nos centraremos en los nanotubos de carbono debido al enorme abanico de aplicaciones que se les atribuye en el ámbito de la medicina regenerativa. Los nanotubos son una de las formas alotrópicas del carbono cuya geometría cilíndrica es el resultado del enrollamiento sobre sí mismas de una o varias láminas de grafeno. Cuando se trata de una sola lámina (Figura 1A), los nanotubos reciben el nombre de singlewalled carbon nanotubes (SWNT) mientras que el enrollamiento concéntrico de varias láminas (Figura 1B), da lugar a la formación de los multiwalled carbon nanotubes (MWNT).

 

Figura 1. Diagrama de un SWNT (A) y de un MWNT (B) con sus dimensiones características.

Desde su origen [1], los nanotubos de carbono han despertado el interés de la comunidad científica como consecuencia de las extraordinarias propiedades que exhiben. Poseen un amplio rango de características electrónicas, térmicas y estructurales en función de su diámetro, longitud y quiralidad (ángulo de enrollamiento respecto de la dirección axial del cilindro resultante). Mención especial merecen sus propiedades mecánicas (Figura 2): los nanotubos de carbono presentan el módulo de rigidez y la tensión de rotura mayor de cuantos materiales conoce el hombre (1.5 TPa y 150 GPa, respectivamente).

Figura 2. Debido a sus solicitaciones mecánicas, la idea utópica de construir un ascensor espacial que comunicara la Tierra con su satélite sólo sería estructuralmente viable si se construyera mediante nanotubos de carbono.

A pesar de su reciente inclusión en el mundo de la ingeniería de tejidos (2004), son cuatro las áreas en las que se espera que los nanotubos tengan gran presencia: marcado y seguimiento de células, sensores del comportamiento celular, promotores del comportamiento celular y constituyentes de soportes estructurales o scaffolds. Mientras que las dos primeras áreas están encaminadas a analizar cómo responden las células al tejido diseñado, las dos últimas tienen por objetivo actuar sobre las propias células y el medio que las sustenta con el fin de mejorar los tejidos diseñados y favorecer la proliferación y diferenciación de las células en ellos. Dedicaremos las últimas líneas de este post a las dos primeras áreas remitiendo al lector a un siguiente post en el que abordaremos las dos últimas.

1. Marcado y seguimiento de células implantadas.
La capacidad para rastrear las células implantadas y observar su progresión en la formación de tejido in vivo de manera no invasiva es de importancia capital, especialmente, cuando las construcciones artificiales son de tamaños biológicamente significativos. Marcando las células implantadas se podría, no solamente evaluar la viabilidad del tejido diseñado sino, además, mejorar el conocimiento acerca de la biodistribución y rutas de migración de las células trasplantadas. Sin embargo, para tales fines, es preciso que el agente de contraste in vivo tenga buena biocompatibilidad, alta capacidad de producir contraste y estabilidad.

Los nanotubos de carbono han demostrado poseer varias de estas propiedades. Pondremos un ejemplo. El grupo del profesor Strano de la Universidad de Illinois encapsuló ácidos nucléicos en varios SWNTs y los introdujo en el interior de un tipo de célula madre, los mioblastos. Mediante espectroscopía Raman observaron la supervivencia de la estructura en el interior de las células durante repetidas divisiones celulares lo que sugiere que tales sondas podrían ser empleadas para estudiar la proliferación y diferenciación de células madre [2], paso clave en la regeneración de tejidos. Además, dado que la espectroscopía Raman es muy sensible a la presencia de grupos funcionales en las moléculas, esta técnica puede proporcionar información valiosa acerca del microambiente de la célula. Este es uno de los más prometedores métodos para usar los nanotubos de carbono como biosensores ópticos in vivo y puede servir como una técnica básica para el desarrollo de otros sensores más complejos. Esta sofisticación añadida puede ser implementada modificando los nanotubos con sondas adicionales o agentes marcadores.

2. Sensores del comportamiento celular.
En este caso se persigue obtener información acerca de las características físico-químicas y biológicas que rodean a las células en su entorno tisular. La capacidad para monitorizar procesos fisiológicos celulares como el transporte iónico, las interacciones enzima-cofactor o la secreción de proteínas y metabolitos o mecanismos de respuesta celular como la adhesión a la matriz extracelular podrían ofrecer información valiosísima que permitiría diseñar mejores tejidos artificiales.

Un posible método para llevar a cabo estas monitorizaciones consiste en implantar sensores capaces de transmitir información desde el interior del organismo al exterior; tales sensores proporcionarían datos en tiempo real de parámetros fisiológicos tan importantes como el pH, la presión de oxígeno o los niveles de glucosa. Emplear nanosensores para este fin tiene principalmente dos ventajas: el tamaño reducido del sensor disminuye su impacto sobre el tejido diseñado en el que va a ser introducido y su elevada proporción área/volumen le dota de una gran área efectiva en la que inmovilizar numerosos compuestos químicos y biológicos incluyendo ADN y proteínas que mejoran su sensibilidad.

Mientras que la transmisión de información extracorpóreamente desde los nanosensores está aún en fase de desarrollo, los sensores basados en nanotubos de carbono ya han demostrado su capacidad para medir varios factores biológicos muy relevantes. Pongamos algún ejemplo. MWNTs han sido empleados como electrodos para medir los procesos de electrooxidación de la insulina y para estimar su concentración vía determinación amperométrica. Este hecho sugiere un método para evaluar la calidad de los islotes pancreáticos (región del páncreas encargada de la producción de hormonas como la insulina y el glucagón, Figura 3) previa a su implante en el organismo receptor. Además, se ha demostrado que podríamos medir la cantidad de colesterol libre en sangre usando un MWNT montado sobre un sustrato biocompatible [3] o monitorizar el pH mediante sensores compuestos de nanotubos de carbono y un polímero como la polianilina [4].

Figura 3. Imagen de microscopía confocal de una sección de páncreas de ratón. En rojo se muestran las células productoras de insulina, en verde los vasos sanguíneos que rodean a los islotes pancreáticos y en azul se marcan todos los núcleos celulares.

Acabamos de presentar dos de las prometedoras aplicaciones que los nanotubos de carbono pueden tener en la ingeniería de tejidos. Sin embargo, como veremos en un próximo post dedicado fundamentalmente a la utilización de nanotubos para la creación de scaffolds, la implantación de estos nanotubos o materiales basados en ellos en el interior de un organismo vivo no está exenta de problemas que aún no están resueltos y cuya solución transcurre inevitablemente por la senda de un trabajo multidisciplinar de físicos, químicos, biólogos e ingenieros de materiales.

Referencias
[1] S. Iijima, “Helical microtubules of graphitic carbon”. Nature 354, 56 (1991)
[2] D.A. Heller, S. Baik, T.E. Eurell and M.S. Strano. “Single-walled carbon nanotube spectroscopy in live cells: towards long-term labels and optical sensors”. Advanced Materials 2793, 17 (2005)
[3] X. Tan, M. Lin, P. Cai, L. Luo and X. Zou. “An amperometric colesterol biosensor base don multiwalled carbon nanotubes and organically modified sol-gel/chitosan hybrid composite films”. Analytical Biochemistry, 117, 337 (2005)
[4] M. Kraempgen and S. Roth. “Transparent and flexible carbon nanotube/polyaniline pH sensors”. Journal of Electroanalytical Chemistry, 72, 586 (2006)

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Materiales en la Fórmula 1: La evolución en la seguridad de los cascos de los pilotos

Por María Jesús Pérez (Universidad Politécnica de Madrid)

La evolución de las medidas de seguridad en competiciones automovilísticas como la F1 han provocado que hoy los cascos de los pilotos deban reunir tres cualidades difíciles de combinar: ligereza, resistencia y aerodinámica.; aunque no siempre fue así…
En los primeros días de carreras de Fórmula Uno, lo importante era la velocidad y no la seguridad, de hecho, en 1950 muchos pilotos ni siquiera usaban casco y algunos usaban gorros de cuero que sencillamente protegían del viento.

Juan Manuel Fangio con un pasamontañas

En 1960 se desarrolló el casco de cartón prensado. Eran muy incómodos para los pilotos, por lo que muchos ni lo usaban ya que no era obligatorio según la FIA.
El primer casco integral de fibra de vidrio no apareció hasta 1968. Pesaba casi tres kilos pero era mucho más efectivo que sus predecesores.
Poco a poco, se fue reduciendo el peso y el tamaño, ajustándose más a la cabeza del piloto. Lamentablemente, tuvo que ocurrir una tragedia para que la evolución en componentes de seguridad en este tipo de deportes apareciese. En el Gran Premio de Sudáfrica de 1977, el monoplaza de Tom Price golpeó a un bombero que cruzaba la pista en ese momento. El extintor del comisario de pista golpeó la cabeza de Pryce y causó la muerte instantánea del piloto.
A partir de este momento, los ingenieros se preocuparon más aún de mejorar el equilibrio seguridad-peso. De esta manera, en 1980 nació el Tricomp (aleación de fibra de carbono, fibra de vidrio y diversos polímeros) que cubría el exterior del casco proporcionándole mayor resistencia.
A mitad de los ’80, comenzaron las investigaciones aerodinámicas de los cascos en el túnel de viento (hoy en día, el casco presenta una parte importante del coche en cuanto a aerodinámica se refiere).
Con el avance de los años, los monoplazas mejoraban en rendimiento a la vez que sucesivos accidentes, algunos de ellos mortales (Peterson, Villeneuve, Senna…), hacían una llamada a una mejora sustancial en la seguridad del piloto.
A partir del año 2000, la seguridad en los cascos se complementó con la llegada del moderno sistema HANS (Head And Neck Support). El HANS tiene por objeto evitar las lesiones cervicales provocadas por “efecto látigo” cuando se produce una colisión a altas velocidades. Su inventor fue Robert Hubbard, un profesor de biomédica de la Universidad de Michigan. El HANS está fabricado con Kevlar y se engancha al respaldo del asiento del piloto y a su casco con resistentes ganchos. En la fórmula 1 su uso se hizo obligatorio a partir de 2003.

Head And Neck Support Device

Actualmente, el casco de F1 se fabrica a medida del piloto. Es una pieza de 1200 gramos formada por 18 capas de fibra de carbono que puede soportar el peso de un tanque de 55 toneladas sin deformarse. La estructura exterior puede resistir una temperatura de 800ºC durante 30 segundos sin que en el interior se superen los 70ºC. La estructura interior se elabora de forma artesanal a imagen y semejanza de los moldes en tres dimensiones de los pilotos.
Además, desde esta temporada, la estructura de los cascos lleva una tira de Zylon (polímero sintético) en la visera que mejora las debilidades detectadas en la fibra de carbono tras el accidente sufrido por Massa en el GP de Hungría en 2009 (un muelle desprendido del coche de Barrichello golpeó el casco de Massa a 270 km/h). El carbono es una de las fibras más sólidas, pero tiene el gran inconveniente de que a la vez que detiene un fuerte impacto, conduce muy fuertemente la energía hacia el interior. Sin embargo, el Zylon es una fibra blanda que tiene la capacidad de absorber la energía liberada en un impacto, deformándose ligeramente pero sin fracturarse.
La tira de Zylon, superpuesta en la visera de policarbonato, permite una protección extra pero sin limitar la visión del piloto. Este material también es utilizado en la fabricación de chalecos antibala, y en la F1 las cabinas de todos los coches van revestidos con él.

 

Casco reforzado con Zylon en la visera

La introducción del Zylon en los cascos de los pilotos es sólo la primera fase de mejoras previstas para la seguridad. El instituto de la FIA y los fabricantes de cascos están investigando el uso de materiales de alto rendimiento óptico (cerámica transparente) como el material principal para fabricar la visera.

Más información:
http://www.formula1.com/news/features/2011/3/11880.html
http://eduardojosecar.blogspot.com/2011/10/nuevas-viseras-en-los-cascos.html

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Filtros ultrafinos de carbono

Por Gustavo R. Plaza (Universidad Politécnica de Madrid)

Un tema importante en la investigación actual es el desarrollo de filtros que permitan separar diferentes líquidos o gases, siendo primordial el tratamiento y purificación de agua y también la purificación de disolventes orgánicos en actividades relacionadas con la energía, la industria química o el medioambiente.

En el último número de la revista Science se han publicado dos trabajos que estudian membranas ultrafinas cuyo componente fundamental es el carbono y que actúan como filtros muy selectivos para el agua o para disolventes orgánicos. Las estrategias empleadas en estos filtros son diferentes: en el primer caso el material contiene poros que sólo permiten el paso de la sustancia deseada, y en el segundo la sustancia pasa por difusión a través del material sin poros.

Lámina de óxido de grafeno desarrollada por el grupo del Profesor Geim (C&EN)

El trabajo del grupo del Profesor Izume Ichinose, del National Institute for Materials Science de Japón, muestra el desarrollado de láminas de carbono, de un espesor de unos 20nm (1nm es la millonésima parte de 1mm) con poros de tamaño cercano a 1nm. En el material, algunos átomos de carbono están unidos por enlaces covalentes a cuatro átomos vecinos (como ocurre en el diamante) y otros átomos están unidos a tres átomos (como ocurre en el grafito). Estas láminas permiten el paso de disolventes orgánicos, con flujos del orden de cientos de litros por metro cuadrado y por hora, 1000 veces superiores a los flujos en filtros industriales. El tamaño nanométrico de los poros impide el paso de las moléculas más grandes disueltas en el disolvente. Para obtener las láminas, estos investigadores realizaron un proceso de deposición química de vapor (chemical vapor deposition) de moléculas de acetileno y otros precursores.

 

Representación de una lámina de grafeno, esto es, una lámina formada for átomos de carbono, con un espesor de un átomo.

Independientemente, en la Universidad de Mánchester (Reino Unido), el grupo del Profesor Andre K. Gein ha obtenido láminas de óxido de grafeno con un espesor cercano a 1 micra (una milésima parte de 1mm). El Profesor Gein recibió en 2010 el Premio Nobel de Física por sus trabajos con grafeno (lámina de carbono con espesor de un átomo). Ahora, las membranas micrométricas están compuestas por planos paralelos de óxido de grafeno, y permiten el paso del vapor de agua a través de ellas prácticamente sin oponer resistencia, pero impiden el paso de las demás moléculas que han utilizado los investigadores. Estas láminas son higroscópicas, es decir, absorben agua si la humedad ambiental es elevada, y esta absorción da lugar a una dilatación del material. La sorprendente permeabilidad al paso del agua sólo se observa cuando la humedad ambiental es elevada y los investigadores creen que es debido a que el agua absorbida, que aumenta la distancia entre planos de óxido de grafeno, facilita la difusión de las moléculas de agua.

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