{"id":412,"date":"2012-04-25T11:07:04","date_gmt":"2012-04-25T10:07:04","guid":{"rendered":"http:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/ingenieriamateriales\/?p=412"},"modified":"2012-05-25T22:27:32","modified_gmt":"2012-05-25T21:27:32","slug":"nanomateriales-3-la-fibra-ideal","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/ingenieriamateriales\/2012\/04\/25\/412\/","title":{"rendered":"Nanomateriales (3): la fibra ideal"},"content":{"rendered":"

Manuel Elices Calafat<\/a><\/strong> (Universidad Polit\u00e9cnica de Madrid; Real Academia de Ciencias Exactas, F\u00edsicas y Naturales; National Academy of Engineering USA)<\/p>\n

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Nanotubos de carbono<\/strong><\/p>\n

En 1991 Sumio Iijima (Iijima S. (1991) Helical microtubules of graphitic carbon. Nature<\/em> 354<\/strong>, 56-58<\/span>), trabajando en un laboratorio de investigaci\u00f3n b\u00e1sica en Tsukuba, Jap\u00f3n, descubri\u00f3 una aguja en un pajar que ha revolucionado la nanociencia. La aguja era un cilindro hueco que se hab\u00eda formado en la punta de un electrodo de grafito. Ten\u00eda un di\u00e1metro de unos pocos nan\u00f3metros y una longitud de unas cuantas micras. Estaba hecha de carbono puro. Era un nanotubo de carbono.<\/p>\n

Desde su descubrimiento hasta nuestros d\u00edas, las aplicaciones de los nanotubos \u2014algunas reales, otras potenciales\u2014 han crecido de forma impresionante. Es posible que los nanotubos de carbono desempe\u00f1en el mismo papel que el silicio en los circuitos electr\u00f3nicos, pero a escala molecular, donde el silicio y otros semiconductores dejan de funcionar. Ya se han fabricado con nanotubos dispositivos l\u00f3gicos \u2014los componentes b\u00e1sicos de los ordenadores\u2014 y se han creado expectativas para producir, a partir de ellos, circuitos electr\u00f3nicos e incluso ordenadores. Los nanotubos de carbono han permitido mejorar la resoluci\u00f3n de los microscopios de barrido basados en el efecto t\u00fanel, se han usado como sondas qu\u00edmicas en microscopios de fuerza at\u00f3mica y como sensores extremadamente sensibles.<\/p>\n

En el incio del siglo XXI, unos investigadores japoneses (Gao Y., Bando Y. (2002) Carbon nanothermometer containing gallium. Nature<\/em> 415<\/strong>, 599<\/span>) fabricaron el term\u00f3metro m\u00e1s peque\u00f1o del mundo llenando con galio un nanotubo de carbono. La altura de la columna de galio en el nanoterm\u00f3metro<\/em> var\u00eda linealmente con la temperatura, mientras que el di\u00e1metro del nanotubo apenas var\u00eda, debido al peque\u00f1o coeficiente de dilataci\u00f3n del tubo. El nanoterm\u00f3metro opera entre 50 y 500\u02daC y puede resultar muy \u00fatil para medir la temperatura en una gran variedad de microambientes. S\u00f3lo tiene un peque\u00f1o inconveniente: hace falta un microscopio electr\u00f3nico para leer la temperatura del term\u00f3metro.<\/p>\n

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Nanotubos ideales obtenidos enrollando una l\u00e1mina 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.<\/figcaption><\/figure>\n

La estructura de los nanotubos de carbono se ha observado utilizando microscop\u00eda electr\u00f3nica de transmisi\u00f3n de alta resoluci\u00f3n. La forma ideal de un nanotubo se puede obtener enrollando una l\u00e1mina de grafito, como\u00a0 la indicada en la figura anterior, haciendo coincidir el extremo A del vector\u00a0 OA(n, m<\/em>)\u00a0 con su origen O de manera que OA sea la circunferencia directriz del cilindro. Las estructuras m\u00e1s sim\u00e9tricas se obtienen a partir de los vectores (n, 0<\/em>) \u2014llamadas en zig-zag, donde q = 0\u02da\u2014 y de los vectores (n,<\/em>n<\/em>) \u2014llamadas en butaca (armchair<\/em>), donde q = 30\u02da\u2014. Las estructuras intermedias, donde 0 < q < 30, se llaman quirales porque pueden existir en dos formas con simetr\u00eda especular. Los extremos de los tubos de carbono se cierran con medias mol\u00e9culas de fullereno. Las estructuras que se observan frecuentemente son tubos de varias paredes, formadas por la superposici\u00f3n de tubos coaxiales. Son estructuras que recuerdan a las mu\u00f1ecas rusas.<\/p>\n

La fibra ideal<\/strong><\/p>\n

Cuando los \u00e1tomos de carbono se unen para construir un diamante lo hacen mediante cuatro enlaces covalentes y forman una r\u00edgida red tridimensional que le confiere a la preciada gema su proverbial dureza. Cuando se unen para construir grafito, los \u00e1tomos de carbono lo hacen a trav\u00e9s de tres enlaces covalentes situados en un plano; la estructura sigue siendo muy resistente en este plano pero es d\u00e9bil en direcci\u00f3n perpendicular. Una forma de aprovechar esta resistencia es orientar estos planos de forma que las direcciones\u00a0 de\u00a0 m\u00e1ximo\u00a0 esfuerzo est\u00e9n contenidas en ellos.<\/p>\n

Basta imaginar un mil hojas y tirar en la direcci\u00f3n paralela a las hojas en vez de hacerlo en direcci\u00f3n perpendicular. Arrollando estas hojas, como si fueran las de un cigarro puro, se pueden obtener fibras de carbono muy resistentes.<\/p>\n

Ya se producen, desde hace alg\u00fan tiempo, fibras de carbono con esta estructura y se utilizan (embebidas en una matriz polim\u00e9rica) para fabricar palos de golf, ca\u00f1as de pescar, coches de f\u00f3rmula uno y aviones de combate. Estas fibras son r\u00edgidas (tienen un m\u00f3dulo de elasticidad elevado) y resistentes (una tensi\u00f3n de rotura grande) pero sus valores todav\u00eda est\u00e1n lejos de los valores te\u00f3ricos debido a sus defectos e imperfecciones. Cuando se descubrieron los nanotubos de carbono \u2014con una estructura casi perfecta\u2014 se despertaron muchas esperanzas y se empez\u00f3 a especular sobre la posibilidad de obtener fibras ideales.<\/p>\n

Muy pronto se hicieron estimaciones te\u00f3ricas de las propiedades mec\u00e1nicas de los nanotubos (Overney G., Zhong W., Tomanek D. (1993) Structural rigidity and low frequency vibrational modes of long carbon tubules. Zeit. Physik D<\/em> 27<\/strong>, 93-96<\/span>) y se confirm\u00f3 que deber\u00edan poseer una rigidez y una resistencia superiores a cualquier otra fibra conocida, (m\u00f3dulo de elasticidad E = 1250 GPa y tensi\u00f3n de rotura, sR<\/sub>, alrededor de 60 GPa), pero la comprobaci\u00f3n experimental de estas predicciones no result\u00f3 f\u00e1cil por la peque\u00f1ez de los nanotubos y la dificultad de su manipulaci\u00f3n; basta imaginar de qu\u00e9 forma se podr\u00eda realizar un ensayo de tracci\u00f3n con una fibra de 5 nm de di\u00e1metro y 1 mm de longitud.<\/p>\n

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<\/em>. 84<\/strong>(24), 5552-5555<\/span>) se las ingeniaron para ensayar a tracci\u00f3n 15 nanotubos de una sola capa. En algunos observaron que la deformaci\u00f3n en rotura llega a alcanzar valores del 5%. Tambi\u00e9n medieron las fuerzas en el momento de la rotura, obteniendo valores entre 400 y 1300 nN. Suponiendo que esta carga est\u00e1 soportada uniformemente por el borde del nanotubo, dedujeron que las tensiones de rotura deber\u00edan oscilar entre 13 y 52 GPa. A partir de estos resultados tambi\u00e9n se puede estimar el m\u00f3dulo de elasticidad; el valor m\u00e1s alto \u2014para una tensi\u00f3n de rotura de 52 GPa y una deformaci\u00f3n del 0.05\u2014 es de 1040 GPa.<\/p>\n

Estos resultados son muy parecidos a las predicciones te\u00f3ricas, anteriormente se\u00f1aladas, y est\u00e1n lejos de los mejores valores alcanzados por las fibras comerciales como el Kevlar\u00ae (E = 120 GPa, sR<\/sub> = 3 GPa), el acero (E = 210 GPa, sR<\/sub> = 3 GPa), o algunas fibras de carbono (E entre 250 y 800 GPa y sR<\/sub> entre 3 y 4 GPa) como se muestra en la figura siguiente.<\/p>\n

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Comparaci\u00f3n de la resistencia o tensi\u00f3n de rotura (extremos de las rectas) y de la rigidez o m\u00f3dulo de elasticidad (pendiente de las rectas) de los nanotubos de carbono con las fibras comerciales de m\u00e1s altas prestaciones (Kevlar 49, acero y fibras de carbono).<\/figcaption><\/figure>\n

La aparente sencillez del nanotubo de carbono ha estimulado c\u00e1lculos te\u00f3ricos m\u00e1s precisos y simulaciones utilizando din\u00e1mica molecular. J. Bernholc y sus colaboradores (Bernholc J. (1999) Computational materials science. Physics Today<\/em> Sept., 30-35;\u00a0Bernholc J. et al<\/em>. (2002) Atomic transformations, strength, plasticity, and electron transport in strained carbon nanotubes. In Fiber Fracture<\/em> (M. Elices, J. Llorca Eds.), Elsevier, Chap. 15<\/span>) han simulado la respuesta de un nanotubo a un ensayo de tracci\u00f3n y han observado que pueden comportarse de forma d\u00factil o fr\u00e1gil, seg\u00fan las condiciones de contorno y la simetr\u00eda de los nanotubos. A partir de un valor cr\u00edtico de la tensi\u00f3n, el nanotubo libera parte de la energ\u00eda el\u00e1stica almacenada creando defectos (ver figura).<\/p>\n

\"Formaci\u00f3n<\/a>
Formaci\u00f3n de un defecto en un nanotubo de carbono sometido a tracci\u00f3n. (a) Situaci\u00f3n inicial; (b) rotura de un enlace; (c) rotura de dos enlaces; (d) formaci\u00f3n del defecto (5-7-7-5). Simulaci\u00f3n usando din\u00e1mica molecular. (Para m\u00e1s detalles ver Bernholc, cap. 15 del libro Fiber Fracture, M. Elices y J. Llorca Eds.).<\/figcaption><\/figure>\n

Los c\u00e1lculos indican que esto sucede cuando la deformaci\u00f3n es del orden del 5%. Estos defectos pueden disparar la rotura o bien formar dislocaciones que iniciar\u00e1n una deformaci\u00f3n pl\u00e1stica. Nuevamente, la deformaci\u00f3n cr\u00edtica del 5% indica que los nanotubos pueden soportar tensiones de 60 GPa.<\/p>\n

A pesar de todo lo anterior, \u00a0es en el campo de las propiedades electr\u00f3nicas donde las predicciones te\u00f3ricas ofrecen resultados m\u00e1s expectaculares como veremos en el post de la pr\u00f3xima semana.<\/p>\n

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Manuel Elices Calafat (Universidad Polit\u00e9cnica de Madrid; Real Academia de Ciencias Exactas, F\u00edsicas 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 investigaci\u00f3n b\u00e1sica en Tsukuba, Jap\u00f3n, descubri\u00f3 una aguja en un pajar que ha revolucionado la nanociencia. La aguja era un cilindro hueco que se hab\u00eda formado en la punta de un electrodo de grafito. Ten\u00eda un di\u00e1metro de unos pocos nan\u00f3metros y una longitud de unas cuantas micras. Estaba hecha de carbono puro. Era un nanotubo\u2026<\/p>\n","protected":false},"author":187,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"ngg_post_thumbnail":0},"categories":[16827,2399,14000,16825],"tags":[],"blocksy_meta":{"styles_descriptor":{"styles":{"desktop":"","tablet":"","mobile":""},"google_fonts":[],"version":4}},"aioseo_notices":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/ingenieriamateriales\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/412"}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/ingenieriamateriales\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/ingenieriamateriales\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/ingenieriamateriales\/wp-json\/wp\/v2\/users\/187"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/ingenieriamateriales\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=412"}],"version-history":[{"count":13,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/ingenieriamateriales\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/412\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":471,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/ingenieriamateriales\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/412\/revisions\/471"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/ingenieriamateriales\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=412"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/ingenieriamateriales\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=412"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/ingenieriamateriales\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=412"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}