Núria Salán Ballesteros, professora del Departament de Ciència dels Materials i Enginyeria Metal·lúrgica al Campus de Terrassa, és membre de CIEFMA (Centre d’Integritat Estructural i Fiabilitat dels Materials), Directora-Responsable del Laboratori de Materials Compostos (COMPOLAB), Sòcia fundadora i Secretària d’ASAMMET (Associació d’Amics de la Metal·lúrgia) i Presidenta de la Societat Catalana de Tecnologia (Institut d’Estudis Catalans). Jaime Juan Muñoz és Enginyer Industrial, ha gaudit d’una beca SENER per formació de personal investigador i arran d’aquesta activitat de recerca ha desenvolupat un procés de conformat de materials compostos multiescalars. Ha realitzat una estada a la Universitat de Cambridge, convidat pel Departament d’Enginyeria Mecànica i actualment és col·laborador COMPOLAB-CIEFMA i professor associat del Departament de Ciència dels Materials i Enginyeria Metal·lúrgica al Campus de Terrassa.
Què és un nanotub de carboni?
Els nanotubs de carboni (Carbon Nanotubes, CNTs) són una forma al·lotròpica del carboni amb una nanoestructura cilíndrica. Altres formes al·lotròpiques del carboni són el diamant, el grafit, les fibres de carboni, els ful·lerens o el material “de moda”: el grafè.
Els CNTs són molècules gegants formades per àtoms de carboni organitzats en la mateixa estructura hexagonal que el grafè. Si bé aquest darrer es presenta en forma de làmines del gruix d’un àtom, als nanotubs la làmina s’enrotlla en forma de tubs. Aquestes molècules cilíndriques presenten unes propietats inusuals, molt valorades a diverses aplicacions de nanotecnologia, com ara electrònica, òptica i diversos àmbits dins la ciència i tecnologia dels materials.
Quan la paret d’aquests nanotubs té un únic àtom de gruix es parla de nanotubs de carboni de paret simple (Single-Walled Carbon Nanotube, SWCNT), amb diàmetres de 0,8-2 nm. Si l’estructura consisteix en estructures cilíndriques concèntriques, s’anomenen nanotubs de carboni de paret múltiple (Multi-Walled Carbon Nanotube, MWCNT) i poden presentar diàmetres d’entre 5 i 20 nm. El rang de longitud està entre 100 nm fins a alguns centrímetres i les geometries característiques del grafè (tant SWCNTs com MWCNTs) es mostren a la Figura 1. La producció de SWCNT es més complexa que la de MWCNT i, per tant, aquests darrers resulten més cars, tot destacant les seves aplicacions electròniques. D’altra banda, els MWCNTs s’enfoquen en aplicacions en les quals s’aprofiten els elevats valors de resistència mecànica i de conductivitat tèrmica.
La recerca en CNT es va disparar a principis de la dècada dels 90, després de que s’aconseguissin sintetitzar industrialment els primers CNTs, durant la dècada dels 80. Però no ha estat fins a la darrera dècada, quan l’activitat comercial relacionada amb els CNTs ha estat realment significativa. Així, des de 2006, la capacitat de producció mundial de CNTs s’ha multiplicat per més de 10 (Figura 2). Aquesta tendència es veu corroborada quan s’analitza el mercat dels CNTs pels propers anys, en què s’espera una taxa de creixement anual acumulat superior al 15%.
[[{"type":"media","view_mode":"media_large","fid":"652","attributes":{"alt":"","class":"media-image","typeof":"foaf:Image"}}]]
Figura 2. Tendències en la recerca i comercialització de CNT [2]. (A) Publicacions cinètiques, emissió de patents i capacitat de producció estimada anuals a nivell mundial. (B a E) Productes relacionats amb els CNTs. De Volder MFL, Tawfick SH, Baughman RH, Hart AJ. Carbon Nanotubes: Present and Future Commercial Applications. Science 2013;339:535–9. doi:10.1126/science.1222453.
Per què els nanotubs de carboni generen tantes expectatives?
El carboni també es troba a la natura en forma de grafit (el material negre i tou dels llapis) i de diamant, que és un dels materials més durs que es coneixen. L’única diferència entre totes dues formes és l’organització dels àtoms de carboni, ja que mitjançant el rotllo d’una estructura hexagonal d’àtoms de carboni en forma de tubs amb diàmetres en l’escala nanomètrica, s’adquireixen algunes propietats excepcionals en els nanotubs resultants.
La resistència a la tracció dels CNTs pot arribar a ser 100 vegades superior a la de l’acer, amb una densitat 6 vegades inferior. Són fins i tot 40 vegades més resistents que les fibres de carboni. Segons la orientació entre l’estructura hexagonal dels àtoms de carboni i l’eix dels nanotubs, poden arribar a conduir l’electricitat millor que el coure. També la conductivitat tèrmica associada als CNTs és superior a la del diamant, conegut per ser el millor conductor tèrmic que es pot trobar a la natura.
Quins són els avantatges dels nanotubs de carboni
Parlar dels avantatges que presenten els CNTs és parlar de les increïbles possibilitats que ofereixen! Les excepcionals propietats mecàniques, elèctriques i tèrmiques que es combinen en aquests materials, han estat el tret de sortida del concepte de “materials multifuncionals”, és a dir, que poden dur a terme més d’una funció alhora. En una època en què l’eficiència i la sostenibilitat marquen l’itinerari del nostre dia a dia, la multifuncionalitat esdevé un aspecte fonamental que encapçala el futur dels desenvolupaments tecnològics en l’àmbit de l’enginyeria en general i dels materials en particular.
Quins són els inconvenients dels nanotubs de carboni
Més que inconvenients com a tal, els CNTs s’associen a una sèrie de reptes que encara no s’han assolit, vinculats a la seva fabricació a gran escala, encara pendent, que permetria treure’n profit de tot el seu potencial.
El primer d’aquests reptes està directament relacionat amb la direccionalitat de les propietats excepcionals dels CNTs, ja que són molt superiors en la direcció del seu eix principal i que es veuen considerablement reduïdes als plans perpendiculars a aquest eix. Per tant, els CNTs formen estructures altament ortotròpiques.
La major part de la producció de CNTs està dedicada a actuar com a reforç en materials compostos i a l’obtenció de films prims en què els CNTs es distribueixen desorganitzadament, tot atenuant-se les propietats mecàniques, tèrmiques i elèctriques que presentarien els nanotubs individualment. Les estructures ordenades de CNTs, tals com els camps de nanotubs orientats verticalment, fils o làmines, són necessàries si realment es volen escalar les propietats que els nanotubs podrien oferir de forma individual.
Una altra barrera en l’aprofitament de tot el potencial dels CNTs és la pobre interacció d’aquests amb els materials que els envolten. Per exemple, en el cas dels materials compostos i per garantir la transmissió més eficient dels esforços mecànics, cal millorar l’adherència entre els CNTs i la matriu mitjançant un procés de funcionalització dels nanotubs, que es realitza a partir de la introducció de grups funcionals a la seva superfície.
Respecte a l’obtenció de CNTs, la predictibilitat dels processos de fabricació és encara limitada. A més a més, els mecanismes de formació dels nanotubs, així com la cinètica de les reaccions, requereixen d’una investigació més profunda per acabar de comprendre realment els processos involucrats i poder dur a terme simulacions precises.
És habitual, però, la presència de defectes en els CNTs, així com la variabilitat en la seva morfologia i en l’orientació de les estructures hexagonals d’àtoms de carboni, per la qual cosa, posteriorment a la síntesi dels nanotubs, es requereixen etapes de purificació i filtratge que afegeixen dificultats al procés de fabricació i encareixen el producte final. La tècnica de síntesi més escalable a producció industrial de grans volums és la deposició química de vapor (Chemical Vapour Deposition, CVD).
El cost dels SWCNTs and MWCNTs està al voltant dels 50-400 $/g i 0,1-25 $/g, respectivament, i la variabilitat en el rang de preus és àmplia tot depenent de les propietats dels nanotubs, la funcionalització d’aquests i el seu grau de puresa.
Quines són les aplicacions més importants dels nanotubs de carboni?
Al Laboratori de Materials Compostos (COMPOLAB) de la UPC, els projectes de recerca en CNTs s’han focalitzat a la millora de les propietats mecàniques i tèrmiques de matrius polimèriques i de polímers reforçats amb fibres (anomenats “materials multiescalars”), així com a la fabricació d’estructures ordenades de MWCNTs, en forma de fibres, per electrospinning.
La major part dels CNTs que es produeixen es destina al reforç de materials compostos, per millorar propietats mecàniques, elèctriques i tèrmiques. Per exemple, s’han incorporat als materials base d’estructures navals, de pales d’aerogenerador o en l’àmbit esportiu de competició, com ara l’estructura de la bicicleta suïssa BMC de la Figura 2(B). Amb càrregues de nanotubs inferiors a l’1% en pes es poden aconseguir increments de fins a un 25% en la resistència a la fractura d’alguns materials.
Una altra aplicació d’èxit dels MWCNT rau en la seva utilització en elèctrodes de bateries d’ions de liti per a ordenadors personals, tabletes i telèfons mòbils. La combinació d’una gran àrea superficial amb valors elevats de conductivitat elèctrica, resistències mecànica i química, permeten obtenir bateries que es poden carregar més ràpidament i amb una major integritat estructural. A més a més, s’espera que en el futur els CNTs tinguin un especial protagonisme en el desenvolupament de supercondensadors capaços de substituir les bateries convencionals i les cèl·lules fotovoltaiques actuals.
Quines són les futures aplicacions més esperades?
A banda del que s’ha comentat fins ara, l’àmbit d’aplicació en què s’espera una veritable revolució de la mà dels CNTs, és en l’electrònica de consum. Es preveu que els nanotubs esdevinguin substituts del silici en la fabricació de transistors. El principal impediment per a aquesta aplicació rau en l’estreta relació entre les propietats finals dels SWCNTs i la seva fabricació, ja que el comportament semi-conductor dels nanotubs està directament lligat amb el diàmetre d’aquests i amb l’orientació de l’estructura hexagonal d’àtoms de carboni. Així, en l’obtenció de CNTs a gran escala encara es necessiten toleràncies de qualitat més estretes per a poder contemplar els SWCNTs com a substituïts reals de silici.
Aplicacions menys convencionals dels nanotubs estan relacionades amb la compatibilitat dimensional i química dels CNTs amb biomolècules, com l’ADN i proteïnes, ja que la combinació presenta un gran interès en l’obtenció de bio-sensors i aparells mèdics. També es plantegen aplicacions en què s’utilitzen CNTs com a sistemes d’alliberació controlada de fàrmacs.
Una altra aplicació interesant, i també poc convencional, és la seva utilització com a purificadors d’aigua, ja que la combinació de les seves dimensions (petites) i l’enorme àrea superficial, juntament amb les propietats d’absorció dels CNTs, proporciona una membrana ideal per filtrar productes químics tòxics, sals dissoltes i contaminants biològics de l’aigua, tot convertint-los en una tecnologia potencial per a la producció d’aigua neta i potable a partir d’aigua de mar.
