Nanotubo de carbono

Los nanotubos de carbono (CNT) son alótropos de carbono con una nanoestructura cilíndrica. Estas moléculas cilíndricas de carbono tienen propiedades inusuales, que son valiosas para la nanotecnología, la electrónica, la óptica y otros campos de la ciencia y tecnología de materiales. Debido a la excepcional resistencia y rigidez del material, los nanotubos se han construido con una relación longitud-diámetro de hasta 132,000,000: 1, significativamente más grande que para cualquier otro material.

Además, debido a sus extraordinarias propiedades de conductividad térmica, mecánica y eléctrica, los nanotubos de carbono encuentran aplicaciones como aditivos para diversos materiales estructurales. Por ejemplo, los nanotubos forman una pequeña porción del (los) material (es) en algunos bates de béisbol, palos de golf, piezas de automóviles o acero damasco (principalmente fibra de carbono).

Los nanotubos son miembros de la familia estructural fullereno. Su nombre se deriva de su estructura larga y hueca con las paredes formadas por láminas de carbono de un átomo de espesor, llamadas grafeno. Estas hojas se enrollan en ángulos específicos y discretos («quirales»), y la combinación del ángulo de balanceo y el radio deciden las propiedades del nanotubo; por ejemplo, si la cubierta de nanotubos individual es un metal o un semiconductor. Los nanotubos se clasifican como nanotubos de pared simple (SWNT) y nanotubos de pared múltiple (MWNT). Los nanotubos individuales se alinean naturalmente en «cuerdas» unidas por las fuerzas de van der Waals, más específicamente, el apilamiento de pi.

La química cuántica aplicada, específicamente, la hibridación orbital describe mejor el enlace químico en los nanotubos. La unión química de los nanotubos implica totalmente átomos de carbono híbridos sp2. Estos enlaces, que son similares a los del grafito y más fuertes que los encontrados en los alcanos y el diamante (que emplean átomos de carbono híbridos sp3), proporcionan a los nanotubos su fuerza única.

Tipos de nanotubos de carbono y estructuras relacionadas.
No hay consenso sobre algunos términos que describen los nanotubos de carbono en la literatura científica: tanto «wall» como «walled» se usan en combinación con «single», «double», «triple» o «multi», y la letra C a menudo se omite en la abreviatura; por ejemplo, nanotubos de carbono de paredes múltiples (MWNT).

Pared simple

donde a = 0.246 nm.

Los SWNT son una variedad importante de nanotubos de carbono porque la mayoría de sus propiedades cambian significativamente con los valores (n, m), y esta dependencia no es monotónica (consulte la gráfica de Kataura). En particular, su intervalo de banda puede variar de cero a aproximadamente 2 eV y su conductividad eléctrica puede mostrar un comportamiento metálico o semiconductor. Los nanotubos de pared simple son probablemente candidatos para miniaturizar la electrónica. El bloque de construcción más básico de estos sistemas es el cable eléctrico, y los SWNT con diámetros de un orden de un nanómetro pueden ser excelentes conductores. Una aplicación útil de los SWNT es el desarrollo de los primeros transistores de efecto de campo (FET) intermoleculares. La primera puerta lógica intermolecular que utiliza FET SWCNT se realizó en 2001. Una puerta lógica requiere tanto un p-FET como un n-FET. Debido a que los SWNT son p-FET cuando se exponen al oxígeno y los n-FET, de lo contrario, es posible exponer la mitad de un SWNT al oxígeno y proteger la otra mitad del mismo. El SWNT resultante actúa como una puerta no lógica con los FET de tipo p y n en la misma molécula.

Los precios de los nanotubos de pared simple disminuyeron de alrededor de $ 1500 por gramo a partir de 2000 a precios minoristas de alrededor de $ 50 por gramo de SWNT de 40 a 60% en peso de marzo de 2010. A partir de 2016, el precio de venta al por menor de 75% El porcentaje de SWNT en peso era de $ 2 por gramo, lo suficientemente barato para un uso generalizado. Se prevé que los SWNT tendrán un gran impacto en las aplicaciones electrónicas para 2020 de acuerdo con el informe The Global Market for Carbon Nanotubes.

De paredes múltiples
Los nanotubos de paredes múltiples (MWNT) consisten en múltiples capas laminadas (tubos concéntricos) de grafeno. Hay dos modelos que se pueden usar para describir las estructuras de los nanotubos de paredes múltiples. En el modelo Russian Doll, las hojas de grafito están dispuestas en cilindros concéntricos, por ejemplo, un nanotubo de pared simple (0,8) (SWNT) dentro de un nanotubo de pared simple más grande (0,17). En el modelo de Pergamino, una sola hoja de grafito se enrolla alrededor de sí mismo, como un rollo de pergamino o un periódico enrollado. La distancia entre capas en nanotubos de paredes múltiples está cerca de la distancia entre las capas de grafeno en grafito, aproximadamente 3,4 Å. La estructura de la muñeca rusa se observa con mayor frecuencia. Sus carcasas individuales se pueden describir como SWNT, que pueden ser metálicas o semiconductoras. Debido a la probabilidad estadística y las restricciones en los diámetros relativos de los tubos individuales, una de las carcasas y, por lo tanto, todo el MWNT, suele ser un metal sin huecos.

Los nanotubos de carbono de doble pared (DWNT) forman una clase especial de nanotubos porque su morfología y propiedades son similares a las de los SWNT, pero son más resistentes a los productos químicos. Esto es especialmente importante cuando es necesario injertar funciones químicas a la superficie de los nanotubos (funcionalización) para agregar propiedades a la CNT. La funcionalización covalente de los SWNT romperá algunos enlaces dobles C = C, dejando «agujeros» en la estructura del nanotubo y, por lo tanto, modificará sus propiedades mecánicas y eléctricas. En el caso de los DWNT, solo se modifica la pared exterior. La síntesis de DWNT a escala de gramo se propuso por primera vez en 2003 mediante la técnica CCVD, a partir de la reducción selectiva de soluciones de óxido en metano e hidrógeno.

La capacidad de movimiento telescópico de las carcasas internas y sus propiedades mecánicas únicas permitirán el uso de nanotubos de paredes múltiples como brazos móviles principales en los dispositivos nanomecánicos que vienen. [¿Especulación?] Fuerza de retracción que se produce al movimiento telescópico causado por la interacción de Lennard-Jones entre carcasas. y su valor es de alrededor de 1.5 nN.

Uniones y entrecruzamiento
Las uniones entre 2 o más nanotubos han sido ampliamente discutidas en teoría. Dichas uniones se observan con bastante frecuencia en muestras preparadas por descarga de arco, así como por deposición química de vapor. Las propiedades electrónicas de tales uniones fueron primero consideradas teóricamente por Lambin et al., Quienes señalaron que una conexión entre un tubo metálico y uno semiconductor representaría una heterounión a nanoescala. Dicha unión podría, por lo tanto, formar un componente de un circuito electrónico basado en nanotubos. La imagen adyacente muestra una unión entre dos nanotubos de paredes múltiples. Las uniones entre los nanotubos y el grafeno se han considerado teóricamente, pero no se han estudiado ampliamente en forma experimental. Dichas uniones forman la base del grafeno pilar, en el que las hojas de grafeno paralelas están separadas por nanotubos cortos. El grafeno apilado representa una clase de arquitecturas tridimensionales de nanotubos de carbono.

Recientemente, varios estudios han resaltado la posibilidad de utilizar nanotubos de carbono como bloques de construcción para fabricar dispositivos de carbono totalmente macroscópicos tridimensionales (& gt; 100 nm en las tres dimensiones). Lalwani et al. han informado sobre un nuevo método de reticulación térmica iniciado por radicales para fabricar andamios macroscópicos, independientes, porosos, totalmente de carbono, utilizando nanotubos de carbono de pared simple y de paredes múltiples como bloques de construcción. Estos andamios poseen poros macro, micro y nanoestructurados y la porosidad se puede adaptar para aplicaciones específicas. Estos andamios / arquitecturas de todo carbono 3D se pueden usar para la fabricación de la próxima generación de almacenamiento de energía, supercapacitores, transistores de emisión de campo, catálisis de alto rendimiento, dispositivos fotovoltaicos y biomédicos e implantes.

Otras morfologías
Los nanobuds de carbono son un material de nueva creación que combina dos alótropos de carbono previamente descubiertos: nanotubos de carbono y fullerenos. En este nuevo material, las «yemas» de tipo fullereno se unen covalentemente a las paredes laterales externas del nanotubo de carbono subyacente. Este material híbrido tiene propiedades útiles tanto de fullerenos como de nanotubos de carbono. En particular, se ha encontrado que son emisores de campo excepcionalmente buenos. En los materiales compuestos, las moléculas de fullereno adheridas pueden funcionar como anclajes moleculares que evitan el deslizamiento de los nanotubos, mejorando así las propiedades mecánicas del compuesto.

Un peapod de carbono es un nuevo material de carbono híbrido que atrapa fullereno dentro de un nanotubo de carbono. Puede poseer interesantes propiedades magnéticas con calentamiento e irradiación. También se puede aplicar como un oscilador durante investigaciones teóricas y predicciones.

En teoría, un nanotoro es un nanotubo de carbono doblado en un toro (forma de rosquilla). Se predice que los nanotori tienen muchas propiedades únicas, como los momentos magnéticos 1000 veces más grandes de lo que se esperaba anteriormente para ciertos radios específicos. Las propiedades tales como el momento magnético, la estabilidad térmica, etc. varían ampliamente dependiendo del radio del toro y del radio del tubo.

Los nanotubos de carbono grafenados son un híbrido relativamente nuevo que combina foliatos grafíticos que crecen a lo largo de las paredes laterales de las CNT de múltiples paredes o estilo bambú. La densidad foliada puede variar en función de las condiciones de deposición (por ejemplo, la temperatura y el tiempo), con una estructura que va desde unas pocas capas de grafeno (<10) hasta más gruesas, más parecidas al grafito. La ventaja fundamental de una estructura integrada de grafeno-CNT es el marco tridimensional de alta área de superficie de los CNT junto con la alta densidad de borde del grafeno. El depósito de una alta densidad de foliatos de grafeno a lo largo de las CNT alineadas puede aumentar significativamente la capacidad de carga total por unidad de área nominal en comparación con otras nanoestructuras de carbono. Los nanotubos de carbono apilados en forma de copa (CSCNT) se diferencian de otras estructuras de carbono cuasi-1D, que normalmente se comportan como conductores de electrones cuasi-metálicos. Los CSCNT exhiben comportamientos semiconductores debido a la microestructura de apilamiento de las capas de grafeno. Nanotubos de carbono extremos La observación de los nanotubos de carbono más largos que se han cultivado hasta ahora sobrepasa los 1/2 m (550 mm de longitud) se informó en 2013. Estos nanotubos se cultivaron en sustratos de silicio utilizando un método mejorado de deposición química de vapor (CVD) y representan conjuntos eléctricamente uniformes de Los nanotubos de carbono de pared. El nanotubo de carbono más corto es el compuesto orgánico cicloparafenileno, que se sintetizó en 2008. El nanotubo de carbono más delgado es el sillón (2,2) CNT con un diámetro de 0,3 nm. Este nanotubo se cultivó dentro de un nanotubo de carbono de paredes múltiples. La asignación del tipo de nanotubos de carbono se realizó mediante una combinación de microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM), espectroscopia Raman y teoría de la densidad funcional (DFT). El nanotubo de carbono de pared simple más delgado tiene un diámetro de aproximadamente 0,43 nm. Los investigadores sugirieron que puede ser SWCNT (5,1) o (4,2), pero el tipo exacto de nanotubos de carbono sigue siendo cuestionable. Los nanotubos de carbono (3,3), (4,3) y (5,1) (todos con un diámetro aproximado de 0,4 nm) se identificaron sin ambigüedad utilizando microscopía electrónica de transmisión de alta resolución corregida por aberración dentro de las CNT de doble pared. La mayor densidad de CNT se logró en 2013, creció en una superficie de cobre con recubrimiento de titanio conductor que se recubrió con co-catalizadores de cobalto y molibdeno a temperaturas más bajas que las típicas de 450 ° C. Los tubos promediaron una altura de 380 nm y una densidad de masa de 1,6 g cm − 3. El material mostró conductividad óhmica (menor resistencia ∼22 kΩ). Propiedades Mecánico Los nanotubos de carbono son los materiales más fuertes y rígidos descubiertos en términos de resistencia a la tracción y módulo de elasticidad respectivamente. Esta fuerza resulta de los enlaces sp2 covalentes formados entre los átomos de carbono individuales. En 2000, se probó que un nanotubo de carbono de paredes múltiples tenía una resistencia a la tracción de 63 gigapascales (9,100,000 psi). (Por ejemplo, esto se traduce en la capacidad de soportar una tensión de un peso equivalente a 6,422 kilogramos de fuerza (62,980 N; 14,160 lbf) en un cable con una sección transversal de 1 milímetro cuadrado (0,0016 pies cuadrados).) Estudios adicionales, tales Como se realizó en 2008, se reveló que los shells de CNT individuales tienen fortalezas de hasta 100 gigapascales (15,000,000 psi), que está de acuerdo con los modelos cuánticos / atomísticos. Dado que los nanotubos de carbono tienen una baja densidad para un sólido de 1.3 a 1.4 g / cm3, su resistencia específica de hasta 48,000 kN • m • kg-1 es el mejor de los materiales conocidos, comparado con el acero de alto carbono 154 kN • m • kg − 1. Si bien la resistencia de las carcasas de CNT individuales es extremadamente alta, las interacciones de corte débil entre las carcasas y los tubos adyacentes conducen a una reducción significativa de la resistencia efectiva de los nanotubos de carbono de paredes múltiples y los haces de nanotubos de carbono hasta solo algunos GPa. Esta limitación se ha abordado recientemente mediante la aplicación de irradiación de electrones de alta energía, que reticula las carcasas y los tubos internos, y aumenta efectivamente la resistencia de estos materiales a GP60 GPa para nanotubos de carbono de pared múltiple y GP17 GPa para paquetes de nanotubos de carbono de pared doble . Los CNT no son tan fuertes bajo compresión. Debido a su estructura hueca y su alta relación de aspecto, tienden a sufrir deformaciones cuando se colocan bajo presión de compresión, torsión o flexión. Por otro lado, hubo evidencia de que en la dirección radial son bastante suaves. La primera observación con microscopio electrónico de transmisión de elasticidad radial sugirió que incluso las fuerzas de van der Waals pueden deformar dos nanotubos adyacentes. Posteriormente, varios grupos realizaron nanoindentaciones con microscopio de fuerza atómica para medir cuantitativamente la elasticidad radial de los nanotubos de carbono de paredes múltiples y también se realizó microscopía de fuerza atómica en modo de toma / contacto en nanotubos de carbono de pared simple. El módulo de Young del orden de varios GPa mostró que los CNT son de hecho muy suaves en la dirección radial. Eléctrico A diferencia del grafeno, que es un semimetal bidimensional, los nanotubos de carbono son metálicos o semiconductores a lo largo del eje tubular. Para un nanotubo dado (n, m), si n = m, el nanotubo es metálico; si n - m es un múltiplo de 3 y n ≠ m y nm ≠ 0, entonces el nanotubo es casi metálico con una banda muy pequeña, de lo contrario, el nanotubo es un semiconductor moderado. Por lo tanto, todos los nanotubos de sillón (n = m) son metálicos y los nanotubos (6,4), (9,1), etc. son semiconductores. Los nanotubos de carbono no son semimetálicos porque el punto degenerado (el punto donde la banda π [enlace] se encuentra con la banda π * [anti-enlace], donde la energía va a cero) se aleja ligeramente del punto K en la zona de Brillouin Debido a la curvatura de la superficie del tubo, causando la hibridación entre las bandas anti-enlace σ * y π *, modificando la dispersión de la banda. La regla con respecto al comportamiento metálico frente al semiconductor tiene excepciones, porque los efectos de curvatura en tubos de diámetro pequeño pueden influir fuertemente en las propiedades eléctricas. Por lo tanto, un SWCNT (5,0) que debería ser semiconductor de hecho es metálico según los cálculos. Asimismo, los SWCNT en zigzag y quirales con diámetros pequeños que deberían ser metálicos tienen un espacio finito (los nanotubos de sillón siguen siendo metálicos). En teoría, los nanotubos metálicos pueden transportar una densidad de corriente eléctrica de 4 × 109 A / cm2, que es más de 1.000 veces mayor que la de los metales como el cobre, donde las densidades de corriente interconectadas de cobre están limitadas por la electromigración. Los nanotubos de carbono se están explorando como interconexiones, componentes que mejoran la conductividad en materiales compuestos y muchos grupos están intentando comercializar cables eléctricos altamente conductores ensamblados a partir de nanotubos de carbono individuales. Sin embargo, hay desafíos importantes que superar, como la saturación de corriente bajo voltaje no deseado, las uniones de nanotubos a nanotubos mucho más resistentes e impurezas, todo lo cual reduce la conductividad eléctrica de los cables de nanotubos macroscópicos en órdenes de magnitud, en comparación con A la conductividad de los nanotubos individuales. Debido a su sección transversal a nanoescala, los electrones se propagan solo a lo largo del eje del tubo. Como resultado, los nanotubos de carbono se denominan frecuentemente conductores unidimensionales. La conductancia eléctrica máxima de un nanotubo de carbono de pared simple es 2G0, donde G0 = 2e2 / h es la conductancia de un solo canal cuántico balístico. Debido al papel del sistema de electrones π en la determinación de las propiedades electrónicas del grafeno, el dopaje en los nanotubos de carbono difiere del de los semiconductores cristalinos en masa del mismo grupo de la tabla periódica (por ejemplo, silicio). La sustitución grafítica de los átomos de carbono en la pared del nanotubo por dopantes de boro o nitrógeno conduce a un comportamiento de tipo p y tipo n, respectivamente, como se esperaría en el silicio. Sin embargo, algunos dopantes no sustitutivos (intercalados o adsorbidos) introducidos en un nanotubo de carbono, como los metales alcalinos y los metalocenos ricos en electrones, dan lugar a una conducción de tipo n porque donan electrones al sistema de electrones π del nanotubo. Por el contrario, los aceptadores de electrones π como el FeCl3 o los metalocenos deficientes en electrones funcionan como dopantes tipo p, ya que alejan los electrones π de la parte superior de la banda de valencia. La superconductividad intrínseca ha sido reportada, aunque otros experimentos no encontraron evidencia de esto, dejando a la reclamación como un tema de debate. Óptico Los nanotubos de carbono tienen propiedades útiles de absorción, fotoluminiscencia (fluorescencia) y espectroscopia Raman. Los métodos espectroscópicos ofrecen la posibilidad de una caracterización rápida y no destructiva de cantidades relativamente grandes de nanotubos de carbono. Existe una fuerte demanda de tal caracterización desde el punto de vista industrial: numerosos parámetros de la síntesis de nanotubos se pueden cambiar, intencionalmente o no, para alterar la calidad de los nanotubos. Como se muestra a continuación, las espectroscopias de absorción óptica, fotoluminiscencia y Raman permiten una caracterización rápida y confiable de esta "calidad de nanotubos" en términos de contenido de carbono no tubular, estructura (quiralidad) de los nanotubos producidos y defectos estructurales. Esas características determinan casi cualquier otra propiedad, como las propiedades ópticas, mecánicas y eléctricas. Los nanotubos de carbono son "sistemas unidimensionales" únicos que se pueden visualizar como láminas de grafito enrolladas (o, más precisamente, de grafeno). Este balanceo se puede hacer en diferentes ángulos y curvaturas que resultan en diferentes propiedades de nanotubos. El diámetro varía típicamente en el rango de 0,4 a 40 nm (es decir, "solo" ~ 100 veces), pero la longitud puede variar ~ 100,000,000,000 veces, desde 0,14 nm hasta 55,5 cm. La relación de aspecto de nanotubos, o la relación de longitud a diámetro, puede ser tan alta como 132,000,000: 1, que es inigualable por cualquier otro material. En consecuencia, todas las propiedades de los nanotubos de carbono en relación con las de los semiconductores típicos son extremadamente anisotrópicas (dependientes de la dirección) y sintonizables. Si bien las propiedades mecánicas, eléctricas y electroquímicas (supercapacitadores) de los nanotubos de carbono están bien establecidas y tienen aplicaciones inmediatas, el uso práctico de las propiedades ópticas aún no está claro. La capacidad de ajuste de propiedades mencionada anteriormente es potencialmente útil en óptica y fotónica. En particular, se han producido en el laboratorio diodos emisores de luz (LED) y fotodetectores basados ​​en un solo nanotubo. Su característica única no es la eficiencia, que todavía es relativamente baja, sino la selectividad estrecha en la longitud de onda de emisión y detección de la luz y la posibilidad de su ajuste fino a través de la estructura de nanotubos. Además, se han realizado dispositivos de memoria bolómetro y optoelectrónicos en conjuntos de nanotubos de carbono de pared simple. Los defectos cristalográficos también afectan las propiedades eléctricas del tubo. Un resultado común es una conductividad reducida a través de la región defectuosa del tubo. Un defecto en los tubos tipo sillón (que puede conducir la electricidad) puede hacer que la región circundante se vuelva semiconductora, y las vacantes monatómicas únicas inducen propiedades magnéticas. Térmico Se espera que todos los nanotubos sean muy buenos conductores térmicos a lo largo del tubo, exhibiendo una propiedad conocida como "conducción balística", pero buenos aislantes laterales al eje del tubo. Las mediciones muestran que un SWNT individual tiene una conductividad térmica a temperatura ambiente a lo largo de su eje de aproximadamente 3500 W • m − 1 • K − 1; Compare esto con el cobre, un metal bien conocido por su buena conductividad térmica, que transmite 385 W • m − 1 • K − 1. Un SWNT individual tiene una conductividad térmica a temperatura ambiente a través de su eje (en la dirección radial) de aproximadamente 1.52 W • m − 1 • K − 1, que es tan térmicamente conductor como el suelo. Los ensamblajes macroscópicos de nanotubos, como películas o fibras, han alcanzado hasta 1500 W • m − 1 • K − 1 hasta el momento. Se estima que la estabilidad de temperatura de los nanotubos de carbono es de hasta 2800 ° C en vacío y aproximadamente 750 ° C en aire. Los defectos cristalográficos afectan fuertemente las propiedades térmicas del tubo. Dichos defectos conducen a la dispersión del fonón, que a su vez aumenta la tasa de relajación de los fonones. Esto reduce la trayectoria libre media y reduce la conductividad térmica de las estructuras de nanotubos. Las simulaciones de transporte de fonones indican que los defectos de sustitución, como el nitrógeno o el boro, conducirán principalmente a la dispersión de los fonones ópticos de alta frecuencia. Sin embargo, los defectos de mayor escala, como los defectos de Stone Wales, causan la dispersión del fonón en una amplia gama de frecuencias, lo que lleva a una mayor reducción de la conductividad térmica. Síntesis Se han desarrollado técnicas para producir nanotubos en cantidades considerables, que incluyen descarga por arco, ablación por láser, deposición química de vapor (CVD) y desproporción del monóxido de carbono a alta presión (HiPCO). Entre estos, la descarga por arco, la ablación por láser, la deposición química de vapor (CVD) se procesan por lotes y HiPCO es un proceso continuo en fase gaseosa. La mayoría de estos procesos tienen lugar en el vacío o con gases de proceso. El método de crecimiento de CVD es popular, ya que produce una gran cantidad y tiene un grado de control sobre el diámetro, la longitud y la morfología. Usando catalizadores en partículas, se pueden sintetizar grandes cantidades de nanotubos con estos métodos, pero lograr la repetibilidad se convierte en un problema importante con el crecimiento de la ECV. Los avances del proceso HiPCO en catálisis y crecimiento continuo están haciendo a los CNT más viables comercialmente. El proceso HiPCO ayuda a producir nanotubos de carbono de pared simple de alta pureza en mayor cantidad. El reactor HiPCO funciona a alta temperatura 900-1100 ° C y alta presión ~ 30-50 bar. Utiliza monóxido de carbono como fuente de carbono y níquel / hierro penta carbonilo como catalizador. Este catalizador actúa como el sitio de nucleación para que los nanotubos crezcan. Las matrices de nanotubos de carbono alineadas verticalmente también se cultivan mediante deposición térmica de vapores químicos. Un sustrato (cuarzo, silicio, acero inoxidable, etc.) está recubierto con una capa de metal catalítico (Fe, Co, Ni). Normalmente, esa capa es de hierro y se deposita mediante pulverización catódica hasta un espesor de 1 a 5 nm. Una capa inferior de 10 a 50 nm de alúmina a menudo también se coloca sobre el sustrato primero. Esto imparte humectación controlable y buenas propiedades interfaciales. Cuando el sustrato se calienta a la temperatura de crecimiento (~ 700 ° C), la película de hierro continua se rompe en pequeñas islas ... cada isla luego nuclea un nanotubo de carbono. El espesor pulverizado controla el tamaño de la isla, y esto a su vez determina el diámetro del nanotubo. Las capas de hierro más finas bajan el diámetro de las islas y bajan el diámetro de los nanotubos que crecen. La cantidad de tiempo que la isla de metal puede permanecer a la temperatura de crecimiento es limitada, ya que son móviles y pueden fusionarse en islas más grandes (pero menos). El recocido a la temperatura de crecimiento reduce la densidad del sitio (número de CNT / mm2) mientras aumenta el diámetro del catalizador. Los nanotubos de carbono preparados como siempre tienen impurezas como otras formas de carbono (carbono amorfo, fullereno, etc.) e impurezas no carbonosas (materiales metálicos utilizados para el catalizador). Estas impurezas deben eliminarse para hacer uso de los nanotubos de carbono en las aplicaciones. Metrología Hay muchos estándares de metrología y materiales de referencia disponibles para los nanotubos de carbono. Para nanotubos de carbono de pared simple, ISO / TS 10868 describe un método de medición del diámetro, pureza y fracción de nanotubos metálicos a través de espectroscopia de absorción óptica, mientras que ISO / TS 10797 e ISO / TS 10798 establecen métodos para caracterizar la morfología y la composición elemental. de nanotubos de carbono de pared simple, utilizando microscopía electrónica de transmisión y microscopía electrónica de barrido, respectivamente, junto con análisis de espectrometría de rayos X de dispersión de energía. Para los nanotubos de carbono de pared múltiple, ISO / TR 10929 identifica las propiedades básicas y el contenido de impurezas, mientras que ISO / TS 11888 describe la morfología mediante microscopía electrónica de barrido, microscopía electrónica de transmisión, viscometría y análisis de dispersión de luz. ISO / TS 10798 también es válido para nanotubos de carbono de pared múltiple. Modificación química Los nanotubos de carbono se pueden funcionalizar para lograr las propiedades deseadas que se pueden usar en una amplia variedad de aplicaciones. Los dos métodos principales de funcionalización de los nanotubos de carbono son las modificaciones covalentes y no covalentes. Debido a su aparente naturaleza hidrófoba, los nanotubos de carbono tienden a aglomerarse, lo que dificulta su dispersión en disolventes o polímeros viscosos. Los paquetes o agregados de nanotubos resultantes reducen el rendimiento mecánico del compuesto final. La superficie de los nanotubos de carbono puede modificarse para reducir la hidrofobicidad y mejorar la adhesión interfacial a un polímero en masa mediante la unión química. También la superficie de los nanotubos de carbono puede fluorarse o halofluorarse mediante el método CVD con fluorocarbonos, hidro o halofluorocarbonos calentando mientras están en contacto de dicho material de carbono con una sustancia fluoroorgánica para formar carbonos parcialmente fluorados (llamados materiales Fluocar) con fluoroalquilo injertado (halo) funcionalidad Aplicaciones Corriente El uso y la aplicación actuales de los nanotubos se han limitado principalmente al uso de nanotubos a granel, que es una masa de fragmentos de nanotubos más bien no organizados. Los materiales de nanotubos a granel nunca pueden alcanzar una resistencia a la tracción similar a la de los tubos individuales, pero estos compuestos pueden, sin embargo, proporcionar resistencias suficientes para muchas aplicaciones. Los nanotubos de carbono a granel ya se han utilizado como fibras compuestas en polímeros para mejorar las propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas del producto a granel. Easton-Bell Sports, Inc. ha estado en asociación con Zyvex Performance Materials, utilizando la tecnología CNT en varios de sus componentes para bicicletas, que incluyen manubrios planos, elevadores, bifurcaciones, asientos, vástagos y barras aerodinámicas. Zyvex Technologies también ha construido un barco marítimo de 54 ', el Barco de superficie no tripulado Piranha, como demostrador de tecnología para lo que es posible utilizando la tecnología CNT. Los CNT ayudan a mejorar el rendimiento estructural de la embarcación, lo que resulta en un bote liviano de 8,000 lb que puede transportar una carga útil de 15,000 lb en un rango de 2,500 millas. Amroy Europe Oy fabrica resinas de nanoepoxi de carbono Hybtonite, donde los nanotubos de carbono se han activado químicamente para unirse al epoxi, lo que resulta en un material compuesto que es de 20% a 30% más resistente que otros materiales compuestos. Se ha utilizado para aerogeneradores, pinturas marinas y una variedad de equipos deportivos como esquís, palos de hockey sobre hielo, bates de béisbol, flechas de caza y tablas de surf. La compañía Boeing ha patentado el uso de nanotubos de carbono para el monitoreo de la salud estructural de los materiales compuestos utilizados en las estructuras de los aviones. Esta tecnología reducirá en gran medida el riesgo de una falla en vuelo causada por la degradación estructural de las aeronaves. Otras aplicaciones actuales incluyen: Consejos para sondas de microscopio de fuerza atómica. En la ingeniería de tejidos, los nanotubos de carbono pueden actuar como andamios para el crecimiento óseo. La investigación actual para aplicaciones modernas incluye: utilizando nanotubos de carbono como andamiaje para diversas técnicas de microfabricación. Disipación de energía en nanoestructuras autoorganizadas bajo la influencia de un campo eléctrico. el uso de nanotubos de carbono para el monitoreo ambiental debido a su área de superficie activa y su capacidad para absorber gases. Potencial La fuerza y ​​flexibilidad de los nanotubos de carbono los hace de uso potencial para controlar otras estructuras a nanoescala, lo que sugiere que tendrán un papel importante en la ingeniería de nanotecnología. Se ha probado que la resistencia a la tracción más alta de un nanotubo de carbono de paredes múltiples individual es de 63 GPa. Los nanotubos de carbono se encontraron en el acero de Damasco a partir del siglo XVII, posiblemente ayudando a explicar la fuerza legendaria de las espadas hechas de él. Recientemente, varios estudios han resaltado la posibilidad de utilizar nanotubos de carbono como bloques de construcción para fabricar dispositivos de carbono tridimensional macroscópicos (> 1 mm en las tres dimensiones). Lalwani et al. han informado de un nuevo método de reticulación térmica iniciado por radicales para fabricar andamios macroscópicos, independientes, porosos, totalmente de carbono, utilizando nanotubos de carbono de pared simple y de paredes múltiples como bloques de construcción. Estos andamios poseen poros macro, micro y nanoestructurados y la porosidad se puede adaptar para aplicaciones específicas. Estos andamios / arquitecturas de todo carbono 3D se pueden usar para la fabricación de la próxima generación de almacenamiento de energía, supercapacitores, transistores de emisión de campo, catálisis de alto rendimiento, dispositivos fotovoltaicos y biomédicos e implantes.

Los CNT son candidatos potenciales para el futuro vía y material de cable en circuitos VLSI a nanoescala. La eliminación de las preocupaciones sobre la fiabilidad de la electromigración que afectan a las interconexiones actuales de Cu, los CNT aislados (de pared única y múltiple) pueden transportar densidades de corriente superiores a 1000 MA / cm2 sin daños por electromigración.

Se pueden convertir grandes cantidades de CNT puros en una lámina o película independiente mediante la técnica de fabricación de moldeado en cinta de ingeniería superficial (SETC), que es un método escalable para fabricar láminas flexibles y plegables con propiedades superiores. Otro factor de forma informado es la fibra CNT (también conocida como filamento) por hilado en húmedo. La fibra se hila directamente desde el recipiente de síntesis o se hila desde CNT disueltos pre-hechos. Las fibras individuales se pueden convertir en un hilo. Aparte de su fuerza y ​​flexibilidad, la principal ventaja es hacer un hilo conductor de electricidad. Las propiedades electrónicas de las fibras de CNT individuales (es decir, el paquete de CNT individual) se rigen por la estructura bidimensional de las CNT. Se midió que las fibras tenían una resistividad solo un orden de magnitud mayor que los conductores metálicos a 300K. Al optimizar aún más los CNT y las fibras de CNT, se podrían desarrollar fibras de CNT con propiedades eléctricas mejoradas.

Los hilos basados ​​en CNT son adecuados para aplicaciones en el tratamiento de agua con energía y electroquímica cuando se recubren con una membrana de intercambio iónico. Además, los hilos a base de CNT podrían reemplazar al cobre como material de bobinado. Pyrhönen et al. (2015) han construido un motor utilizando bobinado CNT.

Seguridad y salud
El Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH) es la agencia federal líder de los Estados Unidos que realiza investigaciones y brinda orientación sobre las implicaciones y aplicaciones de la nanotecnología en materia de seguridad y salud ocupacional. Los primeros estudios científicos han indicado que algunas de estas partículas a nanoescala pueden representar un mayor riesgo para la salud que la forma masiva de estos materiales.En 2013, NIOSH publicó un Boletín de inteligencia actual que detalla los peligros potenciales y el límite de exposición recomendado para nanotubos de carbono y fibras.

A partir de octubre de 2016, los nanotubos de carbono de pared simple se registraron a través de los reglamentos de Registro, Evaluación, Autorización y Restricción de Productos Químicos (REACH) de la Unión Europea, basados ​​en la evaluación de las propiedades potencialmente peligrosas de SWCNT. Según este registro, la comercialización de SWCNT está permitida en la UE hasta 10 toneladas métricas. Actualmente, el tipo de SWCNT registrado a través de REACH se limita al tipo específico de nanotubos de carbono de pared simple fabricados por OCSiAl, que presentó la solicitud.