NANOTUBS DE CARBONI: ESTRUCTURA, PROPIETATS, APLICACIONS, TOXICITAT - QUIMICA - 2025

Els nanotubs de carboni són tubs o cilindres molt petits i molt prims formats únicament per àtoms de carboni (C). La seva estructura tubular és visible només a través de microscopis electrònics. Es tracta d'un material sòlid de color negre, format per feixos o fas molt petits de diverses desenes de nanotubs, enredats entre si formant una xarxa complicada.

El prefix "nano" vol dir "molt petit". La paraula "nano" utilitzada en mesurament vol dir que és la milmilionèsima part d'una mesura. Per exemple, un nanòmetre (nm) és la milmilionèsima part d'un metre, és a dir, 1 nm = 10 ^-9 m.

Mostra de nanotubs de carboni. Es pot observar que és un sòlid negre d'aspecte semblant a el carbó. Shaddack. Font: Wikimedia Commons.

Cada minúscul nanotub de carboni està format per una o més làmines de grafit enrotllades sobre si mateixes. Es classifiquen en nanotubs de paret simple (una sola làmina enrotllada) i nanotubs de paret múltiple (dos o més cilindres un dins d'un altre).

Els nanotubs de carboni són molt forts, tenen una alta resistència a trencar-se i són molt flexibles. Condueixen molt bé la calor i l'electricitat. A més conformen un material molt lleuger.

Aquestes propietats fan que siguin útils en diversos camps d'aplicació, com ara la indústria automotriu, aeroespacial, electrònica, entre d'altres. S'han emprat també en medicina, per exemple per a transportar i alliberar fàrmacs contra el càncer, vacunes, proteïnes, etc.

No obstant això, la seva manipulació s'ha de fer amb equips de protecció doncs a l'ésser inhalats poden causar danys en els pulmons.

Descobriment dels nanotubs de carboni

Hi ha diferents opinions en la comunitat científica sobre qui va descobrir els nanotubs de carboni. Encara que són molts els treballs d'investigació sobre aquests materials, a continuació s'esmenten només algunes dates importants.

- El 1903, el científic francès Pélabon va observar filaments de carboni en una mostra (per a aquesta data encara no es tenien disponibles els microscopis electrònics).

- El 1950, el físic Roger Bacon, de l'empresa Union Carbide, estava estudiant certes mostres de fibres de carboni i va observar imatges de nanopelusas o nanobigotes (traducció de l'anglès nanowhiskers) rectes i ahuecados.

- El 1952, els científics russos Radushkevich i Lukyanovich van publicar fotos d'imatges de nanotubs de carboni sintetitzats per ells mateixos i obtingudes amb un microscopi electrònic, on s'observa clarament que són buits.

- El 1973, els científics russos Bochvar i Gal'pern van completar una sèrie de càlculs dels nivells d'energia dels orbitals moleculars demostrant que les làmines de grafit poden enroscar-se sobre si mateixes formant "molècules buides".

- El 1976, Morinobu Endo va observar fibres de carboni amb un centre buidat produïdes per la piròlisi de l'benzè i el ferrocè a 1000 ° C (la piròlisi és un tipus de descomposició que es produeix amb escalfament a molt altes temperatures en absència d'oxigen).

- El 1991 es va deslligar l'entusiasme cap als nanotubs de carboni després que Sumio Iijima sintetitzés agulles de carboni fetes amb tubs buits mitjançant la tècnica de l'arc elèctric.

- El 1993, Sumio Iijima i Donald Bethune (treballant de forma independent l'un l'altre) van descobrir simultàniament els nanotubs de carboni de paret simple.

Interpretacions d'algunes de les fonts consultades

Segons algunes fonts d'informació hauria potser atorgar-se el mèrit de la descoberta dels nanotubs de carboni als científics russos Radushkevich i Lukyanovich el 1952.

Es pensa que no se'ls va donar el merescut crèdit pel fet que per a aquest moment existia l'anomenada "guerra freda" i els científics occidentals no tenien accés als articles russos. A més, no molts sabien traduir de el rus, el que va retardar encara més que la seva investigació pogués ser analitzada a l'exterior.

En molts articles es diu que Iijima va ser qui va descobrir els nanotubs de carboni en 1991. No obstant això, certs investigadors estimen que l'impacte de la feina de Iijima es deu al fet que la ciència ja havia aconseguit suficient grau de maduresa com per apreciar la importància dels nanomaterials.

Hi ha qui afirma que en aquestes dècades els físics generalment no llegien articles de revistes de química, on ja es parlava dels nanotubs de carboni, i que per aquesta raó van ser "sorpresos" amb l'article de Iijima.

Però tot això no disminueix l'alta qualitat de la feina de Iijima de 1991. I la diferència d'opinions es manté.

Nomenclatura

- Nanotubs de carboni, o CNT (sigles de l'anglès Carbon nanotubes).

- Nanotubs de carboni de paret simple, o SWCNTs (sigles de l'anglès Single-Walled Carbon nanotubes).

- Nanotubs de carboni de paret múltiple, o MWCNTs (sigles de l'anglès Multi-Walled Carbon nanotubes).

estructura

estructura física

Els nanotubs de carboni són tubs o cilindres molt fins i petits l'estructura es pot veure només amb un microscopi electrònic. Consisteixen en una làmina de grafit (grafè) enrotllada en forma de tub.

Un nanotub de carboni és una làmina de grafit o grafè enrotllada: (a) imatge teòrica de làmina de grafit, (b) imatge teòrica de làmina enrotllada o nanotub de carboni. OpenStax. Font: Wikimedia Commons.

Són molècules cilíndriques buides compostes únicament per àtoms de carboni. Els àtoms de carboni estan disposats en forma de petits hexàgons (polígons de 6 costats) semblants a l'benzè i units entre si (anells benzènics condensats).

Dibuix d'un nanotub de carboni on es poden observar els petits hexàgons de 6 àtoms de carboni. User: Gmdm. Font: Wikimedia Commons.

Els tubs poden o no estar tapats en les seves obertures i poden ser extremadament llargs a l'comparar-se amb els seus diàmetres. Són equivalents a làmines de grafit (grafè) enrotllades en forma de tubs sense costures.

estructura química

Els CNT són estructures poliaromáticas. Els enllaços entre els àtoms de carboni són covalents (és a dir, no són iònics). Aquests enllaços estan dins d'un mateix pla i són molt forts.

La fortalesa dels enllaços C = C fa que els CNT siguin molt rígids i resistents. En altres paraules, les parets d'aquests tubs són molt forts.

Les unions fora de l'àmbit són molt febles, el que significa que no hi ha unions fortes entre un tub i un altre. No obstant això, són forces d'atracció que permeten la formació de manats o feixos de nanotubs.

Classificació segons el nombre de tubs

Els nanotubs de carboni es divideixen en dos grups: els nanotubs de paret simple, o SWCNT (sigles de l'anglès Single-Wall Carbon NanoTube), i els nanotubs de paret múltiple, o MWCNT (sigles de l'anglès Multi-Wall Carbon NanoTube).

Tipus de nanotubs: (1) imatge real de nanotub de paret múltiple, (2) dibuix de nanotub de paret simple, (3) dibuix de làmina de grafit o grafè. W2raphael. Font: Wikimedia Commons.

Els nanotubs de carboni de paret simple (SWCNT) estan constituïts per una sola làmina de grafè enrotllada formant un cilindre, on els vèrtexs dels hexàgons calcen perfectament per formar un tub sense costures.

Els nanotubs de carboni de paret múltiple (MWCNT) estan formats per cilindres concèntrics col·locats al voltant d'un centre buit comú, és a dir, dos o més cilindres buits col·locats uns dins dels altres.

Els nanotubs de paret múltiple estan formats per dos o més cilindres un dins d'un altre. Eric Wieser. Font: Wikimedia Commons.

Imatge real d'un nanotub de carboni de paret múltiple obtinguda amb un microscopi electrònic. Oxirane. Font: Wikimedia Commons.

Classificació segons la forma d'enrotllament

Depenent de la forma en què la làmina de grafè s'enrotlli, el disseny que formen els hexàgons en els CNT pot ser: en forma de butaca, en forma de ziga-zaga i en forma helicoïdal o quiral. I això influeix en les seves propietats.

Imatge real de nanotub de carboni helicoïdal o quiral. Taner Yildirim (The National Institute of Standards and Technology - NIST). Font: Wikimedia Commons.

propietats físiques

Els nanotubs de carboni són sòlids. S'uneixen per formar ramells, fas, manats o "cordes" de diverses desenes de nanotubs, enredades entre si formant una xarxa molt densa i complicada.

Imatge real de nanotubs de carboni obtinguda amb un microscopi electrònic. Es pot observar que formen manats que s'enreden entre si. Materialscientist at English Wikipedia. Font: Wikimedia Commons.

Posseeixen una força de tensió més gran que la de l'acer. Això vol dir que presenten una alta resistència a trencar-se quan es sotmeten a una tensió. En teoria poden ser centenars de vegades més forts que l'acer.

Són molt elàstics, es poden doblegar, torçar i plegar sense que es danyin i després tornar a la seva forma inicial. Són molt lleugers.

Són bons conductors de la calor i de l'electricitat. Es diu que posseeixen una conducta electrònica molt versàtil o que tenen una alta conductivitat electrònica.

Els tubs de CNT els hexàgons es disposen en forma de butaca tenen comportament metàl·lic o semblant a el dels metalls.

Aquells disposats en forma de ziga-zaga i helicoïdal poden ser metàl·lics i semiconductors.

propietats químiques

A causa de la força dels enllaços entre els seus àtoms de carboni dels CNT poden suportar molt altes temperatures (750 ° C a pressió atmosfèrica i 2800 ° C a l'buit).

Els finals dels nanotubs són químicament més reactius que la part cilíndrica. Si se sotmeten a oxidació s'oxiden primer els extrems. Si els tubs són tancats els extrems s'obren.

Quan es tracten amb àcid nítric HNO ₃ o àcid sulfúric H ₂ SO ₄ sota certes condicions els CNT poden formar grups tipus carboxílic -COOH o grups tipus quinona O = CC ₄ H ₄ -C = O.

Els CNT amb diàmetres menors són més reactius. Els nanotubs de carboni poden contenir àtoms o molècules d'altres espècies en els seus canals interns.

solubilitat

A causa de el fet que els CNT no tenen cap grup funcional en la seva superfície, aquesta és molt hidrofòbica, és a dir, és extremadament poc compatible amb l'aigua i no és soluble en aquesta ni en solvents orgànics no polars.

No obstant això, si es fan reaccionar amb alguns compostos els CNT es poden fer solubles. Per exemple amb àcid nítric HNO ₃ poden solubilitzar en alguns solvents tipus amida sota certes condicions.

propietats bioquímiques

Els nanotubs de carboni purs són bioincompatibles, el que significa que no són compatibles o afins amb la vida o teixits vius. Generen una resposta immune de l'organisme, ja que són considerats elements agressors.

Per aquesta raó els científics els modifiquen químicament de manera que siguin acceptats pels teixits de l'organisme i puguin ser utilitzats en aplicacions mèdiques.

Poden interaccionar amb macromolècules com les de les proteïnes i l'ADN, que és la proteïna que conforma els gens dels éssers vius.

obtenció

Els nanotubs de carboni s'obtenen partint de l'grafit mitjançant diverses tècniques com ara la vaporització mitjançant polsos de làser, les descàrregues d'arc elèctric i la deposició química de vapor.

També s'han obtingut a partir d'un corrent d'alta pressió de monòxid de carboni (CO) mitjançant creixement catalític en fase gasosa.

La presència de catalitzadors metàl·lics en alguns mètodes d'obtenció ajuda a l'alineació dels nanotubs de paret múltiple.

No obstant això, un nanotub de carboni no és una molècula que resulta sempre igual. Segons el mètode de preparació i les condicions s'obtenen amb diferent llarg, diàmetre, estructura, pes, i com a resultat presenten diferents propietats.

Aplicacions dels nanotubs de carboni

Les propietats dels CNT els fan adequats per a una gran varietat d'usos.

S'han utilitzat en materials estructurals per a electrònica, òptica, plàstics i altres productes de el camp de la nanotecnologia, de la indústria aeroespacial i de la producció automotriu.

Els nanotubs de carboni tenen molt diversos usos. Aquesta és una imatge real de nanotubs de carboni obtinguda amb un microscopi electrònic. Ilmar Kink. Font: Wikimedia Commons.

Composicions o barreges de materials amb CNT

Els CNT s'han combinat amb polímers per fer fibres i teles de polímers reforçats per alt acompliment. Per exemple s'han utilitzat per reforçar fibres de poliacrilonitril amb fins de defensa.

Les barreges de CNT amb polímers també poden dissenyar perquè posseeixin diferents propietats de conducció de l'electricitat. Milloren no només la força i rigidesa de l'polímer sinó que també afegeixen propietats de conductivitat elèctrica.

També es fabriquen fibres i teles de CNT amb resistències similars a la de l'alumini i acer a l'carboni, però que són molt més lleugeres que aquests. Amb aquestes fibres s'han dissenyat armadures corporals.

També s'han utilitzat per obtenir ceràmiques més resistents.

dispositius electrònics

Els nanotubs de carboni tenen un gran potencial en electrònica de buit, nanodispositius i emmagatzematge d'energia.

Els CNT poden funcionar com díodes, transistors i relés (dispositius electromagnètics que permeten obrir i tancar circuits elèctrics).

També poden emetre electrons a l'ésser sotmesos a un camp elèctric o si s'aplica un voltatge.

Sensors de gasos

La utilització de CNT en sensors de gasos permet que aquests siguin petits, compactes i lleugers i que es puguin combinar amb aplicacions electròniques.

La configuració electrònica dels CNT fa que els sensors siguin molt sensibles a quantitats extremadament petites de gasos i, a més, els CNT poden ser adaptats químicament per detectar gasos específics.

aplicacions mèdiques

A causa de la seva alta àrea superficial, excel·lent estabilitat química i estructura poliaromática rica en electrons els CNT poden adsorbir o conjugar-se amb una àmplia varietat de molècules terapèutiques, com medicaments, proteïnes, anticossos, enzims, vacunes, etc.

Han demostrat ser excel·lents vehicles per al transport i alliberament de fàrmacs, penetrant directament en les cèl·lules i mantenint intacte el medicament durant el seu transport per l'organisme.

Això últim permet disminuir la dosi de la medicina i la seva toxicitat, especialment de medicaments anticancerígens.

Els CNT han resultat útils en teràpies contra el càncer, infeccions, regeneració de teixits, malalties neurodegeneratives i com antioxidants.

També s'utilitzen en el diagnòstic de malalties, en certes anàlisis, com biosensors, separació de fàrmacs i extracció de compostos bioquímics.

S'estan emprant també en pròtesis ortopèdiques i com a material de suport per al creixement de teixit ossi.

altres aplicacions

També s'ha suggerit el seu ús com a materials per a les membranes de bateries i cel·les de combustible, ànodes per bateries d'ió liti, supercondensadors i filtres químics.

La seva alta conductivitat elèctrica i relativa inèrcia química els fa útils com elèctrodes en reaccions electroquímiques.

També poden adherir-se a partícules de reactants i per la seva gran àrea superficial poden funcionar com a suports per catalitzadors.

Tenen a més capacitat per emmagatzemar hidrogen, la qual cosa troba una gran utilitat en vehicles que funcionen amb aquest gas, ja que amb els CNT es podria transportar de manera segura.

Toxicitat dels nanotubs de carboni

Els estudis realitzats han revelat dificultats per avaluar la toxicitat dels CNT. Aquesta sembla dependre de característiques com a longitud, rigidesa, concentració i durada de l'exposició als CNT. També depèn de el mètode de producció i puresa dels CNT.

No obstant això, es recomana utilitzar equips de protecció durant la manipulació dels CNT ja que hi ha estudis que indiquen la seva semblança amb les fibres d'asbest i que la inhalació de la pols de CNT pot causar dany als pulmons.

Tècnic pesant mostres de nanotubs de carboni. Es poden observar els implements de protecció que utilitza. US National Institute for Occupational Safety and Health. Font: Wikimedia Commons.

Imatge real de com un nanotub de carboni travessa una cèl·lula d'un pulmó. Robert R. Mercer, Ann F. Hubbs, James F. Scabilloni, Liying Wang, Lori A. Battelli, Diane Schwegler-Berry, Vincent Castranova and Dale W. Porter / NIOSH. Font: Wikimedia Commons.

referències

1. Basu-Dutt, S. et al. (2012). Chemistry of Carbon nanotubes for Everyone. J. Chem. Educ. 2012, 89, 221-229. Recuperat de pubs.acs.org.
2. Monthioux, M. and Kuznetsov, VL (editors). (2006). Who should be given the credit for the discovery of carbon nanotubes? Carbon 44 (2006) 1621-1623. Recuperat de sciencedirect.com.
3. Eatemadi, A. et al. (2014). Carbon nanotubes: properties, synthesis, purification, and medical applications. Nanoscale Research Letters 2014, 9: 393. Recuperat de ncbi.nlm.nih.gov.
4. Sajid, MI et al. (2016) Carbon nanotubes from synthesis to in vivo Biomedical applications. International Journal of Pharmaceutics 501 (2016) 278-299. Recuperat de ncbi.nlm.nih.gov.
5. Ajayan, PM (1999). Nanotubes from Carbon. Chem. 1999, 99, 1787-1799. Recuperat de pubs.acs.org.
6. Niyogi, S. et al. (2002). Chemistry of Single-Walled Carbon nanotubes. Acc. Chem. Res. 2002, 35, 1105-1113. Recuperat de pubs.acs.org.
7. Awasthi, K. et al. (2005). Synthesis of Carbon nanotubes. J Nanosci Nanotechnol 2005; 5 (10): 1616-36. Recuperat de ncbi.nlm.nih.gov.
8. Grobert, N. (2007). Carbon nanotubes - becoming clean. Materialstoday Volume 10, Issues 1-2, pages 28-35. Recuperat de reader.elsevier.com.
9. He, H. et al. (2013). Carbon nanotubes: Applications in Pharmacy and Medicine. Biomed Res Int. 2013; 2013: 578290. Recuperat de ncbi.nlm.nih.gov.
10. Francis, AP and Devasena, T. (2018). Toxicity of carbon nanotubes: A review. Toxicologia and Industrial Health (2018) 34, 3. Recuperat de journals.sagepub.com.
11. Harik, VM (2017). Geometry of Carbon nanotubes and Mechanisms of Phagocytosis and Toxic Effects. Toxicol Lett 2017, 273: 69-85. Recuperat de ncbi.nlm.nih.gov.