Los nanotubos de carbono (NTC) son estructuras a escala nanométrica con un inmenso potencial para mejorar diversos materiales, pero las inconsistencias en sus propiedades químicas y eléctricas, su pureza, su coste y las preocupaciones sobre su posible toxicidad plantean desafíos constantes. Los NTC son un alótropo de carbono unidimensional formado por una red de carbono con hibridación sp2 en forma cilíndrica. Los NTC de pared simple son un tubo sencillo, mientras que los NTC de pared múltiple están anidados concéntricamente o enrollados como un pergamino (Figura 1).
Estos materiales a nanoescala presentan un elevado módulo de Young y resistencia a la tracción, y pueden tener propiedades eléctricas metálicas o semiconductoras. El control de su disposición atómica (quiralidad) afecta a su conductividad y, por ello, los investigadores han intentado comprender cómo utilizar los parámetros de síntesis para generar NTC con propiedades eléctricas predecibles. El desarrollo de diversas recetas basadas en la deposición química de vapor (CVD) en los últimos 20 años para sintetizar NTC ha mejorado esta situación.
Como hemos visto en nuestro análisis de la CAS Content Collection™, la mayor colección de información científica publicada curada por expertos del mundo, el aumento de la actividad de patentes indica un gran interés en las aplicaciones comerciales de los NTC (Figura 2).
Crecimiento de patentes en tecnologías de baterías
La resistencia y conductividad de los NTC los hacen útiles en materiales para baterías, donde proporcionan soporte mecánico durante los ciclos de carga y descarga, prolongando así la vida útil de la batería, a la vez que actúan como vías conductoras de electricidad. Nuestro análisis de las publicaciones relacionadas con los NTC reveló que las patentes hacen referencia a las baterías unas tres veces más a menudo que las publicaciones en revistas. (Figura 3)
Estas tendencias de publicación reflejan la viabilidad comercial de los NTC y su potencial para ser utilizados en un número creciente de aplicaciones de baterías para vehículos eléctricos y dispositivos inteligentes. Numerosas patentes de baterías provienen de China, Corea y EE. UU., probablemente impulsadas por las grandes industrias de electrónica de consumo y los fabricantes de vehículos eléctricos en estas regiones.
Las publicaciones sobre NTC abarcan varias químicas de baterías: las de iones de litio predominan, pero las publicaciones relacionadas con las baterías de iones de zinc han mostrado una tasa de crecimiento notablemente alta en los últimos años. En las baterías de iones de zinc, el papel de los NTC es formar estructuras de gran superficie, mecánicamente resistentes, flexibles y conductoras de electrones que sirven de soporte a otros materiales catódicos activos. Esto mejora la capacidad de tasa y la retención de capacidad tras ciclos repetidos.
La aparición de nanomateriales de MXeno también está despertando interés por su uso en electrodos de baterías. En esta aplicación, los CNT pueden utilizarse para controlar el espaciado entre las láminas de MXeno y evitar que se vuelvan a apilar, lo que mejora el transporte iónico. Las combinaciones de CNT y MXeno también pueden emplearse en supercondensadores para aplicaciones de almacenamiento de energía, aunque estas citas bibliográficas proceden principalmente de revistas científicas, lo que sugiere que aún no están listos para su comercialización a gran escala.
Crecimiento constante en las aplicaciones de compuestos
Desde su descubrimiento a principios de la década de 1990, las principales aplicaciones de los CNT han sido en materiales compuestos, donde aportan resistencia mecánica y una elevada conductividad térmica y eléctrica. Se encuentran en productos que van desde artículos deportivos hasta revestimientos industriales. Actualmente, las publicaciones sobre CNT citan su uso en hidrogeles, resinas epoxi y polímeros, incluido el polímero renovable y biodegradable ácido poliláctico (PLA). En algunos de estos casos, los CNT se utilizan para reforzar materiales frágiles y ayudarles a soportar aplicaciones mecánicamente exigentes. (Figura 6)
Otras citas destacadas incluyen la combinación de CNT con matrices poliméricas para el blindaje electromagnético. La gran cantidad de publicaciones, tanto en revistas como en patentes, relacionadas con los materiales compuestos demuestra la viabilidad de las innovaciones en compuestos de CNT en aplicaciones comerciales y experimentales.
Interés investigador en sensores y usos biomédicos
Dos campos en los que la investigación sobre CNT no ha alcanzado la comercialización a gran escala, pero que tienen un potencial significativo, son los sensores y los usos biomédicos, como la administración de fármacos. Los sensores constituyen la segunda aplicación más citada en las publicaciones científicas relacionadas con los CNT. Estos pueden utilizarse para habilitar tanto sensores químicos como mecánicos, como los empleados para medir la deformación o la presión en la detección del movimiento humano. Su resistencia, relación de aspecto, conductividad y capacidad de funcionalización química los hacen útiles para convertir y transmitir estos estímulos, lo que explica su potencial en estos dispositivos.
Nuestro análisis reveló que, aunque el 14% de las publicaciones científicas sobre CNT se refieren a sensores, solo el 7% de las patentes lo hacen. Es posible que, en esta etapa de su desarrollo, la fabricación de algunos sensores a escala de laboratorio requiera más mano de obra o materiales costosos de lo que sería comercialmente viable. Alternativamente, los sensores concebidos en laboratorio pueden ser pruebas de concepto o utilizar estímulos objetivo de menor interés comercial para su futuro desarrollo.
Del mismo modo, las aplicaciones biomédicas de los CNT representan el 9% de las publicaciones científicas, pero solo el 3% de las patentes. Los CNT se han utilizado como material de refuerzo para stents de administración de fármacos, material conductor en catéteres nerviosos y material antibacteriano y estructural para implantes óseos. Estas aplicaciones son prometedoras, pero los CNT pueden presentar toxicidad en función de su pureza, tamaño y forma. Por ello, se necesitan más ensayos clínicos para explorar a fondo sus usos biomédicos específicos antes de su comercialización.
Potencial para aplicaciones de remediación ambiental
La gran superficie y la capacidad de personalización química de los CNT los hacen ideales para la absorción y otros tipos de eliminación de contaminantes ambientales. También pueden modificarse y adaptarse mediante cocatalizadores para mejorar la reactividad con determinados contaminantes. Por ejemplo, una perovskita de óxido de lantano-gadolinio-hierro reforzada con CNT mostró una fotocatálisis mejorada en la degradación del rojo de fenol en comparación con una perovskita sin CNT.
Los CNT también pueden utilizarse como adsorbentes para el tratamiento de aguas residuales. Han eliminado con éxito la ciprofloxacina, un antibiótico difícil de eliminar que resulta perjudicial para los organismos acuáticos. Desde entonces, hemos observado un crecimiento significativo en las citas que comparan el rendimiento de los CNT y el biocarbón para la eliminación de contaminantes ambientales.
Los artículos científicos relacionados con los CNT y la remediación ambiental son mucho más numerosos que las patentes. Posibles explicaciones son que su coste los hace económicamente inviables para actividades de remediación, o que se necesita más investigación básica para mejorar su eficiencia.
Desafíos que superar en los CNT
Las aplicaciones de los CNT abarcan campos tan diversos como el almacenamiento de energía, los bienes duraderos, la electrónica, la remediación ambiental y los dispositivos biomédicos. Sus propiedades únicas los convierten en valiosas incorporaciones para una amplia gama de productos, pero la necesidad de precisión en estas aplicaciones complica su uso. Nuestro análisis indicó que ajustar los parámetros de síntesis para controlar el tamaño y la quiralidad sigue siendo un área de investigación activa. Dado que la quiralidad determina las propiedades eléctricas de los CNT, esta investigación puede conducir a métodos que superen algunos de estos desafíos.
La investigación adicional, especialmente los ensayos in vivo y clínicos, ayudará a los científicos a comprender mejor los riesgos de toxicidad en las aplicaciones biomédicas. Cuantos más CNT se generen, más comprenderán y controlarán los investigadores su pureza. Aumentar la producción también puede abordar los problemas de costes actuales, lo que podría impulsar el desarrollo de los CNT para soluciones de remediación ambiental y aplicaciones más sensibles a los costes.
Quedan importantes obstáculos de investigación, pero con una innovación continua, los CNT pueden alcanzar su amplio potencial comercial.
