Hace treinta años, los científicos lograron realizar la primera síntesis controlada de nanotubos de carbono de pared simple. Desde entonces, estos nanotubos se han incorporado a productos que van desde textiles y artículos deportivos hasta baterías y células solares. A medida que sus usos han aumentado, también lo ha hecho el interés por sus posibles aplicaciones.
Los investigadores buscan activamente aplicaciones nuevas e innovadoras para estos materiales debido a sus propiedades únicas. El éxito podría suponer avances cruciales en energía renovable, administración de fármacos y mucho más. Las posibilidades de los nanotubos de carbono son inmensas en muchos sectores.
¿Qué son los nanotubos de carbono de pared simple?
Los nanotubos de carbono de pared simple pueden considerarse como una única lámina de átomos de carbono, similar al grafeno, enrollada en forma de tubo. Suelen generarse en un horno de vacío donde un sustrato que contiene un catalizador interactúa con un precursor gaseoso que contiene carbono. Ese precursor reacciona con el sustrato catalítico, lo que provoca el crecimiento de los nanotubos en un proceso similar a la fabricación de películas en la industria de los semiconductores.
La publicación de una reacción controlada para fabricar nanotubos de carbono de pared simple siguió al descubrimiento de los nanotubos de carbono de pared múltiple en 1991. Los nanotubos de pared múltiple pueden presentar grandes variaciones en sus propiedades mecánicas y eléctricas, por lo que los científicos a menudo han optado por la variedad de pared simple para tener un mayor control sobre sus características. La innovación clave que permitió la síntesis de nanotubos de pared simple fue el uso de partículas catalizadoras en el proceso de deposición.
Los nanotubos de carbono presentan fuertes enlaces entre los átomos de carbono. Su resistencia a la tracción puede ser superior a la del acero, además de ser ligeros, conductores térmicos y capaces de rellenarse con otros materiales o combinarse con otros materiales a nanoescala para aprovechar sus propiedades.
Las propiedades eléctricas de los nanotubos de carbono de pared simple también son interesantes y dependen en gran medida de su estructura. Pueden ser totalmente conductores como un metal o semiconductores, dependiendo de su quiralidad, que es el grado de torsión en espiral a lo largo de su longitud. La quiralidad varía de un tubo a otro a medida que crecen sobre un sustrato y determina si un nanotubo individual es semiconductor o se comporta como un metal.
Aplicaciones de los nanotubos de carbono de pared simple hasta la fecha
Estas propiedades únicas, como su gran resistencia y bajo peso, hacen que los nanotubos de carbono de pared simple sean adiciones importantes para los materiales compuestos. Se utilizan habitualmente en chalecos antibalas, artículos deportivos como raquetas de tenis y bicicletas, y bienes duraderos como barcos y yates.
Las propiedades eléctricas de los nanotubos de carbono también han abierto posibilidades importantes y ya se utilizan en productos electrónicos de consumo masivo, como las baterías de iones de litio para vehículos eléctricos. Un estudio reciente demostró que los nanotubos de carbono mejoraban la capacidad de potencia y la vida útil de los electrodos en ese tipo de baterías. Gracias a su resistencia, los nanotubos de carbono también ayudan a que el electrodo de la batería soporte mejor las tensiones mecánicas asociadas a los ciclos de carga/descarga y a la flexión.
Oportunidades para la innovación
El almacenamiento de energía basado en baterías y las energías renovables son solo dos de las muchas aplicaciones potenciales de los nanotubos de carbono de pared simple. Un análisis de la CAS Content Collection™ mediante procesamiento de lenguaje natural se publicó recientemente en ACS Nano y revela varias tendencias y conexiones interesantes.
Algunas aplicaciones aparecen con mayor frecuencia en patentes que en publicaciones científicas, especialmente las baterías, la imagenología y el blindaje electromagnético. Esto sugiere que estas aplicaciones se consideran con mayor potencial comercial. El crecimiento en la adopción de vehículos eléctricos y la consiguiente demanda de baterías de iones de litio en los últimos años se corresponde con el número significativo de menciones de nanotubos de carbono de pared simple en las solicitudes de patentes de baterías.
Otros campos están experimentando una mayor actividad en la investigación académica. La fotónica y las células solares, por ejemplo, son áreas de investigación activas, y el almacenamiento de hidrógeno es un campo de estudio pequeño pero en crecimiento. Esto se debe a que la gran superficie de los nanotubos les permite adsorber eficazmente el gas hidrógeno, lo que puede superar los desafíos históricos de su almacenamiento. Añadir nanopartículas a la superficie de los nanotubos puede impulsar más reacciones con el hidrógeno para aumentar aún más la capacidad de absorción de los nanotubos.
Las aplicaciones biomédicas, como la administración de fármacos, aunque muy distintas de otros usos de los nanotubos de carbono de pared simple, son fundamentales para los investigadores, ya que estas moléculas podrían desempeñar un papel clave en la medicina personalizada. Los electrodos implantables, que aprovecharían la conductividad mejorada de los nanotubos, representan otra innovación potencial en el ámbito biomédico, a medida que la neurotecnología implantable y vestible se convierte en una realidad.
Aunque estas aplicaciones requieren más investigación y demostraciones de seguridad, eficacia y consistencia, demuestran que los nanotubos de carbono de pared simple ofrecen un inmenso abanico de posibilidades científicas.
Gran potencial para las nanotecnologías
En los últimos 30 años, los nanotubos de carbono de pared simple han pasado de ser objeto de estudios de laboratorio fundamentales a convertirse en innovaciones comercializadas en numerosos sectores. Actualmente, están llamados a ser determinantes en la transición energética, la evolución de los vehículos eléctricos e incluso la medicina personalizada.
Los nanotubos, junto con otros nanomateriales emergentes, seguirán transformando el futuro. Desde alternativas sostenibles de biomateriales hasta nuevas aplicaciones como la impresión 3D en el campo de la biomedicina, este rápido ritmo de innovación seguirá acelerándose en los próximos años.
