El nanomundo en tus manos
4. Nuevos materiales para una nueva revolución tecnológica
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NUEVOS MATERIALES PARA UNA NUEVA REVOLUCIÓN TECNOLÓGICA
Ocurre, pues, que cada elemento le dice algo a cada uno (a cada cual una cosa diferente), igual que pasa con los valles o las playas visitados durante la juventud. Y sin embargo, tal vez convenga hacer una excepción con el carbono, porque a todos se lo dice todo. Quiere decirse que no es específico, de la misma manera que Adán no es específico como antepasado, a no ser que aparezca hoy (¿y por qué no?) el químico-estilista que haya dedicado su vida entera al grafito o al diamante. Y sin embargo, precisamente con el carbono tengo una vieja deuda, contraída en días decisivos para mí. Al carbono, elemento de la vida, se refería mi primer sueño literario, insistentemente soñado en un momento y un lugar en los cuales nadie hubiera dado mucho por mi vida. Mire usted por dónde, quiero contar la historia de un átomo de carbono.
¿Es lícito hablar de «un cierto» átomo de carbono? El químico podría ponerlo un poco en duda, porque hasta nuestros días (1970) no se conocen técnicas que permitan ver, y por lo tanto aislar, a un átomo solo. Para el narrador, en cambio, no existe la menor duda, y por eso se dispone a narrar.
Verdaderamente el carbono es un elemento peculiar. Es el único que sabe aliarse consigo mismo en largas cadenas estables sin gran despilfarro de energía; y en la vida sobre la tierra (la única que conocemos por ahora) se dan precisamente largas series de cadenas. Por eso el carbono es el elemento clave de la sustancia viviente; pero su promoción, su ingreso en el mundo vivo, no es fácil, y tiene que seguir un camino obligatorio, intrincado, solamente esclarecido (y aún no definitivamente) en estos últimos años.
PRIMO LEVI, El sistema periódico, El Aleph Ediciones, Barcelona 2004
4.1. Los materiales para el siglo XXI
El avance producido en el ámbito tecnológico a lo largo de los siglos ha ido acompañado por el desarrollo de diferentes materiales que, a su vez, han potenciado innovaciones aplicables al campo de la construcción, de la medicina o de las comunicaciones. Así, actualmente nos encontramos rodeados de objetos fabricados a partir de materiales (como el acero, el plástico o las fibras sintéticas) que no existen en la naturaleza, sino que han sido creados por el hombre en algún momento de la historia para responder a la necesidad de mejorar su bienestar. Hoy en día, gracias a la nanotecnología, estamos inmersos en lo que puede considerarse una nueva revolución tecnológica y, por tanto, cabe preguntarse qué tipo de nuevos materiales se están desarrollando, a qué posibles aplicaciones darán lugar y cómo esto cambiará nuestra vida cotidiana.
El término «nuevos materiales», aunque es intrínsecamente ambiguo pues varía en el tiempo, se utiliza para hacer referencia a una serie de materiales descubiertos recientemente o que incluso se encuentran en proceso de desarrollo, a los que se están dedicando numerosas investigaciones científicas por la gran potencialidad que presentan sus aplicaciones. Muchos de los nuevos materiales que se están desarrollando en el marco de la nanotecnología suponen combinaciones de materiales básicos que todos conocemos, como los metales, los polímeros o las cerámicas. De esta manera se aprovechan las características de unos y otros para dar lugar a un producto final con propiedades nuevas y mejoradas respecto a sus componentes. En estos casos, es decir, cuando un material se obtiene a partir de combinaciones de diferentes materiales, nos encontramos ante un material compuesto. Si además los materiales de partida incluyen estructuras nanométricas, al producto resultante se le denomina nanocompuesto (o nanocomposite, vocablo inglés con el que se conoce en el mundo tecnológico).
Uno de los retos en el desarrollo de nuevos materiales radica en lograr dotarlos de unas propiedades específicas y adecuadas para la aplicación o función concreta en la que se quieran utilizar. Por eso, muchos de estos materiales de nuevo cuño se denominan materiales funcionales. Si el material creado es además capaz de responder de una determinada manera ante estímulos externos, estaríamos ante un material «inteligente» que se comportaría de una manera u otra dependiendo del entorno.
Pongamos un ejemplo para aclarar estas diversas denominaciones con las que pueden designarse los nuevos materiales que se están diseñando y utilizando en el marco de la nanotecnología. Imaginemos que quisiésemos fabricar un músculo artificial que fuese capaz de retorcerse con una flexibilidad parecida a los tentáculos de un pulpo y mover objetos mucho más pesados que él; todo ello por la simple aplicación de un voltaje. Es evidente que para lograrlo necesitaríamos crear previamente un material que fuese elástico, ligero, resistente, y capaz de realizar movimientos de torsión al recibir impulsos eléctricos. Es decir, necesitaríamos que presentase unas propiedades nuevas y mejoradas que fuesen una combinación de las de varios materiales convencionales (como la elasticidad de una goma, la ligereza de la espuma o la resistencia del acero). Esto podría lograrse fabricando un material compuesto, es decir, tomando como punto de partida otros ya conocidos que posean las propiedades que buscamos. El material compuesto así diseñado sería además funcional, pues, gracias a sus nuevas propiedades, podría realizar unas determinadas tareas o funciones (aquellas propias de un músculo). Y finalmente, puesto que además es capaz de reaccionar (realizando movimientos de torsión) frente a un estímulo externo (la aplicación de un voltaje), podríamos decir que hemos creado un material inteligente. La fabricación de este hipotético músculo artificial supondría, por tanto, el desarrollo de un nuevo material que es a la vez compuesto, funcional e inteligente.
Por último, entre los nuevos materiales que se están desarrollando actualmente destacan, por la gran importancia que presentan, los nanomateriales. Con este término se designa a aquellos materiales que tienen, al menos, una de sus dimensiones de tamaño nanométrico; constituyendo su síntesis o fabricación una de las ramas más activas de la nanotecnología. Como ya comentamos en el Capítulo 2, las propiedades de un mismo material varían según va disminuyendo el tamaño, pues cada vez se ve más afectado por el aumento de la relación superficie/volumen y por los efectos cuánticos. Por tanto, al fabricar un nuevo material de dimensiones nanométricas formado, por ejemplo, de carbono, éste presentará propiedades nuevas respecto a las que presenta en su forma macroscópica. Si en esta búsqueda de la mejora de sus propiedades se obtuviese un nanomaterial con mayor dureza, resistencia o elasticidad podría aprovecharse para mejorar las prestaciones de los materiales de construcción, generando aplicaciones que hasta hace poco habrían sido inimaginables. Es decir, el control de las propiedades de un nanomaterial gracias al control sobre el tamaño y la forma de sus componentes permite ajustar o «sintonizar» dichas propiedades en un intervalo mayor de valores, proporcionando una mayor versatilidad al material.
¿Sería posible, por ejemplo, descolgar un cable desde un satélite hasta la superficie de la Tierra de manera que sirviese de base para montar un ascensor, como el que puede verse en la Figura 4.1, que permitiese viajar entre el ecuador terrestre y el espacio? Para lograrlo sería esencial, entre otras muchas cosas, disponer de un material con las propiedades precisas para ser utilizado como cable: ligero y a la vez muy resistente pues debe ser capaz de aguantar su propio peso al desplegarse los miles de kilómetros que separan la superficie terrestre de un satélite o estación espacial en órbita geoestacionaria.
La lista de preguntas que se nos pueden ocurrir es interminable, pues basta con dejar libre nuestra imaginación y pensar en todas aquellas aplicaciones con las que hemos podido soñar en un momento dado. ¿Se podrían fabricar pinturas que presenten protección antigrafitti? ¿O materiales cerámicos para bañeras e inodoros con una superficie completamente lisa a escala nanométrica de manera que se mantenga limpia y reluciente con una sola pasada de agua? ¿O un tratamiento para la superficie del papel que lo vuelva impermeable frente a los líquidos pero que permita imprimir sobre él? ¿O recubrimientos que vuelvan invisible un objeto? ¿O ropa que no se manche? Para poder responder a estas preguntas, vamos a explorar algunas de las líneas de investigación actuales que nos permitirán, a su vez, adentrarnos en el fascinante mundo de los nanomateriales que, o bien ya se utilizan, o muy probablemente se utilizarán en el futuro.
FIGURA 4.1. Imagen de un ascensor espacial diseñada por el artista Pat Rawlings para la NASA (http://science1.nasa.gov/science-news/science-atnasa/2000/ast07sep_1/).
4.2. Formas tradicionales de carbono: diamante y grafito
Aunque la visión de la tabla periódica no siempre nos trae recuerdos agradables, pues nos acordamos de cuando nos tocó estudiarla para tal o cual examen de química, es indudable que a cada uno de nosotros, como le ocurría a P. Levi, nos surgen diversas ideas cuando pensamos en los elementos que la componen. El mercurio nos evoca los termómetros con los que nos medían la temperatura durante las largas tardes febriles. El silicio, uno de los elementos más abundantes en la corteza terrestre, nos recuerda inmediatamente la gran revolución tecnológica producida en el siglo XX que supuso el nacimiento de la microelectrónica. En el caso del carbono, su asociación a la materia orgánica es inmediata.
El carbono es uno de los átomos más prolíficos que se conocen, pues al combinarse consigo mismo y con otros pocos elementos, como el hidrógeno o el oxígeno, da lugar a varios millones de compuestos. A pesar de la enorme importancia del átomo de carbono en la constitución de la materia orgánica y el papel fundamental que desempeña en los procesos bioquímicos, en el presente capítulo nos ocuparemos de él desde una vertiente distinta. Y es que el átomo de carbono aparece como el protagonista fundamental de una serie de nuevos materiales que presentan unas propiedades químicas y físicas muy adecuadas para hacer de ellos la base de innovadores desarrollos tecnológicos. Aunque, antes de comenzar a describirlos, haremos una breve parada para reflexionar sobre la estructura de dos materiales de carbono, menos novedosos, pero que todos conocemos: el grafito y el diamante.
A pesar de que ambos están constituidos por átomos de carbono, resulta evidente la enorme diferencia que existe, tanto en sus propiedades como en su precio, entre la mina de un lápiz (formada por grafito) y un diamante engarzado en una sortija. Si queremos comprender por qué estos dos materiales presentan propiedades tan distintas, debemos recurrir no a su composición (átomos de carbono), sino a la forma en que estos átomos se encuentran unidos entre sí.
Para comenzar es necesario recordar que los átomos se enlazan unos con otros a través de sus electrones exteriores. En el caso del carbono, los electrones exteriores son cuatro y pueden disponerse en el espacio de diferentes maneras. En la Figura 4.2.A puede verse cómo cada átomo de carbono en el grafito se enlaza muy fuertemente con otros tres átomos de carbono, formando una malla de aspecto hexagonal (como un panal de abeja). Estos átomos que se encuentran en un mismo plano están muy fuertemente unidos entre sí mediante enlaces covalentes. Sin embargo, los átomos de carbono pertenecientes a planos distintos están unidos mediante un tipo de fuerzas, denominadas de Van der Waals, que son mucho más débiles que los enlaces covalentes. Esta particular estructura, caracterizada por fuertes enlaces dentro de una lámina, pero débiles entre láminas sucesivas, permite explicar las propiedades físicas del grafito. Así, el grafito es un buen conductor de la electricidad en el plano donde los átomos forman hexágonos y muy malo en la dirección perpendicular a éstos. De manera análoga, también presenta una dureza elevada en ese plano pero mucho menor en la dirección perpendicular y por tanto es muy fácil separarlo en láminas (exfoliarlo). Por ese motivo, cuando hacemos un dibujo a lápiz, pequeños fragmentos formados por las láminas más exteriores de la mina se separan, quedando depositadas sobre el papel; aunque como la unión con éste es débil, se puede borrar fácilmente el dibujo arrastrando las láminas con una goma.
En el caso del diamante, los electrones responsables de que cada átomo de carbono forme un enlace con otros se orientan hacia los vértices de un tetraedro dando lugar a la red que puede verse en la Figura 4.2.B. En este caso todos los átomos se encuentran unidos entre sí mediante enlaces covalentes que, como ya hemos mencionado, presentan una gran fortaleza. Esto hace que las propiedades del diamante sean muy distintas a las del grafito aunque ambos se encuentren formados por el mismo tipo de átomos. Así, por ejemplo, el diamante presenta un punto de fusión y una dureza superiores a los del grafito, y además no conduce la electricidad.
FIGURA 4.2. Disposición de los átomos de carbono en A) el grafito y B) el diamante.
El grafito, junto con el diamante, fueron las dos principales formas alotrópicas del carbono (los mismos átomos pero colocados de diferente manera) conocidas hasta 1980. A partir de ese momento, comenzaron a descubrirse una serie de nanomateriales de carbono que han supuesto una verdadera revolución en el mundo de la nanotecnología.
4.3. Nuevos materiales de carbono: grafeno, nanotubos de carbono y fullerenos
En la novela de ciencia ficción de Edwin Abbott publicada en el siglo XIX y titulada Planilandia. Una novela de muchas dimensiones, un punto, una línea, un cuadrado y una esfera sirven de pretexto al autor para reflexionar acerca de la existencia de distintas dimensiones así como para realizar una crítica de la jerarquía social existente en la época. El protagonista, Cuadrado, habita en un mundo bidimensional (2D) denominado Planilandia. Una noche tiene un sueño en el que visita el mundo unidimensional (1D), Linealandia, e intenta convencer sin éxito al monarca de este reino de la existencia de una segunda dimensión. Cuando días más tarde, Cuadrado recibe la visita de un habitante del mundo tridimensional (3D), llamado Esfera, al igual que le ocurrió a Línea, se muestra reticente a aceptar la existencia de una dimensión superior a la conocida por él. Sin embargo, tras una larga conversación y diversas peripecias, Esfera logra convencerle de que el Universo no se reduce a Planilandia, como él creía, sino que existe una tercera dimensión, lo que a Cuadrado le lleva a pensar que si esto es posible, quizá también lo sería la existencia de una cuarta e incluso una quinta dimensión. Una vez abierta su mente a estas posibilidades, Cuadrado no puede sino sentirse compadecido cuando, junto con Esfera, realiza una visita a Puntilandia, donde el único habitante es un punto, que lo ocupa todo y se encuentra muy satisfecho de sí mismo pues él constituye todo el Universo conocido. Cuando, finalmente, Cuadrado intenta convencer al resto de habitantes de Planilandia de la existencia de otras dimensiones, es encerrado en la prisión acusado de arremeter contra el orden establecido en el mundo bidimensional.
Como bien acaba aprendiendo Cuadrado después de múltiples aventuras, el número de dimensiones es importante ya que las propiedades de los diversos objetos dependen de ellas. También son conscientes de ello tres nanomateriales, recientemente descubiertos, formados exclusivamente por átomos de carbono: el grafeno (2D), los nanotubos de carbono (1D) y los fullerenos (0D), en los que la nomenclatura utilizada indica el número de dimensiones del nanomaterial que se encuentra por encima de la nanoescala, es decir, que son superiores a 100 nm. Estos tres nanomateriales, que habitarían en Planilandia, Linealandia y Puntilandia, respectivamente, se encuentran íntimamente relacionados con un material que acabamos de describir, el grafito (3D).
FIGURA 4.3. Estructura de grafeno y cómo a partir de él se podrían generar fullerenos, nanotubos de carbono (si una lámina se enrolla sobre sí misma) o grafito (si se apilan varias láminas). Reproducido con permiso de Macmillan Publishers Ltd: Nature Materials, n.º 6, n.º 183-191. Copyright 2007.
La estructura de todos ellos puede verse en la Figura 4.3. que será comentada a continuación, según vayamos describiendo cada nanomaterial. Aunque los fullerenos fueron descubiertos experimentalmente (1985) antes que los nanotubos de carbono (1991) y éstos que el grafeno (2004), aquí los mostraremos en el orden inverso para facilitar la comprensión.
El Grafeno. En el escenario descrito en Planilandia, el grafito pertenecería al mundo tridimensional, pero a él, al contrario de lo que le sucede a Esfera, le resultaría mucho más fácil realizar una visita al mundo bidimensional. Así, si se pega una tira de cinta adhesiva sobre el grafito y se levanta posteriormente se consigue separar las láminas o planos atómicos hexagonales descritos anteriormente. A un único plano atómico de grafito así obtenido se le denomina grafeno, y es el material más fino existente pues realmente su espesor coincide con el de un solo átomo (Figura 4.3).
En la Figura 4.4.A se muestra una imagen obtenida mediante microscopía de fuerzas atómicas (AFM) de varias láminas de grafeno que han sido depositadas sobre una superficie de silicio. Si en lugar de utilizar la técnica de AFM, obtenemos una imagen mediante microscopía de efecto túnel (STM), que como ya se ha comentado en el Capítulo 3 permite alcanzar resolución atómica, observaremos claramente cómo los átomos de carbono que forman la lámina de grafeno presentan una disposición hexagonal (Figura 4.4.B).
Hasta el momento en que el grafeno fue aislado experimentalmente, lo cual sucedió en el año 2004, no se conocía realmente ningún material autosoportado cuyo espesor fuese monoatómico, pues aunque algunos materiales semiconductores se consideraban sistemas bidimensionales realmente no lo eran, pues, o bien tenían un espesor finito correspondiente a un número pequeño de capas atómicas o, en el caso de estar formados por una única capa, ésta estaba tan fuertemente unida al sustrato que era imposible separarla.
FIGURA 4.4. Láminas de grafeno. A) Imagen de 1.7 × 1.7 μm2 obtenida con un microscopio de AFM y B) imagen de 5 × 5 nm2 obtenida con un microscopio de STM. Gentileza del Dr. Luis Vázquez y del grupo ESISNA (ICMM-CSIC), respectivamente.
Además de su peculiar estructura, las propiedades que presenta el grafeno son fascinantes, destacando los elevados valores de movilidad electrónica, dureza, flexibilidad, transparencia o estabilidad química. Para hacernos una idea de lo inusual de sus propiedades basta realizar una simple comparación con materiales que todos conocemos: su resistencia es mayor que la del acero, su conductividad eléctrica es superior a la del cobre y su flexibilidad similar a la del caucho. Un ejemplo de lo que estas propiedades podrían aportar en una aplicación sencilla como, por ejemplo, la fabricación de una hamaca fue dada por A. Geim y K. Novoselov durante el discurso de entrega del Premio Nobel. Si fuese factible construir una hamaca de un metro cuadrado de grafeno, ésta sería capaz de soportar el peso de un gato, con la particularidad de que sería transparente y pesaría menos, no sólo que el propio gato, sino que uno de sus bigotes.
No es, pues, de extrañar que el haber logrado aislar un material realmente bidimensional y poseedor de unas excelentes propiedades haya interesado mucho a científicos de todo el mundo, pero una vez pasada la excitación inicial es necesario dar respuesta a preguntas más prosaicas, por ejemplo, cómo sintetizar grafeno en grandes cantidades y a un precio reducido, cómo manejar una sola capa de átomos o qué nuevas aplicaciones se pueden llegar a generar a partir de este material.
La síntesis de grafeno, hoy por hoy, puede llevarse a cabo mediante diversos métodos. Uno de los más sencillos consiste en exfoliar grafito, es decir, separar láminas de su estructura mediante la utilización de cinta adhesiva. Sin embargo, a la hora de obtener grafeno en grandes cantidades, de una manera rápida y a precios competitivos, queda claro que esta manera tan «artesanal» no es la más adecuada. Una posibilidad muy utilizada en muchos laboratorios es llevar a cabo una síntesis química basada en oxidar previamente el grafito mediante la utilización de los reactivos adecuados y someterlo después a «sonicación», es decir hacerlo vibrar por la aplicación de ultrasonidos. En el grafito oxidado, la presencia de grupos oxigenados hace aumentar la distancia entre las láminas que lo forman, facilitando que éstas se separen completamente. De esta manera se obtienen láminas de grafeno que contienen grupos oxigenados en su estructura, siendo estos grupos eliminados habitualmente mediante reacción con compuestos reductores, como por ejemplo la hidracina. Sin embargo, estos compuestos suelen ser tóxicos, lo que ha motivado que se investigue en la implementación de alternativas «verdes» que sean más sostenibles. Un ejemplo de una de ellas consiste en eliminar los grupos oxigenados, no mediante el empleo de agentes reductores, sino mediante métodos electroquímicos, ganando en rapidez y disminuyendo la cantidad de residuos tóxicos. Otras metodologías totalmente distintas a la descritas, que también son muy utilizadas para la obtención de grafeno «barato» y en grandes cantidades, son las derivadas de la deposición química de vapor (CVD, del inglés Chemical Vapor Deposition). Como se describió en el capítulo anterior, en este método se descomponen las moléculas de un gas que contiene carbono sobre una superficie metálica de manera que los átomos de carbono liberados se reorganicen sobre la superficie. Los métodos anteriormente comentados permiten obtener láminas de grafeno de diferente calidad y de diferente tamaño, siendo más adecuados unos u otros dependiendo de la aplicación a la que vaya a destinarse el nanomaterial. Una vez sintetizadas las láminas de grafeno, el verdadero reto es ser capaz de manipularlas sin romperlas ni alterarlas, de manera que conserven sus propiedades características y puedan ser utilizadas en diversas aplicaciones.
Las posibles aplicaciones del grafeno, derivadas de sus propiedades electrónicas, ópticas, térmicas y mecánicas, se encuadran en campos tan variados como el de la biomedicina, la catálisis, la conversión y almacenamiento de energía, el desarrollo de sensores o la electrónica. Aunque no hay que olvidar que, puesto que de los tres nanomateriales de carbono mencionados, el grafeno ha sido el último que ha podido ser manipulado experimentalmente, sus aplicaciones se encuentran en una fase menos avanzada que las de, por ejemplo, los nanotubos de carbono. Sin embargo, en la actualidad existen importantes iniciativas dirigidas a potenciar la investigación en este campo que hacen prever que el avance en los próximos años va a ser espectacular.
Hoy por hoy el grafeno está siendo utilizado, por ejemplo, para el desarrollo de pantallas táctiles de grandes dimensiones o como refuerzo de ciertas estructuras en la industria aeronáutica. En concreto, en el campo de la electrónica, aparece como un candidato ideal para sustituir al silicio en futuros dispositivos electrónicos debido a la altísima movilidad electrónica y baja resistencia eléctrica que presenta. En este sentido se vaticina que quizá el reemplazo del silicio por el grafeno podría producirse en relativamente pocos años, pues los avances no dejan de sucederse. En el apartado 5.7, donde se describe el estado actual de la nanoelectrónica sin silicio, se profundiza sobre este tema. Por otro lado, la importante aplicación que está encontrando el grafeno en el desarrollo de sensores, como una forma de mejorar las prestaciones de éstos, será comentada en el apartado 6.4.
La gran importancia que este nanomaterial puede tener para la sociedad se refleja en el hecho de que, en el año 2012, la Comisión Europea, a través de la iniciativa denominada FET FlagShip, ha destinado mil millones de euros a un proyecto de investigación, (una cantidad sin precedentes para este tipo de iniciativas), que pretende abarcar el estudio del grafeno en su globalidad, incluyendo aspectos tanto de investigación básica como de desarrollo aplicado.
En este proyecto participarán, en principio, 126 grupos académicos e industriales, pertenecientes a 17 países europeos entre los que se encuentra España, lo que supone una propuesta para realizar un trabajo de investigación conjunto y coordinado de ámbito europeo sin precedentes.
Los nanotubos de carbono. Siguiendo con nuestro paseo por el mundo de Planilandia, pasaremos ahora del mundo bidimensional del grafeno al mundo unidimensional de los nanotubos de carbono. Como puede verse en la Figura 4.3, para lograrlo basta con enrollar las láminas de grafeno sobre sí mismas, como si se tratase de un póster, hasta obtener unas estructuras prácticamente unidimensionales (de unos pocos nanómetros de diámetro y varios micrómetros de longitud), denominadas nanotubos de carbono de pared sencilla. Si en lugar de una única lámina de grafeno, lo que tenemos son varias láminas enrolladas sobre sí mismas e introducidas unas dentro de otras a la manera de las muñecas rusas, nos encontramos ante un nanotubo de pared múltiple. Además, dependiendo de la orientación con que se enrolle la lámina de grafeno, se generan tres tipos de nanotubos de carbono diferentes (con estructura tipo brazo de silla, zigzag y quiral), los cuales difieren en las propiedades que presentan. Esta estrategia de enrollamiento de una lámina de grafeno es válida para visualizar y comprender la estructura de un nanotubo de carbono, pero no se utiliza como forma de fabricación. De hecho, el primer método de fabricación utilizado se remonta a la Prehistoria, donde los hombres generaban, aunque sin ser conscientes de ello, nanotubos de carbono en las hogueras que utilizaban para calentarse. Resulta curioso pensar que estructuras que han acompañado al hombre desde la época en que éste logró dominar el fuego, no hayan sido observadas experimentalmente hasta el siglo XX. En concreto, se descubrieron en 1991 cuando un investigador japonés, S. Iijima, se encontraba estudiando el depósito de carbono que se obtiene al vaporizar grafito mediante descarga en arco eléctrico. Al realizar el análisis del depósito encontró unos filamentos, de unos pocos nanómetros de diámetro y algunas micras de longitud, que resultaron ser mucho más relevantes de lo que a simple vista parecían, es decir, un desecho pulverizado de carbono.
Hoy en día se sabe que aunque el hollín producido como consecuencia de una combustión contenga nanotubos de carbono, éste no es un método de producción que permita controlar sus características finales, ya que se obtienen estructuras de diferentes longitudes, diámetros y con muchos defectos. Para lograr una síntesis química controlada, los principales métodos que se utilizan actualmente son la deposición química en fase de vapor, la vaporización por láser o la descarga con arcos de carbono. Este último método consiste en provocar una descarga eléctrica entre dos barras de grafito separadas por pocos milímetros. Como consecuencia del aporte energético se evaporan átomos de carbono que, al volver a condensarse, se unen formando nanotubos. En el método de vaporización por láser la idea de partida es la misma, pero en lugar de utilizar una descarga eléctrica para generar los átomos de carbono, se usa un láser de alta potencia que se hace incidir sobre el grafito. Debido a las elevadas temperaturas que se alcanzan en estos dos métodos (que pueden llegar a ser de más de 3000 °C), los nanotubos generados presentan pocos defectos en su estructura; aunque, por otro lado, la cantidad de energía requerida para llevar a cabo el proceso es muy grande y el equipo necesario, en el caso de utilizar el láser de alta potencia, costoso. Un método alternativo, en el que se alcanzan menores temperaturas y que permite la producción a escala industrial, es la deposición química en fase de vapor (CVD). En este caso, en lugar de barras de grafito, se utiliza un gas que contiene átomos de carbono enlazados a átomos de hidrógeno (por ejemplo, metano, CH4) y se introduce en un horno calentado a altas temperaturas (del orden de 1200 °C) que contiene una película fina de un catalizador. Al igual que ocurría en los dos métodos anteriores, como consecuencia del aporte energético (calor), se liberarán átomos de carbono que al recombinarse originarán nanotubos. En este caso el número de defectos estructurales es mayor, pero en contrapartida es un método sencillo, que permite un buen control tanto del diámetro del nanotubo resultante como de su ordenamiento sobre una superficie (por ejemplo, se pueden alinear verticalmente). Dependiendo de qué tipo de nanotubos de carbono se quieran sintetizar (pared única o pared múltiple, con muchos o pocos defectos, largos o cortos, con mayor o menor pureza) se elegirá un método u otro.
La importancia de los nanotubos de carbono radica en las propiedades que presentan. Así, por ejemplo, dependiendo del tipo de nanotubo, éstos poseen diferentes propiedades eléctricas, pudiendo presentar características metálicas o semiconductoras. Y en el caso de ser metálicos, su conductividad es tan alta que son capaces de conducir millones de amperios por centímetro cuadrado. Para hacernos una idea de lo que esto significa, basta pensar que los hilos de cobre usualmente utilizados para transportar la corriente eléctrica se fundirían ante un paso de corriente tan elevado. Esta elevadísima conductividad eléctrica va acompañada de una alta conductividad térmica, es decir, son muy buenos conductores del calor, tal vez de los mejores conocidos hasta hoy.
Estas interesantes propiedades eléctricas y térmicas van acompañadas de otras no menos sorprendentes propiedades mecánicas. Como consecuencia directa de su estructura, formada por átomos ligeros pero unidos entre sí por fuertes enlaces covalentes, este material es unas seis veces menos denso que el acero, pero cien veces más resistente (es decir, presenta una oposición a separarse en dos partes cien veces mayor que un hilo de acero del mismo diámetro). Los nanotubos de carbono tienen también asociada una alta elasticidad, presentando, al igual que un junco que crece junto al río y es azotado por el viento, una gran capacidad para doblarse sin romperse, manteniendo inalterada su estructura interna al recuperar su posición inicial.
Como consecuencia de las propiedades mencionadas, podemos imaginar diversas aplicaciones. Por ejemplo, su utilización como sustitutos de los cables metálicos que sirven de conectores en diversos dispositivos. Si se intenta reducir el diámetro de un hilo de cobre, aumenta la resistencia al paso de corriente y, por tanto, se genera una gran cantidad de calor que puede llegar incluso a fundir el cable. Si en su lugar se utilizara un nanotubo de carbono se conseguiría no sólo evitar el calentamiento, sino también reducir el diámetro del conector hasta el nanómetro, permitiendo la obtención de dispositivos de tamaño mucho menor. Los nanotubos de carbono permitirán unir el mundo de la electricidad (en el que es necesaria potencia y grandes corrientes eléctricas) con el de la electrónica (pequeños voltajes y pequeñas corrientes).
Los nanotubos de carbono también podrían ayudar en un futuro a resolver el problema de la producción y el almacenamiento de energía, el cual constituye uno de los grandes retos sociales. Así, se está estudiando su uso para almacenar, por ejemplo, hidrógeno, y desarrollar células de combustible (es decir, fuentes de energía eléctrica) o para almacenar litio y desarrollar baterías más pequeñas. El papel de los nanotubos de carbono como catalizadores, es decir, como sustancias que aceleran la velocidad de ciertas reacciones químicas, también está siendo objeto de interés en numerosas investigaciones.
Otras posibles aplicaciones están basadas en la inclusión de nanotubos de carbono en determinados tipos de materiales. De esta manera se logra mejorar las propiedades del material resultante al aportar los nanotubos de carbono sus excelentes propiedades mecánicas. Así, por ejemplo, se han realizado diversos estudios para ver cómo la adición de una determinada cantidad de nanotubos a materiales con base de hierro o aluminio consigue reforzarlos, aumentando su resistencia mecánica. Su inclusión en matrices poliméricas ha dado lugar al desarrollo de materiales compuestos de gran elasticidad y resistencia pero con poco peso, que están siendo utilizados para la fabricación de, por ejemplo, esquís de última generación o parachoques de vehículos. A su vez, su inclusión en fibras de carbono o fibra de vidrio ha permitido construir vigas de alta resistencia pero mucho más ligeras que las fabricadas de hormigón.
FIGURA 4.5. A) Imagen SEM de una punta de AFM acabada en un nanotubo de carbono. Gentileza del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (autor: P. Rice), B) Logotipo de la edición de 2004 del congreso Trends in NanoTechnology escrito utilizando nanotubos de carbono y visualizado por SEM. Gentileza de la Fundación Phantoms y K. Teo (Universidad de Cambridge, Reino Unido).
Por último destacaremos su uso en la producción de pantallas planas o su utilidad para fabricar puntas de AFM mucho más afiladas y duraderas. De hecho, muchos investigadores están comenzando a trabajar con puntas que acaban en un único nanotubo de carbono, como la que se muestra en la Figura 4.5.A. En la Figura 4.5.B puede verse un ejemplo de nanotubos de carbono que han sido manipulados y dispuestos de una determinada manera con el objetivo de escribir «TNT2004», que es el logotipo de uno de los congresos internacionales más importantes en nanotecnología, organizado por la Fundación Phantoms, una entidad privada española. Esta imagen, en la que se observan nanotubos de carbono dispuestos perpendicularmente a la superficie sobre la que se han depositado, se ha obtenido utilizando un microscopio electrónico de barrido (SEM).
Como se puede intuir por los ejemplos mencionados, las posibles aplicaciones de los nanotubos de carbono suponen un campo tan fascinante que en la actualidad numerosos grupos de científicos de todo el mundo se encuentran investigando sobre ello. Para hacernos una idea del trabajo que se lleva a cabo en estos laboratorios de investigación que tan alejados se encuentran de nuestro día a día, comentaremos a continuación algunos ejemplos que pondrán en evidencia cómo a partir de lo que sabemos sobre las propiedades y el comportamiento de los nanotubos de carbono, se pueden diseñar diferentes experimentos que tienen como objetivo probar la utilidad de estas nanoestructuras en las más dispares aplicaciones. Así, J. C. Grossman y A. M. Kolpak del MIT (Instituto de Tecnología de Massachusetts, EE.UU.) han desarrollado recientemente una estrategia para el almacenamiento de energía solar. Está basada en la modificación de nanotubos de carbono con una molécula orgánica (denominada azobenceno) que es capaz de absorber energía del sol pasando a un estado de energía superior, en el cual permanece hasta que por efecto de algún estímulo externo (por ejemplo, calor, luz, aplicación de un voltaje) vuelve al estado de energía inferior, liberando la energía acumulada y dejando el dispositivo listo para volver a empezar. La nanoestructura híbrida resultante de la combinación de los nanotubos de carbono y el azobenceno presenta una gran capacidad de almacenamiento de energía, así como una gran estabilidad en el tiempo.
Otro ejemplo, relativo al tipo de investigaciones que se están llevando a cabo actualmente sobre las posibles aplicaciones de los nanotubos de carbono, consiste en utilizarlos para obtener materiales capaces de conducir la corriente eléctrica y que además sean flexibles permitiendo que se les doble, retuerza, estire o pliegue sin que sus propiedades varíen. El desarrollo de este tipo de materiales sería de gran interés pues no sólo abriría las puertas al desarrollo de dispositivos electrónicos flexibles, sino que también facilitaría la creación de los músculos artificiales de los que hablábamos al principio del capítulo o de sensores de diagnóstico acoplables a la piel. En este sentido, Y. Zhu y colaboradores, investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte (EE.UU.), han desarrollado un método para crear conductores a partir de cintas de nanotubos de carbono recubiertos con una fina película de oro y paladio, y un polímero elástico. Estos conductores fueron utilizados por los investigadores junto con un diodo emisor de luz (LED, del inglés light emitting diode) y una pila para construir el circuito que puede verse en la Figura 4.6., con el objetivo de determinar si, además de ser flexibles, poseían la propiedad de seguir transmitiendo señales eléctricas al estar sometidos a una torsión mecánica. La experiencia permitió concluir que la intensidad de luz emitida por el diodo no varía al estirar, plegar o retorcer estos conductores.
FIGURA 4.6. Fotografía de parte de un circuito (constituido por un diodo emisor de luz LED y dos conductores elásticos creados a partir de cintas de nanotubos de carbono) que puede ser retorcido sin que el diodo se apague. Reproducido con permiso de Advanced Functional Materials, n.º 22, pp. 1279-1283. Copyright 2012 Wiley.
Un tercer ejemplo de las diferentes posibilidades de aplicación que presentan los nanotubos de carbono es el trabajo realizado por J. Guo y colaboradores de la Universidad de Michigan (EE.UU.), que han conseguido utilizarlos para camuflar objetos tridimensionales gracias a las inusuales propiedades ópticas que presentan. Los investigadores han demostrado cómo al recubrir un objeto con un «bosque» de nanotubos de carbono se logra una absorción perfecta de la luz incidente. Al no haber prácticamente luz reflejada por el objeto, éste se vuelve invisible pues no es posible detectarlo visualmente. Veamos cómo llevaron a cabo el experimento. En primer lugar, fabricaron la imagen de un tanque de 65 × 22 μm2 utilizando una placa de silicio de 500 μm de espesor mediante la técnica FIB (del inglés focused ion beam), que ya fue descrita en el Capítulo 3. Un objeto tan pequeño no puede verse a simple vista, pero utilizando un microscopio electrónico de barrido (SEM) obtuvieron la imagen representada en la Figura 4.7.A.
FIGURA 4.7. Imágenes de un tanque fabricado por FIB sobre una placa de silicio, obtenidas con A) un microscopio electrónico de barrido y C) un microscopio óptico. Imágenes del mismo tanque, pero ahora recubierto con un bosque de nanotubos de carbono, obtenidas con B) un microscopio electrónico de barrido y D) un microscopio óptico. Reproducido con permiso de Applied Physics Letters, n.º 99, 211 103. Copyright 2011 AIP Publishing LLC.
La imagen del mismo objeto fue obtenida de nuevo, pero esta vez utilizando un microscopio óptico. Para ello se iluminó el tanque con luz y se recogió la luz reflejada, obteniéndose la imagen que puede verse en la Figura 4.7.C. Como era de esperar, en este caso es posible observar el objeto tanto por microscopía electrónica como por microscopía óptica. A continuación, y con el fin de ocultar el objeto a la vista, los investigadores depositaron sobre él nanotubos de carbono alineados verticalmente. Al volver a observar la placa con un microscopio electrónico, obtuvieron la imagen que se presenta en la Figura 4.7.B. Sin embargo, al observarla utilizando un microscopio óptico pudieron comprobar cómo el bosque de nanotubos de carbono había vuelto invisible la figura del tanque (Figura 4.7.D), pues como se ha mencionado anteriormente, éstos absorben completamente la luz que les llega. A la vista de estos resultados, el bosque de nanotubos de carbono podría utilizarse como un «velo mágico» que haría que el objeto fuese indetectable para nuestra vista.
A raíz de lo expuesto hasta el momento, no es difícil comprender por qué los nanotubos de carbono constituyen una de las grandes apuestas de la nanotecnología actual, haciéndonos soñar con que en un futuro no muy lejano, estos materiales estén presentes en numerosos campos. Para lograr este objetivo, y que las diferentes aplicaciones se conviertan en una realidad, es evidente que todavía quedan múltiples aspectos por solucionar. Por un lado, al igual que ocurría en el caso del grafeno, resulta indispensable disponer de métodos que permitan su fabricación con alta pureza, a un precio razonable y en grandes cantidades. Aunque, hoy en día, los rendimientos son todavía bajos y el precio elevado, continuamente se abren nuevas fábricas en todo el mundo que poco a poco van logrando abaratar su coste. Por otro lado, existen todavía problemas básicos que si se consiguiesen resolver permitirían un gran avance, como por ejemplo, el poder manipularlos individualmente y colocarlos en determinadas posiciones de una manera sencilla y rápida. Las posibilidades que esto abriría en, por ejemplo, el campo de la electrónica son evidentes. Finalmente, no hay que olvidar que, como se verá en el Capítulo 8, actualmente hay un debate abierto en la sociedad sobre los potenciales riesgos que puede entrañar la manipulación de la materia en la escala nanométrica. No debemos dejarnos cegar por los éxitos cosechados hasta el momento por la nanotecnología o por las enormes posibilidades que parecen abrirse ante nosotros, sin profundizar en esta cuestión. Es, por tanto, esencial que los avances que se están produciendo vayan acompañados por estudios rigurosos que permitan conocer con exactitud los potenciales riesgos que puede suponer la fabricación, la manipulación y el uso no sólo de los nanotubos de carbono, sino de cualquier otro nanomaterial.
Los fullerenos. Por último, imaginemos que el grafeno, en su viaje a través de las tres dimensiones, decide salir a pasear por Puntilandia. Como puede verse en la Figura 4.3, para ello le bastaría con enrollarse sobre sí mismo de tal manera que resultase una estructura cerrada. Se habría generado un fullereno, es decir, una molécula poliédrica formada por una combinación de hexágonos y pentágonos. De todas las posibles estructuras que pueden obtenerse de esta manera, la más estable se denomina C60 y tiene la forma que puede verse en la Figura 4.8.A. Si nos fijamos, vemos que esta típica estructura que solemos encontrar en cualquier parque de juegos infantil está formada por 12 pentágonos y 20 hexágonos, siendo el número de intersecciones entre ellos 60. Pues bien, si en cada una de esas intersecciones hubiese un átomo de carbono y su tamaño se hubiese reducido 1000 millones de veces, estaríamos ante el fullereno C60. Como adelantábamos en el Capítulo 2, esta diferencia de tamaños es aproximadamente la misma que hay entre la Tierra y la imagen de la figura. La estructura del C60 también es similar a la de los típicos balones de fútbol con pentágonos negros sobre fondo blanco que todos conocemos, así como a las cúpulas geodésicas diseñadas por el inventor y arquitecto Richard Buckminster Fuller, utilizadas en múltiples edificios en todo el mundo. Justamente esta similitud es lo que originó que estas moléculas fuesen denominadas buckminsterfullerenos o simplemente fullerenos.
FIGURA 4.8. A) Fotografía de un icosaedro truncado en un parque infantil representando la estructura atómica de un fullereno (C60). B) Ejemplo de una «molécula» encapsulada dentro de ese «fullereno».
Los fullerenos fueron descubiertos experimentalmente en 1985, de manera casual, cuando H. Kroto, R. F. Curl y R. Smalley estaban realizando experimentos sobre el polvo interestelar. Se confirmó así la existencia de una molécula sobre la que E. Osawa había hecho predicciones teóricas en los años setenta aunque, quizá debido a que publicó su teoría en japonés, no obtuvo mucha difusión. El descubrimiento de H. Kroto y sus colaboradores, en cambio, tuvo una enorme repercusión: la molécula de C60 fue nombrada molécula del año en 1991 en la revista Science, a ellos se les concedió el Premio Nobel de Química en 1996, y H. Kroto fue nombrado sir por la reina Isabel II de Inglaterra.
Actualmente se conocen muchas variantes de estas moléculas cerradas sobre sí mismas, diferenciándose entre ellas en el número de átomos de carbono. Entre las más conocidas podemos mencionar el C70, C48 o C34 aunque, sin embargo, otras no se han podido sintetizar. Al igual que ocurría con los nanotubos de carbono, su formación espontánea se produce fácilmente, obteniéndose como producto en cualquier combustión. Para realizar la síntesis controlada de fullerenos, es decir, para lograr producir sólo estas moléculas y todas del mismo tamaño, pueden utilizarse diversas técnicas. En concreto en 1990 se optimizó un método de vaporización de grafito por descarga en arco eléctrico para obtener fullerenos en grandes cantidades, motivando que éstos pasasen a ser realmente compuestos manejables y, por tanto, objeto de estudio por parte de la comunidad científica.
Al igual que en los casos anteriores, las aplicaciones nanotecnológicas que se pueden derivar del uso de esta molécula son muy variadas, encontrándose muchas de ellas todavía en fase de estudio. Puesto que han sido dados numerosos ejemplos para el caso de los nanotubos de carbono, nos centraremos aquí únicamente en la aplicación de los fullerenos a los campos de la electrónica y de la biomedicina. Por una parte, son un componente fundamental de lo que se conoce como electrónica molecular ya que, como veremos en el Capítulo 5, pueden ser utilizados como base para sintetizar sistemas que posean propiedades rectificadoras interesantes para la creación de nuevos dispositivos. Por otra parte, al ser moléculas rígidas, pueden unirse a biomoléculas sin sufrir deformaciones, por ejemplo al sitio activo de una proteína o al receptor de membrana que utiliza un virus para entrar en su célula diana. Otra interesante aplicación está relacionada con que en su interior pueden encerrarse átomos o pequeñas moléculas (ver el ejemplo de la Figura 4.8.B), como por ejemplo gadolinio. Este elemento, gracias a sus propiedades magnéticas, aumenta la señal en los estudios de resonancia magnética nuclear utilizados en la detección de células tumorales.