Aplicaciones de nanotubos de carbono

Dra.  Aidé Sáenz Galindo*
Dania Alejandra Rangel Lucio*
Leticia A. Ramírez Mendoza*
Dra. Lluvia Ytzel López López*
M.C. José Guadalupe Fuentes Avilés**
Dra. Sandra Cecilia Esparza González***
*Cuerpo académico de Química Orgánica
**Cuerpo académico en Ciencia y Tecnología de Polímeros
Facultad de Ciencias Químicas, UAdeC
***Cuerpo académico de Ciencias de la Salud
Facultad de Medicina, UAdeC
aidesaenz@uadec.edu.mx

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La nanotecnología es un área de la ciencia dedicada al estudio de dimensiones nanométricas, es una medida extremada-mente pequeña denominada “nano” que permite trabajar con estructuras moleculares y sus átomos. En esta área existen diferentes nanoestructuras que se estudian: nanofibras, nanoesferas, nanoalambres, grafeno y nano-tubos de carbono (NTC), entre otras. En los últimos años los NTC han adquirido gran importancia debido a las diferentes propieda-des químicas y físicas que presentan, como alta dureza y resistencia, todo esto gracias a su naturaleza química, además de presentar alta conductividad eléctrica y térmica. Presentan hibridación Sp², este tipo de arreglo estructural hace posible que sus átomos de carbono puedan formar hexágonos y pentá-gonos en estructuras tubulares tridimen-sionales cerradas. Debido a su naturaleza química,  este tipo de nanoestructuras carbo-nadas pueden presentar variadas aplica-ciones en distintas áreas, las cuales pueden ir desde la tecnología hasta la medicina, sin embrago este tipo de nanoestructura presenta como desventaja su pobre dispersión, pro-duciendo aglomerados, los cuales hacen difí-cil su manipulación e incorporación en diver-sas matrices de variadas naturaleza química como pueden ser polímeros, cerámicos o metálicos, para abatir este problema de aglo-meración, se recurre a la modificación super-ficial, la cual puede ser de dos tipo covalente o no covalente.

El objetivo del presente documento es dar a conocer la importancia de los NTC, así como las diferentes vías de modificación superficial y sus posibles aplicaciones en áreas de interés actualmente.

 

Tipos de nanotubos de carbono NTCPS y NTCPM

Existen diferentes tipos de NTC en función con las capas que tienen de grafito, con lo que están formados, pueden ser nanotubos de carbono de pared sencilla (NTCPS) y nanotubos de carbono de pared múltiple (NTCPM). La estructura de NTCPS consiste de un cilindro hueco que resulta al enrollarse una lámina de átomos de carbono (grafeno) sobre sí misma, estos átomos se encuentran covalentemente enlazados a tres átomos de carbono vecinos mediante una hibridación Sp², quedando el cuarto enlace del carbono deslocalizado entre los demás átomos¹, sus dimensiones son un átomo de grosor, docenas de átomos de circunferencia, su diámetro varía entre 1.4-2nm con longitudes de hasta 100micras. En la Figura 1 se muestra la forma en la que se estructuran los átomos de carbono de pared sencilla. 

 

 

 

La estructura de NTCPM consiste en capas de láminas de grafito enrolladas concéntrica-mente con un espacio entre ellas de 0.36nm, con un diámetro externo de 10 a 50 nm, donde cada átomo de carbono está unido con otros tres mediante hibridación Sp², el cuarto enlace de carbono forma enlaces débiles del tipo de Van der Walls con las demás hojas de grafito, la perfección en la estructura cris-talina ³ se pierde conforme el número de hojas de grafito aumenta en la estructura. En la Figura 2. Se muestra la forma en la que se estructura los átomos de carbono en pared múltiple.

 

 

Sin embargo, este tipo de nanoestructuras presenta como desventaja la formación de dominio de aglomerados, lo cual puede combatirse con la modificación superficial.

 

Tipos de modificaciones superficiales de NTC

Modificaciones del tipo covalente

Hay gran variedad de metodologías para eliminar las impurezas y modificar la super-ficie de los NTC. Entre ellas tenemos los agentes oxidantes, ácidos fuertes como KMnO₄ en soluciones ácidas y mezclas de H₂O₂/H₂SO₄/HClO₄; HNO₃ y mezclas de ácidos como H₂SO₄/HNO₃⁵, empleando como fuentes de activación el ultrasonido y trabajando a elevadas temperaturas, estos sustratos modi-ficadores son altamente contaminantes y tóxicos, sin embargo, se obtienen excelentes resultados para llevar a cabo la oxidación en la superficie del NTC⁶. Existen nuevas metodologías en las cuales se han utilizado diferentes tipos de oxidantes orgánicos me-nos agresivos, como el ácido esteárico⁷, también se ha reportado el estudio de mezclas ácidas como del H₂SO₄ y KMnO₄ asistido por ultrasonido con el propósito de oxidar la superficie de los NTC incorporando grupos funcionales como alcoholes, cetonas, epóxi-dos, ácido carboxílicos, entre otros^8,9, al usar fuentes de activación emergentes, como el ultrasonido, se logra reducir los tiempos y temperaturas de reacción de modificación.

Actualmente se han propuesto métodos menos severos para la incorporación de grupos funcionales en la superficie de NTC, el método más eficaz es la sonoquímica^{7, 10-14}. Otra vía de modificación superficial de NTC es el asistido por microondas¹⁵.

En el 2016, Sáenz et al reportaron la modificación de NTCPM empleando sustrato orgánico, como ácido maleico, ácido malonico y ácido tartárico, la modificación se asistió con energía ultrasónica, y se obtuvo que las modificaciones fueron llevadas a cabo entre un cuatro y un diez por ciento de modificación superficial. Este tipo de modificaciones son muy interesantes desde el punto de vista sustentable, al emplear sustrato que puede ser “verde” renovable y llevar las modifi-caciones mediante sonoquímica se reduce de manera sorprendente el tiempo y las tempe-raturas de la reacción de modificación, em-pelando este tipo de ácido orgánicos se logró oxidar la superficie de los NTCPM al incor-porar los diferentes grupos funcionales¹⁶.

Otro tipo de modificaciones reportadas hasta el momento, es la incorporación de polímeros, Zhang et al., en el 2013, reportaron la polimerización radicálica en masa del metilmetacrilato (MMA) sobre el NTCPM, el nanomaterial polimérico obtenido presentó propiedades ópticas¹⁷.

Las modificaciones superficiales de NTC del tipo covalente, hasta el momento, son las más fuertes al anclar diferentes grupos funcionales a la superficie de los NTC.

Modificación del tipo no covalente

Otro tipo de modificaciones que se ha logrado llevar a cabo son aquellas del tipo no covalente, se destacan las adsorciones de diversos compuestos sobre la superficie de los NTC, este tipo de modificaciones son más débiles que las de tipo covalente, sin embargo, existen diferentes aplicaciones que así lo requieren y presentan la ventaja de que no afectan la estructura del NTC, y éstos siguen conservando sus propiedades originales en cuanto a conductividad eléctrica y térmica. Cabello y colaboradores reportaron el estudio de la modificación superficial de NTCPM empleando sustratos orgánicos polares, como la anilina amina aromática, mediante sono-química, el tiempo de reacción fue de 8 horas a temperatura ambiente, reportaron la interacción tipo π-π entre carbono de la superficie de los NTCPM y el anillo aromático de la anilina, obteniendo un NTCPM mo-dificado con anilina⁷. Otro tipo de interac-ciones son los puentes de hidrógenos, o bien las interacciones de van del Waals. Las características estructurales de los NTC les permiten interactuar con moléculas orgáni-cas, como apilamiento π-π, fuerzas electros-táticas, o interacciones hidrófobas. La adsor-ción es un proceso donde las sustancias (adsorbato) pueden retenerse en la superficie de un material sólido (adsorbente) debido a la acción de algunas fuerzas que permiten fisisorberse o quimisorberse. Estas inte-racciones, así como los huecos y las capas en la estructura nanométrica, los convierte en buenos candidatos para su uso como adsor-bente.

Hay cuatro sitios para la adsorción de sustancias en los NTC:

1. Sitios internos, el hueco interior de los nanotubos individuales que es accesible, sólo, si los extremos están desbloqueados.
2. Canales intersticiales entre los nano-tubos individuales en el material empa-quetado.
3. Ranuras presentes en la periferia de un paquete de nanotubos y la superficie de los nanotubos más externos, donde se encuen-tren dos tubos paralelos adyacentes.
4. Superficie curvada de los nanotubos individuales presentes en la parte externa de los NTC.

 

 

Aplicaciones de NTC

Una vez modificados los NTC, ya sean de pared simple o pared múltiple, presentan importantes aplicaciones en diferentes áreas.

En el 2016 Liu et al. reportaron la incor-poración de oxígeno y flúor en la superficie de NTCPM, en una sola etapa, esto con la finalidad de lograr la dispersión de los NTCPM en disolventes polares, especialmente en agua, con potenciales aplicaciones en la separación de emulsiones aceite en el agua ¹⁸.

Otra de las aplicaciones importantes de los NTC es en el uso de nanomateriales para blindajes, esto debido al incremento de la propiedad de resistencia. Además, se ha reportado que pueden ser empleados en di-ferentes tipos de blindajes, donde se destacan el blindaje electromagnético, acústico y con-tra impacto. En el área de almacenamiento de energía es importante mencionar que los NTC juegan un papel importante como almace-nadores de hidrogeno, además de presentar una alternativa viable en celdas de almace-namiento de energía¹⁹. Yun et al reportaron el estudio de la obtención de compositos con aplicaciones en celdas solares, ellos estu-diaron la incorporación a sistemas orgánicos poliméricos, poli(3,4-etilendioxitiofeno) poli-merizado con poli(4-estirenosulfonado) PEDOT: PSS ²⁰.

Recientemente fue reportado un estudio sobre la obtención de un composito a base de NTCPM con quitosan, que presentó impor-tantes aplicaciones como absorbente de CO₂²¹.

En el 2017, Whab et al. reportaron el estudio del desarrollo de un nanosensor a base de NTCPM con anticuerpos contra Brucella, mediante un estudio voltampe-rométrico, encontraron que el nanosensor presenta potenciales aplicaciones en esta área, al detectar de una manera fácil y rápida la Brucellosis; dentro de las técnicas de carac-terización empleadas se destacan diferentes tipos de microscopia, como microscopia elec-trónica de barrido y microscopia de tras-misión, se encontró que el tamaño de los NTCPM es fundamental para este tipo de aplicación ²².

Mallakpour et al., en el 2018, reportaron la funcionalización de NTCPM con fructosa para la obtención de un nanocomposito a base de almidón, la función de los NTCPM con D-fructosa es obtener una biomolécula emplea-da como nanorefuerzo en la matriz polimérica del almidón, en este estudio se obtuvieron películas por el método de casting y se en-contró que el nanocomposito presentó exce-lente homogeneidad, debido a que los NTCPM empelados estaban modificados con grupos ácidos en la superficie y de esta manera inte-raccionan fácilmente con el almidón mediante interacciones de tipo puentes de hidrogeno, además de una buena estabilidad térmica ²².

 

 

Conclusiones

En el presente documento se destaca la importancia del estudio de los NTC, espe-cíficamente la modificación superficial, em-pleando diferentes sustratos que permiten tener interacciones con diferentes matrices de diversas naturalezas químicas, que pue-den ir desde polímeros, cerámicos y metales, presentando  importantes e interesantes apli-caciones, que van desde estudios para enten-der comportamientos teóricos hasta aplica-ciones de vanguardia en áreas de interés, como lo es el almacenamiento de energías, nanosenores, nanocompositos a base de ma-teriales biodegradables, entre otras aplica-ciones.

Todas y tantas aplicaciones que presentan este tipo de nanoestructuras a base de car-bono se deben a sus propiedades químicas y físicas, por tal razón es de suma importancia estudiarlas con el fin de desarrollar nuevos y mejorados materiales.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Referencias

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