Siguiendo la estela del descubrimiento de los fullerenos, algunos años más tarde aparecieron los nanotubos de carbono, unas nanoestructuras constituidas exclusivamente por átomos de carbono que provenían del enrollamiento de una lámina de grafito sobre sí misma. Por ello, los nanotubos de carbono tienen la peculiaridad de que sus propiedades varían enormemente dependiendo del grado de enrollamiento y de cuál es la conformación original de la lámina de grafito de la que provienen. Atendiendo a estos parámetros geométricos resulta obvio que se pueden obtener nanotubos de diámetros muy distintos y con varias geometrías internas. Y lo que es más interesante aún, sus propiedades electrónicas, ópticas y estructurales también se ven fuertemente afectadas por la geometría del nanotubo, lo que confiere a estos materiales unas propiedades únicas y con posibilidad de diseñarlas según las necesidades.
Los nanotubos de carbono fueron caracterizados por primera vez en 1991 por S. Iijima, de la empresa NEC Corporation en Tsukuba (Japón) [1], cuando examinó el hollín que se generaba al usar un arco eléctrico entre dos electrodos de grafito, procedimiento similar al que se usaba para producir fullerenos. Usando microscopía electrónica de barrido se dio cuenta de que aparecían unas estructuras finitas con forma de aguja y que existía gran variedad de ellas en cuanto a tamaño y geometría, como las que se muestran en la parte izquierda de la figura 10.3. Dedujo acertadamente que se trataba de estructuras de carbono similares a los fullerenos, es decir, con átomos de carbono con hibridación sp2, pero que eran otras especies moleculares distintas provenientes del enrollamiento de láminas de grafito. Actualmente se cuenta con mucha más información y se sabe que lo que se obtuvo en ese momento eran nanotubos de pared múltiple o multicapa, es decir, arrollamientos concéntricos de láminas de grafito de diámetro creciente, mientras que posteriormente el mismo Iijima y otros investigadores en paralelo descubrieron que era posible obtener nanotubos de una sola capa, los llamados monocapa o de pared simple[2].
Como ya adelantábamos, las propiedades de los nanotubos varían mucho según la forma de envolverse la capa original para formar la estructura tubular. En la figura 10.4 vemos cuál es la notación estándar para denominar a los nanotubos según la longitud y orientación de los vectores de red con respecto a la lámina original de grafito, expresada a través de dos números enteros, n y m, que indican el número de vectores de unidad a lo largo de dos direcciones del plano. Así, pueden distinguirse varias clases de nanotubos. Si m = 0 se denominan en zigzag; si n = m los nanotubos resultantes se dicen de sillón; y en un caso más general, con n ≠ m, quirales. En cualquier caso, los nanotubos pueden ser estructuras abiertas por los extremos o cerradas por alguno de estos mediante una semiesfera derivada del fullereno correspondiente, como también se indica en la figura 10.4.
Una de las características más relevantes de los nanotubos de carbono es que sus propiedades electrónicas varían según la disposición geométrica, y esto atañe sobre todo a la naturaleza de su conductividad eléctrica. Por tanto, existen nanotubos con comportamientos eléctricos muy diversos, siendo complicado encontrar reglas simples sistemáticas[4]. En la dirección paralela al eje del tubo la mayoría de ellos presentan un comportamiento de semiconductor con un ancho de banda prohibida típico de unos 0,7 eV, pero existen muchas otras particularidades. Por ejemplo, todos los nanotubos en sillón se comportan como conductores, más concretamente de forma casi metálica, ya que debido a la curvatura del tubo se genera un ancho de banda muy pequeño. Esto se debe a que, dependiendo de la disposición que presentan los hexágonos de carbono con respecto al eje del nanotubo y su ángulo de torsión, muchas geometrías dificultan el tránsito de electrones entre la banda de valencia y la de conducción mientras que otras favorecen el solapamiento entre ambas bandas. Por otro lado, si las propiedades eléctricas resultan llamativas, más sorprendente si cabe es el comportamiento mecánico de los nanotubos. Experimentos de nanotecnología que se realizan a escala atómica han permitido medir la resistencia a la tensión y el módulo de Young de nanotubos individuales gracias al empleo de la punta microscópica de un microscopio de fuerzas atómicas[5]. De este modo se ha determinado que la resistencia a tracción de los nanotubos multipared varía entre 11 y 63 GPa, mientras que el módulo de Young alcanza valores de entre 270 y 950 GPa. Estas propiedades mecánicas, muy superiores a las de la mayoría de los materiales convencionales, hace que los nanotubos se empleen sistemáticamente como refuerzo de materiales.
[1] S. Iijima. Nature 354 (1991) 56-58. https://doi.org/10.1038/354056a0.
[2] S. Iijima y T. Ichihashi. Nature 363 (1993) 603-605. https://doi.org/10.1038/363603a0; D. S. Bethune et al. Nature 363 (1993) 605-607. https://doi.org/10.1038/363605a0.
[3] P. M. Ajayan et al. Adv. Mater. 12 (2000) 750. https://doi.org/10.1002/(SICI)1521-4095(200005)12:10<750::AID-ADMA750>3.0.CO;2-6.
[4] Una revisión reciente y en profundidad de este tema seria: E. A. Laird et al. Rev. Mod. Phys. 87 (2015) 703-764. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.87.703.
[5] M.-F. Yu et al. Science 287 (2000) 637-640. https://doi.org/10.1126/science.287.5453.637.
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Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/ .
