Un nuevo proceso químico para injertar nanotubos en superficies metálicas

UC Associate Professor Noe Alvarez is studying the properties of carbon nanotubes in his chemistry lab.

Los nanotubos de carbono han demostrado potencial en diversos campos, incluido el almacenamiento de energía, la microelectrónica y la aviación.

El profesor asociado de la UC, Noah Alvarez, está estudiando las propiedades de los nanotubos de carbono en su laboratorio de química.
El profesor asociado de la UC, Noah Alvarez, está estudiando las propiedades de los nanotubos de carbono en su laboratorio de química. Crédito de la imagen: Andrew Higley / UC Marketing + Marca

Los científicos creen que este material algún día podría hacer realidad la seductora idea de construir un ascensor espacial que se encuentra en la ciencia ficción.

¿Por qué entonces no se les emplea con más frecuencia?

Un desafío, según el químico No Álvarez de la Universidad de Cincinnati, es la incapacidad de unir de forma segura nanotubos de carbono a superficies metálicas para su uso en transistores, sensores y otras aplicaciones. Estos finos tubos pueden tener varios centímetros de longitud, pero su diámetro es de sólo una milmillonésima parte de un metro.

Queremos que nuestros experimentos sean reproducibles y consistentes, pero esto no es fácilmente posible con los nanotubos porque no podemos controlar qué tan estrechamente se adhieren a las superficies metálicas.

Noe Alvarez, profesor asociado, Universidad de Cincinnati

Sin embargo, él y sus colegas han desarrollado un método químico innovador que injerta superficies metálicas con nanotubos para crear una conexión fuerte, confiable y conductora. El estudio fue publicado en Desarrollo a nanoescala Diario

En versiones anteriores, Álvarez lo comparó con «espaguetis húmedos», ya que los nanotubos de carbono se disolvían en una solución y se adherían a una superficie metálica.

Álvarez agregó: «Pero no existe una conexión fuerte. En realidad, nada mantiene los nanotubos en la superficie.«

Como resultado, las mediciones de propiedades como la conductividad eléctrica fueron inexactas e inexactas.

Bajo la dirección de Jorge Seminario, profesor de ingeniería química en la Universidad Texas A&M, Álvarez y sus colegas investigadores mostraron cómo unir químicamente nanotubos a superficies de cobre, aluminio, oro y otras superficies metálicas.

La Fundación Nacional de Ciencias ha concedido a Álvarez y sus colegas una subvención de 720.000 dólares para desarrollar su descubrimiento químico durante los próximos tres años.

¿Por qué no vemos nanotubos de carbono en aplicaciones comerciales a gran escala a pesar de que tienen tanto potencial? Tenemos mucho que entender.

Chaminda Nawarathne, autora principal del estudio y estudiante de doctorado, Universidad de Cincinnati

Mediante cálculos computacionales, Álvarez y sus coautores descubrieron que los átomos de carbono del enlace orgánico forman enlaces fuertes con los dos átomos de cobre.

Álvarez dijo: «Esto explica por qué nuestros nanotubos permanecen conectados una vez que están unidos químicamente.«

Según Álvarez, los nanotubos de carbono son conocidos por su resistencia. Su estructura molecular crea una llamativa red hexagonal.

«Los enlaces de carbono son los enlaces más fuertes. Estos son enlaces covalentes. La razón por la que los diamantes son el material más duro es porque tienen enlaces carbono-carbono.señaló Álvarez.

Según Álvarez, los nanotubos de carbono son incluso más fuertes que el diamante porque contienen átomos de carbono conjugados con doble enlace en lugar de los enlaces simples que se ven en el diamante.

Según Álvarez, se han propuesto cables de nanotubos de carbono fuertes pero delgados para su uso en «ascensores espaciales», que pueden transportar carga a la órbita.

La sustancia artificial más oscura de la Tierra está hecha de nanotubos de carbono. Según Álvarez, la mejora del color y del revestimiento puede ser el resultado de su unión más fuerte con el metal.

Álvarez dijo: «Los nanotubos son bastante inertes. Son muy estables. Puedes mezclarlos sin romper su vínculo. Los nanotubos semiconductores también tienen propiedades fluorescentes: pueden producir luz. Entonces, la lista de aplicaciones sigue y sigue.«

Según Nawarathne, está investigando posibles usos del almacenamiento de energía.

«Ahora que podemos unir nanotubos de carbono a colectores de corriente o sondas metálicas, podemos fabricar electrodos muy estables para supercondensadores.añadió Navarathani.

La deposición química catalítica de vapor es una técnica utilizada por los estudiantes de química de la UC para «hacer crecer» nanotubos en discos de silicio. El dispositivo incluye un reactivo de calentamiento y un catalizador de hierro hasta 1450 grados Fahrenheit.

Al cabo de 45 minutos se forma una fina capa de nanotubos de carbono sobre el silicio. Después de eso, los investigadores pueden electrografiar los nanotubos en diversas superficies metálicas. Primero utilizaron haces de nanotubos, pero ahora han descubierto cómo incorporar nanotubos alineados verticalmente utilizando un método mejor.

Él dijo, «Es como intentar atar la lana a la oveja. Tienes el hilo que se hila de las ovejas. Podemos unir químicamente las fibras individuales a las ovejas.«

Referencia de la revista:

Nawarathne, CP tiene. (2024) Formación de enlaces covalentes entre Cu y C en la interfaz de nanotubos de carbono metálicos y de extremos abiertos. Desarrollo a nanoescala. doi:10.1039/D3NA00500C.

Fuente: https://www.uc.edu/

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