Propiedades de los Nanotubos de carbono. Qué los hace interesantes?

Transcripción

1 Propiedades de los Nanotubos de carbono. Qué los hace interesantes? Julio A. Alonso Universidad de Valladolid Departamento de Física Teórica, Atómica y Optica Grupo de Física de Nanoestructuras Jornada sobre Nanotubos. INTA. 26 Octubre 2007

2 Guión 1. Introducción a los nanotubos 2. Propiedades eléctricas 3. Propiedades químicas 4. Propiedades mecánicas 5. Aplicaciones biomédicas 6. Conclusiones

3 Descubrimiento de los nanotubos de carbono S. Iijima, 1991 cilindros de carbono formados por una o varias capas atómicas Tamaño diámetro de varios nanómetros longitud de hasta 100 micras o más 1 nanometro nm = 10-9 metros 1 metro = nanómetros 1 micra = nanómetros cuatro capas dos capas

4 GRAFITO: material laminar; los átomos forman una estructura hexagonal plana nanotubo de una capa: Cortamos una cinta de una lámina de grafito: 1 Después la doblamos en forma de tubo y unimos los bordes: 2, 3,

5 Propiedades de los Nanotubos de Carbono Sistemas uni-dimensionales Semiconductores o metálicos estructura Buenos conductores licos dependiendo de la Densidad baja (menor que la del aluminio) Propiedades mecánicas y elásticas muy favorables Buena estabilidad térmica y conducción térmica

6 Cómo es el material que se sintetiza en el laboratorio? Haz de nanotubos

7 Cómo es el material que se sintetiza en el laboratorio? haz de nanotubos pegados lateralmente gavillas prensadas como papel

8 Separación de nanotubos Nanotubos a menudo están pegados lateralmente Muchas aplicaciones necesitan nanotubos individuales Separación difícil: no se disuelven en los disolventes usuales Intensa investigación en métodos de separación

9 PROPIEDADES DE LOS NANOTUBOS DE CARBONO Eléctricas Químicas Mecánicas

10 Notación para los nanotubos [,] 6 3 tube Los vectores R 1 y R 2 generan la estructura del grafito R = n 1 R 1 + n 2 R 2 nanotubo (n 1,n 2 ) R índices n 1 y n 2 determinan el carácter eléctrico

11 Caracter eléctrico de nanotubos de una capa (SWCNT) (n,m) n = m metálico n - m = 3q semiconductor de gap estrecho n m 3q semiconductor de gap moderado

12 PROPIEDAD APLICACIÓN Metálicos Semiconductores Emisión de campo Nanocircuitos Diodos,Transistores Pantallas planas, tubos de rayos catódicos, lámparas luminiscentes, litografía por haz de electrones, fuentes de rayos X, amplificadores de microondas, tubos de descarga, microscopios electrónicos, triodos, betatrones. Resuenan mecánicamente ante una señal electromagnética Filtros de Radio Frecuencia Comportamiento capacitivo e inductivo resistivo, Filtros de Radio Frecuencia Se deforman en presencia de un campo eléctrico Memorias Transforman luz en electricidad. Producen luz al inyectarles carga. Dispositivos optoelectrónicos Informe CIMTAN: Nanotubos de carbono; aplicaciones M. Jesús RIVAS MARTÍNEZ, M. Luisa COSME HUERTAS, José ROMÁN GANZER

13 1. Transporte a través de nanotubos. cables de dimensión nanoscópica Nanotubo conectando dos electrodos de platino Tans et al, Nature 386, 474 (1997)

14 Comparación de tamaños: nanotubo y líneas trazadas por fotolitografía en circuitos electrónicos P. Collins y P. Avouris, Investigación y Ciencia, Febrero. 2001

15 Interconectores, nanocables Las conexiones a otros componentes son todavía un problema que se está investigando

16 Nanocircuitería Red de nanotubos suspendidos, crecidos sobre torres de silicio N. Franklin Adv. Mater. 12, 890 (2000) Crecimiento por deposición química del vapor red Estructura en forma de línea de postes

17 NANOTUBOS: conductores uni-dimensionales Ventajas sobre otros sistemas unidimensionales 1. Uniformes a escala atómica y bien definidos 2. Carácter unidimensional se mantiene a temperatura ambiente 3. Alta movilidad electrónica. Conducción balística. Poca resistencia. Corriente apenas genera calor 4. Compatibles con aplicaciones electrónicas de alta velocidad. 5. Conducen bien el calor. Disiparán bien el calor a través de los contactos metálicos 6. Gran estabilidad estructural 7. Químicamente inertes

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19 3. Transistores

20 Transistor de efecto de campo FET: Field Effect Transistor Nanotubo entre dos electrodos metálicos. La corriente se controla mediante un voltaje de puerta (tercer electrodo) P. Collins y P. Avouris, Investigación y Ciencia, febrero 2001

21 Contactos entre los nanotubos y electrodos Problema en exploración

22 Uniones de tres nanotubos Base para formar circuitos complejos Permitiría eliminar los contactos Sintetizadas en el laboratorio

23 Uniones de tres nanotubos Podrían actuar como transistores corriente que circula entre las dos ramas secundarias puede ser controlada aplicando un voltaje a la rama principal

24 4. Emisión de campo electrones arrancados de nanotubos inciden sobre una pantalla fosforescente dando lugar a la emisión de luz basta un voltaje V pequeño 1. efecto túnel 2. tubos largos y estrechos

25 Emisión de campo (Informe Cimtan) Pantallas planas Lámparas y tubos luminiscentes Tubos de rayos catódicos Litografía por haz de electrones Fuentes de rayos X Amplificadores de microondas Tubos de descarga de gas Microscopios electrónicos de barrido Nanotriodos Betatrones

26 Nanotubos alineados verticalmente Pueden llenar áreas de varios cm 2 en agujeros en obleas de Silicio

27 Pantallas planas

28 5. Memorias Se esperan aplicaciones de los nanotubos en ordenadores Un nuevo tipo de memoria usa carbono, en lugar de silicio The Economist, May 2003

29 6. Microscopio de efecto túnel STM Se aplica una diferencia de potencial entre la punta del microscopio y la superficie que se quiere estudiar fluye una corriente de electrones (por efecto túnel cuántico) A medida que la punta barre la superficie, las variaciones en la corriente reflejan la topografía de la superficie.

30 nanotubo de carbono usado como punta Imágenes de ADN depositado sobre una superficie de mica Agilent Technologies

31 Ultima moda para propiedades eléctricas: grafeno (nanotubo desenrollado)

32 Propiedades químicas de los nanotubos Sensores Almacenamiento de hidrógeno

33 Sensores químicos una de las aplicaciones más cercanas a la comercialización INTERACCION ENTRE PROPIEDADES QUIMICAS Y ELECTRICAS Conductividad de nanotubos semiconductores es sensible al entorno químico

34 Detección de NO 2 (dióxido de nitrógeno) para controlar la polución de las emisiones automovilísticas Conductancia eléctrica de nanotubos semiconductores expuestos a 200 partes por millón de NO 2 aumenta hasta tres órdenes de magnitud en pocos segundos Razón : transferencia de electrones Kong et al, Science 287, 622 (2000)

35 La detección de NH 3 (amoníaco) es vital en entornos industriales, médicos y biológicos La exposición de nanotubos semiconductores a 1% NH 3 disminuye su conductancia en dos órdenes de magnitud Kong et al, Science 287, 622 (2000)

36 Sensibilidad de la resistividad eléctrica R al aire La resistividad de los nanotubos de carbono cambia en 10-15% Responsable: La absorción de oxígeno

37 Características de los sensores formados por nanotubos de una capa Conductancia eléctrica de nanotubos semiconductores cambia en órdenes de magnitud con el dopado Alta sensibilidad a la presencia de cantidades muy pequeñas de moléculas (partes por millón) Operan a temperatura ambiente. Sensores de estado sólido para NO 2 y NH 3 operan a C Respuesta rápida

38 Otras moléculas CO monóxido de carbono. Interacción muy débil H 2 O agua. Interacción muy débil no afecta a la conductancia del nanotubo posibilidad de usar nanotubos como sensores bioquímicos

39 Aplicaciones contra el terrorismo: detección de un agente nervioso (gas sarin) Transistor: el entramado de nanotubos sirve de puente entre la fuente y el sumidero entramado de nanotubos Fotografía de un sensor Resistencia tras 10 segundos de exposición al DMMP (dimethyl methylphosphonate), un simulador del gas Sarin. J. P. Novak et al, APL 83, 4026 (2003)

40 Almacenamiento de hidrógeno Reservas combustible fósil años Petroleo 41 Gas natural 64 Carbón 219 Hidrógeno: combustible del futuro en automóviles? 1. abundante 2. más importante: no contaminante; no CO 2

41 Tecnología lista principal dificultad: almacenamiento Motor eléctrico Tanque de combustible

42 motor eléctrico La corriente eléctrica se obtiene por reacción de hidrógeno y oxígeno para dar agua en una celda de combustible

43 Prototipos Ford, BMW, Renault, Mazda,Toyota, Honda, General Motors, Hidrógeno: gas comprimido No alcanzan una autonomía 500 km.

44 Densidad de energía de distintos combustibles (masa del contenedor incluida) Objetivo DOE: 6.5 % en peso y 62 gramos H / litro G. Crabtree, Physics Today, Dec. 2004

45 Se han propuesto como contenedores los materiales grafíticos con gran superficie

46 ABSORCION es la clave enorme superficie específica: varios cientos m 2 /gramo

47 Aunque los carbones porosos son posiblemente más prometedores Simulación computacional de un carbon poroso Maria J. López, Univ. Valladolid Poro en forma de rendija

48 Excelentes Propiedades mecánicas de los nanotubos de carbono Extremadamente duros en la dirección del eje, pero son flexibles: capacidad para doblarse sin romperse.

49 Alto módulo de elasticidad longitudinal (módulo de Young Y) deformación = tensión / Y en el régimen lineal Y (nanotubo) = 1.3 TeraPascals Y (tungsteno) = 0.4 TeraPascals Gran rigidez (resistencia a la deformación)

50 Altísima resistencia a la tracción (tensile strength): máxima tensión que resiste un material antes de que falle (se rompa). en nanotubos de carbono es cien veces mayor que la del acero

51 Gran rigidez Arthur C. Clarke 1978 Fountains of Paradise Ascensor a un satélite solo sería posible con columnas de nanotubos

52 Alta flexibilidad de los nanotubos de carbono Se les puede doblar sin que se rompan Fabricación da la letra θ con nanotubos soportados en un sustrato, usando la punta de un microscopio de fuerza atómica (AFM). Posiblemente hay más de un nanotubo Solo hay deformaciones elásticas (estabilizadas por el sustrato) Hertel et al, J Phys Chem B 102, 910 (1998)

53 Propiedades electro - mecánicas Efecto del estiramiento sobre el gap electrónico en un nanotubo semiconductor

54 El aplanamiento de la sección de un nanotubo semiconductor afecta al gap deformación η = (D-d) / D D = diámetro original d = diámetro menor de tubo aplanado Peng et al

55 Nanotubos de carbono como sensores mecánicos acoplo entre propiedades eléctricas y mecánicas Conductancia de un nanotubo metálico cambia con la deformación mecánica nanotubo suspendido entre dos soportes desplazamiento vertical cambio reversible en la conductancia Se dobla por la acción de la punta del microscopio AFM T. Tombler et al, Nature 405, 769 (2000)

56 respuesta mecánica a un campo eléctrico que forma un ángulo de 45 º es reversible Z. Wang, PRB 2007

57 Composites Composites conductores: basta una pequeña cantidad de nanotubos Aplicaciones: Aplicación electrostática de pintura sobre componentes de automóvil Apantallamiento antiestático de alas de aviones Apantallamiento de interferencias electromagnéticas (futuro) Conductores transparentes para pantallas flexibles Nanotubos son flexibles y compatibles con sustratos poliméricos

58 Composites estructurales ligeros (poco peso) Refuerzo en composites ligeros y de gran resistencia mecánica Se espera que mejoren las prestaciones obtenidas con fibras de carbono Uso en raquetas de tenis

59 Aplicaciones biomédicas

60 Traslado de drogas a células cancerosas droga anti-cáncer basada en Platino atada a un nanotubo aumenta la eficiencia para penetrar en la célula

61 Qué se necesita para hacer factibles las aplicaciones comerciales de los nanotubos de carbono? disponibilidad de cantidades sustanciales del material La producción a mayor escala está mejorando: deposición química a partir del vapor (CVP) es el único método de producción masiva control del crecimiento de los nanotubos Separacion entre metálicos y semiconductores Nanotubos individuales