Algunas de las principales nano partículas y sus propiedades

Algunas de las principales nano partículas y sus propiedades

1.1       Definiciones

1.1.1         Los Fullerenos

Son macromoléculas de carbono puro que pueden ser de forma esférica, elipsoidal o tubular, huecas en su interior. Cada átomo de C está unido a otros tres; representan la tercera forma alotrópica más estable del carbono, después del diamante y del grafito. Los fullerenos son macromoléculas con una estructura altamente simétrica y estable.

Su estructura puede estar formada por un número variable de átomos de carbono, al menos 60 átomos (C60), dispuestos en forma hexagonal, pentagonal o heptagonal. Su forma típica es esférica (C60), como un balón de fútbol. Los átomos de carbono están unidos entre sí por tres enlaces covalentes muy fuertes, uno doble y dos enlaces simples.

Fullereno; átomos de carbono dispuestos en pentágonos y hexágonos

Fullereno; átomos de carbono dispuestos en pentágonos y hexágonos

Familia de fullerenos: (a) C28, (b) C32, (c) C50, (d) C60. (e) C70.

Familia de fullerenos: (a) C28, (b) C32, (c) C50, (d) C60. (e) C70.

 

1.1.2         Los Nanotubos

Son moléculas de fullereno alargadas de carbono puro, de estructura cilíndrica o toroidal; son otra forma alotrópica del carbono puro.

Los nanotubos pueden tener de 100 a 1.000 átomos de carbono dispuestos en una o varias capas concéntricas separadas (del orden de 0,34 nm). Son moléculas muy flexibles que cambian sus propiedades cuando su estructura cilíndrica se deforma; son estructuras unidimensionales (1D).

Nanotubo de carbón de simple pared

Nanotubo de carbón de simple pared

Nanotubo de carbón de 4 capas

Nanotubo de carbón de 4 capas

 

1.1.3         El Grafeno

Es un material de carbono en forma de hoja finísima (de hasta 1,0 Å de espesor) de grafito, formado por átomos de carbono dispuestos en forma de panal de abeja unidos por un enlace electrónico doble. Es el material de base con el que se forman los fullerenos y los nanotubos de carbono.

Estructura del Grafeno

Estructura del Grafeno

 

1.2       Propiedades

1.2.1         Fullerenos

Los fullerenos tienen nuevas y fascinantes propiedades químicas, físicas y biológicas. Mediante la manipulación de los fullerenos se pueden modificar sus propiedades para fabricar nuevos materiales. La manipulación de los fullerenos puede hacerse por sustitución de algunos átomos de carbono por átomos de otro material y/o por la introducción de nano moléculas de otros materiales dentro de su estructura.

Los fullerenos están revolucionando la química del carbono; pueden absorber radicales libres y formar agrupaciones de fullerenos, dando lugar a la aparición de nuevos materiales.

Es una macromolécula de carbono extremadamente fuerte y resistente; su densidad es de 1,65 g/cm3 y su diámetro varía entre 7 y 15 Å. Resiste presiones extraordinarias, hasta 3.000 atm y tiene una gran resistencia a tracción.

1.2.2         Nanotubos

Los nanotubos de carbono son extremadamente resistentes; probablemente el material más resistente conocido. Su índice de esbeltez es muy elevada, propiedad que les confiere elevadas resistencias.

Se conseguirán materiales extraordinariamente resistentes, cuando se consiga fabricar,a escala industrial, nanotubos con un mismo diámetro y con longitudes mayores (1,0 m) ;tienen unas propiedades físico-químicas fascinantes.

Los nanotubos de pared simple tienen un diámetro d = 1-2 nm y los de pared múltiple tienen un diámetro d = 5-80 nm.

Los nanotubos puros presentan una dureza incluso superior al diamante,y una elevada resistencia a tracción; son muy buenos conductores de la electricidad y del calor; transmiten los electrones 200 veces más deprisa que el silicio, razón por la cual su uso en la fabricación de chips permitirá disponer, en un futuro no lejano, de superordenadores cuánticos. Su resistencia es doscientas veces mayor que la del acero tradicional

 

Tabla: propiedades de los nanotubos de carbono de simple pared

Propiedades de los nanotubos de carbono simple pared (SW)
Diámetro: 1,3 nm – 1,5 nm
Longitud variable: desde varias micras a varios centímetros
Elevado índice de esbeltez (aspect ratio); longitud/diámetro >1.000; ≤ 104
Módulo de Young: E = 1.250 GPa (x 7 acero)
Resistencia a tracción en rotura: 11 – 63 GPa; <180 GPa (x 100 acero)
Elongación de rotura: 20% – 30%
Densidad: 1,40 gr/cm3 – 1,80 gr/cm3
Superficie específica: 300 – 600 m²/g ≤ 1.500 m²/g
Flexibilidad: muy alta

 

 

Tabla 10 propiedades de los nanotubos de carbono de paredes múltiples

Propiedades de los nanotubos de carbono de paredes múltiples (MW)
Diámetro: 4 nm (doble pared DW); < 10 nm y hasta 100 nm (multipared)
Longitud: variable (micras)
Índice de esbeltez : >1.000; 2.000
Módulo de Young: E ≤ 1.250 GPa
Resistencia a tracción en rotura: 100 – 125 GPa
Elongación de rotura: 15%
Densidad: 2,6 gr/cm3
Superficie específica: 40 – 300 m²/g
Separación entre paredes: 0,34 nm

 

1.2.3         Grafeno

El grafeno se considera como el material más resistente conocido hasta el momento. Su resistencia a tracción es diez veces superior a la del acero. Es además un súper material polivalente, mucho mejor conductor de la electricidad que el cobre y mucho más ligero.

Es un súper material muy ligero y flexible, de naturaleza híbrida y con un comportamiento entre un metal y un semiconductor. Todo apunta a que será el material del futuro y que servirá de base para fabricar nuevos súper materiales compuestos, en los que estará presente como componente (Ej.: súper polímeros).

Tiene importantes propiedades físicas y electrónicas y una amplia variedad de aplicaciones en un futuro próximo. Algunas de las propiedades más importantes son:

  • Espesor de la plancha: 2 -8 nm
  • Densidad >1g/m³ ≈ 2g/m³
  • Módulo de elasticidad: E = 1.100 GPa
  • Resistencia a tracción: 130 GPa
  • Superficie específica: ≤ 2.630 m²/g
  • Punto de fusión: 3.000°C
  • Alta conductividad eléctrica y térmica
  • Alta elasticidad y dureza
  • Muy ligero y flexible
  • Prácticamente transparente
Nanotubo de carbón de simple pared.Grafeno.

Nanotubo de carbón de simple pared.Grafeno.

Curva tensión-deformación. Comportamiento hiperelástico no lineal (R. J. Young et al 2012.)

Curva tensión-deformación.
Comportamiento hiperelástico no lineal (R. J. Young et al 2012.)

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