¿Qué es 100 veces más fuerte que el acero? pesa una sexta parte y se puede romper como una ramita con una pequeña burbuja de aire? La respuesta es un nanotubo de carbono, y un nuevo estudio realizado por científicos de la Universidad de Rice detalla exactamente cómo se rompen los nanomateriales tan estudiados cuando se someten a vibraciones ultrasónicas en un líquido.

"Descubrimos que el viejo dicho 'Me romperé pero no me doblaré' no se sostiene en la micro y nanoescala, "dijo el investigador de ingeniería de Rice Matteo Pasquali, el científico principal del estudio, que aparece este mes en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

Los nanotubos de carbono, tubos huecos de carbono puro del ancho de una hebra de ADN, son uno de los materiales más estudiados en nanotecnología. Durante más de una década, Los científicos han utilizado vibraciones ultrasónicas para separar y preparar nanotubos en el laboratorio. En el nuevo estudio, Pasquali y sus colegas muestran cómo funciona este proceso y por qué es un detrimento de los nanotubos largos. Eso es importante para los investigadores que quieren fabricar y estudiar nanotubos largos.

"Descubrimos que los nanotubos largos y cortos se comportan de manera muy diferente cuando se sonicados, "dijo Pasquali, profesor de ingeniería química y biomolecular y de química en Rice. "Los nanotubos más cortos se estiran mientras que los nanotubos más largos se doblan. Ambos mecanismos pueden provocar la rotura".

Descubierto hace más de 20 años, Los nanotubos de carbono son uno de los maravillosos materiales originales de la nanotecnología. Son primos cercanos del buckyball, la partícula cuyo descubrimiento en 1985 en Rice ayudó a iniciar la revolución de la nanotecnología.

Los nanotubos se pueden utilizar en baterías y sensores que se pueden pintar, para diagnosticar y tratar enfermedades, y para cables de energía de próxima generación en redes eléctricas. Muchas de las propiedades ópticas y materiales de los nanotubos se descubrieron en el Instituto Smalley de Ciencia y Tecnología a Nanoescala de Rice. y el primer método de producción a gran escala para fabricar nanotubos de pared simple fue descubierto en Rice por el homónimo del instituto, el difunto Richard Smalley.

"Procesar nanotubos en líquidos es importante desde el punto de vista industrial, pero es bastante difícil porque tienden a agruparse, ", dijo el coautor Micah Green." Estos grupos de nanotubos no se disuelven en disolventes comunes, pero la sonicación puede romper estos grumos para separarlos, es decir., dispersar, los nanotubos ".

Los nanotubos recién cultivados pueden ser mil veces más largos que anchos, y aunque la sonicación es muy eficaz para romper los grumos, también hace que los nanotubos sean más cortos. De hecho, Los investigadores han desarrollado una ecuación llamada "ley de potencia" que describe cuán dramático será este acortamiento. Los científicos ingresan la potencia de sonicación y la cantidad de tiempo que se sonicará la muestra, y la ley de potencia les dice la longitud promedio de los nanotubos que se producirán. Los nanotubos se acortan a medida que aumentan la potencia y el tiempo de exposición.

"El problema es que hay dos leyes de poder diferentes que coinciden con hallazgos experimentales separados, y uno de ellos produce una longitud mucho más corta que el otro, "Dijo Pasquali." No es que uno esté en lo correcto y el otro esté equivocado. Cada uno ha sido verificado experimentalmente, así que es cuestión de entender por qué. Philippe Poulin expuso por primera vez esta discrepancia en la literatura y me llamó la atención sobre el problema cuando visité su laboratorio hace tres años ".

Para investigar esta discrepancia, Pasquali y los coautores del estudio Guido Pagani, Micah Green y Poulin se propusieron modelar con precisión las interacciones entre los nanotubos y las burbujas de sonicación. Su modelo de computadora, que se ejecutaba en la supercomputadora Cray XD1 de Rice, utilizó una combinación de técnicas de dinámica de fluidos para simular con precisión la interacción. Cuando el equipo ejecutó las simulaciones, encontraron que los tubos más largos se comportaban de manera muy diferente a sus homólogos más cortos.

"Si el nanotubo es corto, un extremo será arrastrado hacia abajo por la burbuja que colapsa, de modo que el nanotubo esté alineado hacia el centro de la burbuja, "Dijo Pasquali." En este caso, el tubo no se dobla, sino que se estira. Este comportamiento se había predicho previamente, pero también descubrimos que los nanotubos largos hicieron algo inesperado. El modelo mostró cómo la burbuja que colapsa atraía nanotubos más largos hacia adentro desde el medio, doblándolos y partiéndolos como ramitas ".

Pasquali dijo que el modelo muestra cómo ambas leyes de potencia pueden ser correctas:una describe un proceso que afecta a los nanotubos más largos y otra describe un proceso que afecta a los más cortos.

"Se necesitó cierta flexibilidad para comprender lo que estaba sucediendo, ", Dijo Pasquali." Pero el resultado es que tenemos una descripción muy precisa de lo que sucede cuando los nanotubos son sonicados ".