Los nanotubos de carbono se han mostrado prometedores para todo, desde la microelectrónica hasta la aviación y el almacenamiento de energía. Los investigadores creen que este material algún día podría cumplir el sueño de ciencia ficción de crear un ascensor al espacio.

Entonces, ¿por qué no se utilizan con más frecuencia?

El químico de la Universidad de Cincinnati, Noe Alvarez, dijo que un obstáculo ha sido la frustrante incapacidad de unir nanotubos de carbono a superficies metálicas en una conexión robusta para sensores, transistores y otros usos. Estos tubos huecos tienen un diámetro de sólo una milmillonésima de metro pero pueden tener muchos centímetros de largo.

"Queremos que nuestros experimentos sean reproducibles y consistentes, pero eso no es fácilmente posible con los nanotubos porque no podemos controlar qué tan bien están conectados a las superficies metálicas", dijo.

Pero él y sus colaboradores han demostrado un nuevo proceso químico que injerta nanotubos en superficies metálicas para crear un vínculo conductor fuerte, consistente. El estudio fue publicado en la revista Nanoscale Advances. .

En versiones anteriores, se dispersaron nanotubos de carbono en una solución para hacer lo que Álvarez compara con "espaguetis húmedos" que se adhieren a una superficie metálica.

"Pero no existe una conexión sólida. Nada sujeta realmente los nanotubos a la superficie", afirmó.

Por eso, las mediciones de propiedades como la conductividad eléctrica eran imprecisas e inconsistentes.

Álvarez y sus socios de investigación en la Universidad Texas A&M, dirigidos por el profesor de ingeniería química Jorge Seminario, demostraron formas de unir químicamente nanotubos a superficies de cobre, aluminio, oro y otras superficies metálicas.

Álvarez y sus colaboradores recibieron una subvención de 720.000 dólares de la Fundación Nacional de Ciencias para profundizar en su descubrimiento químico en los próximos tres años.

"¿Por qué no vemos nanotubos de carbono en aplicaciones comerciales generalizadas a pesar de que tienen tanto potencial? Tenemos mucho que descubrir", dijo Chaminda Nawarathne, estudiante de doctorado de la UC y autora principal del estudio.

Álvarez y sus coautores descubrieron mediante cálculos computacionales que los átomos de carbono en el enlace orgánico en realidad se unen con dos átomos de cobre, creando un enlace especialmente fuerte.

"Eso explica por qué nuestros nanotubos, una vez que están conectados químicamente, permanecen conectados", dijo Álvarez.

Los nanotubos de carbono son moléculas notoriamente fuertes. Su estructura molecular crea una elegante red hexagonal. "Los enlaces de carbono son los enlaces más fuertes. Son enlaces covalentes. Por eso el diamante es el material más duro porque son enlaces carbono-carbono", dijo Álvarez.

Mientras que los átomos de carbono de los diamantes son enlaces simples, los nanotubos de carbono tienen átomos de doble enlace conjugados, lo que los hace incluso más fuertes que los diamantes.

Se han ideado cables hechos de nanotubos de carbono resistentes pero livianos para crear "ascensores espaciales" que podrían transportar equipos a la órbita, dijo Álvarez. Un ascensor espacial apareció en la escena inicial de la película de Brad Pitt "Ad Astra".

Pero la fuerza es sólo una de sus propiedades únicas.

Los nanotubos de carbono se utilizan para crear el material sintético más negro de la Tierra. Álvarez dijo que sus fuertes vínculos con el metal podrían conducir a mejores pinturas y revestimientos.

"Los nanotubos son bastante inertes. Son muy estables. Puedes conjugarlos sin romper sus enlaces. Los nanotubos semiconductores también tienen propiedades de fluorescencia:pueden generar luz", dijo Álvarez. "Así que la lista de aplicaciones sigue y sigue."

Nawarathne dijo que está buscando aplicaciones potenciales en el almacenamiento de energía.

"Ahora que podemos unir los nanotubos de carbono a un colector de corriente o a una sonda metálica, podemos fabricar electrodos muy estables para supercondensadores", afirmó Nawarathne.

Los estudiantes de química de la UC "cultivan" nanotubos en discos de silicio mediante un proceso llamado deposición química catalítica de vapor en equipos que calientan reactivos y un catalizador de hierro a 1450 °F.

"Está al rojo vivo", dijo Álvarez, señalando un objeto visible a través de una ventana de vidrio en la máquina del tamaño de un horno. "Eso es como una bandeja para hornear. El catalizador entra aquí".

Después de 45 minutos, aparece una fina capa de nanotubos de carbono sobre el silicio. A partir de ahí, los investigadores pudieron electroinjertar los nanotubos en una variedad de superficies metálicas. Inicialmente, utilizaron haces de nanotubos, pero con procesos refinados aprendieron que pueden conectar nanotubos alineados verticalmente.

"Es como tratar de conectar la lana a una oveja. Tienes hilo que ha sido cortado de la oveja. Podemos conectar fibras individuales a la oveja químicamente", dijo.

Más información: Chaminda P. Nawarathne et al, Creación de enlaces covalentes entre Cu y C en la interfaz de nanotubos de carbono metálicos y de extremos abiertos, Avances a nanoescala (2023). DOI:10.1039/D3NA00500C

Proporcionado por la Universidad de Cincinnati