Las aplicaciones de los nanotubos de carbono

Abordar los mayores desafíos de nuestro tiempo a veces implica aprovechar el poder de algunas de las partículas más pequeñas: los nanopartículas. Aquí nos adentramos en el fascinante mundo de los nanotubos de carbono (CNTs), una maravilla de la nanotecnología con el potencial de revolucionar numerosas industrias.

¿Qué son los nanotubos de carbono?

Los nanotubos de carbono son estructuras cilíndricas y huecas compuestas de átomos de carbono dispuestos en una retícula hexagonal. Los CNTs pueden ser de pared simple (SWCNTs) o de paredes múltiples (MWCNTs), con distintas configuraciones que ofrecen propiedades únicas basadas en su tamaño y estructura. El diámetro de un nanotubo de carbono se mide a escala nanométrica, sin embargo, pueden tener relaciones de aspecto extremas donde su longitud se extiende hasta el rango de los milímetros. La fuerza de tensión excepcional de los CNTs, combinada con sus propiedades térmicas y eléctricas únicas, podría significar que se vuelvan invaluables en numerosas áreas de investigación y aplicaciones¹.

Nuevas fronteras en la electrónica

Durante los últimos 30 años, una tendencia prominente en la electrónica ha sido la reducción progresiva de los dispositivos electrónicos cotidianos mientras su poder de cómputo y complejidad han aumentado. La demanda de dispositivos cada vez más pequeños y potentes ha sido una motivación principal para que la industria de la electrónica adopte la nanotecnología, incluidos los CNTs. El atractivo de los nanotubos de carbono va más allá de su tamaño. Por ejemplo, los CNTs exhiben una conductividad eléctrica excepcional que los convierte en candidatos ideales para desarrollar transistores de alto rendimiento² que prometen velocidades de procesamiento más rápidas y una mayor eficiencia energética en comparación con los dispositivos tradicionales basados en silicio. Además, la fuerza mecánica de los CNTs podría ser ventajosa al desarrollar electrónica flexible o componentes que soporten esfuerzo y tensión repetidos.

Avances en la ciencia de materiales

Una de las aplicaciones más emocionantes de los nanotubos de carbono reside en su capacidad para reforzar materiales compuestos³. La incorporación de CNTs en polímeros, metales y cerámicas, produce composites que son significativamente más fuertes, duraderos y ligeros que sus contrapartes convencionales. Estos materiales mejorados tienen amplias aplicaciones, incluyendo componentes aeroespaciales, partes automotrices y equipos deportivos, donde a menudo hay un fino equilibrio entre peso y rendimiento. De manera similar, la fuerza mecánica de los CNTs se está aprovechando para desarrollar revestimientos resistentes al desgaste que mejoran la longevidad y funcionalidad de varios productos. Estos revestimientos son particularmente valiosos en la industria electrónica donde también pueden aprovechar las propiedades eléctricas y térmicas de los CNTs para proteger componentes delicados.

Revolucionando el almacenamiento de energía

El sector energético está experimentando una transformación monumental impulsada por la creciente adopción de fuentes de energía renovable y el cambio continuo hacia la electrificación. Uno de los principales desafíos que acompaña esta transformación es la creciente demanda de almacenamiento de energía. Los nanotubos de carbono podrían convertirse rápidamente en clave para esta revolución debido a su capacidad para almacenar y conducir energía. Debido a su estructura tipo retícula para partículas tan pequeñas, los CNTs tienen una gran superficie que les permite almacenar más carga que los capacitores tradicionales. Este comportamiento ha llevado a que a veces se describa a los CNTs como «supercapacitores«⁴. Además, en la tecnología de baterías, se ha demostrado que el uso de electrodos mejorados con CNTs facilita el transporte rápido de iones, lo que mejora significativamente la capacidad, las tasas de carga/descarga y, por lo tanto, la eficiencia, rendimiento y vida útil de las baterías.

Descubrimientos médicos y biosensores

Los CNTs han demostrado un notable potencial en los campos de la medicina y la biosensibilidad, gracias a sus propiedades físicas únicas y, lo que es más importante, su biocompatibilidad. Los CNTs pueden ser funcionalizados para transportar biomoléculas especializadas para la administración dirigida de fármacos gracias a su escala nanométrica y alta superficie⁵. Además, los CNTs utilizados para la administración de fármacos pueden ser desarrollados para liberar terapias especializadas de manera controlada en respuesta a estímulos específicos. Las implicaciones de estos avances significarán que los fármacos pueden ser entregados directamente a células o tejidos enfermos, mejorando la eficacia del tratamiento mientras se minimizan los efectos secundarios.

Otra área de aplicación apasionante dentro de la medicina para los CNTs es la biosensibilidad y la imagenología. Al igual que su uso en la administración dirigida de fármacos, los CNTs pueden ser marcados con agentes de contraste o marcadores fluorescentes para permitir la obtención de imágenes de alta resolución de estructuras celulares y moleculares. Además, sus propiedades conductivas únicas pueden aprovecharse para desarrollar sensores capaces de detectar biomarcadores en sangre y otros fluidos biológicos.

Purificación y filtración

En el tratamiento de agua, los CNTs son excelentes para eliminar contaminantes, metales pesados ​​y patógenos, proporcionando acceso a agua limpia y segura⁶. Su alta superficie y alta porosidad son ideales para absorber contaminantes como metales pesados, contaminantes orgánicos y bacterias. Estas propiedades extienden sus capacidades para ser utilizadas en sistemas de filtración de aire donde los CNTs pueden capturar partículas nocivas de nuestra atmósfera para ayudar a mejorar la calidad del aire y reducir los riesgos para la salud asociados con la contaminación del aire.

Conclusiones

El potencial de los nanotubos de carbono es vasto y transformador. Desde la electrónica y la ciencia de materiales hasta el almacenamiento de energía y la medicina, los CNTs están a la vanguardia de la innovación. Algunos de los mayores desafíos para el avance científico incluyen la administración dirigida de fármacos para enfermedades cada vez más complejas, la electrificación y el desarrollo de baterías, la reducción y mitigación de la contaminación generalizada y la facilitación de la transición hacia energías renovables. Todos estos desafíos pueden abordarse con el uso inteligente de los CNTs.

En Malvern Panalytical, estamos emocionados de ser parte de esta revolución tecnológica, desarrollando soluciones que nos permiten obtener conocimientos sobre las propiedades increíbles de los CNTs para abordar los desafíos de hoy y aprovechar la ciencia de partículas y materiales para crear un futuro más saludable y sostenible.

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Referencias

1. Harris, P. J. F. Carbon Nanotube Science: Synthesis, Properties and Applications. (Cambridge University Press, 2009).
2. Franklin, A. D., Hersam, M. C. & Wong, H.-S. P. Transistores de nanotubos de carbono: Haciendo electrónica a partir de moléculas. Science 378, 726–732 (2022).
3. Coleman, J. N., Khan, U., Blau, W. J. & Gun’ko, Y. K. Pequeños pero fuertes: Una revisión de las propiedades mecánicas de los composites de nanotubos de carbono-polímero. Carbon 44, 1624–1652 (2006).
4. Yu, D. et al. Síntesis escalable de fibras estructuradas jerárquicamente de nanotubos de carbono-grafeno para almacenamiento de energía capacitiva. Nature Nanotech 9, 555–562 (2014).
5. Jha, R., Singh, A., Sharma, P. K. & Fuloria, N. K. Nanotubos de carbono inteligentes para sistemas de entrega de fármacos: Un estudio exhaustivo. Journal of Drug Delivery Science and Technology 58, 101811 (2020).
6. Das, R. et al. Nanotubos de carbono multifuncionales en el tratamiento de agua: El presente, pasado y futuro. Desalination 354, 160–179 (2014).