Una tecnología diminuta con grandes posibilidades

Hace treinta años, los científicos llevaron a cabo la primera síntesis controlada de nanotubos de carbono de pared sencilla. Desde entonces, estos nanotubos se han incorporado a productos que van desde tejidos y artículos deportivos hasta baterías y células fotoeléctricas. En paralelo al crecimiento de sus usos, ha aumentado el interés por sus aplicaciones potenciales.

Como resultado de sus excepcionales propiedades, los investigadores están explorando aplicaciones innovadoras para estos materiales. El éxito podría traducirse en avances cruciales en ámbitos como la energía renovable o la administración de fármacos, entre otros. Las posibilidades de los nanotubos de carbonos son inmensas en muchos sectores.

¿Qué son los nanotubos de carbono de pared sencilla?

Los nanotubos de carbono de pared sencilla se pueden describir como una única lámina de átomos de carbono, similar al grafeno, enrollada formando un tubo. Normalmente se generan en un horno de vacío en el que un sustrato con un catalizador interactúa con un precursor de gas que contiene carbono. Ese precursor reacciona con el sustrato catalítico y provoca el crecimiento de nanotubos en un proceso similar a la producción de películas en la fabricación de semiconductores.

La publicación de una reacción controlada para crear nanotubos de carbono de pared sencilla siguió al descubrimiento de los nanotubos de carbono de pared múltiple en 1991. Los nanotubos de carbono de pared múltiple pueden presentar grandes variaciones en sus propiedades mecánicas y eléctricas, lo que ha llevado a los científicos a buscar una variedad de pared sencilla para tener más control sobre sus características. La principal innovación que permitió la síntesis de nanotubos de pared sencilla fue el uso de partículas catalizadoras en el proceso de deposición.

Los nanotubos de carbono tienen enlaces fuertes entre los átomos de carbono. Su resistencia a la tracción puede ser superior a la del acero. Además, son ligeros, conducen el calor y pueden rellenarse con otros materiales o combinarse con otros materiales de escala nanométrica para aprovechar sus propiedades.

Las propiedades eléctricas de los nanotubos de carbono de pared sencilla también son interesantes y tienen una dependencia elevada de la estructura. Pueden ser totalmente conductores —como un metal— o semiconductores dependiendo de su quiralidad, que es el grado de torsión de la espiral en toda su longitud. La quiralidad varía de unos tubos a otros durante su crecimiento en el sustrato y determina si un nanotubo es semiconductor o se comporta como un metal.

Aplicaciones de los nanotubos de carbono de pared sencilla hasta la fecha

Estas propiedades distintivas, como la alta resistencia y el bajo peso, convierten a los nanotubos de carbono de pared sencilla en un componente adicional importante en los materiales compuestos. Se usan con frecuencia en los chalecos antibalas, en artículos deportivos como las raquetas de tenis y las bicicletas y en bienes duraderos como embarcaciones y yates.

Las propiedades eléctricas de los nanotubos de carbono también han abierto la puerta a otras oportunidades importantes, y ya se están usando en artículos electrónicos de producción masiva como las baterías de iones de litio de los coches eléctricos. Un estudio reciente demostró que los nanotubos de carbono mejoraban la potencia y la vida útil de los electrodos en estos tipos de baterías. Gracias a su fuerza, los nanotubos de carbono también pueden ayudar al electrodo de la batería a soportar mejor las tensiones mecánicas asociadas con los ciclos de carga y descarga y las flexiones.

Oportunidades de innovación

El almacenamiento de energía en baterías y la energía renovable son solo dos de las muchas aplicaciones posibles de los nanotubos de carbono de pared sencilla. Hace poco, se publicó en ACS Nano un análisis de CAS Content Collection™ obtenido mediante procesamiento en lenguaje natural que revelaba varias tendencias y conexiones interesantes.

Algunas aplicaciones aparecen con más frecuencia en patentes que en artículos de revistas, como las baterías, las tecnologías de obtención de imágenes y los blindajes electromagnéticos. Esto sugiere que se considera que estas aplicaciones tienen más potencial comercial. El crecimiento de la adopción de vehículos eléctricos y la demanda resultante de baterías de iones de litio en los últimos años se corresponde con el alto número de menciones a los nanotubos de carbono de pared sencilla encontradas en solicitudes de patentes.

Otros campos presentan más actividad de investigación académica. La fotónica y las células fotoeléctricas, por ejemplo, son áreas de investigación activas, y el almacenamiento del hidrógeno es un campo de estudio pequeño, pero creciente. Esto se debe a que la gran área superficial de los nanotubos les permite absorber de manera eficiente el hidrógeno, lo que puede contribuir a solucionar los problemas asociados tradicionalmente a su almacenamiento. La adición de nanopartículas a la superficie de los nanotubos puede provocar más reacciones con el hidrógeno para incrementar aún más la capacidad de los nanotubos para absorberlo.

Algunas aplicaciones biomédicas, como la administración de fármacos, aunque difieren mucho de otros casos de uso de los nanotubos de carbono de pared sencilla, también son importantes para los investigadores, ya que podrían desempeñar un papel clave en la medicina personalizada. Los electrodos implantables, que permitirían aprovechar la conductividad mejorada de los nanotubos, son otra posible innovación en el campo biomédico, vinculada a la aparición de dispositivos neurotecnológicos corporales (wearables) e implantables.

Estas aplicaciones aún deben avanzar en su investigación y someterse a pruebas de seguridad, eficacia y coherencia, pero dan una medida del inmenso abanico de posibilidades científicas de los nanotubos de carbono de pared sencilla.

El gran potencial de las nanotecnologías

En los últimos treinta años, los nanotubos de carbono de pared sencilla han pasado de objeto de estudio en laboratorios fundamentales a convertirse en innovaciones comercializadas en numerosos sectores. Ahora ocupan una posición que podría ser crucial para la transición energética, la evolución de los vehículos eléctricos e incluso la medicina personalizada.

Los nanotubos, junto con otros nuevos nanomateriales, seguirán transformando el futuro. Desde alternativas sostenibles de biomateriales hasta nuevas aplicaciones como la impresión 3D en los campos de la biomedicina, este rápido ritmo de innovación seguirá acelerándose en los próximos años.