Gain new perspectives for faster progress directly to your inbox.
Los nanotubos de carbono (NTC) son estructuras de escala nanométrica con un enorme potencial para mejorar diversos materiales, pero la falta de uniformidad de sus propiedades químicas y eléctricas, su pureza y su coste, sumadas a las dudas sobre su posible toxicidad, plantean retos aún no resueltos. Los NTC son un alotropo del carbono unidimensional compuesto por una retícula de carbono hibridada mediante sp2 en una configuración cilíndrica. Los NTC de pared simple son un tubo sencillo, mientras que los NTC de pared múltiple o multicapa están anidados concéntricamente o enrollados como un pergamino (figura 1).
Estos materiales de escala nanoscópica tienen un módulo de Young y una tensión de rotura elevados y pueden tener propiedades eléctricas metálicas o semiconductoras. Su distribución atómica (quiralidad) afecta a su conductividad y, por este motivo, los investigadores intentan comprender cómo se pueden usar los parámetros de síntesis para generar NTC con propiedades eléctricas predecibles. El desarrollo a lo largo de los últimos veinte años de varias fórmulas que emplean la deposición química de vapor para sintetizar NTC ha mejorado esta situación.
Como hemos visto en nuestro análisis de CAS Content Collection™, la mayor recopilación de información científica publicada seleccionada por expertos, el aumento de la actividad de las patentes indica un interés considerable en las aplicaciones comerciales de los NTC (figura 2).
Crecimiento de las patentes sobre tecnologías de baterías
Por su resistencia mecánica y su conductividad, los NTC son útiles en materiales de baterías, donde proporcionan soporte mecánico durante los ciclos de carga y descarga —lo que aumenta la vida útil de la batería— y actúan también como vías conductoras de la electricidad. Nuestro análisis de las publicaciones relacionadas con NTC reveló que las menciones de las baterías en las publicaciones de patentes casi triplican a las de las publicaciones de revistas (figura 3).
Estas tendencias de publicación reflejan la viabilidad comercial de los NTC y su potencial en un número creciente de aplicaciones de baterías para vehículos eléctricos y dispositivos inteligentes. Numerosas patentes de baterías proceden de China, Corea y EE. UU., probablemente impulsadas por las grandes industrias de electrónica de consumo y los fabricantes de vehículos eléctricos de esas regiones.
Las publicaciones sobre NTC incluyen varias químicas de baterías. Predominan las baterías de iones de litio, pero las publicaciones sobre baterías de iones de zinc han presentado una tasa de crecimiento notable en los últimos años. En las baterías de iones de zinc, el papel de los NTC consiste en formar una estructura con un área superficial elevada, resiliente desde el punto de vista mecánico, flexible y con conductividad electrónica que refuerza otros materiales catódicos activos. Esto mejora la tasa C y la conservación de capacidad tras varios ciclos.
La aparición de los nanomateriales conocidos como MXenos también está despertando interés por sus posibles usos en los electrodos de las baterías. En esta aplicación, los NTC se pueden utilizar para controlar el espaciado entre las láminas de MXeno e impedir que se modifique el apilamiento, lo que mejora el transporte de los iones. Las combinaciones de NTC y MXenos se pueden usar también en supercondensadores para aplicaciones de almacenamiento de energía, aunque las citas de estas publicaciones se encuentran principalmente en revistas, lo que sugiere que no están preparadas para la comercialización a gran escala.
Crecimiento constante de las aplicaciones de compuestos
Desde su descubrimiento a principios de la década de 1990, las aplicaciones principales de los NTC se han dado en compuestos, en los que aportan resistencia mecánica y una elevada conductividad térmica y eléctrica. Están presentes en productos que van desde artículos deportivos hasta revestimientos industriales. Encontramos publicaciones sobre NTC que citan su uso en hidrogeles, resinas epoxi y polímeros, incluido el ácido poliláctico (PLA), un polímero renovable y biodegradable. En algunos de estos casos, los NTC se usan para reforzar materiales frágiles y ayudarlos a soportar aplicaciones exigentes desde el punto de vista mecánico (figura 6).
Otras citas destacadas hacen referencia a los NTC combinados con matrices de polímeros para el blindaje electromagnético. La gran cantidad de publicaciones de revistas y patentes relacionadas con materiales compuestos pone de manifiesto la viabilidad de las innovaciones de compuestos de NTC en aplicaciones comerciales y en otras más experimentales.
Interés por los sensores y los usos biomédicos en el ámbito de la investigación
Dos campos en los que la investigación de los NTC no ha llegado a la comercialización a gran escala pero tiene un potencial considerable son los sensores y los usos biomédicos, como la administración de medicamentos. Los sensores constituyen la segunda aplicación más numerosa mencionada en las publicaciones de revistas relacionadas con los NTC. Los NTC se pueden usar para fabricar sensores químicos y mecánicos, como los empleados para medir la deformación o la presión para la detección de movimiento humano. Por su resistencia mecánica, su relación de aspecto, su conductividad y la capacidad de funcionalizarlos desde el punto de vista químico, resultan útiles para convertir y transmitir estos estímulos, lo que explica su potencial en estos dispositivos.
Nuestro análisis reveló que, mientras que el 14 % de las publicaciones de revistas sobre NTC tienen relación con los sensores, solo el 7 % de las publicaciones de patentes tratan este uso. Es posible que, en esta fase de su desarrollo, la fabricación de algunos sensores a escala de laboratorio requiera una cantidad de mano de obra o de materiales caros para el montaje que no resulte comercialmente viable. Por otra parte, los sensores diseñados en laboratorio pueden ser pruebas de concepto o utilizar estímulos con un interés comercial relativamente más bajo para el desarrollo futuro.
Del mismo modo, las aplicaciones biomédicas de los NTC integran hasta el 9 % de las publicaciones de revistas, pero solo un 3 % de las publicaciones de patentes. Los NTC se usan como material de refuerzo para stents de administración de fármacos, como material conductor en catéreres de nervios y como material antibacteriano y estructural para implantes óseos. Estas aplicaciones son prometedoras, pero los NTC pueden presentar toxicidad en función de su pureza, su tamaño y su forma. Por este motivo, se necesitan más ensayos clínicos para explorar a fondo los usos biomédicos antes de la comercialización.
Potencial para aplicaciones de recuperación medioambiental
La elevada área superficial y la posibilidad de personalización química de los NTC los hacen ideales como agentes de eliminación de contaminantes medioambientales mediante absorción y otras técnicas. También se pueden modificar y adaptar con cocatalizadores para mejorar la reactividad con determinados contaminantes. Por ejemplo, una perovskita de lantano-gadolinio-hierro reforzada con NTC permitió una fotocatálisis mejorada de la degradación del rojo fenol en comparación con una perovskita sin NTC.
Los NTC también se pueden usar como adsorbentes para el tratamiento de aguas residuales. Han logrado eliminar el ciprofloxacino, un antibiótico difícil de extraer que es perjudicial para los organismos acuáticos. Desde entonces, se ha producido un aumento notable de las citas que comparan el rendimiento de los NTC y el biochar o carbón vegetal para la eliminación de contaminantes medioambientales.
Los artículos de revistas relacionados con NTC y recuperación medioambiental son mucho más numerosos que las publicaciones de patentes. Las posibles explicaciones de esto son que el coste los hace económicamente inviables para las actividades de recuperación o que se necesita más investigación básica para mejorar su eficiencia.
Desafíos pendientes de los NTC
Las aplicaciones de los NTC abarcan campos tan diversos como el almacenamiento de energía, los bienes duraderos, los productos electrónicos, la recuperación medioambiental y los dispositivos biomédicos. Sus propiedades únicas los convierten en componentes valiosos para una amplia gama de productos, pero la necesidad de precisión de estas aplicaciones complica su uso. Nuestro análisis indicó que el ajuste de los parámetros de síntesis para controlar el tamaño y la quiralidad sigue siendo un área de investigación activa. Como la quiralidad determina las propiedades eléctricas de los NTC, esta investigación puede llevar a métodos que podrían superar algunos de estos desafíos.
Avanzar en las investigaciones, en especial en estudios in vivo y ensayos clínicos, ayudará a los científicos a entender mejor los riesgos de toxicidad en aplicaciones biomédicas. Cuantos más NTC se generen, mejor entenderán y controlarán los investigadores su pureza. Aumentar la escala de la producción también puede resolver los problemas de coste actuales, y eso podría fomentar el desarrollo de NTC para soluciones de recuperación medioambiental y aplicaciones en las que el coste es un factor determinante.
Siguen existiendo obstáculos importantes para la investigación, pero las innovaciones constantes contribuirán a que los NTC desarrollen su enorme potencial comercial.
