El
Carbono
Carbono es un elemento único en la naturaleza ya
que tiene la cualidad de formar un número muy grande de compuestos,
característica que no presentan el resto de elementos que existen en nuestro
entorno. Se encuentra libre en la corteza terrestre en diferentes formas
alotrópicas y también formando compuestos presentes en diversos minerales como
caliza, dolomita, yeso, mármol, carbonatos, entre otros. En la atmósfera
podemos hallarlo en el dióxido y monóxido de carbono.
Una característica importante del carbono es la
extensa variedad de compuestos que forma cuando se combina con hidrógeno,
oxígeno, nitrógeno y otros elementos, que son la base principal de la
composición de todos los seres vivos, animales y vegetales, razón por la que se
les llama compuestos orgánicos.
El carbono es un elemento notable por varias
razones. Sus formas alotrópicas incluyen, sorprendentemente, una de las
sustancias más blandas (el grafito) y una de las más duras (el diamante) y
desde el punto de vista económico una de los materiales más baratos (carbón) y
uno de los más caros (diamante). Más aún, presenta una gran afinidad para
enlazarse químicamente con otros átomos pequeños, incluyendo átomos de carbono
con los que puede formar largas cadenas, y su pequeño radio atómico le permite
formar enlaces múltiples; así, con el oxígeno forma el dióxido de carbono,
vital para el crecimiento de las plantas (ver ciclo del carbono); con el
hidrógeno forma numerosos compuestos denominados genéricamente hidrocarburos,
esenciales para la industria y el transporte en la forma de combustibles
fósiles; y combinado con ambos forma gran variedad de compuestos, como por
ejemplo los ácidos grasos, esenciales para la vida, y los ésteres que dan sabor
a las frutas; además proporciona, a través del ciclo carbono-nitrógeno, parte
de la energía producida por el sol y otras estrellas.
Compuestos
del carbono
Los compuestos a los que da lugar el carbono pueden
agruparse en:
Acíclicos: son compuestos de cadena abierta. Cada
átomo de carbono de estas cadenas se caracteriza por el número de átomos de
carbono a que va unido, denominándose primario, secundario o terciario según
esté unido a 1, 2 o 3 átomos de carbono.
Cíclicos: son compuestos de cadena cerrada. Si el
ciclo sólo lo forman átomos de carbono, la serie se llama carbocíclica, y si
éstos se combinan con otro tipo de átomos (oxígeno, nitrógeno, azufre), se
llama heterocíclica. Si el compuesto tiene más de un ciclo en sus estructuras,
se llama policíclico.
Aromáticos: son una amplísima y muy importante
serie de compuestos derivados del benceno.
Las características del carbono son muy
particulares, ya que el forma un enorme numero de compuestos, la mayor parte de
los cuales constituyen el grupo de las substancias orgánicas, o sea, las
substancias que contienen principalmente carbono, hidrógeno, nitrógeno y
oxígeno. Se conocen millones de compuestos orgánicos.
El carbono también forma otra serie, mucho menos
numerosa, cuyos compuestos son clasificados como compuestos inorgánicos.
Químicamente el carbono es una sustancia inerte,
paradójicamente una sustancia inherte que le da vida al planeta.
De los compuestos de carbono existentes, podemos
comenzar a citar los hidrocarburos. Ellos son compuestos formados por carbono e
hidrógeno. Los átomos de carbono que con apenas enlaces covalentes simples son
los hidrocarburos saturados o alcanos. Los hidrocarburos insaturados, tienen
por lo menos un enlace covalente doble o un enlace covalente triple entre dos
átomos de carbono, aquí se incluyen los alquenos y los alquinos.
ALCANOS
El alcano más importante se llama Metano, pero
también esta el Etano, Propano y Butano. El nombre de los alcanos, termina
siempre en “ano”, para identificar su correlación química con la familia de
hidrocarburos saturados. Los alcanos se encuentran en el gas natural y en el
petróleo, estos hidrocarburos son principalmente utilizados como combustibles.
ALQUENOS
Unos alquenos bien conocidos y sencillos es el
Etano o Etileno. El nombre de los alquenos, siempre termina en “eno” de la
misma forma que con los alcanos, para identificar la substancia con su
procedencia hidrocarbúrica.
Los alquenos son utilizados como materias primas en
la industria química.
ALQUINOS
Uno de los alquinos mas simple es el Etino, llamado
Acetileno. El nombre de los alquinos siempre termina en “ino” para cumplir la
nomenclatura detallada en los dos casos anteriores.
El Etino es utilizado como materia prima en la
producción de ácido acético y otros compuestos de carbono.
ALCOHOLES
El etanol o alcohol etílico es un líquido incoloro
e inflamable que tiene un aroma característico. Es un solvente valioso y
materia prima de muchas síntesis orgánicas, está presente en las bebidas
alcoholicas y genera los consabidos efectos en el ser humano.
Las moléculas de alcohol poseen en común el grupo
característico hidroxilo – OH que le confiere propiedades específicas. Hay
alcoholes que tienen apenas un grupo hidroxilo (son los monoalcoholes; con dos
hidroxilos son los dialcoholes y con tres grupos de hidroxilo los
trialcoholes). Un trialcohol muy utilizado en la industria es el Propanotriol.
Ese Trialcohol, se utiliza en la industria alimenticia, cosmética y varios
medicamentos.
CETONAS
Y ALDEHIDOS
La acetona es un líquido incoloro, inflamable, de
olor particular y con gran interes industrial sobre ella. El nombre de las
cetonas, deriva del nombre de los correspondientes hidrocarburos a los cuales
se les agrega el sufijo “ona”.
Los aldehídos que poseen una cadena con tres átomos
de carbono se llaman Propanal.
El nombre de los aldehídos deriva de sus
correspondientes hidrocarburos los cuales poseen la terminacion “al”.
LIPIDOS
Los lípidos, o grasas son con compuestos insolubles
en agua y solubles en solventes orgánicos como el benceno, el éter y el
cloroformo. Tienen en su constitución los elementos carbono, hidrógeno y
oxígeno.
Las grasas son importantes fuentes de energía para
nuestro organismo. Las grasas más simples se denominan triglicéridos. Los
triglicéridos se forman por una reacción de estearificación a partid de ácidos
grasos y glicerol.
HIDRATOS
DE CARBONO
Los hidratos de carbono son vulgarmente conocidos
por azúcares. Desempeñan funciones diversas, siendo importantes fuentes de
energía para los seres vivos. Tienen en su constitución carbono, hidrógeno y
oxígeno.
La glucosa y la fructuosa son azúcares simples que
existen en numerosos frutos. La sacarosa es el azúcar que habitualmente
utilizamos para endulzar las bebidas. La lactosa, constituida por galactosa y
glucosa, que existen en la leche y la maltosa, constituida por dos moléculas de
glucosa, el azúcar de la malta de cebada, son también disacáridos de forma
molecular.
Los polisacáridos son formados por más de dos
moléculas de monosacáridos.
El almidón se encuentra en harinas y en las
patatas. Es un polisacárido de reserva en los tejidos vegetales. Es un polímero
de glucosa.
PROTEÍNAS
Las proteínas son compuestos de carbono, hidrógeno,
oxígeno, nitrógeno y a veces azufre; son polímeros.
La glicina es el aminoácido más simple. Cuando un
número muy elevado de aminoácidos establece enlaces peptídicos, se forma una proteína.
PLÁSTICOS
Una de las más importantes aplicaciones
industriales de los compuestos de carbono, es la producción de plásticos. Todos
los plásticos son constituídos por grandes moléculas, o macromoléculas,
formadas por pequeñas moléculas idénticas que se repiten en una cadena linear.
Las moléculas muy grandes construídas a partir de
monómeros enlazados entre si por enlaces covalentes, se llaman polímeros. La
reacción química a través de la cual los monómeros se enlazan entre si para
formar polímeros se llama polimerización. Los plásticos difieren entre si en el
tipo de monómeros y en el tamaño de la cadena, lo que les confiere propiedades
diferentes.
FIBRAS
Otros polímeros con interés industrial son las
fibras sintéticas como el nylon, utilizado en las redes de pesca, hilos y ropa,
l que ha permitido a lo largo del tiempo, ir abaratando el costo de la ropa,
debido al abaratamiento en el uso del nylon para su confección y no solo de
hilos naturales difíciles de conseguir.
Por todo lo dicho, se concluye que los compuestos
de carbono son muy importantes para nuestro día a día sin lugar a dudas. Su
utilización puede ser con destinos combustibles, en la industria química, en la
industria alimenticia, cosmética, medicamentos, plásticos y fibras.
El carbono forma tanto sales binarias como
terciarias, estas son:
Sales binarias: Carburos.
Sales terciarias: Oxisales y carbonatos (aunque
también forma Bicarbonatos).
Forma también Óxidos que son el monóxido de carbono (CO) y dióxido
de carbono (CO2).
Forma oxiácidos (Ácido Carbónico H2CO3).
Forma cianuros.
El carbono nunca forma hidrácidos, esto debido a
que no forma iones Hidrogeno.
Símbolo: C
Clasificación: Elementos carbonoides Grupo 14 No metal
Clasificación: Elementos carbonoides Grupo 14 No metal
Número Atómico: 6
Masa Atómica: 12,0107
Número de protones/electrones: 6
Número de neutrones (Isótopo 12-C): 6
Estructura electrónica: [He] 2s2 2p2
Electrones en los niveles de energía: 2, 4
Números de oxidación: -4, +2 (CO), +4
Masa Atómica: 12,0107
Número de protones/electrones: 6
Número de neutrones (Isótopo 12-C): 6
Estructura electrónica: [He] 2s2 2p2
Electrones en los niveles de energía: 2, 4
Números de oxidación: -4, +2 (CO), +4
Electronegatividad: 2,55
Energía de ionización (kJ.mol-1): 1090
Afinidad electrónica (kJ.mol-1): 122
Radio atómico (pm): 77
Radio iónico (pm) (carga del ion): 260 (-4)
Energía de ionización (kJ.mol-1): 1090
Afinidad electrónica (kJ.mol-1): 122
Radio atómico (pm): 77
Radio iónico (pm) (carga del ion): 260 (-4)
Entalpía de fusión (kJ.mol-1): 105,1
Entalpía de vaporización (kJ.mol-1): 710,9
Entalpía de vaporización (kJ.mol-1): 710,9
Punto de
Fusión (ºC): 3550
(diamante), 3527 (grafito), 800 (C60, sublima)
Punto de Ebullición (ºC): 4827 (sublima)
Densidad (kg/m3): 2260 (grafito), 3513 (diamante) y 1650 (fullerita); (20ºC)
Volumen atómico (cm3/mol): 3,42
Estructura cristalina: Hexagonal
Color: Puede ser negro.
El campo de la biomedicina también se ha visto beneficiado por la aparición de los fullerenos. Destaca sin duda el estudio de las propiedades de ciertos derivados organometálicos de los fullerenos solubles en agua, que han mostrado una actividad significativa contra los virus de inmunodeficiencia que provocan la enfermedad del SIDA, VIH-1 y VIH-2. También se baraja actualmente la posibilidad de incorporar fullereno en los procesos de fototerapia, que permitirían la destrucción de sistemas biológicos dañinos para los seres humanos.
Dada la versatilidad química de los fullerenos, se espera que una profundización en el conocimiento de sus propiedades químicas y físicas conduzca pronto a la aparición de nuevas y prometedoras aplicaciones.
Punto de Ebullición (ºC): 4827 (sublima)
Densidad (kg/m3): 2260 (grafito), 3513 (diamante) y 1650 (fullerita); (20ºC)
Volumen atómico (cm3/mol): 3,42
Estructura cristalina: Hexagonal
Color: Puede ser negro.
Propiedades físicas
| |
2267 kg/m3
|
|
Grafito:
5100 K
|
|
Varios
|
|
hexagonal
|
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231-153-3
|
|
129 W/(K·m)
|
|
Alótropos del Carbono:
Diamante
Densidad
|
solubilidad
|
Punto de ebullición
|
Punto de fusión
|
Conductividad eléctrica
|
Dureza
|
Color
|
3,5 – 3,53 g/cm3
|
Insoluble
|
-------------
|
3500°C
|
Excepto los diamantes
azules naturales (que contienen boro como impureza, que sustituye a los
átomos de carbono, y son semiconductores), el diamante es un aislante
eléctrico
|
10 en la Escala de Dureza de Mohs (material más duro conocido)
|
amarillo, marrón o gris a incoloro. Menos frecuente azul, verde, negro,
blanco translúcido, rosado, violeta, anaranjado, púrpura y rojo
|
Usos
El diamante se usa principalmente en la joyería,
pero aquellos que no tienen una belleza para usarse en esta se emplean en la
industria.
El diamante se usa para cortar las cosas más duras,
pero no todas. Se usa para cortar placas de concreto (hormigón), con dientes de
diamante; pero el diamante industrial no el de joyería. Para cortar las
baldosas que usamos para cubrir los pisos y paredes de nuestras casas.
Se fabrican el diamante industrial y el de joyería con el misma materia prima, el grafito. Al industrial se le agregan sustancias que lo hacen flexible, por eso puede cortar el concreto; no tiene la belleza del diamante de joyería.
Se fabrica el diamante de joyería pero tiene un ligero tono amarillo, lo cual no tiene la calidad del que se consigue en la naturaleza. No se utiliza para los procesos de corte porque se rompería con algún golpe fuerte, sin embargo sigue manteniendo su supremacía como material duro porque puede resistir a la rayadura, puede rayar a cualquier otro material.
Se fabrican el diamante industrial y el de joyería con el misma materia prima, el grafito. Al industrial se le agregan sustancias que lo hacen flexible, por eso puede cortar el concreto; no tiene la belleza del diamante de joyería.
Se fabrica el diamante de joyería pero tiene un ligero tono amarillo, lo cual no tiene la calidad del que se consigue en la naturaleza. No se utiliza para los procesos de corte porque se rompería con algún golpe fuerte, sin embargo sigue manteniendo su supremacía como material duro porque puede resistir a la rayadura, puede rayar a cualquier otro material.
Grafito
Densidad
|
solubilidad
|
Punto de ebullición
|
Punto de fusión
|
Conductividad eléctrica
|
Dureza
|
color
|
2,09 a 2,23 g/cm3
|
Insoluble
|
4830°C
|
3500°C
|
El grafito es capaz de conducir la electricidad, debido a la deslocalización
de los electrones π sobre y debajo de los planos de los átomos de carbono.
Estos electrones tienen libertad de movimiento, por lo que son capaces de
conducir la electricidad. Sin embargo, la electricidad es conducida sólo a
los largo del plano de las capas.
|
1-2 Mohs
|
Negro
|
Usos
· Se utiliza
para hacer la mina de los lápices.
· El grafito
se emplea en ladrillos, crisoles, etc.
· Al
deslizarse las capas fácilmente en el grafito, resulta ser un buen lubricante
sólido.
· Se utiliza
en la fabricación de diversas piezas en ingeniería, como pistones, juntas,
arandelas, rodamientos, etc.
· Este
material es conductor de la electricidad y se usa para fabricar electrodos.
También tiene otras aplicaciones eléctricas, como los carbones de un motor, que
entran en contacto con el colector.
· Se emplea
en reactores nucleares, como moderadores y reflectores.
· El grafito
mezclado con una pasta sirve para fabricar lápices.
· Es usado
para crear discos de grafito parecidos a los de discos vinilo salvo por su
mayor resistencia a movimientos bruscos de las agujas lectoras.
· Se puede
crear Grafeno, material de alta conductividad eléctrica y térmica, futuro
sustituto del silicio en la fabricación de chips.
· En homeopatía es utilizado como medicamento,
el cual, después de ser extraída la tintura madre, diluida y dinamizada, se
utiliza para tratar enfermedades como tristeza, inquietud, llanto fácil,
desesperación, etc.1
Fullerenos
Densidad
|
solubilidad
|
Punto de ebullición
|
Punto de fusión
|
Conductividad eléctrica
|
Dureza
|
color
|
1,68 g/cm3
|
El fullereno es la única forma alotrópica del
carbono que puede ser disuelta.
|
En películas delgadas es mostaza. En trozo
es café/negro
|
· Al
deslizarse las capas fácilmente en el grafito, resulta ser un buen lubricante
sólido.
Usos
La ciencia de los
materiales ha mostrado desde su descubrimiento un gran interés por las
posibilidades de los fullerenos, dadas sus múltiples propiedades y la
alta procesabilidad que presentan. Siguiendo estas líneas se han obtenido
polímeros electroactivos (dando reacciones de transferencia electrónica) y
polímeros con propiedades de limitadores ópticos (trascendental en el campo de
los láseres para evitar el deterioro de los materiales). Se espera así
mismo obtener materiales muy adecuados para el recubrimiento de superficies,
dispositivos fotoconductores y creación de nuevas redes moleculares.El campo de la biomedicina también se ha visto beneficiado por la aparición de los fullerenos. Destaca sin duda el estudio de las propiedades de ciertos derivados organometálicos de los fullerenos solubles en agua, que han mostrado una actividad significativa contra los virus de inmunodeficiencia que provocan la enfermedad del SIDA, VIH-1 y VIH-2. También se baraja actualmente la posibilidad de incorporar fullereno en los procesos de fototerapia, que permitirían la destrucción de sistemas biológicos dañinos para los seres humanos.
Dada la versatilidad química de los fullerenos, se espera que una profundización en el conocimiento de sus propiedades químicas y físicas conduzca pronto a la aparición de nuevas y prometedoras aplicaciones.
Carbono
Usos
El carbón suministra el 25% de la energía primaria
consumida en el mundo, sólo por detrás del petróleo. Además es
de las primeras fuentes de energía eléctrica, con 40% de la producción mundial
(datos de 2006). Las aplicaciones principales del carbón son:
- Generación de energía eléctrica. Las centrales térmicas de carbón pulverizado constituyen la principal fuente mundial de energía eléctrica. En los últimos años se han desarrollado otros tipos de centrales que tratan de aumentar el rendimiento y reducir las emisiones contaminantes, entre ellas las centrales de lecho fluido a presión. Otra tecnología en auge es la de los ciclos combinados que utilizan como combustible gas de síntesis obtenido mediante la gasificación del carbón.
- Coque. El coque es el producto de la pirólisis del carbón en ausencia de aire. Es utilizado como combustible y reductor en distintas industrias, principalmente en los altos hornos (coque siderúrgico). Dos tercios del acero mundial se producen utilizando coque de carbón, consumiendo en ello 12% de la producción mundial de carbón (cifras de 2003).
- Siderurgia. Mezclando minerales de hierro con carbón se obtiene una aleación en la que el hierro se enriquece en carbono, obteniendo mayor resistencia y elasticidad. Dependiendo de la cantidad de carbono, se obtiene:
- Hierro dulce: menos del 0,2 % de carbono.
- Acero: entre 0,2 % y 1,2 % de carbono.
- Fundición: más del 1,2 % de carbono.
- Industrias varias. Se utiliza en las fábricas que necesitan mucha energía en sus procesos, como las fábricas de cemento y de ladrillos.
- Uso doméstico. Históricamente el primer uso del carbón fue como combustible doméstico. Aún hoy sigue siendo usado para calefacción, principalmente en los países en vías de desarrollo, mientras que en los países desarrollados ha sido desplazados por otras fuentes más limpias de calor (gas natural, propano, butano, energía eléctrica) para rebajar el índice de contaminación.
- Carboquímica. La carboquímica es practicada principalmente en África del Sur y China. Mediante el proceso de gasificación se obtiene del carbón un gas llamado gas de síntesis, compuesto principalmente de hidrógeno y monóxido de carbono. El gas de síntesis es una materia prima básica que puede transformarse en numerosos productos químicos de interés como, por ejemplo:
- Amoniaco
- Metanol
- Gasolina y gasoleo de automoción a través del proceso Fischer-Tropsch (proceso químico para la producción de hidrocarburos líquidos a partir de gas de síntesis, CO y H2)
- Petróleo sintético. Mediante el proceso de licuefacción directa, el carbón puede ser transformado en un crudo similar al petróleo. La licuefacción directa fue practicada ampliamente en Alemania durante la Segunda Guerra Mundial pero en la actualidad no existe ninguna planta de escala industrial en el mundo.
Estas dos últimas aplicaciones antiguas son muy
contaminantes y requieren mucha energía, desperdiciando así un tercio del
balance energético global. Debido a la crisis del petróleo se han vuelto a
utilizar.
Nanotubos
Usos
Electroquímicas
Una importante aplicación de los nanotubos, dada su
gran superficie y su baja resistividad,
es la electroquímica,
como el desarrollo de supercondensadores, dispositivos para el almacenamiento
de hidrógeno y fabricación de celdas solares.
Supercondensadores
Un supercondensador
consiste, esencialmente, en dos electrodos de carbono separados por una
membrana permeable de iones sumergidos en un electrolito. La
función de un supercondensador se mide en términos de la potencia y de la
densidad de energía almacenada. Los SWNTs tienen la mayor relación
superficie/volumen de cualquier material de carbono, de forma que sus átomos
son los que forman la superficie del electrodo. Actualmente, los
supercondensadores son fabricados con carbón activado, que es extremadamente
poroso y con una gran área superficial. En esta clase de carbón obtenido, los
poros son irregulares en tamaño y forma, reduciendo, de esta manera, la
eficiencia. En cambio, los CNTs alineados verticalmente en el supercondensador
poseen formas muy regulares y un ancho del orden de varios diámetros atómicos a
la vez que presentan una menor resistencia, lo que incrementa su densidad de
energía.
Los supercondensadores mejorados con nanotubos
(tanto de pared simple o múltiple) combinan la larga durabilidad y alta
potencia de los supercondensadores comerciales con la mayor densidad de
almacenamiento propia de las baterías químicas. Por tanto, pueden ser
utilizados en muchas aplicaciones de almacenamiento de energía.14
Almacenamiento
de hidrógeno
La gran superficie y estructura tubular de los CNTs
hace que puedan ser útiles para el almacenamiento de hidrógeno. El hidrógeno se
añade a los nanotubos por quimisorcion, puesto que los enlaces de los carbonos
que forman el nanotubo ofrecen capacidad hasta su saturación
incorporando hidrógenos. El análisis de espectroscopia
de rayos X revela una disminución de la resonancia
en los enlaces C-C, y un aumento de intensidad en los enlaces C-H.
En el espectro
de absorción se puede apreciar un pico correspondiente al carbono no
hidrogenado, que aparece a mayor energía, y otro pico debido al carbono
hidrogenado de menor energía. La proporción entre los dos picos indica la
cantidad de hidrógeno absorbido, próximo al requerido para ser aceptado como un
dispositivo de almacenamiento de hidrógeno en vehículos.
Por ejemplo, en el Instituto de Ciencia de
Materiales de Barcelona (ICMAB) se está trabajando acerca de ello.
La idea consiste en depositar nanotubos en el interior de una cámara a presión.
Se deja entrar el hidrógeno en dicha cámara y pasado un tiempo se deja salir de
la misma. La cantidad de gas saliente es menor que la entrante. Por tanto, se
cree que el hidrógeno queda incorporado al nanotubo.
Trabajando sobre esta idea, se ha comprobado la
capacidad de absorción del hidrógeno en diferentes estructuras de nanotubos.
Así, un paquete de double-walled carbon nanotubes (DWNT) puede absorber hasta
el doble de lo que hacen los SWNTs. A partir de la comparación de los planos de
grafito de SWNTs, con extremada pureza, uniformidad y apenas trazas de
impurezas, y de DWNTs, con un alto ordenamiento, pero con empaquetamiento más
ligero, en un conjunto hexagonal, se ha encontrado que estos últimos presentan
una mayor estabilidad para la absorción de H2. Esto se debe a que la
matriz de nanotubos presenta poros a los que pueden unirse las moléculas de H2,
y que dada la accesibilidad de éstos y el más profundo potencial molecular
consecuencia del solapamiento de los potenciales moleculares por la doble
pared, la absorción es mucho mayor, a pesar de tener un área un 40% menor que
los SWNTs.
Células
solares
Gracias a las singulares propiedades eléctricas de
los nanotubos se cree que puedan resultar eficaces en la conversión de energía solar en eléctrica.
El primer paso para construir una célula solar es
ensamblar nanotubos de carbono sobre un sustrato que haría las veces de
electrodo, formando una fina capa. Los nanotubos obtenidos comercialmente se solubilizan en una suspensión
que se transfiere a una célula de electroforesis con
dos electrodos ópticos transparentes paralelos (OTEs). Al aplicar un voltaje de
corriente continua, los nanotubos en suspensión se mueven hacia el electrodo
positivo. Manteniendo este voltaje durante un cierto tiempo, se consigue la
deposición de una capa de SWNT sobre la superficie del electrodo. Se puede
modificar la forma de la capa. Por ejemplo, si se prolonga el tiempo de la
electroforesis se aumenta el grosor de la capa, o si se aplican campos
superiores a 100 V/m, se obtiene un alineamiento de los nanotubos
perpendicular a la superficie del electrodo.
Se pueden utilizar dos procedimientos para el uso
de los nanotubos en las células solares, bien excitar directamente los
nanotubos semiconductores, o bien usarlos como conductos para mejorar el transporte
de carga en los colectores de luz nanoensamblados.
En el primer caso, se está investigando con los
SWCNTs semiconductores, cuyas propiedades eléctricas han sido detalladas
anteriormente. Estudios recientes han confirmado que los nanotubos poseen una
estructura de bandas que permite la formación de pares electrón-hueco y su
posterior separación por excitación de la luz. El siguiente paso es poder
utilizar estos portadores para obtener una corriente, tal y como sucede en las
aplicaciones fotovoltaicas de otros semiconductores. Utilizando la
capa de nanotubos depositados sobre el OTE como un electrodo fotosensible se puede
construir una célula fotoelectroquímica. Un electrolito se sitúa
entre la capa de nanotubos de carbono del electrodo y una lámina de platino. La luz
incidente excita los SWNTs y genera portadores de carga, después de lo cual
se observa una generación de corriente. Ésta corriente es catódica, lo que
indica que los huecos fotogenerados son acumulados en la superficie del OTE y
transportados al electrodo colector por un circuito externo. La reacción redox
presente permite recuperar las cargas de la superficie del electrodo de manera
que se mantiene una fotocorriente constante. La observación de este tipo de
corriente catódica supone que los SWNTs utilizados poseen propiedades de
semiconductores tipo p.
La eficiencia
de la fotoconversión (IPCE) se mide como la eficiencia fotón-portador y se
obtiene midiendo la fotocorriente a diferentes longitudes de onda.
El máximo valor obtenido por este método es del 0,15% a 400 nm, cuando lo usual
en las células solares es un valor, en torno al 80-90%.15 Estos
resultados se pueden mejorar incorporando una lámina de óxido de estaño (SnO2)
en el OTE que incrementa el área para recolectar portadores. También, mediante
el uso de stacked-cup nanotubes (SCCNTs), que presentan huecos en su
estructura, ofreciendo una larga porción de reactivos de borde en la superficie
interna y externa, y que minimizan la interacción entre nanotubos al permanecer
separados en la deposición sobre el electrodo.
En un electrodo OTE/SnO2/SCCNT los
electrones fotogenerados en los SCCNT son recogidos por los cristales de SnO2
generando una corriente anódica. Por tanto, presentan un comportamiento tipo n
opuesto al de las capas de SWNT, con el que se consigue un IPCE de casi el 17%.
Los dopantes introducidos durante la síntesis de los nanotubos, marcará sus
propiedades tipo p o n.
Otro procedimiento que está en desarrollo es la
utilización de los nanotubos como anclajes para colectores de luz
nanoensamblados (e. g. partículas semiconductoras) otorgando una vía para la
captura de las cargas fotogeneradas y su transporte hasta la superficie del
electrodo. Un ejemplo muy interesante es el material compuesto CdS-SWNT que es
capaz de generar una fotocorriente a partir de luz visible con una gran
eficacia. La capa de SWNTs se deposita en el OTE usando el método de
electroforesis descrito anteriormente. El electrodo se sumerge en una solución
conteniendo iones de cadmio
(Cd) y azufre (S) para
formar los cristales de sulfuro de cadmio (CdS). La corriente
anódica que se observa confirma que los electrones viajan desde CdS hasta el
electrodo colector a través de la red de SWNTs.
Como puede comprobarse, y debido a la baja
eficiencia, mostrada hasta ahora, la introducción de nanotubos en células
solares está aún en fase experimental, en búsqueda de un mejor rendimiento.
Electrónica
De entre las múltiples aplicaciones de los nanotubos
de carbono, quizá las más interesantes se encuentren en el dominio de la
electrónica, ya que éstos pueden desempeñar el mismo papel que el silicio en
los dispositivos electrónicos pero a escala molecular, donde los
semiconductores dejan de funcionar.
Además, debido a que los avances en la industria
electrónica se basan en la miniaturización de los dispositivos, que conlleva un
aumento en el rendimiento de la velocidad de proceso y la densidad de los
circuitos, será necesario utilizar nanotubos de carbono en su fabricación. Los
nanotubos de carbono pueden ser utilizados para fabricar múltiples dispositivos
entre los que destacan los transistores y las memorias informáticas.
Transistores
En el terreno de los transistores, se pueden
introducir SWNTs semiconductores entre dos electrodos (fuente y drenador) en transistores de efecto de campo
(FET), llamados CNTFET, para crear una “autopista” para la circulación de electrones. Esa
corriente puede activarse, o desactivarse, aplicando un pequeño voltaje a la
puerta, que hace que cambie la conductividad del nanotubo en un factor mayor de
106, comparable a los FET de silicio. Como
resultado, los CNTFET conmutarían sin errar y consumiendo menos energía que un
dispositivo de silicio. Además, las velocidades de conmutación pueden llegar a
los terahertz, lo que
supone conmutar 104 veces más rápido que en los procesadores
actuales.
Memorias
Otros dispositivos que podrían experimentar grandes
avances con la introducción de nanotubos de carbono en su construcción es, sin
duda, la memoria de acceso aleatorio (RAM). Teniendo en cuenta que las características de una
memoria ideal de este tipo serían una gran capacidad de almacenamiento, un
acceso a los datos rápido y aleatorio, un escaso consumo energético, un precio
bajo por bit almacenado, una fácil integración en la tecnología de circuitos
integrados y, a ser posible, la no volatilidad de los datos después de apagar
el ordenador, se han intentado diseñar memorias en cuyo funcionamiento juegan un
papel esencial los nanotubos de carbono.
Una de las ideas, y puede que la más importante, ha
sido llevada a cabo por el grupo de investigadores que dirige Charles M. Lieber
de la Universidad
Harvard. El diseño de esta memoria se basa en las propiedades
elásticas de los nanotubos, que operarían como conmutadores electromecánicos.
Estos podrían ser diseccionados individualmente.
Otra alternativa para crear una memoria sería
pensar en un dispositivo nanomecánico basado en un fullereno incorporado en un
corto nanotubo de carbono que pudiese ser dirigido a dos posiciones estables,
en los extremos del mismo, mediante la aplicación de un campo eléctrico, aunque
todavía esta idea no se ha aplicado a ningún dispositivo.
Existe otro tipo de memorias que combinan nanotubos
metálicos y semiconductores separados por un dieléctrico de tipo ONO (SiO2/Si3N4/SiO2).
Cabe destacar que los nanotubos de carbono se
pueden utilizar para mejorar otros dispositivos como las interconexiones o los circuitos
integrados.
Otras
aplicaciones industriales
Al agregar pequeñas cantidades de nanotubos a polímeros, cambian
sus propiedades eléctricas y esto da lugar a las primeras aplicaciones
industriales:
- Biomedicina: Investigadores de universidades italianas han hecho crecer células nerviosas en sustratos, cubiertos por redes de nanotubos de carbono, encontrado un aumento de la señal neuronal transferida entre células. Como los CNTs son similares en forma y tamaño a las células nerviosas pueden ayudar a reestructurar y reconectar neuronas dañadas.
- Automóviles: Mangueras antiestáticas de combustible
- Automóviles: Partes plásticas conductoras para pintado spray electrostático
- Aeroespacio: Partes de aviones
- Packaging: Antiestático para electrónicos
- Tintas conductoras
- Materiales extremadamente negros: La sustancia más oscura conocida, hasta la fecha, se ha creado a partir de nanotubos de carbono. El material se fabricó una matriz de nanotubos de carbono de baja densidad, dispuestos de forma vertical. El índice de reflexión del material es tres veces menor de lo que se había logrado hasta ahora. Este "bosque" de nanotubos de carbono es muy bueno a la hora de absorber la luz, pero muy malo para reflejarla. El grupo de investigadores estadounidenses, pertenecientes al Instituto Politécnico Rensselaer de Troy, Nueva York, que lo ha desarrollado aseguran que es lo más parecido que existe al cuerpo negro. Un cuerpo ideal que absorbe la luz de todas las longitudes de onda y desde todos los ángulos posibles. Se espera que el desarrollo de estos materiales tengan aplicaciones en los ámbitos de la electrónica, la invisibilidad en la zona del visible, y en el campo de la energía solar.
- Deportes: Debido a la alta resistencia mecánica de los nanotubos, se están empezando a utilizar para hacer más fuertes las raquetas de tenis, manillares de bicicletas, palos de golf, y flechas de ultima generación.
Como
adsorbentes
Los nanotubos de carbono poseen una elevada área
superficial, su estructura porosa y en capas es ideal para almacenar diversos
elementos y sustancias químicas.
En estudios recientes los nanotubos han sido adsorbentes de:
nicotina y alquitrán del humo de los cigarrillos, tintas reactivas, compuestos
orgánicos volátiles (n-pentano, n-hexano, n-heptano, n-octano, n-ciclohexano,
benceno, tricloroetileno), microcistinas,
iones metálicos divalentes y Trihalometanos del agua (CHCl3, CHBrCl2,
CHBr2Cl y CHBr3).
- Remoción de metales pesados: Entre los adsorbentes de iones metálicos tóxicos (carbón activado, zeolitas, biomateriales, resinas, entre otros) los investigadores están interesándose por los CNTs debido a su alta capacidad de adsorción. Este proceso se ha estudiado con algunos iones divalentes como: Ni2+, Cu2+, Pb2+, Cd2+, Zn2+, Co2+.
En los estudios, los nanotubos han mostrado gran
potencial en la adsorción, sus futuras aplicaciones se proyectan en el cuidado
del medio ambiente; en la remoción de iones tóxicos de las aguas residuales de
procesos industriales.16
Para mejorar la eficiencia de adsorción, los
nanotubos se someten a una previa oxidación. La oxidación se ha hecho con
soluciones de varios agentes químicos como: KMnO4, HNO3,
NaOCl, HCl, H2SO4, O3 o H2O2;
éstas aumentan el número de grupos funcionales que contienen oxígeno (C=O,
COOH, OH) y elevan la carga negativa superficial. Los átomos de oxígeno
incrementan la capacidad de intercambio iónico.
http://portalacademico.cch.unam.mx/alumno/quimica2/u2/carbono_alimentos
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