Download Nanotubos de carbono - Cátedra para la Diversificación Industrial y

Nuevos materiales: nanomateriales
Mª Teresa Martínez
Instituto de Carboquímica, CSIC
GRUPO DE NANOESTRUCTURAS DE
CARBONO Y NANOTECNOLOGÍA
mtmartínez@carbon.icb.csic.es
http://www.icb.csic.es/nanotubos/first.html
CATEDRA PARA LA DIVERSIFICACIÓN INDUSTRIAL Y TECNOLÓGICA- Nov.2007
Nanotubos de carbono y Nanotecnología
Ley de Moore en la “Nano Era”
Escala de los dispositivos funcionales
Fuente: Nanotechnology Research Directions: IWGN Workshop Report
http://itri.loyola.edu/nano
Nanotubos de carbono: estructura
C60
C1.000.000
CATEDRA PARA LA DIVERSIFICACIÓN INDUSTRIAL Y TECNOLÓGICA- Nov.2007
Nanotubos de carbono: estructura
Hibridación sp3
Dist. entre átomos: 1,544 Å
Hibridación sp2
Dist. entre átomos: 1,421 Å
Dist. entre capas: 3,354 Å
Configuración electrónica del carbono en su estado
fundamental: 1s2 2s2 2p2
Nanotubos de carbono: tipos
Capa única
Capa múltiple
CATEDRA PARA LA DIVERSIFICACIÓN INDUSTRIAL Y TECNOLÓGICA- Nov.2007
Nanotubos de carbono: descubrimiento
Nanotubos de capa
múltiple descubiertos
por Iijima 1991
Nº de capas: 2-50
Diámetro: 2-10 nm
15-30 nm
Distancia entre capas: 3,4 Å
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Nanotubos de carbono: capa única
Descubiertos por Iijima y Bethune en 1993
Diámetro: 0,4-3 nm
Longitud: ~1 μm
Haces 10-20 cm longitud , 0,3-0,5 mm diámetro
Nanotubos de carbono: estructura
Arm-chair
(n, n)
zig-zag
(n, 0)
quiral
(n, m)
CATEDRA PARA LA DIVERSIFICACIÓN INDUSTRIAL Y TECNOLÓGICA- Nov.2007
Nanotubos de carbono: estructura
r = 3 /2M ac-c (n2+mn+m2)1/2
tan θ = 3m /(2n+m)
Nanotubos de carbono: estructura
CATEDRA PARA LA DIVERSIFICACIÓN INDUSTRIAL Y TECNOLÓGICA- Nov.2007
Nanotubos de carbono: Propiedades
- Diámetro medio SWNTs
- Diámetro medio MWNTs
- Propiedades ópticas SWNTs:
- Para (n-m) divisible por 3
- Para (n-m) no divisible por 3
1,2 - 1,4 nm
2 - 10 nm (d.i.)
15 -30 nm (d.e.)
Intervalo de energía
0 eV (metálicos)
0,4-1 eV (semicond.)
- Transporte eléctrico SWNTs
- Conductancia quantizada
n*(12,9 kΩ)-1
- Resistividad
10-4 Ω-cm
- Máxima densidad de corriente
1013 A/m2
- Superconductividad a Temperaturas <0,55 K (1,4 nm)
<5 K (0,5 nm)
Nanotubos de carbono: Propìedades
- Conductividad térmica
~3000 W/m/K
- Emisores de electrones
0,11 eV
- Densidad SWNTs
1,33 - 1,40 g/cm3
-Propiedades mecánicas
- Módulo de Young SWNTs
~ 0,6-1 TPa
- Módulo de Young MWNTs
1,28 TPa
- Resistencia a la ruptura SWNTs
37 GPa
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Nanotubos de carbono: Propiedades
Nanotubos de Carbono: Aplicaciones
FÍSICA
Prop. Estado Sólido, conductividad,
Superconductividad, Efectos cuánticos,
Emisión de electrones, Prop. Mecánicas,
Efecto Aharanov- Bohm
ELECTRÓNICA
• Nanoelectrónica
•Pantallas planas
• Memoria mecánica.
• Sensores de gases
• Optoelectrónica
QUÍMICA
• Funcionalización
• Catálisis
CIENCIA DE MATERIALES
• Materiales compuestos reforzados
• Plásticos conductores
•Nuevos materiales de carbono
(estructurales y funcionales)
MICROSCOPÍA
•Sondas en microscopios de
barrido
• Cañones de electrones TEM
ENERGÍA
• Almacenamiento
electroquímico de Energía
• Pilas de combustible
BIOLOGIA MOLECULAR
• Transporte drogas y medicamentos
• Inmunoquímica
• Pipetas moleculares
• Sensores de ADN
• Nanopinzas, Musculos artificiales
Nanotubos de carbono: Materiales Compuestos
Basados en sus propiedades mecánicas
- Polímeros; Resinas epoxi, estireno
- Materiales cerámicos; Sílice, alúmina
- Fibras compuestas NTs/polímeros
- Alineamiento magnético de los NTs en el polímero
- Crecimiento de NTs sobre fibras de carbono
CATEDRA PARA LA DIVERSIFICACIÓN INDUSTRIAL Y TECNOLÓGICA- Nov.2007
Composites anisotrópicos: Fibras compuestas
B. Vigolo, Science 298, 2000, 1331
B. Vigolo, Appl. Phys. Lett., 81, 2002, 1211
Nanotubos de carbono: Materiales Compuestos
100 m fibras
5 µm diámetro
70 cm/min
60 wt.% NTs
Resistencia Ruptura
Módulo de Young
1.8 GPa
80 GPa
A.B. Dalton et al.
Science, 423, 703 (2003)
Fibras Vigolo
Fibras tratadas Vigolo
Fibras Dalton
R.R.
125 MPa
230 MPa
1, 8 GPa
M.Y.
10 GPa
40 GPa
80 GPa
Nanotubos de carbono: Materiales Compuestos
Basados en sus propiedades eléctricas
- Eliminación de la electricidad estática,
- líneas de transporte de combustible
- cadenas de pintado electrostático de automóviles
(P. Pötschke, Polymer, 43 (2002) 3247)
(R.H. Baughman, Science, 297 (2002) 787)
- Apantallamiento de interferencias electromagnéticas PVdF/PVP
- Aumento de la conductividad de 0.6 a 27 S/cm,
(0.1-0.4% MWNTs)
(W.S. Kim, Macromolecular Research, 10, 5, 258, 2002)
- Dispositivos
fotónicos
- Comportamiento óptico no lineal
- Limitación óptica de mezclas PmPV/MWNTs
(S.M.O. Flaherty et al. Opt. Soc. Am. B., 20, 1, 49, 2003)
Nanotubos de carbono: Materiales Compuestos
Dispositivos fotovoltaicos
P3OT/SWNT
E. Kymakis,
Appl. Phys. Lett., 80 81), 113 (2002)
PPV/MWNT
Eficiencia quántica 1,8% (2,9-3,2 eV)
H. Ago, Adv. Mat. 1999, 11, 15, 1285
Nanotubos de carbono: Materiales Compuestos
Diodos emisores de luz (LEDs)
- Dopado de PmPV con MWNTs mejora la conductividad
hasta ocho órdenes de magnitud
Electroluminiscencia a densidades de corriente más bajas
S.A. Curran, Adv. Mat. 10 (14), 1091 (1998)
a) PmPV
b-d) 1,2,y 4 g/l
Nanotubos de carbono: Materiales Compuestos
Retos
- Mejora de la dispersión
- Mejora de la adherencia
- Mojado de los NTs
Posibles soluciones
- Utilización de surfactantes
- Utilización de compatibilizantes (PVDF + PMMA/MWNTs)
- Funcionalización química de los NTs
- Investigación de las propiedades interfaciales de enlace
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Aplicaciones: Nanoelectrónica
Aplicaciones: Nanoelectrónica
Aplicaciones: Nanoelectrónica
Monolithic Integration of Carbon
Nanotube devices with Silicon MOS
Technology.
Y. C. Tseng et al. Nanoletters, 2004,
4,1, 123.
NANTERO
(http://www.nantero.com/index.html)
Primera compañía que desarrolla
productos semiconductores usando
CNTs
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Aplicaciones: Emisores de campo
CNTS, UNO DE LOS MATERIALES MÁS PROMETEDORES
- Alta capacidad de emisión
de electrones
- Alta estabilidad
- Estrecha rango de emisión
de energía
- Alto brillo
- Amplio ángulo de visión
- Capacidad de trabajar en
condiciones extremas de Tª
- Características emisoras
(dependen fuertemente del tipo
de muestra)
Fransen et al., Appl. Surf. Sci. 146, 312 (1999)
Aplicaciones: Emisores de campo
- DISPOSITIVOS DE EMISIÓN DE
ELECTRONES
- Microscopios LEEPS
(Low Energy Electron Point Source)
- Microscopios electrónicos
- Elementos de iluminación
(Jumbotron)
- Amplificadores de microondas
- Tubos de rayos catódicos
- Espectrómetros de Rayos X
- Pantallas planas
Aplicaciones: Pantallas planas
- Wang, 1998, 1ª Pantalla plana
con CNTs (32*32 pixels)
- Chor, 1999, 4,5 pulgadas de tres
colores
- Samsung, 1999, 4,5 pulgadas con
todos los colores
- Samsung, 2000, 576*242 pixels
-- Samsung 2006, 15 pulgadas
Aplicaciones: Biomédicas
SUMINISTRO DE VACUNAS Y FÁRMACOS
Unión del antígeno al CNT induciendo una respuesta
con la adecuada especifidad
CNT
Funcionalización con grupos NH2
CNT- Peptidos (mono o bis conjugados)
Respuesta antipeptido-anticuerpo
Pantarotto, D., Partidos, C.D., Hoebeke, J. Bianco, A. Chem. Biol., 2003, 10, 961-966
Aplicaciones Biomédicas
Biosensor
Analyte/ Receiver
Sample
electrode
Electronics/Output
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Aplicaciones Biomédicas: Sensores
Reconocimiento molecular Biotina- Streptavidina
(Funcionalización no-covalente)
i) Inmovilizando unidades de (PEO)
ii) Biotinización (CNT o Polímero)
iii) Detección de Streptavidina
iv) Cambio de conductancia
Otras biomoléculas; oligonucleotidos, secuencias de ADN
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Aplicaciones Biomédicas: Sensores
FUNCIONALIZACIÓN COVALENTE
Grupos amino
Grupos
maleimido
Esquema de la funcionalización covalente de CNTscon ADN y Biotina
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Aplicaciones /Patentes
Individual
Multicountry
Fuente: Carbon Nanotubes the route towards applications, R. H. Baughman, A. A.
Zakhidov, W.de Heer. Science, 297, 2002, 787-792.
PRODUCCIÓN
Reactor de Arquema (Lacq, France) 10-30 Toneladas/año
Bayer (60 Toneladas/año)