Nanotubos de carbono (y otros nanos)

Un mismo elemento químico puede conformar estructuras cristalinas diferentes. Esta distinta ocupación del espacio por parte de los átomos le confiere al material propiedades físicas particulares. Bajo estas consideraciones el carbono es un elemento notable ya que no sólo puede conformar estructuras espaciales distintas sino ocupar el espacio cubriendo las diferentes dimensionalidades posibles.

Efectivamente, el carbono puede dar lugar a un aislante eléctrico si se encuentra en forma de diamante, cuya estructura ocupa el espacio conformando una red 3D. Puede resultar un metal si adopta la estructura del grafito, conformada por planos grafeno, es decir, estructuras 2D. También puede resultar superconductor si se lo dopa convenientemente con otros elementos cuando conforma una estructura de fullereno llamada C60 (60 átomos de carbono conformando como una pelota de fútbol con parches hexagonales) que puede ser considerada como una estructura puntual (0D). Finalmente, en 1991 se encontró que también podía conformar una estructura unidimensional (1D), correspondiente al arrollamiento de un plano grafeno en sí mismo. Esto da a lugar a tubos de diámetros de alrededor de 1 nm y, según como haya sido unido el plano, puede resultar un material metálico o semiconductor. Hoy día pueden fabricarse de más de 100.000 nm (0.1 mm) de largo y pueden hacerse con un solo plano grafeno (de pared única, en inglés SWNT) o con muchos planos (de pared múltiple, MWNT). Existen métodos químicos que permiten hacer crecer un nanotubo de un contacto metálico a otro, por lo que representan el ideal de un cable unidimensional y con propiedades cuánticas.

Entre estas propiedades está por ejemplo el hecho de que bajo ciertas circunstancias la resistencia eléctrica de estos tubos sólo puede tomar algunos valores discretos (está cuantificada) y no depende del largo del tubo, a diferencia de lo que observamos para los cables de uso hogareño. Los efectos de las interacciones entre los electrones de conducción también se hacen importantes en esta estructura unidimensional, otorgándole propiedades de transporte bien particulares.

Como pueden sintetizarse a partir de una substancia catalizadora también es posible hacerlos crecer sobre un substrato, a distancias regulares, simulando cepillos, pero en este caso con pelos conductores nanométricos. Esto es ideal para la fabricación de pantallas planas ultra pequeñas, ya que por sus dimensiones reducidas potencian el valor del campo eléctrico en sus puntas haciéndolos dispositivos ideales para la emisión de electrones.

Las propiedades mecánicas de los nanotubos de carbono también son sorprendentes. La dureza del plano grafeno les confiere la capacidad de ser las fibras más resistentes que podamos fabricar hoy día. Por otro lado, frente a esfuerzos de deformación muy intensos, son capaces de deformarse notablemente y de mantenerse en un régimen elástico. En otras palabras, pueden funcionar como resortes extremadamente firmes para pequeños esfuerzos y frente a cargas mayores pueden deformarse drásticamente y retomar posteriormente su forma original.

Muchas otras propiedades que se investigan en la actualidad junto con las aquí mencionadas hacen de los nanotubos de carbono un material prometedor, que se ubica entre la ciencia y la ciencia ficción en cuanto a las posibilidades que brinda para mejorar algunos aspectos de la tecnología actual y para explorar nuevas aplicaciones ligadas a su carácter cuántico, aún insospechadas.