miniatura|Nanotubs de carboni. En química, un nanotub és una estructura tubular de diàmetre de l'ordre del nanòmetre amb aplicacions en camps com la nanotecnologia, l'electrònica, l'òptica o la medicina. N'hi ha de molts materials, com ara silici o nitrur de bor però, generalment, el terme s'aplica als nanotubs de carboni. Actualment s'estudien activament a causa de les possibles aplicacions que se'n poden derivar per desenvolupar tecnologia a l'escala nanomètrica i aprofitar els fenòmens quàntics.
Els nanotubs de carboni són una forma al·lotròpica del carboni, com el diamant, el grafit o els ful·lerens. L'estructura es pot considerar procedent d'una làmina de grafit enrotllada sobre si mateixa.M. S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, P. Avourios (Eds.): Carbon nanotubs, Top- ics in Applied Physics, 80, 1-9. Springer - Verlag Berlin Heidelberg (2001). Depenent del grau d'enrotllament, i la manera com es conforma la làmina original, el resultat pot portar a nanotubs de diferent diàmetre i geometria interna. Aquests tubs, conformats com si els extrems d'un foli s'unissin pels extrems formant un canut, s'anomenen nanotubs monocapa o de paret simple. Hi ha, també, nanotubs l'estructura s'assembla a la d'una sèrie de tubs concèntrics, inclosos uns dins dels altres, a manera de nines matrioixca si, lògicament, de diàmetres creixents des del centre a la perifèria. Aquests són els nanotubs multicapa. Es coneixen derivats en els quals el tub està tancat per mitja esfera de ful·lerè, i altres que no estan tancats.
S'estudien activament, com els fulerens, pel seu interès fonamental per a la química i per les aplicacions tecnològiques. És, per exemple, el primer material conegut per la humanitat capaç, en teoria, de sustentar indefinidament el seu propi pes suspès sobre el nostre planeta, una condició necessària per a la construcció d'un ascensor espacial.
Propietats miniatura|Representació de les estructures de les diverses formes al·lotròpiques del carboni. A: diamant, b: grafit, c: diamant hexagonal, d: ful·lerè C60, i: ful·lerè C540, f: ful·lerè C70, g: carboni amorf, i finalment, h: nanotub miniatura|Representació esquemàtica d'un nanotub de carboni Els nanotubs solen presentar una elevada relació longitud/radi, ja que el radi sol ser inferior a un parell de nanòmetres i, tanmateix, la longitud pot arribar a ser fins i tot de 10 5 nm. A causa d'aquesta característica es poden considerar com unidimensional és.C. Dekker, Physics Today, 22, (maig 1999)
Propietats elèctriques Els nanotubs es caracteritzen per presentar una gran complexitat electrònica, si tenim en compte les regles quàntiques que regeixen la conductivitat elèctrica amb la mida i la geometria d'aquests. Aquestes estructures poden comportar-se, des d'un punt de vista elèctric, en un ampli marge de comportament, començant pel comportament semiconductor fins a presentar, en alguns casos, superconductivitat. Aquest ampli marge de conductivitat és determinat per relacions fonamentalment geomètriques, és a dir, en funció del diàmetre, torsió (quiralitat) i el nombre de capes de la seva composició. Així, per exemple, hi ha nanotubs rectes (Armchair i ziga-zaga) en què les disposicions hexagonals, a les parts extremes del tub, són sempre paral·leles a l'eix de simetria. Aquesta distribució, en funció del diàmetre, permet que dos terços dels nanotubs no quirals siguin conductors i la resta semiconductors. En el cas dels nanotubs quirals, els hexàgons tenen un cert angle respecte a l'eix del tub, és a dir, la distribució dels hexàgons laterals que conformen l'estructura presenta amb respecte a l'eix central del tenir un enrotllament de caràcter helicoide. Aquest tipus de conformació dificulta el pas dels electrons als estats o bandes de conducció, de manera que, aproximadament, només un terç dels nanotubs presenta conducció apreciable i sempre en funció de l'angle de torsió.
Cal destacar que els nanotubs que es comporten com a superconductors es podrien utilitzar per a l'estudi efectes quàntics fonamentals en una dimensió, així com per a la recerca d'aplicacions pràctiques en la informàtica quàntica molecular. La raó és que poden actuar com a "conductors quàntics", és a dir, si es representa el voltatge, o diferència de potencial davant la intensitat de corrent no s'obté una línia recta, sinó esglaonada. Com s'ha deixat entreveure, aquestes estructures tenen multitud de propietats elèctriques. Pel que fa a la capacitat per transportar corrent, se sap que pot arribar a quantitats d'aproximadament mil milions de A/cm ², mentre que els cables de coure convencionals es fonen en arribar a densitats de corrent de l'ordre del milió de A/cm ². Convé precisar que totes aquestes propietats no depenen del llarg del tub, a diferència del que passa en els cables d'ús quotidià.
Propietats mecàniques Si les propietats elèctriques són, de per si, sorprenents, les propietats mecàniques poden arribar a ser-ho encara més. L'estabilitat i robustesa dels enllaços entre els àtoms de carboni, del tipus sp², els proporciona la capacitat de ser la fibra més resistent que es pot fabricar. D'altra banda, davant esforços de deformació molt intensos són capaços de deformar notablement i de mantenir-se en un règim elàstic. El mòdul de Young dels nanotubs podria arribar a oscil·lar entre 1,3 i 1,8 tera pascals, tot i que fins ara només s'han pogut obtenir experimentalment fins als 0,8 T Pa. A més, aquestes propietats mecàniques podrien millorar: per exemple en els SWNTs (Single Walled Nanotube o nanotubs de paret simple), unint diversos nanotubs en feixos o cordes. D'aquesta manera, encara que es trenqués un nanotub, com es comporten com a unitats independents, la fractura no es propagaria els altres confrontants. En altres termes, els nanotubs poden funcionar com ressorts extremadament ferms davant petits esforços i, davant càrregues grans, poden deformar dràsticament i tornar posteriorment a la seva forma original.
Diversos estudis han tractat de mesurar les propietats mecàniques i la tensió màxima suportada per un nanotub, amb resultats heterogenis,
tot i que es podria assumir com a orientatiu que la tensió màxima podria rondar els 150 G Pa. Aquesta dada implica que un cable d'1 cm² de gruix format per nanotubs podria aguantar un pes d'unes 1.500 tones. Per comparació, un cable equivalent del millor acer conegut pot suportar 20 tones.
No obstant això, no tots els estudis han mostrat uns valors tan optimistes: en general és comunament acceptada l'afirmació que els nanotubs són 10 vegades més resistents que l'acer, i 6 vegades més lleugers, encara que es tracta d'un material encara poc conegut, i aquests valors podrien variar.
Propietats tèrmiques Alguns models prediuen que la conductivitat tèrmica dels nanotubs pot arribar a ser tan alta com 6.000 W/ mK a temperatura ambient (cal tenir en compte, per comparar amb una altra forma al·lotròpica del carboni, que el diamant gairebé pur transmet 3.320 W/mK). Així mateix són enormement estables tèrmicament, i encara estables a 2.800 °C en el cap ja 750 °C en l'aire (mentre que els filferros metàl·lics en microxip es fonen entre 600 i 1.000 °C). Les propietats dels nanotubs poden modificar encapsulant metalls en el seu interior, o fins i tot gasos. En aquest sentit, serien uns extraordinaris magatzems d'hidrogen. Com se sap, un dels principals problemes tècnics per al desenvolupament de les piles de combustible és l'emmagatzematge d'aquest element.
Línia de temps dels nanotubs 1952 Primera prova de l'existència de nanotubs de carboni.M. Monthioux, V. L. Kuznetsov. Who should be given the credit for the discovery of carbon nanotubs? . CARBON 44 , 1621-1625 (2006) 1991 Descobriment oficial per Iijima (MWCNT).S. Iijima. helical microtubes of graphitic carbon . Nature 354 , 56-58 (1991). # f1 En millor qualitat 1993 Descobriment del primer nanotub monocapa.S. Iijima, T. Ichihashi. Single-shell carbon nanotubes of 1-nm diameter . Nature 363 , 603-605 (1993) 1991 - 2000 Producte d'interès principalment acadèmic. 2000 - 2005 Se n'investiga l'ús industrial. 2005-2010 Desenvolupament d'aplicacions industrials. 2010 Gran desenvolupament d'aplicacions integrades a productes.
Principals mètodes de manufactura Ablació làser (Alta puresa, poca quantitat) Descàrrega d'arc (Alta puresa, poca quantitat) CVD ( Chemical vapor deposition ) Deposició química de vapor (gran quantitat, bona qualitat). Es pot fer l'augment d'escala fàcilment.
Ablació làser L'ablació làser és un procés que consisteix a vaporitzar un blanc de grafit mitjançant la radiació d'un pols làser, en un reactor d'alta temperatura i en presència d'un gas inert. Els nanotubs es formen quan el grafit vaporitzat entra en contacte amb la superfície freda, condensant sobre les parets del reactor.
Aquest procediment sol presentar un rendiment típic del 70% en pes i produeix nanotubs monocapa amb un diàmetre que pot controlar variant la temperatura a l'interior del reactor.
Descàrrega d'arc miniatura|Imatge d'una punta de nanotub realitzada mitjançant un microscopi electrònic Des de 1991, la presència de nanotubs s'ha pogut observar en el sutge produït en provocar un arc elèctric entre dos elèctrodes de grafit. El corrent típica per produir aquest arc era d'uns 100 ampere si, paradoxalment, el que es pretenia era produir fulerens. La primera vegada que es van produir nanotubs de carboni, de manera massiva, va ser utilitzant un mètode similar a l'anterior, per dos investigadors del Laboratori de Recerca Bàsica de la companyia NEC.
En aquest procés es va observar que el carboni contingut en l'elèctrode negatiu sublimava a causa de les altíssimes temperatures produïdes per la descàrrega que provocaven l'arc voltaic. Aquesta tècnica és el mètode més important usat en la síntesi de nanotubs, ja que va ser la primera en què la producció d'aquesta manera lotròpica era apreciable.
La descàrrega d'arc és un tipus de descàrrega elèctrica contínua que genera llum i calor molt intensos. Es produeix entre dos elèctrodes enfrontats dins d'una atmosfera de gas inert a baixa pressió. Pels elèctrodes de grafit, es fa passar un corrent intensa, (centenars d'amperes) la qual fa sublimar els àtoms de carboni, de la superfície dels elèctrodes, formant un plasma al voltant d'aquests. En un arc obert a l'aire, ja pressió normal, (una atmosfera) l'elèctrode positiu arriba a una temperatura d'uns 3.000 °C.
El rendiment típic, fent servir aquesta tècnica, és de l'ordre del 30% en pes i els productes obtinguts són tant nanotubs monocapa com multicapa d'una longitud típica d'unes 50 micres
Es pot combinar amb el mètode de purificació, per oxidació, desenvolupat per EbbesenT. Ebbesen, P. M. Ajay, H. Hiura, K. Tanigaki. Nature (London) 367, 519 (1994). el 1994, que consisteix a l'escalfament de la fullerita extreta després de la descàrrega a 1.000 K, en una atmosfera d'oxigen durant 30 minuts.
Aquest procediment permet evaporar les diferents classes de fullerens i deixar els nanotubs aïllats. També s'utilitza per evaporar les parets més externes dels nanotubs de tipus multicapa i, també, per obrir els extrems d'aquests.
CVD miniatura|Esquema d'un reactor CDV La deposició catalítica en fase de vapor, o Catalytic Vapor Phase, (a partir d'ara, CVD) va ser descrita per primera vegada el 1959, però no va ser fins al 1993 quan els nanotubs es van poder sintetitzar mitjançant aquest procés. El 2007, un grup d'investigadors de la Universitat de Cincinnati desenvolupar un procés de creixement que permetia obtenir matrius de nanotubs de carboni alineats, d'una longitud mitjana d'uns 18 mm.