Estefanía Fajardo De la Espriella
“Imaginen una hoja de plástico encima de una mesa plana. Esta hoja presenta un patrón de hexágonos dibujados, como si fuera un panal de abejas…”. Así empieza la explicación de un tema que no todos conocemos, pero que hace parte de nuestro día a día: los nanotubos de carbono, y el expositor es Jorge Mario Salazar, ingeniero físico y Ph.D en Nanociencia.
“Si tomamos esa hoja de plástico y formamos un tubo, nos podemos imaginar que esa estructura es similar a un nanotubo de carbono”, agrega Salazar, que se encuentra desde 2019 realizando investigación postdoctoral en la Universidad de Manizales. La diferencia, dice, es que en el nanotubo de carbono todos los hexágonos están hechos de carbono. Además, si el grosor del tubo fuera igual a un cabello humano, su largo sería como una cancha de fútbol… Por lo que tenemos una estructura extremadamente delgada y muy larga.
Por su parte, Édgar Mosquera, licenciado en matemática y física y Ph.D en FísicaQuímica, acude a la teoría. Explica que los nanotubos de carbono (CNTs por sus siglas en inglés) son alótropos – propiedad de algunos materiales o sustancias simples de poseer estructuras atómicas o moleculares diferentes- de carbono tales como el diamante, grafeno, grafito, y los fulerenos, que fueron descubiertos accidentalmente por Sumio Iijima en 1991.
¿Y cómo se producen?: “Simplemente a una masa de carbono le pones mucha electricidad y automáticamente se empiezan a generar nanotubos de carbono”. Es, en sus palabras, un polvito que con instrumentos de microscopía se pueden observar.
“Podemos pensar en una impresora normal; los nanotubos en solución serían la tinta, y las hojas, los substratos sobre los que se construyen los dispositivos electrónicos. Esto implica que en el futuro podríamos llegar a imprimir transistores y circuitos eléctricos completos (lo que está dentro de los celulares y computadores) en la misma forma como se imprime el periódico hoy en día”, explica el investigador Salazar.
“Simplemente a una masa de carbono le pones mucha electricidad
y automáticamente se empiezan a generar nanotubos de carbono”
Las aplicaciones de estos materiales son muy diversas según sus propiedades físicas, añade Mosquera, que actualmente trabaja en la Universidad del Valle. Los nanotubos no se pueden identificar a simple vista, su uso tampoco es masivo ni comercial, pero ya forman parte de elementos cotidianos como vestimentas con recubrimiento de nanotubos para hacerlas más resistentes, o chalecos antibalas más livianos. Además, los profesionales del ciclismo ya tienen en sus bicicletas un cierto porcentaje para aumentar su dureza y la cantidad de tensión que aguantan.
Por otra parte, ya enfocados en las grandes industrias, IBM y Samsung han presentado prototipos de procesadores y dispositivos pequeños con esta tecnología, pero aún no han sido comercializados.
Investigaciones en curso
“Mi interés específico son las propiedades eléctricas de los nanotubos de carbono, puntualmentesuusocomosemiconductores”, cuenta Salazar. En este campo los proyectos más avanzados son llevados a cabo, seguramente, por IBM. Ellos, sostiene, llevan años invirtiendo mucho dinero en investigación relacionada con nanotubos de carbono, y quisieran implementarlos en la fabricación de productos comerciales. “La investigación es parcialmente secreta y la comunidad solo se entera de lo poco que publican en revistas científicas”, agrega.
Salazar ha desarrollado la mayoría de su investigación en la Universidad de Groningen, en el norte de Holanda, y con ella busca “entender cómo separar nanotubos de carbono semiconductores cuando están mezclados con nanotubos metálicos”.
Esto debido a que, para aplicaciones tecnológicas en electrónica, es necesario obtener muestras con una pureza de nanotubos semiconductores (una hoja de carbono enrollada en una dirección específica y como consecuencia de esto las propiedades eléctricas son semiconductoras) superior a 99,9 %, y las muestras de nanotubos fabricadas con técnicas convencionales – procesos químico-físicos que se utilizan para la producción de materiales están compuestas por 1/3 de nanotubos metálicos y 2/3 de nanotubos semiconductores.
Funciones
Se espera que los nanotubos de carbono tengan significativo uso para resolver problemas ambientales como el tratamiento de aguas contaminadas o monitorear la calidad del aire. Una de las dificultades es el alto costo de su producción, pero se espera su comercialización, posiblemente, en unos cinco o 10 años.
Para lograr la selección de los tubos semiconductores ha utilizado una técnica llamada Polymer-wrapping, la cual permite separarlos sin afectar sus propiedades intrínsecas, a la vez que los hace solubles en solventes orgánicos tales como tolueno, o-x y lene, clorobenzeno, entre otros. Esta mezcla permite el uso de los nanotubos de carbono semiconductores para fabricar dispositivos electrónicos elaborados por técnicas de impresión.
¿Cómo lo hace? Desde la Universidad de Manizales produce el diseño y en Holanda se ponen manos a la obra y le envían los resultados. “En Colombia estoy empezando a trabajar en el modelado porque buscar la explicación es complejo y costoso pues exige realizar muchos experimentos. Al modelar se necesita un par de computadores, conocer el tema y comparar los resultados teóricos con los prácticos”.
Actualmente el enfoque de su investigación es poder controlar a profundidad las propiedades eléctricas de los nanotubos de carbono. Para esto utiliza moléculas que pone en contacto con los nanotubos para jugar con la cantidad de electrones, algunas veces los aumenta y otras los disminuye. No muy lejos, en la Universidad del Valle, el grupo de investigación de Mosquera desarrolla materiales a micro y nanoescala para aplicaciones en remediación ambiental, energía y salud. “Algunos de estos los hacemos funcionales con la finalidad de estudiar sus propiedades y ver su potencial aplicación”, cuenta
Por los altos costos de este tipo de experimentos, la clave es la colaboración internacional, opina Salazar. Mientras tanto, Mosquera considera que se ha despertado el interés en esta área en nuestro territorio, “aunque el aporte a la investigación en Colombia es bajo respecto a países de la región”. Además, dice, el Estado debe incentivar aún más el trabajo continuo entre academia e industria para resolver problemas locales en lo que conlleve investigación, desarrollo e innovación (I+D+I).
El futuro de los nanotubos
Hace unos 20 años se iniciaron los trabajos en nanotubos. La última oportunidad, opina Salazar, serían otros 10 años. “Si en ese tiempo no se han presentado cosas a gran escala, comerciales, no se podrá. Aspiro a que en cinco años se empiecen a ver”.
Agrega que si la parte electrónica no funciona se iría por la textil y el fortalecimiento de materiales; eso depende de cuánto se demoren produciendo nanotubos de carbono en masa y a menor costo.
Y aunque hablamos de nanomateriales, ya hay microscopios que resuelven a escala más pequeña, lo que lleva la investigación a hablar de tamaño atómico. “Esto nos ayuda a tratar de entender la naturaleza de los materiales y su potencial uso”, dice Mosquera.
En cuanto a los nanotubos de carbono semiconductores, se requiere estar en capacidad de producir gramos por día en contraste con los miligramos que se dan por ahora en el laboratorio. Un segundo objetivo es poder controlar más a profundidad las propiedades eléctricas de los nanotubos semiconductores para poder fabricar dispositivos más complejos.
Finalmente, con el auge de la inteligencia artificial, el surgimiento de las redes neuronales y las propiedades eléctricas de los nanotubos, acompañados de una estructura delgada y larga, se han convertido en candidatos para fabricar estas redes artificialmente. “Sin embargo, el camino es largo e incierto”, afirma Salazar.
Existe la preocupación de que en el futuro los nanotubos de carbono se conviertan en un nuevo asbesto por los riesgos para la salud humana debido a su grosor y longitud. Son materiales de carbón y por ende son biocompatibles con el cuerpo humano, el problema radica en el catalizador empleado, los cuales pueden ser contaminantes.
Título de investigación: Diseño de la funcionalización de nanotubos de carbono semiconductores para controlar sus propiedades eléctricas de tal forma que puedan ser utilizados en la fabricación de dispositivos electrónicos a escala industrial
Investigador principal: Jorge Mario Salazar Ríos
Coinvestigador: Abilo Andrés Velásquez Salazar
Período de investigación: 2019 – 2020
Financiación: Convocatoria de estancia postdoctorales de Colciencias y la Universidad de Manizales