Karbono-nanohodi

Sumio Iijima zientzialari japoniarrak 1991. urtean karbono-nanohodiak^[1] aurkitu zituen karbonozko katodo batetan. Dena den, XIX. mendearen bukaeran jakina zen zientzialarientzat hidrokarburo gaseosoen deskonposizio termikoak karbonozko zuntz edo filamentuak ematen zituela.

Arlo honen inguruan argitalpen desberdinak egin arren, dibulgazioa zaila zen eta materialen zientzietan adituak zirenek ikatzaren eta altzairuaren industrian nanohodien formazioa ekiditen saiatzen ziren. Fisikariak gai honetan interesatu zirenean eta komunitate zientifikoan aurrerapauso nabarmenak eman zirenenean (batez ere SEM mikroskopio elektronikoaren sorrera) nanohodien iraultza heldu zen. Fullerenoen arrakasta aprobetxatuz, Iijimak Nature aldizkari ospetsuan egindako publikazioak “nano”-arloan izugarrizko iraultza suposatu zuen eta horregatik nanohodien aitzindaritzat hartzen da.

Egitura eta sailkapena[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Karbono-nanohodiak karbono elementuaren forma alotropiko bat dira, beste alotropo batzuk diamantea, grafitoa edo fullerenoak izanik. Nano aurrizkiak adierazten duenez, hodiaren diametroa nanometro ordenakoa da. Nanohodi sinpleenak grafenozko xafla bakarrez osatuta daude, xafla horiek elkarrekin lotuta dauden sei karbonoko eraztunak izanik. Beraz, karbono bakoitzaren hibridazioa sp² da eta beste hiru karbonorekin lotzen da hexagonoak eratzeko. Nanohodietan, grafenozko xaflak hodi gisa bilduta daude bi muturretan C₆₀ fullereno-hemisferioak dituztelarik. Egoera horretan, karbonoen hibridazioa sp² eta sp³ tartekoa da. Xafla bakarreko nanohodiez gain, badaude horma anitzeko nanohodi konplexuagoak ere.

Oro har, horma bakarrekoak SWCNT (ingelesez: Single Walled Carbon Nanotube) bezala ezagutzen dira eta horma anitzekoak ordea, MWCNT (Multiple Walled Carbon Nanotube) laburdura bidez.

Horma bakarreko nanohodia (SWCNT).
Horma anitzeko nanohodia (MWCNT).

Hamada-indizeak eta bektore-unitarioak grafeno xaflaren gainean.

Desberdintze honetaz gain, geruza bakarreko nanohodi mota desberdinak daude, grafenozko xafla zer nolako eran tolestuta dagoen arabera. Talde honetako nanohodien ezaugarriak bi parametro garrantzitsuren araberakoak dira nagusiki; diametroaren eta angelu-kiralaren ( $\theta$ ) araberakoak. Angelu-kirala, helizitate-angelu bezala ere ezagutzen da. Bi parametro hauetatik, Hamada indizeak direlakoak definitzen dira: n eta m. Indize hauek a₁ eta a₂ norabidetatik igarotzen diren bektore-unitario kopurua besterik ez dira.

Bektore-kiralak, Ch, xafla tolestua izango den bi puntuen (n eta m) arteko posizio erlatiboa ematen du:

$Ch=na_{1}+ma_{2}$

Parametro hauek hartzen dituzten balioen arabera, horma bakarreko nanohodi sinpleenak 3 motatakoak izan daitezke. Zig-zag erakoa izango da m=0 eta = 0º badira n balioa desberdinetarako. Aulki egiturakoa izango da ordea, n=m eta =30º baldin badira. Bestalde, egitura-kirala izan dezake nanohodiek, n m izanik eta -ren balioa 0º eta 30º tartekoa bada. Logikoa den bezala, egitura bakoitzak propietate desberdinak izango ditu.

Horma bakarreko 3 nanohodi motak: aulkia (arm chair), kirala (chiral) eta zig-zag.

Prestakuntza-metodoak[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Nagusiki, karbono-nanohodiak sintetizatzeko 3 metodo daude: arku elektrikoaren deskarga, laser ablazioa eta lurrun deposizio kimikoa (CVD).

Arkuaren elektrikoaren deskarga[aldatu | aldatu iturburu kodea]

1992an NEC ikerkuntza laborategiko Thomas Ebbeser eta Pullickel M. Ajayan-ek karbono-nanohodien lehenengo fabrikatze metodoa aurkeztu zuten. Metodo hau, 0.5- 40 mm-ko diametroa duten grafitozko 2 elektrodo 20-50 V-ko boltajea duen elikagai iturri batera konektatzean datza. 2 elektrodo hauek helio edo argonezko atmosferan daude presio baxuan eta haien artean milimetro batzuk aldenduta daude. 50-120 A-ko korrontea pasaraztean, txinparta bat ateratzen da elektrodoen artean eta plasma sortzen da. Anodoan dagoen karbonoa plasman lurrundu egiten da tenperatura altua dela eta, baina zati bat berriz ere kondentsatu egiten da nanohodiak eratuz.

Metodo honen bitartez lortzen den etekina %30-koa da pisutan. Nahiz eta etekin baxua izan, akats estruktural gutxi dituzten horma bakarreko eta anitzeko nanohodiak eratzen dira. Hau, erabilitako tenperatura altuak eta katalizatzaile metalikoei esker gertatzen da. Hala ere, eratutako nanohodiak nahiko laburrak dira, 50 mm inguru edo txikiagoak, eta ausazko forma eta tamaina dute. Prozesuan zehar karbono amorfoak eta fullerenoak ere sortu ahal dira.

Laser ablazioa[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Laser ablazioa prozesuak grafitoa erabiltzen du lehengai gisa, hau baporitzatzen duelarik laser pultsu baten bitartez, tenperatura altuko erreaktore batean eta gas inerte baten presentzian. Modu honetan, karbonozko gas beroa eratzen da, eta erreaktoreko hormetan kondentsatzean nanohodiak eratzen dira.

Metodo honen bitartez lortzen den etekina %70-koa da eta horma bakarreko nanotutuak eratzen dira. Diametro ezberdineko nanohodiak eratu daitezke erreakzio tenperatura kontrolatuz. Hala ere, metodo honek kostu handiko laserren beharra dauka.

Lurrun deposizio kimikoa[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Shinshu Unibertsitateko Morinubo Endo-ek metodo hau barneratu zuen karbonozko nanohodien sintesian. Metodo honetan, metalezko partikulak (Fe, Cu..) dituzten substratua, atmosfera inertean dagoen labe batean sartzen da eta 700 °C ingurura berotzen da. Ondoren, hidrokarburozko gas bat, hala nola, metanoa labera sartzen da. Gasa deskonposatzean, karbonozko atomoak askatu eta substratuak dituen partikula katalitikoetan ezartzen dira nanohodiak eratzeko.

Metodoan lortutako etekina %20-tik %100-ra doa. 3 metodoetatik errazena da industria maila aplikatzeko eta nanohodi luzeak eratzeko erabilgarria da. Hala ere, sortzen diren nanohodiak horma anitzekoak dira eta akats ugarikoak.

Purifikazioa[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Purifikazioaren helburua nanohodiak banatzea da sintesian eratutako beste materialetatik, hala nola, fullenoetatik eta karbono amorfotik. Horretarako, metodo desberdinak erabiltzen dira:

-Tratamendua azidoarekin: metal ezpurutasunak kentzeko helburuarekin, azido bat gehitzen da, hala nola, azido klorhidrikoa nanohodien hormetan atxikituta gelditu diren metalak disolbatu ahal izateko.

-Tratamendu termikoa: tenperatura altuak direla eta, nanopartikula metalikoak karbonozko nanohodietatik banandu ahal dira. Izan ere, nanohodiak egonkor izateko tenperatura maximoa nanopartikulen sublimazio tenperatura baino handiagoa da.

-Mikroiragazketa: karbono-nanohodiak tamaina txikiko nanopartikuletatik banatu ahal dira, nanohodiak iragazkian geldituz.

-Oxidazio selektiboa: metodo honen bitartez karbonozko ezpurutasunak ezabatu ahal dira karbono espezieen oxidazio tenperaturetan oinarrituz. Izan ere, karbonozko ezpurutasunak erreaktiboagoak dira oxigenoaren presentzian dituzten akats kantitate handiagatik, hori dela eta egonkortasun termiko txikiagoa edukiko dute.

Karbono-nanohodien propietateak[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Karbono-nanohodiaren luzera diametroa baino milaka aldiz handiagoa da, izan ere, erradioa bi nanometro baino txikiagokoa da, baina, luzera 10⁵ nm-koa izan daiteke. Hori dela eta, unidimentsional moduan kontsidera daiteke. Ondorioz, propietate paregabeak aurkezte ditu.

Propietate elektrikoak[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Karbono-nanohodiek ezaugarri elektriko paregabe eta egituraren araberakoak dituzte. Grafeno-planoko (hau da, hodiaren hormako) unitate hexagonalek hodiaren ardatzarekiko duten orientazioaren arabera, nanohodiak, elektrikoki metal edo erdieroale gisa joka dezake, isolatzaileak zein supereroaleak ere izan daitezkeelarik.

Nanohodi metalikoak dentsitate elektriko altua garraiatu dezakete mugikortasun handiarekin, baita ere elektroien emisio handia egin dezakete eremu elektriko baten menpean. Beraz korronte elektrikoa garraiatzeko ahalmena dute eta mila milioi A/cm²-ra ailegatu daitezke, kobrezko alanbre arruntak milioi bat A/cm² –ra ailegatzen direnean urtzen diren bitartean. Aipatzekoa da propietate hauek ez dutela tutuaren luzerarekiko menpekotasunik, ohiko kableetan gertatzen den moduan.

Propietate termikoak[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Karbono-nanohodien konduktibitate termikoa 3000 W/mK da eta zenbait ikerkuntzek 6000 W/mK-koa izan daitekeela inguruko tenperaturan aurresan dute, diamantearena baino handiagoa. Bestalde egonkortasun termiko handia aurkezten dute, izan ere, egonkorrak dira 2800 °C-an hutsean eta 750º-an aire librean “microchip”-en alanbre metalikoak 600-1000 °C-tan urtzen diren bitartean.

Karbono-nanohodien propietate termikoak hobetu daitezke haien barruan metalak zein gasak sartuz.

Propietate mekanikoak[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Halaber, karbono-nanohodiak oso sendoak eta zurrunak dira, eta nahiko harikorrak. Horma bakarreko nanohodien kasuan, trakzioarekiko erresistentzia 50 eta 200 GPa bitartekoa da (gutxi gorabehera, karbono-zuntzena baino magnitude-ordena bat handiagoa). Hain zuzen, horixe da ezagutzen den materialik sendoena. Bestalde, deformazio esfortsu oso handien aurrean deformatu daitezke era nabarmen batean eta elastikotasuna mantenduz hautsi barik. Elastikotasun-moduluaren balioa terapascaletan (TP) neurtzen da, altzairua baino 100 aldiz gogorragoa eta 6 aldiz arinagoak, eta haustura-deformazioak %5 eta %20 bitartekoak dira. Horrez gain, nanohodiek nahiko dentsitate baxuak dituzte. Propietate horien arabera, karbonozko nanohodiak etorkizun oparoa du material konpositeen sendogarri gisa.

Aplikazioak[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Aipatutako propietateak direla eta karbono-nanohodiek hainbat aplikazio dituzte, hala nola; elektrokimikan, elektronikan, medikuntzan eta industrian besteak beste.

Elektrokimikan[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Nanotutuen aplikazio garrantzitsu bat elektrokimikan da, superkondentsadore moduan hidrogenoaren metaketarako eta eguzki panelak ekoizteko. Izan ere, gainazal handia eta honen erresistibitate baxua dira arrazoiak.

Superkondentsadore bat elektrolito batean murgildutako eta ioiekiko iragazkorra den mintz batez bananduriko karbonozko bi elektrodoz osatuta dago. Superkondentsadore baten ahalmena bere potentziaren eta metatutako energia dentsitatearen araberakoa da. Karbonozko materialen artean, SWNT-ak gainazal azalera/bolumen erlazio handiena daukatenez bere atomoek elektrodoaren gainazala osatzen dute.

Gainera, egitura hau dela eta, hidrogenoaren adsortzioa gerta daiteke kimisortzio bidez, izan ere nanohodia osatzen duten karbono loturek hidrogenoak harrapatzeko ahalmena erakusten dute asetzen diren arte.

Elektronikan[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Badakigu panel lauko eta kolore beteko bistaratze-unitateak, esaterako telebisten eta ordenagailuen monitoreak, fabrikatu direla karbono-nanohodiak eremu-igorle gisa erabiliz; bistaratze-unitate horiek ekoiztea merkeagoa izango litzateke, eta hodi katodikoek eta kristal likidozko pantailek baino energia-behar txikiagoak izango lituzkete. Horretaz gain, aurreikusten da diodoak eta transistoreak izango direla nanohodien etorkizuneko aplikazio elektronikoak.

Trantsistoreen arloan, SWNT erdieroaleek garrantzi handia daukate elektroien garraio oso azkarra eragin dezaketelako. Korronte hori aktibatu edo desaktibatu daiteke boltaje oso txiki bat erabiliz, nanohodiaren konduktibitatearen aldaketa 10⁶ ordenekoa izanik. Balio hau konparagarria da siliziozko trantsistoreekin (FET).

Medikuntzan[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Medikuntza arloan ere badute zenbait eginkizun, adibidez osteoporosia eta hezur apurtuak duten pertsonetan erabiltzen dira polimeroekin konbinatuta indarra eta malgutasuna emanez protesiei. Gainera, nerbio zelulak berregituratzeko eta birkonektatzeko erabili daitezke hauekiko daukaten antzekotasuna forma eta tamaina aprobetxatuz. Azkenik, terapia genikoan genen garraiatzaile moduan erabili daitezke bere egitura eraldatu ondoren bateragarritasuna lortuz.

Industrian[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Polimeroen kantitate txiki bat gehituz karbonozko nanohodietan bere propietate elektrikoak aldatzea posiblea da eta horren ondorioz, industriaren zenbait arlotan aplikatu daitezke, adibidez automobiletan, tinta eroaletan, industria aeroespazialean, kiroletako materialetan eta abar.

Bere azalera handia eta egitura xafladun eta porotsua dela eta adsorbatzaile moduan ere erabili daitezke zenbait elementu eta substantzia kimiko metatzeko, adibidez, nikotina, mundruna eta metal astunak eliminatzeko gainazal batetik.