Científicos japoneses presentan un enfoque novedoso a una técnica convencional que produce bosques de CNT de una longitud récord: ~ 14 cm, siete veces mayor que el máximo anterior. Las primeras aplicaciones en catalizadores.
Hoy en día, una multitud de industrias, incluidas la óptica, la electrónica, la purificación de agua y la administración de medicamentos, innovan a una escala sin precedentes con rollos de nanómetros de ancho de láminas de grafito en forma de panal de abejas llamadas nanotubos de carbono (CNT). Características tales como su peso ligero, estructura conveniente, inmensa resistencia mecánica, conductividades térmicas y eléctricas superiores y estabilidad colocan a los CNT por encima de otras alternativas de materiales. Sin embargo, para abastecer su creciente demanda industrial, su producción debe incrementarse constantemente, y ahí radica el principal desafío para el uso de CNT.
Si bien los científicos han podido cultivar CNT individuales de aproximadamente 50 cm de longitud, cuando intentan matrices o bosques, alcanzan un techo de alrededor de 2 cm. Esto se debe a que el catalizador, que es clave para que ocurra el crecimiento de CNT, se desactiva y/o se agota antes de que los CNT en un bosque puedan crecer más, lo que aumenta los costos monetarios y de materias primas de la producción de CNT y amenaza con limitar su uso industrial.
Ahora, un equipo de científicos de Japón ha ideado una estrategia para romper ese techo. En su estudio publicado en Carbon, el equipo presenta un enfoque novedoso de una técnica convencional que produce bosques de CNT de una longitud récord: ~ 14 cm, siete veces mayor que el máximo anterior. Hisashi Sugime, profesor asistente de la Universidad de Waseda, quien dirigió el equipo, explica: "En la técnica convencional, los CNT dejan de crecer debido a un cambio estructural gradual en el catalizador, por lo que nos enfocamos en desarrollar una nueva técnica que suprima este cambio y permite que las CNT crezcan durante un período de tiempo más largo".
El equipo creó un catalizador basado en sus hallazgos en un estudio anterior para empezar. Agregaron una capa de gadolinio (Gd) al catalizador convencional de óxido de hierro y aluminio recubierto sobre un sustrato de silicio (Si). Esta capa de Gd previno el deterioro del catalizador hasta cierto punto, permitiendo que el bosque creciera hasta unos 5 cm de longitud.
Para prevenir aún más el deterioro del catalizador, el equipo colocó el catalizador en su cámara original llamada cámara de deposición química de vapor de gas frío (CVD). Allí, lo calentaron a 750 °C y lo suministraron con pequeñas concentraciones (partes por millón) de vapores de Fe y Al a temperatura ambiente.
Esto mantuvo el catalizador en funcionamiento durante 26 horas, tiempo en el que un denso bosque de CNT podría crecer hasta 14 cm. Varios análisis para caracterizar los CNT cultivados mostraron que eran de alta pureza y dureza.
Este logro no solo supera los obstáculos para la aplicación industrial generalizada de los CNT, sino que también abre las puertas a la investigación en nanociencia. "Este método simple pero novedoso que prolonga drásticamente la vida útil del catalizador al suministrar fuentes de vapor a nivel de ppm es revelador para la ingeniería de catalizadores en otros campos como la petroquímica y el crecimiento de cristales de nanomateriales", dice Sugime. "El conocimiento de este documento podría ser fundamental para hacer de los nanomateriales una realidad ubicua".
Más información: Hisashi Sugime et al, Ultra-long carbon nanotube forest via in situ supplements of iron and aluminum vapor sources, Carbon (2020). DOI: 10.1016/j.carbon.2020.10.066
Nota original: Waseda University