El ingeniero químico Matteo Pasquali y sus colegas han hilado nanotubos para conseguir fibras de varios cientos de metros de largo, demostrando que las técnicas de fabricación comercialmente útiles pueden ser desarrolladas para producir materiales a macroescala y a partir de estas moléculas cilíndricas de carbono puro.
Convertir los nanotubos de carbono en fibras fue un sueño en particular del fallecido profesor de Rice Richard Smalley, que compartió el Premio Nobel 1996 de Química por su descubrimiento de las moléculas de carbono esféricas conocidas como 'buckyballs'. Los nanotubos individuales poseen notables propiedades: son ligeros, son fuertes, y pueden ser conductores de electricidad. Sin embargo, su ensamblaje para crear estructuras grandes con estas propiedades ha resultado difícil.
En 2001, Smalley comenzó a tratar de utilizar el tratamiento de líquidos para hilar los nanotubos de carbono en fibras que conservasen las propiedades eléctricas y mecánicas de los tubos a lo largo de longitudes de un kilómetro--una idea que, reconoció, fue "realmente extrema y lunática". Estas fibras serían más fuertes que el acero y más conductoras que el cobre. Smalley las imaginó tejidas en forma de cables eficientes capaces de llevar la electricidad desde distantes granjas solares y eólicas a zonas pobladas--sin perder energía por el calentamiento. Pasquali, que formó parte del proyecto desde el principio y se hizo cargo después de la muerte de Smalley en 2005, reconoce que en un principio era escéptico. "Pensé que era una locura total, ya que los nanotubos de carbono no son solubles en fluidos--y yo soy un tipo dedicado a los fluidos", afirma.
Otros investigadores han creado fibras a macroescala a partir de nanotubos en seco, tirando de ellos desde matrices verticales o hilándolos como la lana al tiempo que emergen de un reactor. Sin embargo, los nanotubos individuales en estas fibras no se alinean, y la correcta alineación es de importancia crítica: las masas enmarañadas de moléculas no transportan la electricidad, y no son fuertes. Pasquali sabía que los nanotubos colocados en una solución se alinearían como troncos flotando en un río, dando lugar a fibras bien ordenadas.
El grupo consiguió un gran avance en 2004, cuando llegaron a la conclusión de que los métodos utilizados para la fabricación de fibras Kevlar, un componente de los chalecos antibalas, también podrían funcionar con los nanotubos. Al igual que los nanotubos, el polímero Kevlar es largo y delgado, y difícil de disolver en una solución; las fibras se crean mezclando el polímero con ácido sulfúrico y después disparando la solución a través de agujas agrupadas como los agujeros de una regadera.
Los investigadores de Rice consiguieron disolver sólo pequeñas cantidades de nanotubos usando ácido sulfúrico. No obstante, cuando utilizaron ácido clorosulfónico--un, así llamado, superácido--pudieron conseguir altas concentraciones de nanotubos en una solución. Los tubos forman un cristal líquido, en el que ya están alineados--una enorme ventaja a la hora de convertirlos en fibras.
Haciendo girar un hilo
El grupo de Pasquali comienza su proceso de hilado con nanotubos de pared simple fabricados en un laboratorio cercano mediante un proceso desarrollado originalmente por Smalley. En un reactor de alta presión donde las temperaturas alcanzan 1.000 ° C, se posa monóxido de carbono en pequeñas gotas de catalizador de hierro puro, y se descompone. Los átomos de carbono se acumulan en los cilindros huecos con alrededor de un nanómetro de diámetro y unos pocos cientos de nanómetros de largo. Estos nanotubos emergen del reactor en montones negros y suaves, y se mantienen en contenedores de cinco galones apilados hasta el techo, cada uno con sólo 200 gramos.
Los nanotubos fabricados en este reactor contienen trazas de hierro que deben ser eliminadas antes de que los tubos se puedan convertir en fibras. El estudiante de posgrado Colin Young llena una cámara de vidrio con nanotubos que han sido tratados con oxígeno en un ho o para oxidar el hierro, haciendo que sean solubles. Dentro de una campana extractora, sujeta sobre la cámara un frasco de ácido clorhídrico. Después enciende un calentador bajo el ácido para hervirlo. Al tiempo que se condensa y gotea hacia abajo sobre los nanotubos, el ácido disuelve el hierro; los tubos quedan intactos.
Después de la ducha ácida, el estudiante licenciado Natnael Behabtu carga los nanotubos y el ácido clorosulfónico en un tubo de acero inoxidable equipado con pistones que friccionan los nanotubos de manera uniforme en una única dirección, para hacer que se alineen. La solución viscosa resultante posee un peso con un 8 por ciento de nanotubos de cristal líquido.
A continuación, se separa la mitad de la cámara, y uno de los pistones con ella, que se sustituye por una pieza que ha sido equipada con una aguja giratoria. El pistón empuja el líquido a través de un filtro de vidrio (que evita la obstrucción), en la aguja, y hacia fuera hasta alcanzar un baño de éter dietílico. El ácido es soluble en el éter, aunque los nanotubos no lo son, por lo que el resultado es una fibra de nanotubos puros, de 50 a 100 micrómetros de diámetro y varios metros de largo.
Alcanzar la medida
Para medir la fuerza tensil de las fibras, Young utiliza pegamento para unir una corta longitud de la fibra sobre un marco de cartón. Coloca todo esto en las prensas de metal de un aparato de pruebas de tensión, y tira de la fibra por cada uno de sus lados hasta que se rompe. Las fibras pueden soportar actualmente alrededor de 350 megapascales de presión antes de romperse--un poco menos que un cabello humano, que se considera bastante fuerte para su diámetro.
La fuerza de la fibra depende de la fricción generada allí donde las superficies de nanotubos interactúan. Los nanotubos más largos generan más fricción y, por tanto, fibras más fuertes. Los nanotubos de Rice--que Pasquali está utilizando por su comodidad de acceso--son relativamente cortos. Sin embargo, está explorando asociaciones con empresas de hilado de fibra y fabricantes de nanotubos de carbono que puedan proporcionar conocimientos especializados adicionales sobre el hilado y, consecuentemente, nanotubos más largos. En última instancia, Pasquali espera aumentar más de diez veces la fuerza de tracción de las fibras.
Aún hay un gran obstáculo antes de cumplir el sueño de Smalley de utilizar nanotubos para reconstruir la red eléctrica. Las fibras de Pasquali poseen una resistencia eléctrica de 120 microhmios por centímetro, aproximadamente ocho veces mayor que la de los cables de cobre. La razón viene dada por el hecho de que todos los métodos de cultivo de nanotubos dan como resultado una mezcla de versiones conductoras y semiconductoras. Para que las fibras de nanotubos lleven la corriente necesaria como para desplazar al cobre, necesitarían estar confeccionadas enteramente de nanotubos conductores. El grupo de Rice tiene previsto fabricar fibras de nanotubos conductores separados de los tubos no conductores para determinar si estos tipos de conductividades son posibles. No obstante el proceso de clasificación de hoy día hace que los nanotubos sean demasiado caros como para su uso en las transmisiones eléctricas.
Sin embargo, Pasquali sigue siendo optimista, y cree que este segundo reto será superado, tal y como resolvió el problema del hilado de los nanotubos en fibras largas. Además está seguro de que cuando sea resuelto, los fuertes y ligeros cables de nanotubos podrán por fin reemplazar a los cables de aluminio pesados, ineficientes, y reforzados con acero, utilizados en la red eléctrica a día de hoy, tal y como Smalley había imaginado.