Son tubos de carbón a la escala nanométrica, descubiertos por Sumio Iijima de NEC Corporation en el año 1991, y corresponden a una variación exótica del grafito común. Su estructura tubular le confiere notables propiedades mecánicas y electrónicas que han hecho abrir los ojos a docenas de investigadores en las universidades y en las empresas comerciales. Algunos de sus atributos son su gran fuerza, su poco peso, gran estabilidad, flexibilidad e interesantes propiedades electrónicas.

Los nanotubos de carbón son descendientes de los "buckyball", que a su vez fueron creados cuando un grupo de químicos dirigió un rayo láser a un trozo de grafito logrando una nueva forma de materia. La molécula lograda tenía forma de pelota de fútbol, con 60 átomos de carbón unidos entre sí. Era ésta muy fuerte y reacia a reaccionar con nada. Por ello los investigadores Roberto Cual, Haroldo Kyoto y Richard Smalley obtuvieron el premio Nobel (Bucky ball: la molécula en forma de pelota de futbol). A ella se le veían grandes aplicaciones, que desgraciadamente aún no se han concretado. Recientemente, en forma irónica, "The Economist" señala que "la única industria que hasta ahora se ha derivado es la generación de publicaciones científicas".

Los nanotubos, en cambio, están compuestos por hexágonos de átomos de carbón que tienen una propensión a ensamblarse entre sí, formando como una manga de chaleco (fig. 1). Los investigadores ven en ella una amplia gama de aplicaciones. Así por ejemplo, diversos artículos señalan que los nanotubos pueden utilizarse como polímeros aditivos que promuevan la adhesión electrostática de pinturas en piezas de automóviles. Otros más imaginativos piensan que por su extraordinaria resistencia, con ellos se podría finalmente tener satélites amarrados a la Tierra, lo que parece una exageración, considerando que los nanotubos más largos que se han logrado miden un milímetro, y para amarrar satélites a la Tierra se requeriría un cable de 35.800 kilómetros de largo.


Aplicaciones más aterrizadas

Pero ya se han logrado algunos avances concretos. Es así como simultáneamente Noriaki Hamada del NEC y Midred Dresselhaus del Massachusetts Institute of Technology, han descubierto que los nanotubos pueden reaccionar como metales y conducir la electricidad. También piensan que con ellos se puede fabricar una hélice y actuar como semiconductores. Ambos hechos ya se han confirmado.

Sin embargo su potencialidad electrónica parece que es la que ofrece más aplicaciones, ello porque el futuro del silicon puede ser menos brillante de lo que fue en el pasado. Se predice que en 10 años, los esfuerzos por la mejoría de los componentes de silicon se van a encontrar con un cuello de botella. Investigadores de IBM Thomas Watson Research Center, afirman que el proceso de continua miniaturización de los componentes de silicon y el control fino de las propiedades electrónicas a escalas más pequeñas, puede llegar a ser un problema insoluble. Por ello es que la industria electrónica ha comenzado a buscar otras alternativas, y aquí es donde el carbón parece ser una buena posibilidad.

En los últimos dos años se han visto promisorias demostraciones de los nanotubos en electrónica. En el año 1998 Cees Dekker de la Universidad de Tecnología Delft en Holanda, ha demostrado que un simple nanotubo puede actuar como un transistor. Así se ha observado que la corriente que fluye a través de un nanotubo semiconductor, puede cambiar por órdenes de magnitud cinco veces, por lo que puede ser un muy buen interruptor.

Pero en este sentido, recientemente se ha detectado un obstáculo. Es así como un equipo de investigadores de la Universidad de California y del Lawrence Berkeley National Laboratory, han reportado que los nanotubos son componentes "ruidosos" (ruido es el nombre dado a las fluctuaciones de voltaje que ocurren cuando una corriente eléctrica constante se inyecta en un aparato). Esto es un problema real, especialmente cuando se pretende utilizar los nanotubos como transistores en los chips de computadores. Sin embargo los investigadores señalan que éste es un problema que se puede resolver tecnológicamente (New Scientist, Febrero 19, 2000, pág. 7).

Pero también puede haber otras aplicaciones electrónicas. Una mezcla de muchos nanotubos es buena en el campo de emisión. Ellos emiten electrones bajo la influencia de un campo eléctrico. Un campo de emisión es la fuerza detrás de una pantalla plana. Una pantalla de televisión o un computador actual, se basa en una pistola que dispara electrones a los pixel de una pantalla de fósforo, que se iluminan de acuerdo a la orden. Alternativamente, millones de nanotubos arreglados justo detrás de la pantalla, podrían reemplazar a la pistola. " En estas condiciones cada pixel tiene su propia pistola", dice David Tomanek, físico de la Michigan State University.

Tanto es el entusiasmo que ya son muchas las firmas que están tratando de explotar el talento de los nanotubos en la construcción de pantallas planas. El prototipo que algunas han logrado requiere la mitad de poder de una pantalla de cristal líquido. Además tienen una vida de 10.000 horas, que es lo que se pide en los componentes electrónicos.

Los nanotubos emiten electrones a un relativo bajo voltaje, lo que significa que tienen un mínimo requerimiento de poder, mientras al mismo tiempo mantienen una alta densidad de corriente. Estas características han entusiasmado a Otto Zhou, un físico de la Universidad de North Carolina, para tratar de generar microondas vía un campo de emisión de nanotubos. Ello tiene implicancias en las comunicaciones inalámbricas. Un típico teléfono celular envía una señal débil a una estación base que la refuerza. "En principio, gracias a estas propiedades eléctricas y a la estabilidad de los nanotubos, se puede construir la estación base más pequeña y que al mismo tiempo tenga una vida más larga", dice Zhou. "Ya tenemos un prototipo que genera microondas, lo que por primera vez se ha demostrado en un material de emisión de electrones".

También los fabricantes de baterías han puesto los ojos en los nanotubos. El grafito puede almacenar iones de litio, que son los transportadores de cargas para algunas baterías, pero ello tiene un precio de peso: seis átomos de carbono por cada ion de litio. Los investigadores piensan que la geometría inherente a los nanotubos permite acomodar más de un átomo de litio por seis carbones. "Podría ser posible tener acceso al interior y al exterior del cilindro", dice John Fisher de la Universidad de Pennsylvania, refiriéndose a ambos lados del nanotubo.

Pero el gran problema de este mundo se refiere al almacenamiento de hidrógeno. El objetivo para la capacidad del hidrógeno que interesa a los productores de automóviles eléctricos es de aproximadamente 6.5% por peso, cualquiera que sea el medio de almacenaje que se use. Dresselhaus, escribe en el "Materials Research Society Bulletin" de Noviembre 1999, enfatizando que sobre el 6.5% es difícil de reproducir. El anota que el 4% del peso de hidrógeno es el mejor valor disponible en el momento y que esto aumenta al punto que se necesita. "Es una tecnología significativa para el desafío futuro", dice Dresselhaus.

La otra gran posibilidad de los nanotubos es en materiales. Ellos, a igual diámetro, son seis veces más livianos y diez veces más fuertes que el acero. Las fibras de carbón ya se han probado con éxito en la fabricación de materiales, y los nanotubos ciertamente que son una promesa para el mismo mercado por su excepcionalmente alta longitud al diámetro del radio, que es lo más importante frente al estrés de la transmisión. Claro que para lograr esto se requiere aún mucho trabajo para incrementar el largo de los nanotubos.

El National Aeronautics and Space Administration tiene gran interés en los nanotubos por sus variadas aplicaciones, que van desde la fabricación de aviones a trajes espaciales. "Por ahora hay que ver en qué forma las propiedades que éstos tienen a la escala nanoscópica podemos usarlas realmente a la escala macroscópica", dice Bradley Files de la NASA Johnson Space Center.

Finalmente, un equipo de investigadores de California, dirigido por Hongjie Dai, ha descubierto que los cilindros de nanotubos pueden usarse para detectar gases tóxicos de dióxido nitroso y amonia (Creces, Septiembre 1999, pág. 9). Con ellos se pueden fabricar pequeños sensores ambientales. Ambos gases contribuyen a incrementar el calor por el efecto invernadero, como también a incrementar los efectos de la lluvia ácida, por lo que se necesita monitorearlos constantemente. El equipo ha encontrado que el flujo de electrones a través de los nanotubos aumenta cuando se exponen al dióxido nitroso y disminuye en respuesta al amonio. Los investigadores no saben aún por qué se produce este cambio, pero piensan que las moléculas de gas donan o remueven electrones, lo que cambiaría la resistencia de los nanotubos.

Por ahora, aparte del desafío de llegar a fabricar nanotubos de mayor tamaño, está el problema del precio, que es 10 veces el precio del oro. Para bajar los costos y fabricar nanotubos de mayor longitud, habrá que acelerar y potenciar la investigación. Si ello se alcanza, los nanotubos podrán revolucionar el mundo.



Para mayor información, ver publicación de Steve Mirsky, publicada en Scientific American, Junio 2000, pág. 25.