Boletín N˚ 97 – Agosto 2010

Desarrollo de un proceso de simulación y optimización en la síntesis y la caracterización física y química de nanotubos de carbono de pared simple –SWCNT

Investigador principal: Dr. José Vega Baudrit

Posee el grado de doctorado realizado en el Laboratorio de Adhesión y Adhesivos del Departamento de Química Inorgánica de la Universidad de Alicante, España, con la tesis: “Modificación de las propiedades de adhesivos de poliuretano por adición de nanosílices con diferente polaridad superficial”, Plan de estudios: Ciencia de Materiales. 2002-2005. Aprobada con la máxima calificación “CUM LAUDE”. Posee un Máster en Ingeniería Química

Dr. José Vega Baudrit.

otorgado por la Universidad de Guadalajara, México en 1996. Es licenciado en Química, Universidad de Costa Rica. Del 2006 a la fecha: ocupa el cargo de Director del Laboratorio Nacional de Nanotecnología –LANOTEC del Centro Nacional de Alta Tecnología-CENAT y desde 1992 a la fecha labora en el Laboratorio de Polímeros (POLIUNA) de la  Escuela de Química de la Universidad Nacional, como profesor-investigador. Actualmente ocupa el cargo de catedrático. Ha participado en más de 75 congresos y otros eventos. Ha participado en cerca de 50 artículos en revistas científicas.

Introducción:

Los nanotubos fueron sintetizados por método de descarga de arco empleando una máquina de soldar Miller TIG como fuente de energía (Método de Jeannette Benavides). Como gas de protección y fuente de plasma, se utilizó argón a 40 psi. El cátodo consistió en un cilindro de grafito con un agujero en el centro y como ánodo se emplearon barras de grafito de 1/8’’, grado 1. La distancia entre los electrodos fue mantenida en un milímetro, con el fin de mantener el plasma constante. El cátodo se mantuvo sumergido en un baño de agua/hielo a 0 ºC. Las variables consideradas en el proceso de la optimización fueron: tipo de gas (He, Ar), presión de gas (40 ó 60 psi) y, amperaje (9, 19 ó 29 A). Modificando estas variables, ocho muestras fueron producidas. Como método de purificación de las muestras se utilizó una limpieza ultrasónica de una suspensión metanol-nanotubos de carbono. Finalmente se realizó una simulación por computadora. El proyecto inició con los siguientes objetivos generales y específicos:

Objetivos generales:

i.     Sintetizar y caracterizar nanotubos de carbono empleando el método de generación de arco volático.

ii.    Optimizar físico-químicamente y mediante sistemas de simulación el proceso de obtención de nanotubos de carbono.

Objetivos específicos:

i.     Estudiar las variables del proceso físico-químico para la obtención de nanotubos de carbono.

ii.    Caracterizar los NTC mediante técnicas de análisis morfológicos y térmicos.

iii.   Estudiar el proceso de obtención de nanotubos de carbono mediante simulación por computadora.

Metodología:

El equipo empleado en la producción de NTC se observa en la Figura 1.

Figura 1. Sistema de enfriamiento para la producción de NTC.

Resultados:

Se determinó que los mejores resultados se obtuvieron al utilizar 19 A en la fuente de poder, argón como gas de protección a 40 psi de presión. La Figura 2 muestra la diferencia entre los espectros de una muestra comercial de nanotubos de carbono de pared simple no funcionalizada y la muestra de nanotubos obtenida experimentalmente. Las bandas de absorción más relevantes se encuentran en 3265 cm-1 y 1550 cm-1, correspondientes a las vibraciones de tensión y flexión respectivamente del enlace O-H.

Esta información confirma que los nanotubos de carbono de pared simple se encuentran funcionalizados con grupos hidroxilo. Se considera que la elevada temperatura del plasma ocasiona que las moléculas de agua del sistema de enfriamiento se disocien y se añadan sobre las paredes de los nanotubos durante el crecimiento de los mismos.

Figura 2. Espectro de infrarrojo de nanotubos de SWNT funcionalizados (arriba) y de una muestra comercial de nanotubos de carbono sin funcionalizar (abajo)

La Figura 3 corresponde a una imagen de SEM de la muestra funcionalizada de SWNT. En ésta se observan varios nanotubos alineados junto a algunas impurezas. Aglomeraciones paralelas de SWNT podrían convertirse en un nuevo material interesante, con características eléctricas y térmicas altamente anisotrópicas. Se ha demostrado que SWNT alineados presentan conductividades térmicas y eléctricas superiores a los nanotubos ordenados aleatoriamente.

Figura 3: Imagen SEM de una muestra de SWCNT.

La figura 4 corresponde a una imagen de AFM de un fajo de SWNT depositados en un substrato de mica. El diámetro para esta estructura calculado es de 15.100 (± 0.005) nanómetro. Otras estructuras en la imagen corresponden a las impurezas producidas junto con los nanotubos.

Figura 4: Imagen AFM de una muestra de SWCNT.

Otros productos:

·                    PRIMER LABORATORIO NACIONAL QUE SINTETIZÒ ESTE MATERIAL.

·                    NANOTUBOS DE CARBONO FUNCIONALIZADOS Y SIN FUNCIONALIZAR.

·                    MATERIALES CARACTERIZADOS Y PROCESO DE SIMULACIÓN CONCLUIDO.

·                    PARTICIPACIÓN DE CIENTÍFICOS Y CIENTÌFICAS NACIONALES.

·                    1 TESIS DE LICENCIATURA EN UNIVERSIDAD ESTATAL.

·                    ESCRITURA DE UN ARTÌCULO DE CARÀCTER INTERNACIONAL EN REVISTA INDEXADA.

·                    PARTICIPACIÓN EN 3 CONGRESOS INTERNACIONALES EN BRASIL, ESTADOS UNIDOS Y COSTA RICA (Figura 5).

·                    UN EQUIPO COMPLETAMENTE AUTOMATIZADO PARA OBTENER NTC (Figura 6).

·                    COOPERACIÓN CON TRABAJOS DE INVESTIGACION EN SECUNDARIA Y UNIVERSIDADES ESTATALES.

·                    TRES BOLETINES NACIONALES EN EL CONICIT, UNIVERSIDAD NACIONAL E INSTITUTO TECNOLÒGICO DE COSTA RICA.

·                    POSIBILIDAD DE INICIAR COLABORACIONES INTERNACIONALES EN ESTADOS UNIDOS, CHILE Y VENEZUELA.

Figura 5. Póster SLAP 2010.

Figura 6. Equipo automatizado para la producción de NTC.