Estructura de los nanotubos de carbono

Aunque realmente su formación no tenga lugar de esta manera, podemos considerar que un nanotubo de carbono (o CNT, del inglés carbon nanotube) consiste en una lámina de grafeno que se enrolla alrededor de un eje (T):

estructura-nanotubo-carbono

Un parámetro característico de cada nanotubo es su quiralidad θ, definida a partir del vector quiral (C), que es un vector perpendicular al eje T que se obtiene por combinación lineal de los vectores unitarios de la celda unidad hexagonal de la lámina de grafeno:

vector-quiral-nanotubo

Por tanto, la estructura de un nanotubo de carbono queda definida por su diámetro y su quiralidad (d y θ) o bien por los denominados índices de Hamada (n, m):

  • Cuando n = m se obtiene la estructura conocida como armchair (θ = 30º).
  • Cuando m = 0 se obtiene la estructura zigzag (θ = 0º).
  • Cualquier otra estructura carente de simetría, en la que n ≠ m, se denomina estructura quiral (0º < θ < 30º).

Podemos distinguir dos construcciones:

 SWNT-MWNT

  • Nanotubos de pared simple o SWNT (del inglés single – walled nanotube): formados por un único tubo.
  • Nanotubos de pared múltiple o MWNT (del inglés multi – walled nanotube): formados por nanotubos concéntricos anidados uno dentro de otro. La separación entre nanotubos es similar a la separación entre láminas del grafito. Son más estables y rígidos que los anteriores. Los más sencillos son los nanotubos de pared doble (DWNT), y son los más parecidos morfológicamente a los SWNT, aunque con una mayor resistencia.

Generalmente, los nanotubos presentan ambos extremos sellados, lo que implica la introducción de ordenamientos topológicos pentagonales en ellos.

Los nanotubos pueden presentar defectos en los extremos o en la pared lateral. El origen de estos defectos puede ser la presencia de anillos pentagonales o hexagonales que provocan curvaturas en su estructura (a); la existencia de átomos de carbono con hibridación sp3 (b), como también sucede con el grafito; o la incorporación de grupos funcionales generados en la purificación en condiciones fuertemente oxidantes (c):

defectos-nanotubos-carbono

La funcionalización química ofrece la posibilidad de incorporar fragmentos orgánicos a los nanotubos, que modifican sus características y propiedades:

  • Funcionalización en los defectos: introducción de grupos orgánicos o unidades C60 a través de enlaces amídicos o mediante formación de ésteres.
  • Funcionalización en la pared: mediante reacciones de halogenación, hidrogenación, adición radicálica, adición nucleófila, cicloadición…
  • Funcionalización no covalente: formación de complejos moleculares, sin producir daños en la estructura, mediante interacciones π–π.
  • Funcionalización endoédrica: inclusión en la cavidad interna del nanotubo de diferentes especies (metales, haluros u óxidos metálicos, fullerenos, pequeñas proteínas…).

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