⚗️ Nanotubo de Carbono y Fullereno — Nanoestructuras sp²

Los nanotubos de pared simple (SWNT) consisten en una sola capa de grafeno enrollada con un diámetro de 0,7–2 nm. Los nanotubos de paredes múltiples (MWNT) contienen cilindros de grafeno concéntricos con un espaciado entre capas de ~0,34 nm (el mismo que el grafito), diámetros exteriores de 5–50 nm, y típicamente carácter metálico independientemente de la quiralidad porque al menos una capa suele ser metálica. Los MWNT son más fáciles de producir a granel mediante descarga de arco o depósito químico en fase vapor (CVD) y se usan en compuestos poliméricos conductores, mientras que los SWNT se prefieren cuando se necesitan propiedades electrónicas precisas.

El C₀ es una molécula esférica de 60 átomos de carbono dispuestos en 20 hexágonos y 12 pentágonos — un icosaedro truncado con la misma geometría que un balón de fútbol estándar. Descubierto por Kroto, Curl y Smalley en 1985 (Premio Nobel 1996), tiene un diámetro de 0,71 nm y es un semiconductor con una brecha HOMO-LUMO de ~1,9 eV. Los pentágonos alivian la tensión que de otro modo curvaría una lámina plana de grafeno, de forma análoga a las tapas terminales que cierran las puntas de los nanotubos. La mezcla C₀/PCBM sigue siendo el aceptor de electrones dominante en las células solares orgánicas.

Tres métodos principales: (1) Descarga de arco — los electrodos de grafito forman un arco en gas inerte (He o Ar) a 4000 °C; produce MWNT de alta calidad pero enredados. (2) Ablación láser — un láser pulsado vaporiza un blanco de grafito-metal; produce SWNT limpios pero con bajo rendimiento. (3) Depósito químico en fase vapor (CVD) — gases de hidrocarburos (CH₄, C₂H₂) se descomponen sobre nanopartículas catalizadoras (Fe, Co, Ni) a 600–1200 °C; escalable a cantidades industriales y permite el crecimiento alineado sobre sustratos para nanoelectrónica.

El ángulo quiral θ = atan(√3 m / (2n + m)) es el ángulo entre el vector de quiralidad y la dirección zigzag de la red de grafeno. Va de 0° (zigzag, m = 0) a 30° (armchair, n = m). Para un tubo (10, 7), θ ≈ 24°; para (8, 4), θ ≈ 19,1°. El ángulo quiral afecta a la simetría del tubo y por tanto a qué modos vibracionales Raman están activos — un diagnóstico clave para la asignación de la quiralidad en los experimentos.

Los SWNT semiconductores tienen brechas de banda inversamente proporcionales al diámetro: E_g ≈ 0,9 eV/d (nm). Un tubo de 1 nm tiene E_g ≈ 0,9 eV, cayendo en el infrarrojo cercano — adecuado para fotodetectores y fotovoltaica. La movilidad de los portadores puede alcanzar 100.000 cm²/Vs, superando ampliamente al silicio (1400 cm²/Vs). IBM demostró transistores de efecto de campo basados en CNT conmutando a frecuencias de THz, lo que sugiere que los CNT podrían reemplazar al silicio en la electrónica posterior a la Ley de Moore si se superan los desafíos de clasificación y alineación.

Los usos comerciales incluyen: (1) Tintas y recubrimientos conductores — los CNT reemplazan al ITO en pantallas táctiles y pantallas flexibles. (2) Refuerzo de compuestos — 0,1–1% en peso de CNT en epoxi aumenta la rigidez entre un 20 y un 40% (aeroespacial, equipamiento deportivo). (3) Ánodos de baterías de iones de litio — las redes de CNT proporcionan conectividad eléctrica con poco peso. (4) Administración de fármacos — los CNT pueden penetrar las membranas celulares y transportar moléculas terapéuticas. (5) Transistores — los chips basados en CNT de IBM (2017) demostraron un rendimiento equivalente al nodo de 3 nm.

La toxicidad depende de la geometría y la química superficial. Los MWNT largos y rígidos (longitud > 20 μm, diámetro < 150 nm) se comportan como fibras de amianto en los pulmones — son demasiado largos para que los macrófagos los engullan, causando inflamación crónica y potencialmente mesotelioma en modelos animales. Los CNT cortos, funcionalizados o enredados son mucho menos peligrosos porque se eliminan más fácilmente. Las agencias reguladoras (ECHA, EPA) tratan ciertos CNT como sustancias de muy alta preocupación y recomiendan manipulación en espacios cerrados, protección respiratoria y monitoreo de la exposición ocupacional.

Un SWNT es conceptualmente una lámina de grafeno enrollada. A la inversa, desabrochar (cortar a lo largo del eje del tubo) un MWNT produce nanocintas de grafeno, un método demostrado por los grupos de Dai y Tour en 2009. Ambos materiales comparten el mismo enlace sp² y sistema de electrones π, pero la geometría crea propiedades diferentes: el grafeno es un semimetal de brecha cero con dispersión lineal (cono de Dirac), mientras que enrollarlo abre brechas en los tubos semiconductores y modifica la densidad de estados en singularidades de van Hove discretas — visibles como picos en el espectro de absorción óptica.