Por su orden atómico casi perfecto, combinan una resistencia y una rigidez únicas con una muy alta flexibilidad

Los nanotubos de carbono son una forma alotrópica del carbono (es decir, que presenta diferentes estructuras químicas), igual que el diamante, el grafito o los fullerenos. Los descubrió el físico japonés Sumio Iijima en 1991. Desde la primera observación han generado grandes expectativas gracias a las extraordinarias propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas que presentan: son 200 veces más fuertes que el acero, los mejores conductores térmicos conocidos y pueden transportar corrientes eléctricas cien veces más grandes que el cobre. Por ello se consideran excelentes candidatos para un amplio rango de aplicaciones tecnológicas en diferentes áreas de impacto, desde la electrónica flexible a los sensores, la biomedicina, la construcción o la automoción.

Marino Arroyo —investigador del Laboratorio de Cálculo Numérico (LaCaN) de la Escuela de Caminos de la UPC que estudia las propiedades mecánicas como la rigidez y la resistencia de los nanotubos de carbono— los define como “muy especiales desde el punto de vista mecánico”. Para él, “estamos acostumbrados a que los materiales flexibles sean blandos, como el caucho, y los materiales rígidos sean frágiles, como el vidrio. En cambio, los nanotubos de carbono, gracias a su orden atómico casi perfecto, combinan una resistencia y una rigidez únicas con una muy alta flexibilidad”. Asimismo, añade que “se doblan cuando los comprimimos, pero cuando la presión desaparece, retornan a su posición inicial, dentro de unos márgenes”.

Intentar entender comportamientos mecánicos complejos como éste, que son reversibles, es la base del trabajo de científicos como Arroyo quien, junto a sus colaboradores de la Escuela de Caminos, han caracterizado los patrones de deformación de los nanotubos policapa al arrugarse mediante técnicas matemáticas y computacionales. “Hemos observado que, cuanto más gruesos son los nanotubos policapa más propensos son a arrugarse y, cuanto más se arrugan, más blandos son”. Eso son buenas y malas noticias: “Malas porque no se pueden realizar materiales compuestos que se aprovechen de su rigidez extrema; buenas porque estos patrones de deformación disipan mucha energía y, por lo tanto, pueden ser idóneos para aplicar en materiales para absorber choques”.

Si las propiedades mecánicas de los nanotubos de carbono son sorprendentes, las propiedades eléctricas y electrónicas no lo son menos. Este es uno de los ámbitos de interés de la investigadora Núria Ferrer, del Departamento de Física Aplicada, que investiga la obtención de capas delgadas, conductoras, trasparentes y flexibles de los nanotubos de carbono. “Estas capas pueden utilizarse en muchas aplicaciones: desde paneles solares hasta dispositivos electrónicos, sensores o biosensores”, explica.

La configuración electrónica de los átomos del carbono que forman los nanotubos hace que sean muy sensibles al ambiente que los rodea. Por eso son el elemento base de diferentes tipos de sensores químicos o biológicos. Este es un campo en que ha trabajado intensamente Núria Ferrer. “Hemos desarrollado sensores de pH para medir la acidez o alcalinidad de una disolución. Son sensores basados en un polímero conductor (la polianilina) y nanotubos de carbono que cambian de color en función del pH”.

El instrumental científico disponible en la mayoría de laboratorios ha avanzado mucho desde 1991. Actualmente disponen de mejores sistemas de caracterización que permiten observar los nanotubos con una mayor precisión. “Esta es una parte esencial de la investigación. Técnicas como la microscopía de fuerzas atómicas, la espectroscopía Raman y la resonancia de spin electrónico permiten ver la estructura final de los nanotubos sintetizados”, señala Núria Ferrer.

Con la idea final de desarrollar materiales inteligentes multifuncionales para aplicar al sector de la construcción, Ignasi Casanova, del Grupo de Mecánica y Nanotecnología de Materiales de Ingeniería de la UPC, en la Escuela de Caminos, estudia la conductividad eléctrica de los nanotubos de carbono. “Los nanotubos poseen propiedades piezoeléctricas. Es decir, tienen la capacidad de generar carga eléctrica cuando se deforman porque tienen una estructura sin centro de simetría”, explica. “Estamos trabajando la posibilidad de obtener hormigón que tenga una cierta conductividad eléctrica mediante la adición de nanotubos de carbono”. Un hormigón como el que describe Casanova, con los sensores imbuidos en el mismo material, tendría capacidad de emitir una señal como respuesta a deformaciones extremadamente pequeñas. Si estos materiales se llegan a implementar podría cambiar lo que hoy entendemos por mantenimiento de estructuras de hormigón.

“Si tenemos en cuenta que el mantenimiento de estructuras representa casi el 50% del presupuesto que se gasta el sector de la construcción en el ámbito mundial, desarrollar materiales con capacidad de autodiagnóstico y monitorizar problemas en el mantenimiento de estructuras supondría una gran ventaja”, explica. “La aplicación que estamos investigando es muy concreta y tecnológicamente no es fácil de implementar. Pero, sin duda, los materiales inteligentes tienen interés desde el punto de vista del desarrollo sostenible”.

Este científico añade que el hecho de que el hormigón pueda ser un material conductor puede generar aplicaciones más directas como la monitorización continua del tráfico en carreteras. En la construcción de pavimentos, ya que habría la posibilidad de utilizar un tipo de material que, sin afectar a sus características de resistencia, podría medir las cargas y las presiones a las que está sometido por el paso de vehículos, de manera continua y sin instrumentación externa.

El proyecto nAUTO

Los estudiantes de doctorado Xavier Carod y Eduard Aymerich trabajan en el Centro de Investigación de Nanoingeniería (CrnE) y en la Cátedra Seat en el proyecto nanoAUTO (nAUTO), que investiga las aplicaciones de nanotubos de carbono en la automoción. El proyecto está financiado opr ACC1Ó y está liderado por el Centro Técnico de Seat. Mediante la dispersión de nanotubos de carbono en una matriz polimérica, obtienen ‘composites’ con propiedades de conducción eléctrica y buena transmisión de la conductividad térmica. “Estudiamos concretamente una aplicación para calentar piezas del automóvil cuando se quiere generar calor en el interior del vehículo, utilizando la corriente eléctrica que genera el mismo coche cuando está en marcha. Según lo que ya hemos visto, que con ciertas familias de polímeros funciona muy bien, se puede lograr un material compuesto de nanotubos con las propiedades que nos interesan”, explica Xavier Carod.

Conductor de la electricitat

Este equipo ha obtenido un compuesto polimérico que contiene nanotubos de carbono en dispersión. Se trata de un material conductor de la electricidad que tiene un comportamiento perfectamente ómhico, es decir, que establece una relación lineal o proporcional entre la corriente eléctrica y el voltaje, y presenta efecto Joule. Este efecto es un fenómeno según el cual, si en un material circula corriente eléctrica, parte de la energía se transforma en calor. “Nuestra intención —añade Aymerich— es sustituir las tecnologías que se utilizan actualmente para producir calor en el vehículo, a base de metales conductores, por piezas poliméricas que contengan nanotubos. Hemos demostrado la viabilidad técnica de esta aplicación, que el material es estable, que no se degrada y que es capaz de alcanzar temperaturas de 80 °C”. Pese a que todavía les queda mucho trabajo por delante, las primeras pruebas dan indicios de que la aplicación de nuevo material puede ser innovadora, ya que han logrado disminuir el consumo energético del vehículo respecto a los que tienen las tecnologías comerciales actuales para generar calor.