miniaturadeimagen|Disposición atómica de los átomos de carbono en el Buckminsterfullereno Los nanotubos de carbono (CNT por sus siglas en inglés) son cilindros de una o varias capas de grafeno (red). Los diámetros de los nanotubos de carbono de pared simple (SWNT) y los nanotubos de carbono de pared múltiple (MWNT) suelen ser de 0,8 a 2 nm y de 5 a 20 nm, respectivamente, aunque los diámetros de los MWNT pueden superar los 100 nm. Las longitudes de los CNT oscilan entre menos de 100 nm y 0,5 m
Las paredes individuales de los CNT pueden ser metálicas o semiconductoras en función de la orientación de la red con respecto al eje del tubo, lo que se denomina quiralidad. La sección transversal de los MWNT ofrece un módulo elástico cercano a 1 TPa y una resistencia a la tracción de 100 GPa, más de 10 veces superior a la de cualquier fibra industrial. Los MWNT suelen ser metálicos y pueden transportar corrientes de hasta 109 A cm-2. Los SWNT pueden presentar una conductividad térmica de 3500 W m-1 K-1, superior a la del diamante.
En 2013, la producción de nanotubos de carbono superaba varios miles de toneladas anuales y se utilizaba en aplicaciones de almacenamiento de energía, modelado de dispositivos, piezas de automóviles, cascos de barcos, artículos deportivos, filtros de agua, electrónica de película fina, revestimientos, actuadores y escudos electromagnéticos. Las publicaciones relacionadas con los CNT se triplicaron con creces en la década anterior, mientras que los índices de emisión de patentes también aumentaron. La mayor parte de la producción era de arquitectura no organizada. Las arquitecturas organizadas de CNT, como "bosques", hilos y láminas regulares, se produjeron en volúmenes mucho menores. Los CNT se han propuesto incluso como correa de sujeción para un supuesto ascensor espacial. miniaturadeimagen| Matrices/arquitecturas 3D de nanotubos de carbono Recientemente, varios estudios han puesto de relieve la posibilidad de utilizar nanotubos de carbono como bloques de construcción para fabricar dispositivos tridimensionales macroscópicos (>1 mm en las tres dimensiones) totalmente de carbono. Lalwani et al. han descrito un novedoso método de reticulación térmica iniciado por radicales para fabricar matrices macroscópicas, autónomas, porosas y totalmente de carbono utilizando nanotubos de carbono de pared simple y múltiple como bloques de construcción. Estos andamiajes poseen poros macro, micro y nanoestructurados y su porosidad puede adaptarse a aplicaciones específicas. Estas matrices/arquitecturas 3D totalmente de carbono pueden utilizarse para la fabricación de la próxima generación de dispositivos e implantes biomédicos, de almacenamiento de energía, supercondensadores, transistores de emisión de campo, catálisis de alto rendimiento y fotovoltaicos.
Investigación biológica y biomédica Investigadores de la Universidad Rice y de la Universidad Estatal de Nueva York - Stony Brook han demostrado que la adición de un bajo % en peso de nanotubos de carbono puede dar lugar a mejoras significativas en las propiedades mecánicas de nanocompuestos poliméricos biodegradables para aplicaciones en ingeniería de tejidos, incluidos hueso, cartílago, músculo y tejido nervioso. La dispersión de un bajo % en peso de grafeno (~0,02 % en peso) produce aumentos significativos de las propiedades mecánicas de compresión y flexión de los nanocompuestos poliméricos. Investigadores de la Universidad Rice, la Universidad Stony Brook, el Centro Médico de la Universidad Radboud de Nimega y la Universidad de California en Riverside han demostrado que los nanotubos de carbono y sus nanocompuestos poliméricos son materiales de andamiaje adecuados para la ingeniería de tejido óseo y la formación ósea.
Los nanotubos de carbono exhiben compatibilidad dimensional y química con biomoléculas, como el ADN y las proteínas. Los CNT permiten la obtención de imágenes fluorescentes y fotoacústicas, así como el calentamiento localizado mediante radiación infrarroja cercana. Los biosensores SWNT presentan grandes cambios en la impedancia eléctrica y las propiedades ópticas, que suelen modularse mediante la adsorción de una diana en la superficie del CNT. Los bajos límites de detección y la alta selectividad exigen la ingeniería de la superficie de CNT y los efectos de campo, la capacitancia, los cambios espectrales Raman y la fotoluminiscencia para el diseño del sensor. Entre los productos que se están desarrollando figuran tiras reactivas impresas para la detección de estrógenos y progesterona, microarrays para la detección de ADN y proteínas y sensores de NO2
y troponina cardíaca. Otros sensores de CNT similares se utilizan en la industria alimentaria y en aplicaciones militares y medioambientales.
Los CNT pueden ser internalizados por las células, primero mediante la unión de sus puntas a receptores de la membrana celular. Esto permite la transfección de cargas moleculares adheridas a las paredes de los CNT o encapsuladas por ellos. Por ejemplo, el fármaco contra el cáncer doxorrubicina se cargó hasta en un 60% en peso en los CNT, frente a un máximo del 8 al 10% en peso en los liposomas. La liberación de la carga puede desencadenarse mediante radiación cercana al infrarrojo. Sin embargo, es fundamental limitar la retención de los CNT en el organismo para evitar acumulaciones indeseables.
La toxicidad de los CNT sigue siendo una preocupación, aunque la biocompatibilidad de los CNT puede ser manipulable. El grado de inflamación pulmonar causado por la inyección de SWNT bien dispersos fue insignificante en comparación con el asbesto y las partículas en el aire. La aceptación médica de los CNT requiere la comprensión de la respuesta inmunitaria y los estándares de exposición apropiados para inhalación, inyección, ingestión y contacto con la piel. Los bosques de CNT inmovilizados en un polímero no mostraron una respuesta inflamatoria elevada en ratas en relación con los controles. Los CNT se están estudiando como electrodos de interfaz neural de baja impedancia y para el recubrimiento de catéteres con el fin de reducir la trombosis.
También se están desarrollando fuentes de rayos X con CNT para imágenes médicas. Basándose en las propiedades únicas de los CNT, los investigadores han desarrollado cátodos de emisión de campo que permiten un control preciso de los rayos X y la colocación cercana de múltiples fuentes. Las fuentes de rayos X basadas en CNT han demostrado su eficacia en aplicaciones preclínicas de obtención de imágenes de pequeños animales y se encuentran actualmente en fase de ensayo clínico.
En noviembre de 2012, investigadores del Instituto Nacional Estadounidense de Estándares y Tecnología (NIST) demostraron que los nanotubos de carbono de pared simple pueden ayudar a proteger las moléculas de ADN del daño por oxidación.
Un método muy eficaz para introducir nanotubos de carbono en las células es Cell squeezing, una plataforma microfluídica sin vectores de alto rendimiento para la introducción intracelular desarrollada en el Instituto Tecnológico de Massachusetts en los laboratorios de Robert S. Langer .
Además, se han cultivado nanotubos de carbono en el interior de canales microfluídicos para análisis químicos basados en la electrocromatografía. En este caso, la elevada relación superficie-volumen y la alta hidrofobicidad de los CNT se utilizan para reducir en gran medida el tiempo de análisis de pequeñas moléculas neutras que suelen requerir equipos voluminosos para su análisis.
Materiales compuestos Debido a las propiedades mecánicas superiores de los nanotubos de carbono, se han propuesto muchas estructuras que van desde artículos cotidianos como ropa y equipamiento deportivo hasta chaquetas de combate y ascensores espaciales. Sin embargo, el ascensor espacial requerirá más esfuerzos para perfeccionar la tecnología de nanotubos de carbono, ya que la resistencia práctica a la tracción de los nanotubos de carbono debe mejorar mucho.
En perspectiva, ya se han logrado avances sobresalientes. El trabajo pionero dirigido por Ray H. Baughman en el Instituto de Nanotecnología ha demostrado que los nanotubos de paredes simples y múltiples pueden producir materiales con una dureza sin igual en los mundos natural y artificial. miniaturadeimagen| Nanotubos de carbono que se hilan para formar un hilo, CSIRO Los nanotubos de carbono también son un material prometedor como bloques de construcción en materiales compuestos jerárquicos dadas sus excepcionales propiedades mecánicas (~1 TPa en módulo y ~100 GPa en resistencia). Los intentos iniciales de incorporar los CNT en estructuras jerárquicas (como hilos, fibras o películas) han llevado a propiedades mecánicas significativamente más bajas que estos límites potenciales. La integración jerárquica de nanotubos de carbono de pared múltiple y óxidos de metal/metal dentro de una única nanoestructura puede aprovechar la potencialidad de los compuestos de nanotubos de carbono para la descomposición del agua y la electrocatálisis. Windle et al. han utilizado un método de hilado de deposición química de vapor (CVD) in situ para producir hilos de CNT continuos a partir de aerogeles de CNT cultivados mediante CVD. Los hilos de CNT también se pueden fabricar extrayendo paquetes de CNT de un bosque de CNT y retorciéndolos posteriormente para formar la fibra (método de estirar y torcer, vea la imagen a la derecha). El grupo Windle ha fabricado hilos CNT con resistencias de hasta ~9 GPa en longitudes de calibre pequeñas de ~1 mm, sin embargo, se informaron resistencias de solo aproximadamente ~ 1 GPa en la longitud de referencia más larga de 20 milímetros La razón por la cual las resistencias de las fibras han sido bajas en comparación con la resistencia de los CNT individuales se debe a que no se transfirió la carga de manera efectiva a los CNT constituyentes (discontinuos) dentro de la fibra. Una posible vía para paliar este problema es la reticulación covalente entre haces y entre CNT inducida por irradiación (o deposición) para "unir" eficazmente los CNT, con niveles de dosificación más elevados que den lugar a la posibilidad de obtener fibras compuestas de carbono amorfo/nanotubos de carbono. Espinosa et al. desarrollaron hilos compuestos de DWNT-polímero de alto rendimiento retorciendo y estirando cintas de haces de DWNT orientados aleatoriamente y recubiertos con compuestos orgánicos poliméricos. Estos hilos de DWNT-polímero mostraron una energía de rotura inusualmente alta, de ~100 J-g-1 (comparable a la de uno de los materiales naturales más resistentes, la seda de araña), y una resistencia de hasta ~1,4 GPa. Se están realizando esfuerzos para producir compuestos de CNT que incorporen materiales de matriz más resistentes, como el Kevlar, para mejorar aún más las propiedades mecánicas respecto a las de los CNT individuales.
Debido a la gran resistencia mecánica de los nanotubos de carbono, se está investigando cómo tejerlos en la ropa para crear prendas a prueba de puñaladas y balas. Los nanotubos impedirían eficazmente que la bala penetrara en el cuerpo, aunque la energía cinética de la bala probablemente causaría fracturas óseas y hemorragias internas.