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Física

Carbono en gotas

Una teoría sostiene que los nanotubos se producen mediante un proceso parecido al de la formación del rocío

Los nanotubos de carbono, cilindros formados por una capa enrollada de grafito, con apenas un átomo de espesor, pueden llegar a ser la materia prima para la creación de una nueva generación de componentes electrónicos más eficientes. Aparentemente, son más versátiles que ninguna otra estructura física, y pueden actuar como conductores, semiconductores o aislantes eléctricos. Para modificar sus propiedades, bastaría con alterar la geometría de las láminas atómicas. Parece sencillo, pero nadie sabe cómo nacen y crecen los nanotubos, ni tampoco cómo controlar su producción. Pero en la edición del 11 de febrero de la revista estadounidense Science, un equipo de investigadores de Estados Unidos, Francia y Brasil formuló una teoría destinada a explicar el surgimiento de tales estructuras, cuando se las crea siguiendo el método del arco eléctrico, el mismo que se empleó para producir los primeros nanotubos de carbono, en 1991. La teoría líquida -y correcta, según ellos creen. En vez de elaborarlos partiendo del carbono gaseoso, tal como hasta ahora se pensaba, los nanocilindros de grafito −estructuras sólidas, pese a sus dimensiones infinitesimales− son hijos de gotas de carbono generadas a temperaturas de algunos miles de grados Celsius. Al menos eso es lo que plantean los autores del artículo científico.

La idea es controvertida, y los propios investigadores lo admiten. “No existen pruebas de que el carbono exista en su fase líquida, pero nosotros creemos que sí”, explica el físico Daniel Ugarte, del Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón (LNLS) y de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp), uno de los autores del trabajo (su colega Jefferson Bettini, del LNLS, también participó en el estudio). Como la temperatura de fusión del elemento químico más abundante en la Tierra es superior a 4.000°C, algunos científicos creen que el carbono se evapora antes de fundirse. De sólido se convierte en gas sin pasar por la fase líquida, mediante un fenómeno denominado sublimación, que sucede a temperatura ambiente con la naftalina colocada en un armario, por ejemplo. Pero, ¿entonces los investigadores formularon una teoría para explicar el origen de los nanotubos con base en una forma de carbono cuya existencia aún no ha sido del todo aceptada en el seno de la comunidad científica? Pues sí. Y además, publicaron el texto que platea esa extraña tesis en una de las más importantes revistas científicas. “Hace dos años elaboramos una primera versión del artículo, pero no nos gustó. Por eso la descartamos y redactamos otra”, dice Ugarte. Pese a ser cuestionable, la nueva explicación para la formación de los nanotubos se granjeó beneplácitos.

La teoría se aplica únicamente a las fibras de moléculas de carbono producidas mediante el antiguo método del arco eléctrico, actualmente poco utilizado por los grupos de investigación, que prefieren recurrir a técnicas de menor costo para generar su material de estudio. Mediante este método, los nanotubos surgen misteriosamente, luego de la aplicación de una alta descarga eléctrica en electrodos de grafito, la forma de carbono presente en las minas de los lápices, mantenidos en una atmósfera de helio, un gas inerte. Las hipótesis más difundidas atribuyen el surgimiento de los nanotubos al reordenamiento sólido en forma de cilindros de átomos de carbono que se evaporaron al alcanzar temperaturas del orden los 5.000°C. Pero, al analizar en detalle los nanotubos generados en sus experimentos, el equipo de investigadores estadounidense, franceses y brasileños vio algo que nadie había notado o a lo que no se le había dado importancia: las imágenes de microscopía electrónica revelaron el surgimiento de esferas sobre algunos nanotubos. Burbujas que parecen las gotas de rocío que se forman sobre los hilos de una telaraña.

Era la pista que precisaban para formular su teoría. “Recién al ver las gotas, nos dimos cuenta de que tenían algo que ver con lo líquido”, afirma el físico Walt A. de Heer, del Instituto de Tecnología da Georgia, Estados Unidos, el principal autor del trabajo. “Entonces nos hicimos la siguiente pregunta: si las gotas fueron algún día carbono líquido, y los nanotubos a los que se conectan también son de carbono, ¿por qué el carbono líquido no disolvió el nanotubo? La respuesta a ello es que el líquido debe haber sido vidrio de carbono a una temperatura menor que la del nanotubo.”

De acuerdo con los investigadores, la secuencia de eventos que llevan al surgimiento de los nanotubos puede resumirse de esta manera. Primero se forman las gotas de carbono, producto de la licuación de este elemento cuando se lo somete a altísimas temperaturas. Luego, debido a la evaporación de los átomos, la porción más externa de cada gota se enfría muy rápido. Tal enfriamiento brusco crea sobre la superficie de la gota un revestimiento de un líquido viscoso, de vidrio de carbono. En el interior de la costra vítrea, sin embargo, aún hay carbono líquido y caliente. “El enfriamiento de la parte interna de la gota se produce por conducción de calor, en un proceso más lento que la evaporación de los átomos de la superficie”, explica Ugarte. A medida que la temperatura desciende dentro de la gota, los nanotubos se cristalizan. Por último, la gota se rompe y los nanotubos atraviesan el líquido viscoso que los revestía, restando sobre los nanocilindros porciones de esferas vítreas. El resultado final es una imagen de nanotubos con bolitas, un escenario parecido al de una tela de araña pulverizada con rocío

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