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Física

Bienvenidas las impurezas

Simulaciones en computadora explican cómo detectan los nanotubos gases tóxicos en bajísimas concentraciones

Conexiones volátiles: moléculas de amoníaco (las esferas de color azul y blanco) interactúan con átomos de nitrógeno (las esferas azules) de la pared de los nanotubos y alteran la transmisión de electricidad

Alexandre Rocha/ UFABC Conexiones volátiles: moléculas de amoníaco (las esferas de color azul y blanco) interactúan con átomos de nitrógeno (las esferas azules) de la pared de los nanotubos y alteran la transmisión de electricidadAlexandre Rocha/ UFABC

Algunos años atrás, el equipo de los investigadores mexicanos Maurício y Humberto Terrones demostró que películas revestidas con nanotubos de carbono, cilindros microscópicos formados por miles de átomos de carbono ordenados en hexágonos, pueden funcionar como detectores de gases tóxicos. En menos de medio segundo, dichas películas acusaron la presencia en el aire de concentraciones muy bajas de vapor de amoníaco, óxido nítrico o etanol, gases irritantes que pueden causar daños a los pulmones y, en casos extremos, pueden matar. En los experimentos, el grupo de México constató también que los sensores más eficientes no eran aquéllos con nanotubos formados exclusivamente por carbono. Los más sensibles, capaces de detectar unas pocas moléculas de gas tóxico entre miles de millones de otras moléculas, contenían nanotubos con átomos del elemento químico nitrógeno en su composición — cuando los nanotubos tienen otros elementos además del carbono, los físicos dicen que contienen impurezas.

En el artículo en el cual describieron los resultados en 2004 en Chemical Physics Letters, los Terrones explicaron el buen funcionamiento de los sensores con impurezas por la interacción de moléculas de gases tóxicos con los átomos de nitrógeno en la pared de los nanotubos. Analizando esos resultados, físicos de la Universidad de São Paulo (USP) y de la Universidad Federal del ABC (UFABC) demostraron en dos artículos recientes que los mexicanos estaban tan sólo parcialmente en lo cierto. Las moléculas de amoníaco, óxido nítrico y etanol efectivamente se conectan con los átomos de nitrógeno del nanotubo, pero aparentemente, no como los Terrones habían sugerido.

A partir de simulaciones de computadora, Mariana Rossi Carvalho, Antonio José Roque da Silva y Adalberto Fazzio observaron que las impurezas formadas por cuatro átomos de nitrógeno que ocupan posiciones en torno al espacio dejado por dos átomos de carbono son más estables que aquél en que tres átomos de nitrógeno se disponen alrededor del vacío dejado por un carbono. A diferencia de los brasileños, los mexicanos creían que las moléculas de amoníaco se unían a las impurezas compuestas por tres nitrógenos. En su tesina de maestría, Mariana notó que, además de ser más estables, la remoción de dos carbonos y la sustitución de otros cuatro por cuatro nitrógenos también consumen menos energía, razón por la cual ocurrirían en mayor cuantidad en los nanotubos.

Sin embrago, era necesario verificar si las sustituciones de átomos previstas en el modelo teórico explicarían las consecuencias observadas en la práctica — la sustitución de los carbonos por los nitrógenos altera el transporte de cargas eléctricas por los nanotubos. Con Fazzio y Da Silva, el físico Alexandre Rocha desarrolló un programa de computadora capaz de representar situaciones próximas a las de la realidad, cuando miles de impurezas se distribuyen aleatoriamente a lo largo de nanotubos formados por hasta 100 mil átomos de carbono. “Es la primera vez que se trata con cálculos rigurosos el transporte de carga en nanotubos formados por un número tan grande de átomos, de hasta 1.000 nanómetros de extensión [un nanómetro corresponde a una millonésima parte de un milímetro y es alrededor de 100 mil veces menos que el espesor de pelo]”, afirma Fazzio, profesor de la USP y rector de la UFABC.

Rocha simuló la interacción de moléculas de amoníaco — compuestas por un átomo de nitrógeno y tres de hidrógeno (NH3) — con dos tipos de impurezas en los nanotubos: aquél en que tres nitrógenos sustituyen a un carbono y la impureza en que cuatro nitrógenos ocupan el espacio dejado por dos carbonos. Constató que, tanto en el primer caso como en el segundo, la molécula de amoníaco se rompe de la misma manera: un átomo de hidrógeno se conecta a dos nitrógenos de la impureza, mientras que el nitrógeno y los otros dos hidrógenos restantes del amoníaco se unen a un tercer nitrógeno.

La diferencia radica en la energía consumida por esas interacciones. Es necesario tener diez veces más energía para que la molécula de amoníaco se rompa y sus subproductos se unan a la impureza formada por tres nitrógenos y no a la de cuatro, según un artículo publicado en Physical Review Letters del 2 de mayo de este año. Este resultado indica que es mucho más probable que el amoníaco se una a las impurezas formadas por cuatro átomos de nitrógeno. Como en ese caso la energía de ligazón es más baja, se hace más fácil reutilizar el sensor de gas formado por los nanotubos. “Es posible remover el amoníaco del nanotubo con un chorro de aire o con el aumento de la temperatura”, comenta Rocha.

Faltaba analizar qué sucedía después que el amoníaco se uniera a los dos tipos de impurezas de los nanotubos. Al rodar el programa centenas de veces con niveles diferentes de ese gas, los físicos observaron que cargas eléctricas fluían más fácilmente a través de los nanotubos a medida que las moléculas de amoníaco se unían a los defectos de tres nitrógenos. En el caso de los defectos formados por cuatro nitrógenos, sucedió lo contrario: cuanto más moléculas de amoníaco se adherían al nanotubo, mayor era la resistencia al transporte de carga, un efecto similar al registrado por los mexicanos en los experimentos con los gases tóxicos. Era la prueba de que la estructura planteada por los brasileños explicaba los resultados experimentales de los hermanos Terrones. “Ese resultado es importante para la fabricación de nanosensores de gas, porque indica que es viable producir aparatos sumamente sensibles”, comenta da Silva. “Observamos cambios significativos en la capacidad de transmitir cargas eléctricas incluso en bajas concentraciones de amoníaco.”

El Proyecto
Simulación y modelado de nanoestructuras y materiales complejos; Modalidad Proyecto temático; Coordinador Adalberto Fazzio — IF-USP; Inversión R$ 692.178,08 (FAPESP)

Artículos científicos
VILLALPANDO-PÁEZ, F. et al. Fabrication of vapor and gas sensor using films of aligned CNx nanotubs. Chemical Physics Letters. v. 386, p. 137-142.  6 fev. 2004.
ROCHA, A.R. et al. Designing real  nanotube-based gas sensors. Physical Review Letters. v. 100. 2 may. 2008.

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