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A través del espejo: nanotubos de carbono

Karina Maldonado Portillo
17/sep/2013

Desde que los nanotubos de carbono –hojas enrolladas de grafeno- se descubrieron en 1991, se han estudiado algunas de sus potenciales aplicaciones, en especial las relacionadas con la microelectrónica.

Los investigadores saben que las propiedades electrónicas y magnéticas dependen de aspectos específicos de los nanotubos como lo son la longitud del nanotubo, el radio y la quiralidad. Ésta última muy relacionada con el trabajo que Cecilia Noguez presentó en el seminario Manuel Sandoval Vallarta del 17 de mayo “Configuración absoluta de nanotubos de carbono semiconductores”.

La hoja de grafeno está constituida por estructuras hexagonales. Se pueden construir nanotubos al doblar la hoja de grafeno siguiendo los ejes horizontal o vertical, pero también se pueden enrollar en otras direcciones, en las cuales los átomos se van torciendo respecto al eje del tubo.


Hoja de grafeno. Fuente: http://photon.t.u-tokyo.ac.jp/~maruyama/agallery/agallery.html.

Dependiendo de eso, los nanotubos pueden clasificarse en diferentes tipos: zigzag, armchair (descansabrazo) o quiral.


Los tres tipos de nanotubos de carbono. Fuente: Saito et al., APL 60, 2204.

La quiralidad es una propiedad que caracteriza a una figura geométrica que coloca su imagen en espejo y ésta no puede ser superpuesta con ella misma. En el laboratorio, los investigadores han logrado crear nanotubos quirales al tomar, por ejemplo, un número n de estos hexágonos en una dirección (A1), y posteriormente el otro número m de estructuras necesarias para formar el nanotubo en otra dirección (A2).


Cómo se forma un nanotubo quiral. Fuente: Universidad Nacional Mayor de San Marcos.

De esta manera se establece el vector con el cual se definirá la dirección en la cual se enrolla la hoja hexagonal de grafeno. Esto define el diámetro, la dirección de la quiralidad del nanotubo.

Se puede formar el tubo derecho (n,m) y el izquierdo (m,n) pero dado que uno es el espejo del otro y energéticamente no hay nada que los distinga, no es posible identificar cuál es cuál.

Se puede, sin embargo, empezar por separar los enantiómeros –así se le denomina a la pareja de compuestos en el que uno es la imagen del otro y no son superponibles– que se logra al encapsular o envolver el nanotubo con ciertas moléculas quirales, para esto se usan surfactantes -sustancias que actúan ejerciendo efecto a través de la tensión superficial- como pueden ser el ADN y ciertas moléculas que tengan cierta afinidad.

Los investigadores consideran que estas moléculas sólo se adhieren a un solo tipo de nanotubo, izquierdo o derecho. A partir de ahí comienzan un proceso de gradiente de densidad, de manera que los van separando por sus pesos y también por sus diámetros. Aunque se pueden separar los nanotubos espejo, cuando los investigadores lo hacen no pueden identificar si se separaron el derecho o el izquierdo.

¿Cómo saberlo? Cecilia Noguez afirma que “la única forma de saber si uno tiene un nanotubo izquierdo o derecho es con la teoría, no hay de otra. No hay forma de saberlo a priori, porque se necesita de un marco de referencia que resulta ser, precisamente, la teoría”.

Así que ella y Ariadna Sánchez del Castillo, quien trabajó con ella como tesista y hoy es investigadora de la Universidad Autónoma de Hidalgo, utilizaron la técnica denominada espectroscopía de dicroísmo circular para poder medir justamente la quiralidad de manera teórica.

Este método consiste en ubicar las posiciones atómicas de las moléculas de los nanotubos que dependen, a su vez, del radio y de la helicidad –ángulo quiral– de los nanotubos. Las posiciones atómicas se encontraron a través del código SIESTA. El dicroísmo circular se determina a partir de calcular el producto de los dipolos eléctricos y magnéticos de los nanotubos, lo que se conoce como actividad óptica.

La especialista en nanotecnología explica que los espectros obtenidos a partir del dicroísmo circular se pueden utilizar para asignar la “configuración absoluta” de las diferentes nanoestructuras registrando la actividad óptica de los experimentos. De esta manera, la “posición de los picos en las gráficas dependerá del número de hexagonos y cómo se tuercen a lo largo del eje del nanotubo, mientras que el signo del pico nos dirá si es izquierdo o derecho”.

Cecilia Noguez explica que “estos resultados son relevantes en el desarrollo de tecnologías emergentes en nanotecnologías, ya que permitirán entender la funcionalización de nanotubos con biomoléculas, switches ópticos, reconocimiento molecular, auto ensamblaje, catálisis asimétrica, separación de enantiómeros en la industria farmacéutica, entre otras muchas aplicaciones”.