Nanotubos de carbono, crece la oferta y baja el precio

¿Qué podríamos hacer con las propiedades de los materiales si pudiéramos modificarlas a nivel atómico? La respuesta a esta pregunta la puede tener la nanotecnología. Justamente, es en tiempos de crisis cuando se debe mantener la mirada en el horizonte, para identificar las tendencias de desarrollo que pueden generar una ventaja competitiva.

Dentro del rango de nanoaditivos para plásticos, los nanotubos de carbono han ganado gran relevancia en los últimos años. Las inversiones en capacidad de producción crecen exponencialmente y el precio se vuelve competitivo en algunas aplicaciones comerciales. Mientras las nanoarcillas, pioneras en el campo de nano-cargas para plásticos, están siendo utilizadas como refuerzo estructural y en aplicaciones de barrera, los nanotubos de carbono pueden incrementar la conductividad térmica y eléctrica, mejorar la resistencia estructural y la rigidez y aumentar la estabilidad térmica en los polímeros. Se ha especulado que su aplicación comercial podría ser muy superior a la de las nanoarcillas. De hecho, la compañía de información sobre nanotecnología más grande del mundo, "Cientifica", pronosticó que la tasa de crecimiento de los nanotubos de carbono rondaría el 60% anual hasta 2010, fecha en la cual el mercado de este aditivo podría ser superior a los 3.000 millones de euros.

Pasado, presente y futuro 
Los nanotubos de carbono, que tienen un diámetro mil veces menor que las fibras convencionales de carbono, fueron descubiertos en 1991 por el Dr. Sumio Iijima, de la corporación NEC. Se trata de una forma alotrópica del carbono, como lo son el grafito, el diamante, la forma no-cristalina que conocemos de carbón común y los fullerenos. Hay dos tipos de nanotubos de carbono: los multicapa, que pueden tener entre 5 y 15 capas y gozan de mayor relevancia comercial; y los de capa sencilla, que aunque tienen mejores propiedades son más difíciles de producir.

Los de capa sencilla tienen un diámetro típico entre 1 y 2 nanómetros (nm, 10-9 metros), mientras que los multicapa tienen entre 8 y 12 nm. Su longitud puede ser de 10 µm y tienen una relación de aspecto de 1000:1. En cuanto a propiedades mecánicas, pueden tener entre 10 y 50 veces la resistencia del acero y hasta cinco veces la conductividad térmica del cobre. Si se incorporan en una matriz plástica, pueden incrementar la conductividad térmica y eléctrica varios órdenes de magnitud por encima de los aditivos convencionales, como los polvos metálicos o el negro de humo.

Las mayores aplicaciones de los nanotubos multicapa se encuentran en partes que requieren conductividad eléctrica. Los polímeros comúnmente reforzados son acetal, nylon 12, PPS y fluoropolímeros. Sus aplicaciones en disipación estática los hacen altamente relevantes para bombas o líneas de conducción de combustible. También se usan en pinturas de automóviles, para hacer que el plástico y el metal tengan conductividades similares y se puedan pintar electrostáticamente al tiempo. Los nanotubos de carbono, que aumentan la conductividad, no comprometen la tenacidad del polímero, en contraste con el negro de humo, que es el aditivo comúnmente utilizado en este campo.

También en la fabricación de componentes electrónicos y en aplicaciones de cuarto limpio, donde el plástico debe disipar la estática y mantenerse limpio, los nanotubos se desempeñan mejor que el negro de humo. Además, con 1% de nanotubos de carbono se puede aumentar la conductividad al mismo nivel que con 20% de negro de humo.

Aunque se han visto incrementos de 20 a 25% en la rigidez, hasta ahora los problemas de adhesión de la interfaz hacen que el uso de nanotubos como refuerzos estructurales no sea su principal aplicación. Se estima que con suficiente adhesión la rigidez puede incrementarse hasta en 200%.

Las aplicaciones en cauchos también son interesantes. Mientras que para lograr la rigidez y durabilidad necesaria un caucho puede requerir hasta 50% de aditivos de relleno, que pueden comprometer su elasticidad, se requiere de dosificaciones de apenas 5 a 10% de nanotubos de carbono multicapa para lograr la misma rigidez y resistencia, con efecto mínimo sobre la capacidad de deformación.

Actualmente son los tubos multicapa los que tienen mayores aplicaciones. Los precios se han reducido entre 2 y 3 veces en los últimos 8 años. Algunos compuestos de nanotubos están disponibles por 50 dólares la libra. Los desarrollos actuales tratan de hacer más económica la producción, particularmente la de tubos de una sola capa. También se está trabajando en la producción de tubos de dos capas, que podrían ser más rígidos que los de capa sencilla. Entre los sectores que se beneficiarán de los nanotubos de carbono en un futuro se cuenta el de almacenamiento energético, con aplicaciones como celdas de combustible y baterías de iones de litio.

Crece la competencia 
Bayer MaterialScience construyó en Leverkusen, Alemania, la que hasta ahora es la planta más grande de producción de nanotubos de carbono. Su capacidad es de 200 ton anuales, y requirió una inversión de 22 millones de euros. El producto, denominado Baytubes, se cuenta entre los únicos de calidad consistente que pueden ser producidos a escala industrial. Entre las aplicaciones actuales se cuentan aspas de rotores para turbinas de viento y aplicaciones deportivas, donde la relación resistencia/peso debe ser maximizada.

Clariant Masterbatches y Bayer MaterialScience llegaron a un acuerdo para la producción de masterbatches y compuestos que incorporen los Baytubes. El primer campo de aplicación será el de los compuestos conductores Cesa, de Clariant, para la fabricación de piezas conductoras y empaques para aplicaciones eléctricas delicadas.

Por su parte, PolyOne está haciendo masterbatches de nanotubos de carbono funcionalizados, de Zyvex Performance Materials Technology, un reconocido proveedor internacional con sede en Ohio, Estados Unidos. Entre las aplicaciones se vislumbran empaques médicos y productos electrónicos de consumo.

Arkema ofrece los masterbatches Graphistrength, que se destacan por tener una procesabilidad mejorada a baja temperatura y serían muy seguros de usar. Están disponibles en policarbonatos y poliamidas 6, 11 y 12. La empresa se encuentra desarrollando un grado para elastómeros fluorinados, fácil de diluir y que puede ser empleado en equipos estándar de procesamiento. Arkema anunció recientemente que será distribuidor en Europa de resinas epóxicas reforzadas con nanotubos de Zyvex. La adición de los nanotubos mejorará sustancialmente las propiedades mecánicas de las resinas sin afectar el proceso de manufactura. Entre la aplicaciones de los nuevos compuestos, que se llamarán Graphistrength epoxy, la más relevante será la fabricación fibras. También podrán usarse en adhesivos o recubrimientos.

Seguridad podría ser un problema 
Pese al entusiasmo generado, un estudio revelado por la publicación "Nature Nanotechnology" sugiere que algunas formas de los nanotubos de carbonos podrían ser tan perjudiciales como el asbesto, de ser inhalados. Las fibras largas y de alta relación podrían ser causantes del cáncer mesotelioma, actualmente catalogado como incurable.

Anthony Seaton, médico y co-autor del documento, afirma que "mientras que hay razones para suponer que los nanotubos pueden usarse de forma segura, esto depende de que se tomen las medidas necesarias para que evitar que sean inhalados en los lugares donde se fabrican, así como para evitar que contaminen cuando se desechan". De acuerdo con el estudio, los nanotubos cortos o curvos no se comportarían como las fibras de asbesto, por lo que podrían ser usados en forma segura.

Hasta ahora lo único concluyentes es que es indispensable invertir en investigación antes de dar luz verde desde el punto de vista de seguridad. Andrew Maynard, consejero en jefe del proyecto de nanotecnologías emergentes y co-autor del estudio, concluye: "como sociedad, no podemos darnos el lujo de no explotar este material increíble, pero tampoco podemos darnos el lujo de hacerlo mal, como lo hicimos con el asbesto".