Caracterización sistemática de alto rendimiento de nanomateriales de carbono
Los nanomateriales de carbono son una familia muy amplia de los alótropos del carbono: carbono en diferentes formas físicas con propiedades físicas, químicas, térmicas, eléctricas y magnéticas variables. Entre estos materiales se encuentran los nanotubos de carbono (CNT, por sus siglas en inglés), el grafeno, los fullerenos, los puntos cuánticos de carbono y los nanodiamantes. Incluso dentro de la subclase de los CNT, existen CNT de pared simple, de pared múltiple y de pared múltiple doble simple. Las propias paredes (formadas al «enrollar» una lámina de grafeno) pueden ser en zigzag, quirales o en sillón, nombres que describen la relación de los átomos de carbono a través de múltiples anillos hexagonales. Para acelerar su aplicación es necesario comprender mejor las propiedades fisicoquímicas de los nanomateriales de carbono específicos y su relación con el rendimiento. El equipo del proyecto TACOMA, que contó con el apoyo de las Acciones Marie Skłodowska-Curie (MSCA), contribuyó sustancialmente a colmar esta brecha del conocimiento mediante el desarrollo y la aplicación «in situ» de la tecnología de espectroscopia de absorción de rayos X (XAS, por sus siglas en inglés) suave y de sensores de transición de borde (TES, por sus siglas en inglés).
Grupos funcionales de oxígeno y residuos metálicos
Los orbitales de electrones definen las ubicaciones más probables de los electrones alrededor del núcleo de un átomo. Los orbitales híbridos resultan cuando dos o más orbitales se «combinan» y los nanomateriales de carbono se caracterizan por la hibridación sp2 o sp3. Según Sami Sainio, de la Universidad de Oulu y beneficiario de una beca de investigación de las MSCA: «Las propiedades y la aplicabilidad de los nanomateriales de carbono están directamente relacionadas con su hibridación y orientación orbital, y posiblemente con otros parámetros. Junto con la hibridación y la orientación orbital, investigamos la funcionalización del oxígeno superficial y los metales». El equipo de TACOMA pretendía identificar los principales grupos funcionales que contienen oxígeno en las superficies de los nanomateriales de carbono y averiguar qué metales estaban presentes en estos materiales. Además, el objetivo del proyecto era determinar la contribución al rendimiento electroquímico observado de los materiales.
Tecnología de TES operada con XAS suave
Sainio utilizó dos tecnologías de vanguardia: la XAS y los TES. La XAS suave utiliza radiación sincrotrón en el vacío para excitar electrones y obtener información atómica específica de cada elemento sobre las estructuras químicas y electrónicas locales. Los TES son termómetros que funcionan a una temperatura cercana a cero absoluto grados Kelvin y permiten detectar fotones individuales liberados durante la desexcitación. Junto con sus colegas del Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) de los Estados Unidos, Sainio empleó la automatización industrial para prestar un mejor servicio a la comunidad de usuarios, dados los requisitos de trabajar en remoto durante la pandemia COVID-19. De este modo, se ha multiplicado por 10 el rendimiento de las líneas de luz 8-2 y 10-1 del SSRL en comparación con el funcionamiento manual, lo que ha permitido a Sainio y a otros usuarios caracterizar sistemáticamente la química superficial de una gran cantidad de materiales diferentes.
Un método científico riguroso: garantía de éxito
«Ahora sabemos que casi todos los nanomateriales de carbono están contaminados por algunas impurezas metálicas y que los trece nanomateriales de carbono diferentes estudiados muestran una funcionalización superficial del oxígeno notablemente similar. Esto sugiere que el comportamiento de los materiales es el resultado de una combinación de propiedades, y que las funcionalidades del oxígeno podrían desempeñar un papel menos importante de lo esperado», explica Sainio. Sainio subrayó la necesidad y el valor de un método científico riguroso. Gran parte de la investigación se centra en las propiedades y la funcionalización de las superficies, ya que estas constituyen la interfaz con otros materiales. El enfoque riguroso y de alto rendimiento de TACOMA ha demostrado que la funcionalización de superficies puede no ser el santo grial a la hora de diseñar nanomateriales de carbono con propiedades exóticas para sus aplicaciones. Estos estudios estratégicos permitirán a los científicos caracterizar los nanomateriales de carbono de forma normalizada, lo que servirá de base a los modelos para predecir con exactitud las propiedades de materiales aún no caracterizados. «Las personas que estén interesadas pueden ahora consultar nuestros resultados y tomar decisiones informadas sobre cuál de estos materiales, si es que hay alguno, es un candidato potencial para sus aplicaciones», concluye Sainio.
Palabras clave
TACOMA, nanomateriales de carbono, TES, XAS, CNT, funcionalización superficial del oxígeno, SSRL, sincrotrón, espectroscopia de absorción de rayos X suave, sensores de transición de borde
