nanoalambres en la plantilla puede hacerse mediante un proceso de inyección o por deposición electroquímica.
El proceso de inyección se utiliza cuando se usan materiales con bajo punto de fusión y la plantilla presenta alta resistencia mecánica (como las de alúmina), ya que el material es inyectado en estado líquido, a alta presión. Los nanoalambres metálicos de bismuto, indio, estroncio y aluminio, así como los semiconductores de selenio, telurio y estroncio de galio, entre otros, son fabricados por medio de esta técnica[1].
La deposición electroquímica, o electrodeposición, de un material en los poros se consigue a partir de cubrir una de las superficies de la membrana polimérica con una película metálica, y de usar esta como cátodo. Se han fabricado nanoalambres de cobre, oro, plata y platino por medio de esta técnica[3]. Uno de los cuidados que hay que tener con esta técnica es asegurarse de que la membrana sea químicamente estable en el electrolítico, para evitar la formación de grietas y defectos. Las técnicas de cvd y pvd también están siendo utilizadas hoy en día para fabricar nanoalambres. En ese caso, se utiliza sílica mesoporosa como plantilla[7].
Además de los nanoalambres se pueden encontrar nanovarillas. La principal diferencia se encuentra en el valor de la relación L/D. En los nanoalambres no hay límites para la longitud, así que los valores de esta relación son del orden de 1.000, mientras que para las nanovarillas los valores de longitud son más limitados, y la relación L/D es del orden 0,1-0,3.
2.3.2 Nanotubos
Los nanotubos de carbono, un tipo particular de nanotubos o nanoalambres huecos, suelen ser estructuras cónicas o cilíndricas compuestas por una o varias capas de grafeno. Estos nanotubos son materiales mucho más rígidos y resistentes que el acero y que el diamante, ya que presentan altos módulos de elasticidad y de resistencia en tensión. Su desempeño mecánico se debe al tipo de hibridación sp2 que se produce entre los átomos de carbono individuales; además, tienen una densidad de 1,33-1,4 g/cm3 (la sexta parte del acero) y una conductividad térmica de 6.000 W/m K. Esta geometría de cilindro hace que posea una simetría axial y genera un comportamiento metálico o semiconductor en el material[8].
Existen diversas técnicas de fabricación de nanotubos de carbono, tales como la descarga de arco, la ablación láser y los procesos catalíticos en fase de vapor; sin embargo, la más prometedora desde el punto de vista económico es la que se hace a partir de la cvd[9]. Los nanotubos se pueden producir de dos maneras: entrelazados o con orientación aleatoria. Muchas investigaciones centran sus esfuerzos en alinear los nanotubos de un modo preferencial[10]. Los métodos para producirlos se pueden clasificar en dos categorías: orientación durante el crecimiento o técnicas de post-síntesis.
Los nanotubos de carbono se pueden encontrar de dos maneras: de única pared y de múltiple pared. Como de única pared se entienden los conformados por una lámina de grafeno; tienen un diámetro alrededor de los 1-2 nm y una longitud que puede ir desde unas micras hasta unos pocos milímetros. Los de múltiple pared se pueden entender como un arreglo de varios cilindros concéntricos, que presentan diámetros entre 5-50 nm y longitudes de unas pocas micras. El espacio entre dos nanotubos adyacentes es de aproximadamente 3-4 Å[8].
Este tipo de nanotubos han sido objeto de diversos estudios debido al gran número de aplicaciones que presentan, ya que poseen alta dureza, son muy ligeros y tienen propiedades electrónicas que los hacen pasar de semiconductores a conductores, entre otros.
2.3.3 Nanofibras
Las nanofibras tienen diámetros del orden de 50-500 nm y una relación L/D similar a la de los nanoalambres; la diferencia con estos es que las nanofibras son flexibles y fabricadas con materiales orgánicos. Existen diferentes maneras de fabricar nanofibras, en las cuales el principal reto es alcanzar diámetros homogéneos y procesos continuos. En la figura 2.1 se exponen estos procesos[11].
Figura 2.1 En este diagrama se presentan cinco de las técnicas más usadas para producir fibras. Cuando el proceso cumple con cada uno de los requerimientos mencionados a la derecha, se usa el símbolo de aval (√); cuando no, se marca equis (x)
Considerando que las nanofibras poliméricas son susceptibles de ser modificadas superficialmente, modificando así sus propiedades fisicoquímicas y mecánicas, estas se convierten en materiales promisorios en aplicaciones médicas (ingeniería de tejidos, vestiduras para heridas, administración de medicamentos), en la fabricación de productos de higiene (servilletas, toallas y paños de limpieza absorbentes), en la industria de medios filtrantes (nanofiltración, membranas de intercambio y sistemas de absorción y adsorción) y en la elaboración de textiles inteligentes (sensores) y de recubrimientos multifuncionales.
En la actualidad, la técnica más atractiva para fabricar nanofibras es el proceso de electrohilado,5 cuyos tres componentes principales son: una fuente de alto voltaje, un tubo capilar con pipeta o aguja de diámetro pequeño, y una pantalla colectora metálica. En este proceso se emplea alto voltaje para crear un chorro cargado eléctricamente de una solución polimérica o de un polímero fundido, contenido en un capilar o una aguja. Este chorro sale de una aguja acoplada a una jeringa, y antes de alcanzar la pantalla colectora el chorro se solidifica y se convierte en una fibra, la cual es recogida sobre el colector como una red de pequeñas fibras interconectadas[12-13].
La configuración más sencilla de un proceso de electrohilado se describe en la figura 2.2, en el cual se tienen, como electrodo, la solución polimérica o el polímero fundido, y la pantalla colectora, que generalmente posee un polo a tierra. El campo eléctrico se ejerce entre el final del tubo capilar (boquilla o jeringa), que contiene el fluido adherido a la punta de la aguja, gracias a la tensión superficial, y el colector.
Figura 2.2 Configuración general de un proceso de electrohilado simple con jeringa
Cuando la intensidad del campo eléctrico se incrementa, la superficie semiesférica del fluido en la punta de la aguja se estira y forma una figura cónica, conocida como el cono de Taylor. Al incrementar el campo eléctrico aún más, se alcanza un punto crítico en el que las fuerzas electrostáticas de repulsión y atracción superan la tensión superficial, y el chorro cargado de fluido es expulsado de la punta del cono de Taylor. El chorro de solución polimérica que se expulsa experimenta una inestabilidad, por la acción del campo eléctrico creado entre la punta del capilar y la pantalla colectora. La inestabilidad hace que se forme un hilo largo y fino gracias a la elongación. En el mismo momento en que se forma el hilo de solución, el solvente se evapora dejando atrás una fibra polimérica cargada. Para el caso del electrohilado de polímeros fundidos, el chorro expulsado se solidifica cuando viaja a través del aire[14]. Así, dependiendo de las condiciones del proceso, las fibras obtenidas pueden ser hilos lisos, en forma de grumos o una combinación de ambos. Por supuesto es deseable que el polímero se presente en forma de hilos después del electrohilado.
La mayoría de las aplicaciones del electrohilado se han desarrollado a partir de polímeros disueltos en solventes debido a que las condiciones de este proceso son más simples en comparación con el uso de polímeros fundidos. La disolución del polímero y el electrohilado convencional se llevan a cabo a temperatura ambiente y a presión atmosférica[14-15]. En la figura 2.3 se muestran algunas fibras fabricadas con esta técnica.
Figura 2.3 Imágenes sem de fibras de poliimida al 15 % en peso, obtenidas por electrohilado
Fuente: Lasprilla.[18]
El hilado electrostático de polímeros fundidos se debe llevar
