TEMES

NanoCaedre II: 'Carbon nanotubes', hibridant la nanociència a través de la música

Expliquem com hem creat una peça musical per a orgue basada en els nanotubs de carboni. L'obra s'estrenarà el 10 de desembre (19 h) a la basílica dels Sants Màrtirs Just i Pastor.

El post es divideix en dues parts, a la primera part, el científic i compositor, Josep Lluís Viladot, ens explica l'obra per a orgue, Carbon nanotubes, des de la seva creació al seu significat. A la segona part, us explico què són i quines són les propietats dels nanotubs de carboni.

Organ nanotubes, de J.L. Viladot

En el llibre de ciència-ficció d’Isaac Asimov Fantastic Voyage (1966), la miniaturització permet a un grup de persones viatjar a l’interior del cos humà per operar un malalt des de l’interior, amb una nova perspectiva d’observació del cos humà molt reveladora. En aquesta peça per a orgue, Organ nanotubes, els tubs de l’orgue es miniaturitzen i esdevenen nanotubs de carboni. Així, ens narren en primera persona algunes propietats i processos dels quals són protagonistes.

La partitura, escrita especialment per a l’ocasió, s’inscriu en un dodecaedre, que és el fil conductor del projecte NanoCaedre, liderat pel nanotecnòleg i nanodivulgador Dr. Jordi Díaz, d’apropament entre la (nano)ciència i l'art. Fins on arriba el meu coneixement, es tracta de la primera partitura escrita en un prisma tridimensional. En cadascuna de les cares he intentat plasmar musicalment diferents fenòmens relacionats amb els nanotubs de carboni.

El contingut, a grans trets, de les 12 cares del dodecaedre és el següent:

  • Síntesi. Es van afegint notes fins a formar grans clústers que representen el nanotubs.
  • Reactivitat química. Alternança de clústers i acords que es van transformant, representant així reaccions químiques.
  • Flexibilitat. La flexibilitat dels nanotubs de carboni es representa pel creixement i decreixement de la intensitat del volum sonor.
  • Duresa mecànica. El nanotub representat per notes llargues rep l’impacte de glissandos violents que s’esberlen en notes fragmentades, però roman inalterat.
  • Conductivitat tèrmica. La calor es propaga pel nanotubs amb petits motius de notes blanques i negres repartides i alternades entre les dues mans.
  • Conductivitat elèctrica. Ràpids glissandos representen els ràpids viatges dels electrons en el si dels nanotubs.
  • Administració de fàrmacs. Una nota o grup petit de notes és el principi actiu que és transportat pel nanotub que actua com a vector. Des del punt de vista de l’actiu, el nanotub s’acosta, es complexa amb aquest, el transporta i després s'allunya en forma de clúster que es desplaça lentament per la freqüència del so.
  • Catàlisi. Es compara la velocitat lenta d’una reacció química no catalitzada enfront de la velocitat d’una reacció catalitzada per nanotubs. Ambdues tenen el mateix punt inicial i final però transcorren per estats intermedis de diferent energia (representats per la freqüència musical).
  • Activitat òptica. La quiralitat dels nanotubs es representa per motius que usen notes blanques i negres amb les dues mans, de forma que les notes blanques d’una mà són les negres de l’altra o a l’inrevés, de manera que no són superposables.
  • C. C és alhora el símbol químic del carboni i el símbol musical del do en el món anglosaxó. En aquesta cara s’interpreten dos a diferents altures amb alteracions ad libitum.
  • Silenci. El que no sabem (encara) dels nanotubs de carboni està representat per silencis musicals.
  • Organ nanotubes. Imatge al·legòrica d’un orgue on els tubs estan substituïts per nanotubs de carboni. Aquesta cara té una intenció estètica, i no està destinada a la interpretació musical.

L’ordre d’interpretació de les cares, la seva durada i el contingut específic depenen de la perícia i habilitat improvisatòria de l’intèrpret, ja que la partitura no conté totes les notes sinó unes indicacions generals. Fins i tot es pot interpretar més d’una cara simultàniament. Així, cada interpretació és única, irrepetible i impredictible. Per això ha estat important comptar amb un intèrpret solvent de primera magnitud, el mestre Eudald Dantí, a qui va dedicada l’obra, i amb un instrument excepcional com és l’orgue de la basílica dels Sants Màrtirs Just i Pastor. Agraeixo, també, al Dr. Armand Puig, rector de la basílica i de l’Ateneu Universitari Sant Pacià, l’empenta i facilitats que han fet possible dur a terme aquest projecte en aquest marc incomparable.

Ara ja és el torn que obriu bé les orelles i escolteu atentament el que ens expliquen el nanotubs.

L'al·lòtrop de carboni més allargat: els nanotubs de carboni (Jordi Díaz-Marcos)

Fins fa pocs anys, en parlar d'al·lòtrops de carboni ens referíem a dos materials que, encara que tenien la mateixa composició química, el carboni, presentaven propietats radicalment diferents. Es tracta del grafit, material tou i mal conductor present en les mines dels llapis, i del diamant, el material més dur conegut, present de manera habitual en joieria.

El sorprenent és que dos materials tan diferents estiguin fets d'àtoms de carboni idèntics. Per què el grafit i el diamant són diferents si els seus àtoms són iguals? Els àtoms de tots dos materials estan disposats de maneres diferents, i això és el que fa que les seves propietats siguin completament diferents. El grafit consisteix en làmines d'hexàgons d'àtoms de carboni, i en el diamant aquests es disposen en petites piràmides. En un diamant, cada àtom de carboni està unit a uns altres quatre àtoms de carboni en una xarxa tridimensional molt forta. Els àtoms de carboni són molt versàtils, ja que poden formar enllaços amb molts altres tipus d'àtoms, la qual cosa dona lloc a la formació de molts altres materials. Les molècules que componen materials que van des de la fusta a les cèl·lules del nostre cos estan compostes d'àtoms de carboni units amb altres tipus d'àtoms, donant a aquestes molècules diferents propietats.

El carboni té aquest toc genial per a fer una membrana químicament estable, bidimensional, d'un àtom de gruix en un món tridimensional. I això, crec, serà molt important en el futur de la química i de la tecnologia en general.

Richard Smalley, descobridor dels ful·lerens

Des del naixement de la nanotecnologia s'han anat afegint nous materials a la família dels al·lòtrops de carboni. El 1985 es van descobrir els ful·lerens, esferes buides d'àtoms de carboni, una espècie de gàbia en forma de pilota de futbol amb seixanta àtoms de carboni; el 1991, els nanotubs de carboni, làmines planes d'àtoms de carboni, en tubs increïblement fins i buits d'1 nm de diàmetre, i el 2004, el grafè, una làmina bidimensional d'un àtom de carboni de gruix.

Un tub de dimensions nano

El següent element dels nanomaterials al·lòtrops del carboni són els nanotubs de carboni o CNT (Carbon NanoTubes), descoberts per l'investigador japonès Sumio Iijima el 1991.

La recerca es pot realitzar en qualsevol mena d'entorn, sempre que mantinguem l'interès. Crec que la veritable educació significa fomentar la capacitat d'interessar-se per alguna cosa.

Sumio Iijima, descobridor dels nanotubs de carboni

Els CNT destaquen des del punt de vista electrònic, mecànic, òptic i químic, i ja s'estan usant en diverses aplicacions comercials, tot i que encara han de desenvolupar-se tècniques de producció i purificació a gran escala perquè resultin econòmicament viables. També és molt important treballar-hi en un estat bastant pur, per poder aplicar-los de manera efectiva i sense perdre propietats a escala industrial. Per fer-ho s'empren tècniques com l'oxidació, tractament amb àcid, recuita i filtració, entre altres.


Els nanotubs de carboni destaquen per la seva elevada relació d'aspecte, és a dir, la relació entre la seva longitud, que pot sobrepassar àmpliament les micres (una micra o micròmetre equival a la mil·lèsima part d'un mil·límetre) i el seu minúscul diàmetre, que a penes supera el nanòmetre (una milionèsima de mil·límetre). Aquesta relació pot ser d'1:1000 entre ambdues, convertint-se en elements quasi unidimensionals.

Els CNT són molècules cilíndriques d'àtoms de carboni disposades hexagonalment. Aquestes estructures cilíndriques tenen dues formes, els CNT d'una capa o paret, denominats SWNT i els de parets múltiples o MWNT.

Es descriuen com a cilindres buits formats enrotllant capes simples o múltiples de fulles de grafè en cilindres. Els SWNT estan composts d'una única capa de grafè cilíndrica enrotllada en tots dos extrems en una disposició hemisfèrica de xarxes de carboni. És a dir, una xarxa de grafè tancada formant un tub. El nanotub, en ser un cilindre simètric, quan s'enrotlla la capa de grafè per obtenir-lo només pot rodar en un nombre determinat de direccions fins que els àtoms coincideixen. Aquestes direccions segueixen una direcció determinada marcada per un terme denominat vector quiral, és a dir, el vector amb el qual es definirà la direcció en la qual s'enrotlla la fulla hexagonal de grafè i que apunta des del primer àtom cap a l'últim per tancar l'estructura, i la seva longitud és igual a la circumferència del nanotub. La direcció de l'eix del nanotub és perpendicular al vector quiral, que ve definit per un parell de nombres enters (n, m) obtinguts a partir de la disposició dels hexàgons de grafit respecte al SWNT. La quiralitat, la propietat d'un objecte de no ser superposable a la seva imatge especular (per exemple, les mans), és obtinguda a partir del seu vector quiral que defineix el diàmetre, la direcció de la quiralitat del nanotub i les seves propietats. Els SWNT amb diferents vectors quirals tenen propietats diferents, tals com l'activitat òptica, la resistència mecànica i la conductivitat elèctrica.

Els MWNT poden considerar-se com una col·lecció de SWNT concèntrics amb diferents diàmetres, i generalment tenen un diàmetre exterior de 2,5 i 100 nm, major que el dels SWNT, que va de 0,6 a 2,4 nm. La separació entre capes de SWNT és d'aproximadament 0,3 nm. Els MWNT tenen menys defectes estructurals, i són menys estables que els SWNT, i també presenten propietats diferents.

Algunes propietats dels CNT

Les propietats dels CNT inclouen excel·lents prestacions: una conductivitat tèrmica més alta que el diamant, major resistència mecànica que l'acer i una millor conductivitat elèctrica que el coure. Les seves propietats depenen del seu diàmetre, així, per a diàmetres petits, les propietats elèctriques depenen del seu vector quiral i són semiconductors o metàl·lics. L'activitat òptica del nanotub quiral desapareix si aquests es fan més grans. Respecte a les propietats mecàniques, tenen un mòdul de Young molt gran en la seva direcció axial, i en el seu conjunt són molt flexibles a causa de la seva gran longitud. Per tant, posseeixen una gran anisotropia, és a dir, les seves propietats depenen de la direcció en què es mesurin. En el dibuix següent es recullen les principals propietats físiques dels CNT.

La producció i les aplicacions comercials de CNT

Els últims anys l'activitat comercial relacionada amb els nanotubs de carboni ha crescut de manera substancial i la seva producció mundial ha augmentat considerablement. La producció de CNT està millorant, però encara s'han de resoldre els problemes derivats de la seva tendència a aglomerar-se, la qual cosa genera una disminució substancial de les seves propietats respecte a quan estan separats.

Les seves aplicacions comercials s'han anat estenent. Així, per exemple, poden usar-se com a purificadors d'aigua, gràcies a la seva mida minúscula i la seva gran àrea superficial i a les propietats d'adsorció, és a dir, per adsorbir materials en la seva superfície, convertint-se en una membrana ideal per filtrar productes químics tòxics, sals dissoltes i contaminants biològics de l'aigua. També poden utilitzar-se com a elèctrodes en bateries i condensadors per proporcionar més corrent i millor estabilitat elèctrica i mecànica respecte a altres materials. Pel que fa a resistència i propietats mecàniques, poden usar-se per millorar diferents tipus d'estructures, per exemple, en equipaments esportius, carrosseria de vehicles, etc. Els fabricants d'articles esportius els estan utilitzant en raquetes de tenis i bàdminton o en bicicletes. Les seves aplicacions van creixent dia a dia, i es poden usar de manera potencial en materials compostos avançats, electrònica, emmagatzematge d'energia, impressió, paper i empaquetat i piles de combustible.

En medicina, els CNT poden emprar-se com a portadors per a alliberament controlat de fàrmacs, millorant els sistemes d'administració d'aquests, permetent una aplicació més local i efectiva, disminuint la seva distribució i, en alguns casos, reduint els seus efectes secundaris. També poden usar-se com a lubrificants. En enginyeria genètica s'utilitzen per manipular genomes i àtoms útils per a bioimatge, proteòmica i enginyeria de teixits. La teràpia gènica, que consisteix a tractar cèl·lules danyades en el laboratori i reinserir-les o incorporar al pacient un gen reparador o corrector per solucionar-li un problema genètic, empra el que es coneix com vectors, agents que poden transportar un gen reparador o corrector fins a la cèl·lula diana, i que generalment són virus. Doncs bé, els CNT són excel·lents vectors en teràpia gènica, la qual cosa els confereix un paper destacat en aquest camp de la biomedicina. Els CNT també s'han estudiat en aplicacions per a implants artificials, millorant el rebuig respecte a una altra mena d'implants. S'està estudiant la seva utilització com a substrat per a nanorobots, motors que siguin capaços de nedar o navegar pels fluids del nostre organisme i puguin ser usats per a la cura de malalties. Finalment, també tenen aplicació potencial per tal de fer diagnòstics.

En resum, les diferents propietats estructurals dels CNT, en particular la seva elevada relació d'aspecte (proporció entre ample i alt), la seva facilitat per ser modificats biològicament o per afegir-los noves funcions, i les seves propietats mecàniques i elèctriques, els converteixen en excel·lents candidats per revolucionar en un futur pròxim diversos sectors industrials i aplicacions comercials.

NanoCaedre i els productes d'hibridació resultants

En aquest post, us mostrem el resultat del treball conjunt entre un músic (J.L. Viladot) i un científic (jo mateix). Com a resultat tenim una peça  d'orgue original i única que esperem que en podreu gaudir el pròxim 10 de desembre a la seva estrena, no us la perdeu i acompanyeu-nos (link).

Contacta amb Divulcat