Nems: Filtros para el tratamiento de agua basados en membranas de CNTs
Enviado por Ariana Orozco • 3 de Diciembre de 2015 • Documentos de Investigación • 2.644 Palabras (11 Páginas) • 168 Visitas
NEMS: Filtros para el tratamiento de agua basados en membranas de CNTs.[pic 1]
Introducción
Los sistemas nanoelectromecánicos (NEMS) son dispositivos que pueden contener elementos mecánicos, electromagnéticos, ópticos, térmicos y de fluidos con al menos una dimensión del orden de nanómetros (Rivas et al. 2007).
En la actualidad existen modelos de dispositivos NEMS basados en membranas de CNTs que pueden ser utilizados como filtros para eliminar partículas suspendidas en fluidos. El tamaño nanométrico del diámetro de los CNTs permite el paso de fluidos por su interior y la retención de partículas suspendidas en el fluido. Esto abre el panorama a un conjunto de nuevas aplicaciones tales como obtener agua potable a partir de agua salada, separar una hebra específica de DNA de una muestra biológica, celdas electroquímicas, biosensores y laboratorios en un chip.
Palabras clave: CNTs (Nanotubos de carbono), NEMS (sistemas nanoelectromecánicos).
Objetivos
Conocer el funcionamiento de diferentes modelos de filtros basados en CNTs, así como sus aplicaciones y los desafíos que enfrentan.
Antecedentes
Los NEMS forman parte de la nanotecnología, cuyo inicio, en su aspecto teórico, fue establecido en 1959 por el premio Nobel de física Richard Feynman en su magistral conferencia “There’s plenty of room at the bottom” impartida en el Instituto Tecnológico de California (Feynman, 1992).
Posteriormente fue fabricado el primer dispositivo MEMS por Nathanson et al. (1967) en 1964 el cual, consistió en un transistor de compuerta resonante accionado electrostáticamente.
Después, en 1970 se inventó el microprocesador que contribuyó en las técnicas de litografía, las cuales, representaron un alto impacto sobre los métodos de fabricación de MEMS (Pelesko y Berstein, 2002).
En 1982 fue desarrollado el microscopio de efecto túnel, seguido del el desarrollo del microscopio de fuerza atómica en 1986, el cual contribuyó al firme establecimiento del campo de los MEMS a mediados de la década de 1980.
Más adelante la nanotecnología empezó a abrirse camino gracias a Sumio Iijima (1991) quien descubrió los nanotubos de carbono (CNTs), los cuales son un subconjunto de la familia de las estructuras de fulereno y presentan una alta razón de aspecto (longitud/diámetro) e interesantes propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas que le permiten ser materiales idóneos para los NEMS (Pugno, 2005).
En 1994, Cleland y Roukes desarrollaron el primer dispositivo resonante NEMS, el cual consistió en una viga de silicio doblemente empotrada.
Para hacer frente a la innegable necesidad de agua pura, se han propuesto diversas tecnologías de tratamiento de agua. Estas tecnologías son comúnmente primarias (cribado, filtración, centrifugación, separación, sedimentación, coagulación y floculación); secundarias (tratamientos aerobios y anaerobios) y terciarias (destilación, cristalización, evaporación, extracción con disolvente, oxidación, precipitación, intercambio iónico, ósmosis inversa (RO), nanofiltración (NF), ultrafiltración (UF), microfiltración (MF), la adsorción, la electrólisis y la electrodiálisis inversa) (V.K. Gupta et al, 2012)
Sin embargo, la mayoría de estas tecnologías no son capaces de fijar los contaminantes del agua de una manera eficaz, además de no ser viables a escala comercial.
Las técnicas de adsorción son fáciles y simples, pero no puede desalinizar el agua salada (H.Y. Yang et al, 2013).
Las tecnologías de membrana han adquirido mucha atención debido a sus características.
La ingeniería de membranas basadas en nanotubos de carbono (CNTs) ha sido investigada en los últimos 10 años como un medio para superar la contaminación y la escasez mundial del agua (B. Corry, 2008; L. Sun y RM Crooks, 2000; Z. Wang et al, 2007
NEMS
Los sistemas nanoelectromecánicos (NEMS) son dispositivos que pueden contener elementos mecánicos, electromagnéticos, ópticos, térmicos y de fluidos con al menos una dimensión del orden de nanómetros (Rivas et al. 2007).
Los NEMS presentan características interesantes que difieren de su antecesor, los sistemas microelectromecánicos (MEMS) debido a sus propiedades únicas y útiles que pueden ser usadas para una gran variedad de aplicaciones en diferentes áreas, tales como la medicina, electrónica, mecánica, óptica, química, materiales y biotecnología.
Nanotubos
Un nanotubo es una estructura similar a un tubo a escala nanométrica. Los nanotubos mejor conocidos (y más utilizados) son los nanotubos de carbono, pero otros materiales también se utilizan como nanotubos. Estos a menudo están compuestos de óxidos metálicos, pero su morfología es siempre muy similar a los nanotubos de carbono.
Una característica particular de los nanotubos es su resistencia mecánica. Los nanotubos son de los materiales más fuertes conocidos, aunque los límites de su fuerza aún no se han alcanzado experimentalmente (Y.X. Jia et al, 2010).
Como se ha indicado, el material más estudiado como nanotubos hasta ahora es carbono (R.E. Kesting, 1990).
Nanotubos de Carbono
Los nanotubos de carbono pertenecen a la familia de los fullerenos, y se clasifican en nanotubos de una sola pared y nanotubos de pared múltiple (A. G. Nasibulin et al., 2007).
Nanotubos de carbono de paredes individual (SWCNT)
Son hojas de un átomo de espesor de grafito, que se asemejan al alambre de corral (A. K. Geim and P. Kim, 2008) y enrollados en una forma tubular. Las paredes están formadas por láminas de grafeno de un átomo de espesor.
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Figura 1: Estructura de un nanotubo de carbono de pared simple (SWCNT).
Nanotubos de carbono de pared múltiple (MWCNT).
Consisten en múltiples capas concéntricas de este material en forma tubular. El diámetro de un tubo de carbono puede ser de varios nanómetros, pero su longitud es mucho mayor.
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Figura 2: Estructura de un nanotubo de carbono de pared múltiple (MWCNT)
Una característica interesante de los nanotubos de carbono es la conductividad eléctrica. Se cree que el diámetro y el helicidad de los átomos de carbono en la capa del nanotubo determinan si el nanotubo es metálico o un semiconductor (T. W. Ebbesen et al, 1996.), que se puede utilizar en, por ejemplo, el desarrollo de sensores específicos (N. Sinha et al, 2006), para la detección de monóxido de carbono (O. K. Varghese et al. 2001) u otros productos químicos (O. K. Varghese et al 2003), y en este caso, el tratamiento de agua. Esto es debido a un cambio en la conductividad eléctrica cuando otras moléculas están asociadas a los nanotubos.
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