Un grupo internacional de investigadores han logrado desarrollar un atlas de color con 466 variedades únicas de nanotubos de carbono que podrían utilizarse para el desarrollo de nuevos dispositivos optoelectónicos así como nuevos tipos de tintes respetuosos con el medioambiente.
“El carbono, que vemos como negro, puede ser trasparente o tomar cualquier color del arco iris, dependiendo de como los nanotubos de carbono absorban la luz. Así por ejemplo, la hoja tiene una apariencia negra si la luz es completamente absorbida por los nanotubos de carbono. Si menos de la mitad de la luz es absorbida en los nanotubos, la hoja se ve transparente. Finalmente, cuando la estructura atómica de los nanotubos hace que solo se absorban ciertos colores de luz, las longitudes de onda que no han sido absorbidas se reflejan como colores visibles”, explica el físico de la Universidad de Aalto en Finlandia, Esko Kauppinen, el cual dirigió la investigación.
Los materiales de carbono generalmente aparecen incolores o negros. Por ejemplo, un diamente estructuralmente perfecto es totalmente transparente y no muestra color, mientras que el grafito, el grafeno, o los nanotubos de carbono suelen ser negros. Incluso los nanotubos de carbono multipared son reconocidos como un material super negro, que se puede utilizar en sistemas ópticas y aplicaciones espaciales. Sin embargo, estudios posteriores han demostrado que cuando los nanotubos de carbono de una sola pared se ordenan por diámetro o estructura atómica, exhiben sorprendentemente varios colores distintos en suspensión. Sin embargo, a pesar de numerosos estudios sobre el tema, el mecanismo de coloración no se ha entendido completamente.
La nueva investigación establece un modelo cuantitativo y sistemático de coloración que permite entender los colores de los nanotubos de carbono, incorporando cálculos teóricos de energías de transición ópticas, un modelo semiempírico para la absorción óptica así como estándares establecidos en la ciencia del color. Gracias a este modelo de coloración, los investigadores lograron desarrollar un mapa de color de 466 especies diferentes de nanotubos de carbono, demostrando que los átomos de carbono puros dispuestos en una celosía hexagonal, similar a un panal, cuando se forman en una estructura tubular, pueden producir un espectro completo de pigmentos de colores fuertes.
Un arco iris de nanotubos de carbono
Los nanotubos de carbono son moléculas de carbono largas y huecas, similares en forma a una manguera de jardín, pero con lados de solo un átomo de espesor y diámetros 50.000 más pequeños que un cabello humano. Las paredes exteriores de los nanotubos están hechas de grafeno laminado. Y el ángulo de envoltura del grafeno puede variar, al igual que podría pasar en un rollo de papel de regalo. Si el papel de regalo se enrolla de forma cuidadosa, en ángulo cero, los extremos se alinean a cada lado sin que sobresalgan. Si el papel se enrolla descuidadamente, en un ángulo determinado, el papel sobresaldrá por un extremo del tubo.
La estructura atómica y el comportamiento electrónico de cada nanotubo de carbono está marcado por su ángulo de envoltura, o quiralidad (capacidad de ser superponible con su imagen especular) y su diámetro. Estos dos rasgos están representados en un sistema de numeración (n, m) que cataloga 466 variedades de nanotubos, cada uno con una combinación característica de quiralidad y diámetro, y donde cada tipo de nanotubo (n,m) tiene un color característico.
El nuevo estudio, realizado por el equipo de Kauppinen, examinó la relación entre el espectro de luz absorbida y el color visual de varios espesores de películas de nanotubos y desarrolló un modelo cuantitativo que puede identificar inequívocamente el mecanismo de coloración de las películas de nanotubos, así como predecir los colores específicos de las películas que combinan tubos con diferentes colores inherentes y designaciones (n, m).
Los resultados, publicados recientemente en Advanced Materials, muestran como el espesor de una película de nanotubo, así como el color de los nanotubos que contiene, afecta a la absorción de luz de la película. El atlas de 466 colores provienen de la combinación de diferentes tubos de carbono. Los tubos más delgados y coloridos afectan a la luz visible más que aquellos cuyos diámetros son más grandes y menos coloridos.
“El grupo de Esko ha realizado un excelente trabajo al explicar teóricamente los colores de forma cualitativa, lo que realmente diferencia este trabajo de estudios anteriores sobre fluorescencia y coloración de nanotubos”, explica el ingeniero y físico Junichiro Kono, quién también participó en la investigación y cuyo laboratorio resolvió el misterio de los coloridos nanotubos de sillones en 2012.
Las películas delgadas de color de los nanotubos son flexíbles y dúctiles y podrían ser útiles en estructuras electrónicas de colores y en células solares, así como para proporcionar una base para nuevos tipos de tintes respetuosos con el medioambiente. “El color de una pantalla podría modificarse con la ayuda de un sensor táctil en teléfonos móviles, o en parte superior del vidrio de una ventana, por ejemplo”, afirma Kauppinen.
Imagen de portada: https://doi.org/10.1002/adma.202006395
