El viaje de los electrones del Vatanblack comienza con la llegada de la luz. Los fotones lumínicos son la moneda de cambio que emplean estas partículas para realizar sus saltos cuánticos a través de la estructura. Los electrones parecen siempre dispuestos a emprender un nuevo viaje, un viaje con retorno pero sin fin.
En la primera parte de este post conté que Vatanblack es un ordenado bosque de nanotubos de carbono que engulle luz. Su estructura interna retiene los fotones que llegan. Una vez allí, estos fotones interaccionan con un tercer personaje, el electrón.
En este post acompañaré a los electrones en su viaje dentro del Vatanblack y daré respuesta a la pregunta que falta por responder: cómo se hace el negro más negro del mundo.
EL VIAJE DE LOS ELECTRONES
Acercas un dedo a la superficie de la columna más cercana. Una calambre te obliga a retirarla. La aproximas de nuevo, esta vez sin tocarla. En esta ocasión un hormigueo te recorre la mano. Al caminar entre las columnas percibes un leve zumbido mientras tu cabello se eriza.
Los electrones que constituyen los enlaces dobles de cualquier material son muy receptivos a los fotones de luz, siempre y cuando tengan les proporcionen la energía adecuada. Cuando se produce la interacción entre ambos, el electrón toma la energía del fotón y la emplea para realizar un viaje o salto a un estado energético excitado. Este estado excitado es en realidad una región (del átomo, molécula o estructura) definida y restringida por las Leyes de la Física Cuántica.
Pero el electrón no permanece en este estado excitado eternamente. Como en el famoso “viaje del héroe”, el electrón tiende a regresar a casa, y al hacerlo libera la energía sobrante en forma de fotón. En algunas ocasiones la vuelta al estado de partida la realiza en un solo salto. En otras realiza un periplo por varios estados energéticos antes de volver al punto de partida, emitiendo en cada transición el correspondiente fotón. Si la energía del fotón liberada es suficiente para provocar un salto energético, el electrón que se encuentre con el iniciará su propio viaje de ida y vuelta.
Este ciclo sin fin de captura y emisión de fotones es lo que se produce en el Vatanblack. Como consecuencia, los fotones quedan atrapados entre los nanotubos de carbono, excitando electrones y siendo liberados de nuevo con la misma o distinta energía con la que llegaron.
Los fotones con baja energía e incapaces de excitar electrones, serán reflejados y refractados entre los tubos como si de pelotas de ping-pong rebotando entre columnas se trataran. Algunos provocarán vibraciones de la estructura, y otros escaparán del material en forma de calor (fotones de radiación infrarroja), pero nuestros ojos no los detectarán. A nuestros ojos el material no existe.
CREANDO TUBOS
Al observar con más atención las columnas, te das cuenta de que todas son exactamente iguales y que como clones se repiten por toda la sala.
Actualmente ya hay diversos métodos que permiten sintetizar nanotubos de carbono, incluso algunos de ellos a escala industrial. Todos ellos tienen en común la necesidad de condiciones de trabajo extremas y equipos muy costosos. Los más habituales son:
- arco de descarga con grafito
- ablación láser con grafito
- deposición química de vapor (CVD)
- deposición química en fase vapor mejorada por plasma (PECVD)
- métodos hidrotermales
Pero, ¿en qué se basa estos procesos?
Cuando se fabrican nanotubos de carbono, nadie se dedica a enrollar laminas de grafeno, lo que se hace es ensamblar átomos de carbono. Como en un juego de Lego, los átomos de carbono se van organizando y apilando formando estructuras tubulares.
Para que esto suceda es necesario disponer en primer lugar de una fuente o precursor de átomos de carbono. Esta sustancia libera átomos de carbono cuando se le descompone químicamente por la acción de una fuente de energía que rompe sus enlaces. Una vez los átomos de carbono están libres, se vuelven a unir pero esta vez siguiendo un nuevo orden.
Para ello, se emplea una superficie capaz de proporcionar el entorno electrónico adecuado para que los primeros átomos de carbono puedan ocupar unas primeras posiciones. Posteriormente, nuevos átomos se irán incorporando a la estructura haciendo crecer el nanotubo.
Fuente: Empa / Juan Ramon Sanchez Valencia
De forma muy general se puede decir que lo que distingue a los métodos anteriormente citados son:
- la fuente de energía empleada para romper y crear enlaces (térmica, eléctrica o microondas)
- el precursor de carbono (grafito, dióxido de carbono o hidrocarburos como metano, acetileno o etileno)
- la temperatura (rangos de 300 a 1200 ºC)
- la presión (rangos de 0,000001 a 10 atm)
- el catalizador metálico (hierro, niquel o cobalto)
- el estado de los reactivos (gas, plasma).
De sobra decir, que estas metodologías no proporcionan los mismos resultados. Entre ellas hay grandes diferencias de rendimiento y reproducibilidad de los procesos de síntesis. Otras de las grandes diferencias son la calidad (impurezas), aspecto (homogeneidad) y morfología (pared simple, multicapa, quiralidad) de los nanotubos obtenidos Todo ello afecta inevitablemente a las propiedades físicas y químicas de los nanotubos y condiciona sus posibles aplicaciones.
Y el Vatanblack, ¿cómo se sintetiza?
CREANDO BOSQUES DE TUBOS
Avanzas un poco más, comprobando como las hileras de columnas se extienden de forma uniforme, con un orden que te permite avanzar sin tropezar con alguna de ellas.
Actualmente, la deposición química de vapor (CVD) es el método de fabricación con mayor potencial en la industria de los nanotubos de carbono. Existen equipos que ya producen entre 1 y 10 toneladas al año, mientras que las instalaciones más grandes pueden alcanzar una producción de hasta 100 toneladas anuales.
El éxito de este método radica en su capacidad para controlar con precisión el crecimiento de los nanotubos, así la uniformidad de su morfología. Además, la escalabilidad industrial del proceso y la posibilidad de utilizar diferentes precursores hacen que el CVD sea una opción muy atractiva.
Por todas estas razones, no es sorprendente que sea el método que ha permitido la comercialización del Vatanblack.
Fuente: Hisashi Sugime, Waseda Universit
A pesar de las variaciones en diseño y tamaño, todos los equipos utilizados en CVD tienen algunos aspectos y elementos en común.
- El principal es la cámara de reacción donde los nanotubos de carbono “crecen”. En esta cámara, que opera bajo condiciones de alto vacío para minimizar la contaminación, se introduce una mezcla de gas inerte (como argón o nitrógeno), una fuente de carbono o precursor (acetileno, metano, etileno), un catalizador metálico y un sustrato (en ocasiones el cuarzo con el que está recubierta la cámara de reacción).
- Esta mezcla de componentes se somete a temperaturas de 600 a 1200 ºC, lo que provoca la ruptura de los enlaces químicos del precursor y la generación del vapor de carbono.
- El catalizador metálico actuará como iniciador del proceso de nucleación, es decir, la formación de los primeros grupos de átomos de carbono que darán lugar los nanotubos.
- Estos pre-nanotubops se depositarán sobre el sustrato donde seguirán creciendo.
https://doi.org/10.22201/fesz.23958723e.2021.323
VATANBLACK Y SUS MISTERIOS
Decides no avanzar más. La oscuridad es total y no parece haber un final. Retrocedes sobre tus pasos y sales al exterior. Una vez allí, la luz te ciega. Te alejas de la sala y al volver la vista atrás, la negra pared se presenta como la entrada a otra dimensión, despertando en tu interior una mezcla de vértigo y fascinación.
Curiosamente, mientras desde fuera el Vatanblack parece el abismo, en su interior suceden cosas extraordinarias. Para mi es una sustancias fascinante, tanto por la forma en que debe prepararse hasta el efecto que tiene en mis sentidos.
La fabricación del Vatanblack es un proceso complejo y costoso que ha contado con la participación de dos entidades de gran renombre: el National Physical Laboratory y la empresa Surrey NanoSystems, ubicada en UK. Recomiendo la visita a su página web y a su cuenta de YouTube (youtube.com/@Surreynanosystems).
Entre los sectores interesados en este producto, parece ser que el aeroespacial es el que ha encontrado una verdadera utilidad práctica a las únicas propiedades ópticas del bosque de nanotubos. El aislamiento de las lentes de los grandes telescopios con un recubrimiento de Vatanblack, ha mejorando notablemente la precisión de la captura de información de estrellas y otros objetos del espacio.
Pero no se puede negar que el efecto visual del Vatanblack es asombroso, y que abre nuevas posibilidades en el diseño, la arquitectura y el arte. Productos como relojes, coches o prendas de vestir han sido tratados con el Vatanblack, al igual que fachadas de edificios, esculturas, pinturas y otras obras artísticas. El potencial está ahí, el sentido se lo damos nosotros/as. En este sentido me pregunto, qué haría Kazimir Malévich con el negro más negro del mundo si aún estuviera en este mundo.
MATERIAL DE CONSULTA
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Imagen: https://www.surreynanosystems.com/
Gracias por leer hasta aqui. ¡Espero que hayas encontrado útil y entretenido este post!
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