Uso de nanopartículas metálicas depositadas sobre un substrato para la síntesis de nanoestructuras y procedimiento de síntesis de dichas nanoestructuras.

Uso de nanopartículas metálicas depositadas sobre un substrato mediante pulverización catódica como catalizador de síntesis de nanoestructuras.

Estas nanopartículas depositadas en el substrato presentan actividad catalítica para la síntesis de nanoestructuras, asimismo la presente invención se refiere a un procedimiento de síntesis de nanoestructuras sobre dichas nanopartículas.

USO DE NANOPARTíCULAS METÁLICAS DEPOSITADAS SOBRE UN SUBSTRATO PARA LA SíNTESIS DE NANOESTRUCTURAS y PROCEDIMIENTO DE SíNTESIS DE DICHAS NANOESTRUCTURAS

OBJETO DE LA INVENCION

La presente invención se refiere al uso de nanopartículas metálicas depositadas físicamente 10 sobre un substrato para la síntesis de nanoestructuras, así como al procedimiento de síntesis de dichas nanoestructuras.

Las nanoestructuras sintetizadas pueden ser nanotubos, nanofibras o nanoestructuras sin morfología definida.

La temperatura de síntesis de las nanoestructuras es compatible con substratos termosensibles.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION

Las propiedades mecánicas y conductivas de las nanoestructuras de carbono y en concreto de los nanotubos y nanofibras de carbono, son de gran interés por su utilidad en diferentes aplicaciones como son: dispositivos para microelectrónica y nanoelectrónica, materiales con resistencia al desgaste o a la corrosión, nanorefuerzo para materiales compuestos y

sensores, entre otros.

Sin embargo cuando las nanoestructuras se pretenden sintetizar sobre substratos térmicamente sensibles existen limitaciones porque las temperaturas necesarias para la síntesis pueden ser altas e incompatibles con el substrato.

Algunos de los procedimientos conocidos hasta el momento para la síntesis de nanoestructuras son los siguientes.

En la solicitud estadounidense con número de publicación US2009/0072222 se depositan 35 nanopartículas por la técnica de co-deposición y se muestra que son catalíticas para la

síntesis de nanotubos de carbono por deposición química de vapor a 900 ºC, temperatura no compatibles con el uso de substratos termosensibles.

En la solicitud estadounidense con número de publicación US2009/0068461 se sintetizan nanotubos por deposición química de vapor a temperaturas del orden de 750 ºC, de nuevo temperaturas no compatibles con el uso de substratos termosensibles.

Más allá de las patentes, son varias las publicaciones científicas que han tratado este problema. Por ejemplo, en la publicación de AIHail y coL, titulada quot;Hybrid carbon fibers/carbon nanotubes structures for next generation polymeric compositesquot;, publicada en el Journal of Nanotechnology, artículo ID 860178, 2010, se propone la deposición de nanopartículas mediante pulverización catódica utilizando magnetrón. Para generar las nanopartículas metálicas resulta necesaria la aplicación de una etapa térmica en una atmósfera que contenga hidrógeno a temperaturas superiores a 660ºC y se muestra que estas nanopartículas son catalíticas para la síntesis de nanotubos de carbono por deposición química de vapor a 750 ºC.

P. Agnihotri y col. en su publicación titulada, quot;Effect of carbon nanotube length and density on the properties of carbon nanotube-coated carbon fiber/polyester compositesquot;, (Carbon, 49, 3098-3106, 2011) describen la deposición de una capa de níquel catalítico para la síntesis de nanotubos por deposición química de vapor a 550 ºC mediante la inmersión de las fibras en un baño electrolítico conteniendo una solución de sulfato de níquel, hipofosfito de sodio, succinato de sodio y ácido succínico.

C. Luhrs y col. en su publicación quot;Generation of carbon nanofilaments on carbon fibers at 550 ºCquot;, (Carbon, 47, 3071-3078, 2009) sintetizan nanofilamentos de carbono por deposición química de vapor a 550 ºC utilizando como catalizador una sal de nitrato de paladio (11) hidratado.

En general las temperaturas utilizadas en los procedimientos enumerados son suficientemente elevadas como para introducir defectos en la estructura de substratos termosensibles y degradar sus propiedades mecánicas. Por lo tanto, los tratamientos a estas temperaturas serían imposibles de aplicar para el crecimiento de nanotubos, nanofibras o nanoestructuras sobre la superficie de un substrato termosensible como por ejemplo polímeros.

En la publicación de Boskovic y col. quot;Low temperature synthesis of carbon nanofibres on carbon fibre matricesquot; (Carbon, 43, 2643-2648, 2005) generan nanopartículas a partir de una solución de cobalto y posterior tratamiento térmico a temperaturas entre 200 y 400 ºC. La síntesis de las nanoestructuras se llevan a cabo usando una deposición química de vapor asistida por plasma de 20 W a 250 ºC. La única imagen en la que muestran nanotubos sobre una fibra de carbono es de una síntesis a 400 ºC. Los nanotubos que obtienen tienen una enorme cantidad de nanopartículas metálicas sobre sus paredes. Por último en la publicación de Hofmann y col. titulada quot;Low-temperature growth of carbon nanotubes by plasma-enhanced chemical vapor depositionquot; (Applied Physics Letters, 83, 135-137, 2003) generan las nanopartículas a partir del depósito de un film de Ni por pulverización de magnetrón sobre un substrato de dióxido de silicio y posterior aplicación de un tratamiento térmico. Posteriormente realizan la síntesis utilizando una deposición química de vapor asistida por plasma a presiones menores a 10-6 mbar (10-4 Pa) y obtienen a 120 ºC estructuras carbonosas sobre silicio.

Por ello, por lo que se conoce en el estado de la técnica, se deriva que es necesario y de gran interés el desarrollo de un procedimiento de síntesis de nanoestructuras a

temperaturas que permitan el uso de substratos termosensibles, con nanopartículas

metálicas como catalizador y que las nanoestructuras sintetizadas no presenten

nanopartículas sobre sus paredes.

DESCRIPCION DE LA INVENCiÓN

Los inventores han encontrado un procedimiento de síntesis de nanoestructuras haciendo uso de nanopartículas metálicas que permiten sintetizar las nanoestructuras sobre substratos termosensibles sin degradar sus propiedades mecánicas. Las nanopartículas depositadas en el substrato son catalíticas para la síntesis de nanoestructuras sobre ellas sin necesidad de tratar las nanopartículas depositadas en el substrato. Además no se obtienen nanopartículas sobre las paredes de las nanoestructuras sintetizadas. El crecimiento de nanoestructuras como nanofibras o nanotubos de carbono desde la superficie de fibras de carbono puede conducir a importantes mejoras en el anclaje mecánico con la matriz utilizada.

En la pulverización catódica, un campo eléctrico ioniza un gas inerte. Los iones positivos bombardean un material sólido, llamado blanco que actúa como cátodo y causa la vaporización de los átomos del mismo. Estos átomos se depositan sobre un substrato que

actúa como ánodo. Mediante pulverización catódica se han depositado físicamente nanopartículas metálicas en un substrato a una temperatura comprendida entre 25ºC y 200ºC, a una presión comprendida entre 60Pa y 180 Pa y con una densidad de potencia sobre un blanco comprendida entre 0, 2 W/cm2 y 8 W/cm2.

Los inventores han encontrado sorprendentemente que las nanopartículas así depositadas, sin necesidad de ningún tratamiento posterior son catalíticas para la síntesis de nanoestructuras.

Por lo tanto un primer aspecto de la invención se refiere al uso de nanopartículas metálicas depositadas sobre un substrato por pulverización catódica a una temperatura comprendida entre 25ºC y 200ºC, a una presión comprendida entre 60 Pa y 180 Pa y con una densidad de potencia sobre un blanco comprendida entre 0, 2 W/cm2 y 8 W/cm2 como catalizador de nanoestructuras de carbono.

Las nanoestructuras se sintetizan sobre un substrato en presencia de las nanopartículas previamente depositadas. La síntesis se realiza por (i) deposición química de vapor térmico,

(ii) deposición química de vapor mejorada con plasma o (iii) pulverización catódica de corriente continua.

En la deposición química se depositan los materiales sólidos como resultado de una reacción química; el sólido se deposita sobre un substrato a través de reacciones químicas de especies gaseosas llamadas gases precursores. En la deposición química mejorada con plasma se utiliza plasma para mejorar la reacción química de manera que se permiten deposiciones a temperaturas menores.

En un segundo aspecto de la invención se describe el procedimiento de obtención de nanoestructuras de carbono sobre nanopartículas metálicas depositadas sobre un substrato caracterizado porque comprende las etapas de: a) Pulverización catódica a una temperatura comprendida entre 25ºC y 200ºC, una presión comprendida entre 60 Pa y 180 Pa y con una densidad de potencia sobre el blanco comprendida entre 0, 2 W/cm2 y 8 W/cm2 y; b) sintetizar nanoestructuras sobre las nanopartículas obtenidas en la etapa a) mediante (i) deposición química de vapor térmico,... [Seguir leyendo]

1. Uso de nanopartículas metálicas depositadas sobre un substrato por pulverización catódica a una temperatura comprendida entre 25ºC y 200ºC, a una presión comprendida entre 60 Pa y 180 Pa y con una densidad de potencia sobre un blanco comprendida entre 0, 2 W/cm2 y 8 W/cm2 como catalizador de nanoestructuras de carbono.

2. Procedimiento de obtención de nanoestructuras de carbono sobre nanopartículas metálicas depositadas sobre un substrato caracterizado porque comprende las etapas de:

a) Pulverización catódica a una temperatura comprendida entre 25ºC y 200ºC, una presión comprendida entre 60 Pa y 180 Pa y con una densidad de potencia sobre el blanco comprendida entre 0, 2 W/cm2 y 8 W/cm2 y; b) sintetizar nanoestructuras sobre las nanopartículas obtenidas en la etapa a) mediante deposición química de vapor térmico, deposición química de vapor mejorada con plasma o pulverización catódica de corriente continua.

3. Procedimiento de síntesis de nanoestructuras según la reivindicación 2 caracterizado porque en la etapa b) se sintetizan nanotubos de carbono mediante deposición química de vapor térmico, en una atmósfera de una fuente de carbono y un gas de arrastre, a temperaturas menores de 400ºC y a una presión comprendida entre 60Pa y 180Pa.

4. Procedimiento de síntesis de nanoestructuras según reivindicación 3 caracterizado porque los nanotubos sintetizados tienen un diametro menor de 30nm.

5. Procedimiento de síntesis de nanoestructuras según las reivindicaciones 2 a 4 caracterizado porque el blanco de la etapa a) es de niquel y la fuente de carbono de la etapa b) es acetileno.

6. Procedimiento de síntesis de nanoestructuras según la reivindicación 2 caracterizado porque en la etapa b) se desarrollan nanoestructuras mediante deposición química de vapor térmico pirolizando una fuente de carbono en forma controlada generando un gradiente desde 700 ºC en la zona de la pirólisis de la fuente de carbono hasta 300 ºC en la región del substrato.

7. Procedimiento de síntesis de nanoestructuras según la reivindicación 6 caracterizado porque las nanoestructuras son nanofibras.

8. Procedimiento de síntesis de nanoestructuras según la reivindicación 7 caracterizado porque las nanofibras son menores a 35 nm.

9. Procedimiento de síntesis de nanoestructuras según según la reivindicación 2 caracterizado porque se desarrollan nanoestructuras mediante deposición química de vapor térmico mejorada con plasma a temperaturas menores de 120ºC a presiones comprendidas entre 60PA y 180 Pa ya densidades de potencias comprendidas entre 2 W/cm2 y 8 W/cm2.

10. Procedimiento de síntesis de nanoestructuras según reivindicación 9 caracterizado porque las nanoestructuras son nanofibras.

11. Procedimiento de síntesis de nanoestructuras que comprende las etapas de : a) Pulverización catódica a una temperatura comprendida entre 25ºC y 200ºC, a una presión comprendida entre 60Pa y 180Pa y con una densidad de potencia sobre un blanco comprendida entre 0, 2 W/cm2 y 8 W/cm2 b) Invertir la polaridad de la etapa a) y; c) Tratamiento con plasma de corriente continúa en un gas inerte a temperaturas comprendidas entre 25ºC y 350ºC y a una presión comprendida entre 60Pa y 180Pa con una densidad de potencia sobre el blanco comprendida entre 0, 2 W/cm2 y 8 W/cm2.