Macromoléculas: algunas propiedades

El título de la tesis de Richard Feynman que posteriormente se convirtió en el teorema de Hellman-Feynman es un problema en mecánica cuántica: las fuerzas y esfuerzos en moléculas. El problema se ataca utilizando la segunda ley de Newton para las fuerzas internas de manera similar a la utilizada en dinámica clásica molecular. Se realizan estudios de esfuerzos sobre nanotubos y se obtiene que luego de la ley de Hooke (la parte elástica de las curvas de los resultados), se deforma el nanotubo de manera cilíndrica. Cada deformación corresponde a un esfuerzo elástico que restaura el nanotubo. El resultado es que los nanotubos ''cambian'' de forma bajo esfuerzos de torsión, compresión, y otros. Las moléculas no se rompen pero se acomodan a los esfuerzos, emiten un fonon con cada transformación.

Estudios del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) concluyeron que los nanotubos son tanto metales como semiconductores. El grafito en sí es considerado semimetálico, debido a sus propiedades eléctricas. Sin embargo, en un nanotubo, el grafito es enrollado de manera que un electrón solo podría moverse en una dirección, perdiendo la libertad de movimiento que tiene en una placa. En los semiconductores existe una banda prohibida entre la banda de conducción y la banda de valencia. En los nanotubos los electrones se encuentran en estados energéticos debajo de la energía de Fermi. Esta energía para estos materiales en partículas se encuentra entre la banda de valencia y la banda de conducción. De esta manera no tienen banda prohibida y los electrones se mueven libremente entre una y otra. Entonces es posible la conducción a través del tubo. La conductividad del grafito que era el material original se ve multiplicada por 10,000 veces, haciendo que la conductividad de los nanotubos sea similar a la de los metales.

Pero estas propiedades no se asemejan completamente al mundo macroscópico. En realidad son una especie de alambres cuánticos. Las corrientes en los nanotubos no varían continuamente al aplicar los voltajes, sino que son variaciones en forma de escalón.

Debido a sus propiedades mecánicas, no es posible aún romper los nanotubos por esfuerzos. Se hacen simulaciones computarizadas para obtener resultados al respecto. Sin embargo, se encontró que elogamientos elásticos solo realizan eso: elongar las caras hexagonales del tubo. A cierto nivel se especula que un átomo de carbón romperá el enlace y los demás sufrirán una fractura en forma helicoidal siguiendo el patrón del tubo, a través de las circunferencias del mismo.

Los datos que se tienen sobre las propiedades mecánicas de los nanotubos son módulo de Young igual a $5\times 10^9$ $Pa.$ grosor efectivo de $0.07$ $nm.$ El bajo grosor implica que es más fácil flexionar un tubo que romperlo y el módulo de Young es consistente con el de grafito. Si uno toma la separación promedio entre hojas de grafito encuentra un módulo de Young $Y(\frac hc)$ $=1\times 10^9Pa.$

Figure: Molécula teoretizada por el grupo de Rice University.[25]