Carbón pirolítico - Pyrolytic carbon
El carbono pirolítico es un material similar al grafito , pero con algún enlace covalente entre sus láminas de grafeno como resultado de imperfecciones en su producción.
El carbono pirolítico está hecho por el hombre y no se cree que se encuentre en la naturaleza. Generalmente se produce calentando un hidrocarburo casi a su temperatura de descomposición y permitiendo que el grafito cristalice ( pirólisis ). Un método consiste en calentar fibras sintéticas al vacío . Otro método consiste en colocar semillas en un plato en el gas muy caliente para recoger la capa de grafito. Se utiliza en aplicaciones de alta temperatura como conos de punta de misiles , motores de cohetes, escudos térmicos, hornos de laboratorio, en plástico reforzado con grafito , revestimiento de partículas de combustible nuclear y en prótesis biomédicas .
Propiedades físicas
Las muestras de grafito pirolítico suelen tener un solo plano de escisión , similar a la mica , porque las láminas de grafeno cristalizan en un orden plano, a diferencia del carbono pirolítico, que forma zonas microscópicas orientadas al azar. Debido a esto, el grafito pirolítico exhibe varias propiedades anisotrópicas inusuales . Es más conductor térmico a lo largo del plano de escisión que el carbono pirolítico, lo que lo convierte en uno de los mejores conductores térmicos planos disponibles.
El grafito pirolítico forma cristales de mosaico con mosaicos controlados hasta algunos grados.
El grafito pirolítico también es más diamagnético ( χ = −4 × 10 −4 ) contra el plano de escisión, exhibiendo el mayor diamagnetismo (en peso) de cualquier diamagnet a temperatura ambiente. En comparación, el grafito pirolítico tiene una permeabilidad relativa de 0,9996, mientras que el bismuto tiene una permeabilidad relativa de 0,9998 ( tabla ).
Levitación magnética
Se pueden fabricar pocos materiales para levitar magnéticamente de manera estable por encima del campo magnético de un imán permanente. Aunque la repulsión magnética se logra de manera obvia y fácil entre dos imanes cualesquiera, la forma del campo hace que el imán superior se empuje hacia los lados, en lugar de permanecer apoyado, lo que hace que la levitación estable sea imposible para los objetos magnéticos (ver el teorema de Earnshaw ). Los materiales fuertemente diamagnéticos, sin embargo, pueden levitar por encima de potentes imanes.
Con la fácil disponibilidad de imanes permanentes de tierras raras desarrollados en las décadas de 1970 y 1980, el fuerte diamagnetismo del grafito pirolítico lo convierte en un material de demostración conveniente para este efecto.
En 2012, un grupo de investigación en Japón demostró que el grafito pirolítico puede responder a la luz láser o a la luz solar natural suficientemente potente girando o moviéndose en la dirección del gradiente de campo. La susceptibilidad magnética del carbono se debilita con una iluminación suficiente, lo que conduce a una magnetización desequilibrada del material y al movimiento cuando se utiliza una geometría específica.
Aplicaciones
- Se utiliza sin refuerzo para conos de punta de misiles y motores de cohetes ablativos (enfriados por ebullición) .
- En forma de fibra, se utiliza para reforzar plásticos y metales (ver Fibra de carbono y Plástico reforzado con grafito ).
- Los reactores nucleares de lecho de guijarros utilizan una capa de carbono pirolítico como moderador de neutrones para los guijarros individuales.
- Se utiliza para recubrir cubetas (tubos) de grafito en hornos de absorción atómica de horno de grafito para disminuir el estrés por calor, aumentando así la vida útil de las cubetas.
- El carbón pirolítico se utiliza para varias aplicaciones en la gestión térmica electrónica: material de interfaz térmica, esparcidores de calor (láminas) y disipadores de calor (aletas).
- Ocasionalmente se usa para hacer pipas de tabaco .
- Se utiliza para fabricar estructuras de rejilla en algunos tubos de vacío de alta potencia .
- Se utiliza como monocromador para estudios de dispersión de rayos X y neutrones.
- Válvulas cardíacas protésicas
- Prótesis de cabeza radial
- También se usa en la industria automotriz donde se requiere una cantidad deseada de fricción entre dos componentes.
- El grafito pirolítico altamente orientado (HOPG) se utiliza como elemento dispersivo en los espectrómetros HOPG, que se utilizan para la espectrometría de rayos X.
- Se utiliza en equipos de protección personal.
Aplicaciones biomédicas
Debido a que los coágulos de sangre no se forman fácilmente en él, a menudo es aconsejable revestir una prótesis en contacto con la sangre con este material para reducir el riesgo de trombosis . Por ejemplo, encuentra uso en corazones artificiales y válvulas cardíacas artificiales . Los stents de los vasos sanguíneos , por el contrario, a menudo están revestidos con un polímero que tiene heparina como grupo colgante, que depende de la acción del fármaco para prevenir la coagulación. Esto se debe, al menos en parte, a la fragilidad del carbono pirolítico y a la gran cantidad de deformación permanente que sufre un stent durante la expansión.
El carbón pirolítico también se utiliza con fines médicos para recubrir implantes ortopédicos anatómicamente correctos, también conocidos como articulaciones de reemplazo . En esta aplicación se comercializa actualmente con el nombre "PyroCarbon". Estos implantes han sido aprobados por la Administración de Drogas y Alimentos de los EE. UU . Para su uso en la mano para reemplazos de metacarpofalángicas (nudillos). Son producidos por dos empresas: Tornier (BioProfile) y Ascension Orthopaedics. El 23 de septiembre de 2011, Integra LifeSciences adquirió Ascension Orthopaedics. Los implantes de carbón pirolítico de la compañía se han utilizado para tratar a pacientes con diferentes formas de osteoartritis. En enero de 2021, Integra LifeSciences vendió su empresa de ortopedia a Smith + Nephew por 240 millones de dólares.
La FDA también ha aprobado reemplazos de articulaciones interfalángicas PyroCarbon bajo la Exención de Dispositivos Humanitarios .