Nanomateriales

NANOMATERIALES

La nanotecnología consiste en el diseño y la producción de objetos o estructuras muy pequeños, inferiores a 100 nanómetros (100 millonésimas de milímetro). Los nanomateriales son uno de los productos principales de las nanotecnología, como partículas, tubos o fibras a nanoescala. Las nanopartículas generalmente se definen por ser menores de 100 nanómetros en al menos una dimensión. A medida que la nanotecnología avanza, se van encontrando aplicaciones para los nanomateriales en el cuidado de la salud, la electrónica, los cosméticos, los textiles, la informática y la protección medioambiental.. Las propiedades de los nanomateriales no están siempre bien identificadas y requieren una valoración de los riesgos de posibles exposiciones que surjan durante su fabricación y uso.

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NANOTUBOS DE CARBONO

En 1991 S. Iijima descubrió los nanotubos de carbono en Japón, mientras realizaba una investigación sobre fullerenos. Ese mismo año se publicó su hallazgo en la revista Nature 354, 56. Los nanotubos de carbono están constituidos por redes hexagonales de carbono curvadas y cerradas, que forman tubos de carbono de tamaño nanométrico. Podemos diferenciar entre nanotubos monocapa (un sólo tubo) y multicapa (varios tubos, uno dentro de otro). Estas estructuras se caracterizan por ser ligeras, huecas y porosas, con alta resistencia mecánica, por lo que son de gran interés en el reforzamiento estructural de materiales y en la formación de composites de bajo peso.

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Caption: : Imagen de nanotubos de carbono con sus diferentes estructuras: “zig-zag” (superior derecha), “chiral” (inferior izquierda) y “armchair” (inferior derecha).

La gran limitación de los nanotubos de carbono (CNT) en aplicaciones prácticas es la gran dificultad que tiene fabricar dispositivos en los que estén colocados de forma controlada y bien alineada. Hoy en día se fabrican varias miles de toneladas de CNT al año, pero su utilidad se reduce a aplicaciones donde se puedan colocar de forma aleatoria y en grandes cantidades (baterías recargables, piezas de automóviles y artículos deportivos para cascos de barco y filtros de agua). Muchas aplicaciones de los nanotubos están aún en los laboratorios de las empresas y se espera que salgan al mercado en un futuro inmediato. En microelectrónica ya se ha propuesto el uso de los CNT en aplicaciones tan diversas como transistores TFT flexibles, memorias no volátiles (NRAM), conectares verticales de solo 150 nm compatibles con la tecnología CMOS y disipadores térmicos de calor para amplificadores de alta potencia..

APLICACIONES Y CARACTERíSTICAS

Elevada relación radio/longitud que permite un mejor control de las propiedades unidireccionales de los materiales resultantes; electrónicamente pueden comportarse como metálico, semimetálico o aislante dependiendo de su diámetro y helicidad. Se ha demostrado su comportamiento electrónico-cuántico monodimensional. Recientes estudios sugieren que podrían ser utilizados en pantallas planas por su buena capacidad como emisores de electrones. Elevada fuerza mecánica. Se ha comprobado que tienen mayor resistencia mecánica y mayor flexibilidad que las fibras de carbono por lo que se podrían utilizar en composites, sus propiedades pueden modificarse encapsulando metales en su interior llegándose a obtener nanocables eléctricos o magnéticos, o bien gases, pudiendo ser utilizados para el almacenamiento de hidrógeno o como sistema de separación de gases.

DIMENSIONES 

En química, se denominan nanotubos a estructuras tubulares (cilíndricas), cuyo diámetro es del tamaño del nanómetro. Existen nanotubos de muchos materiales, tales como silicio o nitruro de boro pero, generalmente, el término se aplica a los nanotubos de carbono. Los nanotubos tienen propiedades inusuales, que son valiosas para la nanotecnología, Dependiendo del grado de enrollamiento, y la manera como se conforma la lámina original, el resultado puede llevar a nanotubos de distinto diámetro y geometría interna. Estos están conformados como si los extremos de un folio se uniesen por sus extremos formando el susodicho tubo, se denominan nanotubos monocapao de pared simple. Existen, también, nanotubos cuya estructura se asemeja a la de una serie de tubos concéntricos, incluidos unos dentro de otros, a modo de muñecas matrioskas, lógicamente, de diámetros crecientes desde el centro a la periferia.

GRAFENO

El repentino aumento del interés científico por el grafeno puede dar la impresión de que se trata de un material nuevo. En realidad se conoce y se ha descrito desde hace más de medio siglo. El enlace químico y su estructura se describieron durante los años 1930. Philip Russell Wallace calculó por primera vez (en 1949) la estructura electrónica de bandas.11​ Al grafeno se le prestó poca atención durante décadas al pensarse que era un material inestable termodinámicamente ya que se pensaba que las fluctuaciones térmicas destruirían el orden del cristal dando lugar a que el cristal 2D se fundiese. Bajo esta premisa se entiende la revolución que significó que Gueim y Novosiólov consiguiesen aislar el grafeno a temperatura ambiente. La palabra grafeno se adoptó oficialmente en 1994, después de haber sido designada de manera indistinta –en el campo de la ciencia de superficies «monocapa de grafito».

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APLICACIONES Y CARACTERíSTICAS

Ordenadores, coches, teléfonos móviles y equipos de música son, por mencionar sólo algunos de ellos, cosas que encontramos frecuentemente en nuestra vida cotidiana en las que el grafeno se podría llegar a aplicar. Por sus propiedades, el grafeno puede servir como material en la fabricación de aviones, satélites espaciales o automóviles, haciéndolos más seguros. También en la construcción de edificios, pues los convertiría en más resistentes.  Pero, sobre todo, destacan sus aplicaciones en el campo de la electrónica, donde a través de sucapacidad para almacenar energía puede dotar a las baterías de una mayor duración y un menor tiempo de carga, establecer conexiones más rápidas e incluso contribuir a mejorar el medio ambiente sustituyendo a materiales contaminantes que hoy en día nos vemos obligados a utilizar.  No hay que olvidar su relevancia en el ámbito de la salud. Las prótesis de grafeno podrían sustituir a las actuales, de diversos materiales. O incluso se podría aplicar para mejorar el tratamiento de algunas enfermedades. Por todo esto, no es de extrañar que se diga que su utilidad es prácticamente ilimitada y que las barreras a su aplicación únicamente son las de la imaginación humana.

Es extremadamente duro: 100 veces más resistente que una hipotética lámina de acero del mismo espesor, es muy flexible y elástico. Es transparente, autoenfriamiento (según algunos científicos de la Universidad de Illinois). Conductividad térmica y eléctrica altas. Hace reacción química con otras sustancias para producir compuestos de diferentes propiedades. Esto lo dota de gran potencial de desarrollo, sirve de soporte de radiación ionizante, tiene gran ligereza, como la fibra de carbono, pero más flexible y menor efecto Joule: se calienta menos al conducir los electrones para una misma tarea que el silicio, tiene un menor consumo de electricidad. Genera electricidad al ser alcanzado por la luz. Razón superficie/volumen muy alta que le otorga un buen futuro en el mercado de los supercondensadores. Se puede dopar introduciendo impurezas para cambiar su comportamiento primigenio de manera que, por ejemplo, no repela el agua o que incluso cobre mayor conductividad. Se autorrepara; cuando una lámina de grafeno sufre daño y se quiebra su estructura, se genera un ‘agujero’ que ‘atrae’ átomos de carbono vecinos para así tapar los huecos, en su forma óxida absorbe residuos radiactivos.

DIMENSIONES 

El grafeno es una sustancia compuesta por carbono puro, con átomos dispuestos en un patrón regular hexagonal, similar al grafito. Es un material opaco. Una lámina de un átomo de espesor es unas 200 veces más resistente que el acero actual más fuerte, siendo su densidad más o menos la misma que la de la fibra de carbono, y unas cinco veces más ligero que el aluminio. Siendo su peso de 0.54 g/cm^3 Es un alótropo del carbono, un teselado hexagonal plano formado por átomos de carbono y enlaces covalentes que se generan a partir de la superposición de los híbridos sp2 de los carbonos enlazados.

NANOCELULOSA

El término nanocellulose o Microfibrillated cellulose fue usado por primera vez en 1977, para designar un material gelatinoso translúcido, resultado de pasar pulpa de celulosa a través de un homogeneizador (llamado Gaulin type milk homogenizer para aquel entonces) y luego impactarla contra una superficie rígida. Dicho descubrimiento se le atribuyó al grupo de investigadores Turbak, Snyder y Sandberg que trabajaban en Whipanny, New Jersey para 'ITT Rayonier Labs'.​ A pesar de que en los años 1950 ya se aplicaban tratamientos de ultrasonido, hidrólisis, oxidación y también homogeneización para desintegrar estructuras de celulosa.Fue el grupo de Turbak el que dispuso el resultado de las investigaciones de manera que pudiera haber un interés industrial sobre el material.

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APLICACIONES Y CARACTERíSTICA

Para muchos de los siguientes usos solo se sabe que es posible, mas no se tiene certeza si se ha realizado de forma concreta o, por otro lado, no se ha efectuado dicho uso en forma masiva: En la elaboración de pantallas electrónicas flexibles, partes móviles para computadoras, armas livianas y vidrios blindados. Reemplaza el material metálico en la fabricación de automóviles y todo tipo de plástico no orgánico ya que, no solo es más ecológico, si no que posee mejores propiedades mecánicas. En la elaboración de baterías que se recargan al ser dobladas.​ Por ser fuerte y ligero se puede elaborar un gel ultrabsorbente capaz de soportar 10 mil veces su propio peso, sustituyendo los tampones y toallas femeninas.. Así como el grafeno, la nanocelulosa puede filtrar todo tipo de líquidos, usándose así para filtrar transfusiones de sangre, sustancias químicas de los cigarrillos y generar agua potable incluso a partir de agua de mar. Combustibles con cero emisiones de dióxido de carbono, o cualquier otro gas contaminante. En la fabricación de papel la nanocelulosa crea enlaces fibra por fibra, generando un efecto de reforzamiento en los materiales de papelería.. La nanocelulosa se puede utilizar como un reemplazo bajo en calorías para los aditivos de hoy en día de hidratos de carbono utilizados como espesantes, portadores de aroma y estabilizadores de suspensión en una amplia variedad de productos alimenticios y es útil para la producción de rellenos, aplasta, chips, obleas, sopas, salsas, pudines, etc. La aplicaciones de alimentos fueron principios reconocidos como un campo de aplicación muy interesante para nanocelulosa debido al comportamiento reológico del gel nanocellulose.

Viscosidad Cuando la concentración de nanocelulosa es baja, la viscosidad es poca, también es muy sensible a las fuerzas cizallantes ya que la viscosidad se anula en la presencia de estas. Propiedades Mecánicas Las nanocelulosa con cierto grado de cristalinidad ha mostrado ser más resistente que el aluminio, más rígido que el kevlar, propiedades que también se ven mejoradas al elaborar películas de [NCC], que a su vez soportan mayores tensiones. La relación entre el peso y la resistencia es 8 veces más eficiente que elacero inoxidable, este material se postula para ser el reemplazo ecológico del grafeno.

DIMENSIONES

Nanocelulosa se clasifica en tres tipos, microfibrillated cellulose (MFC), nanocrystalline cellulose (NCC) y bacterial cellulose (NBC). Es un material que consta de nanofibras de celulosa, que son una cadena de moléculas de celulosa de forma tubular alargada teniendo una marcada relación de aspecto longitud-diámetro. La tendencia o magnitud típica del diámetro es de 10 a 20 nanómetros y la de su longitud es de 10 veces o más la de su diámetro, esta propiedad geométrica de la molécula la hace muy sensible a diferentes campos de aplicación al tratarse de un polímero. La sustancia en gel tiene un comportamiento tixotrópico.

NANOPARTICULAS

Recientemente se ha desarrollado una nanopartícula que utiliza la luz y el calor para destruir tumores. Además es orgánica y biodegradable. Este descubrimiento se ha realizado por investigadores del Hospital Princesa Margarita en Ontario (Canadá) y de otras instituciones también de otros países que han constituido un equipo numeroso y de diversas especialidades. Gang Zheng ha sido el coordinador general de este estudio. Los resultados se han publicado en la revista Nature Materials. Gang Zheng explica que: “combinamos elementos que se producen de forma natural (clorofila y lípidos) para crear una nanopartícula que muestra potencial para numerosos tipos de aplicaciones basadas en la luz. Permite que pueda llenarse de fármacos para tratar el tumor al que se dirige”. Los investigadores explican que la terapia fototérmica utiliza luz y calor para destruir los tumores. La partícula absorbe mucha luz para acumularla en los tumores. Una vez que la nanopartícula alcanza su tumor objetivo se vuelve fluorescente para indicar “misión cumplida”. Concluye Zheng: “La seguridad sin precedentes de esta nonapartícula en el organismo es la guinda del pastel". La novedad de este estudio es que utiliza elementos orgánicos, pues otros equipos experimentan calentando nanopartículas de oro con luz para eliminar las células tumorales.

NANOPARTICULAS

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APLICACIONES Y CARACTERíSTICAS

Las nanopartículas son de gran interés científico, de hecho, son un puente entre los materiales a granel y las estructuras atómicas o moleculares. Un material de granel debe tener propiedades físicas constantes, sin importar su tamaño, pero en una nano escala, sus propiedades son observadas. Así, las propiedades de los materiales cambian mientras su talla se aproxima a la nano escala y conforme el porcentaje de átomos en la superficie de un material se vuelve significativa. Para los materiales de granel más largos de un micrómetro, el porcentaje de átomo en la superficie es insignificante en relación al número de átomo en el material de granel. Las propiedades interesantes y a veces inesperadas de las nanopartículas están ahí por la larga área de superficie del material, el cual domina las contribuciones hechas por los pequeños gruesos del material. Las nanopartículas poseen frecuentemente propiedades ópticas inesperadas en tanto sean suficientemente pequeñas a confinar sus electrones y producir efectos cuánticos.​ Por ejemplo, nanopartículas de oro aparecen de color rojo oscuro en solución. Las nanopartículas de oro amarillo y silicón gris son rojos. Las nanopartículas de oro ebullen en temperaturas más bajas (~300 °C para 2.5 nm) que las losas de oro (1064 °C);​La absorción de radiación solar es mayor en los materiales compuestos de nanopartículas que en sus capas finas de varias capas del material. En las aplicaciones de energía solar fotovoltaica y solar termales, controlando el tamaño, forma y material de las partículas, haciendo posible el control de la absorción solar.

Aplicaciones Láser: El uso de nanopartículas en tinte dopado con láser de poli (metacrilato de metilo) (PMMA) los medios de ganancia del láser se demostraron en 2003 y se ha demostrado que mejoran la eficiencia de conversión y para disminuir la divergencia del haz láser.​ Los investigadores atribuyen la reducción de la divergencia del haz a la mejora de dn / dt de la características del tinte dopado orgánico-inorgánico nanocompuesto. La composición óptima reportado por estos investigadores es 30% w / w de SiO2 (~ 12 nm) en PMMA tinte dopado   Aplicaciones Médicas: Liposoma, Dendrímero, Nanopartículas de óxido de hierro, Nanomedicina, Conjugados de polímero-fármaco y Nanopartículas poliméricas .

DIMENSIONES

Una nanopartícula es una partícula microscópica con por lo menos una dimensión menor que 100 nm. Actualmente las nanopartículas son un área de intensa investigación científica, debido a una amplia variedad de aplicaciones potenciales en campos tales como biomédicos, ópticos, electrónicos, nanoquímica, o agricultura. Las partículas están calificadas por su diámetro. Las partículas ultrafinas son las mismas que las nanopartículas entre 1 y 100 nanómetros en tamaño. Las partículas finas están entre los 100 y 2,500 nanómetros. Las partículas gruesas cubren un rango de entre 2,500 y 10,000 nanómetros.

PUNTO CUANTICO

Estas nanopartículas fueron descubiertas en los años 80 por Alexei Ekimov yLouis Brus las obtuvo en disolución coloidal. Desde aquellos años, las referencias científicas de trabajos utilizando quantum dots se han visto incrementadas exponencialmente, con más de 4000 artículos al año durante la última década, y más de 6000 anualmente en los últimos cinco años.. Como otros nanomateriales, la mayor parte de sus átomos están en su superficie, por lo que la relación superficie-volumen de los quantum dots es muy elevada, algo que, junto al confinamiento cuántico, influye en que sus propiedades sean muy diferentes a las de los materiales macroscópicos.

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Caption: : Puntos cuánticos con una máxima emisión en pasos de 10 nm que están siendo producidos por PlasmaChem en una kg scala

APLICACIONES Y CARACTERíSTICAS

Optoelectrónica. Con los puntos cuánticos de materiales semiconductores, como arseniuro de indio y fosfuro de indio, se fabrican diodos láser emisores de luz más eficientes que los usados hoy en lectores de CD, de códigos de barras y demás. Así que se espera que acaben sustituyéndolos a corto o medio plazo. Biomedicina. En este caso, los puntos cuánticos no están integrados en una matriz, sino que son cristales independientes, pero su fundamento y sus propiedades físicas son las mismas. Los puntos cuánticos emiten luz brillante y muy estable. Con ellos se obtienen imágenes de mucho contraste usando láseres menos potentes, y no existe el temor de que se apaguen. Además, la longitud de onda tan específica a la que brillan evita las superposiciones, y permite teñir a la vez muchas más estructuras que con los métodos de tinción tradicionales. Paneles solares experimentales. La tercera generación de células fotovoltaicas usa entre otras posibilidades las superficies con puntos cuánticos. El rendimiento es mayor que las células de primera y segunda generación y su fabricación es más barata. Los puntos cuánticos son de manufacturación barata, y pueden hacer su trabajo en combinación con materiales como conductores polímeros, que también son de producción barata. Un punto polímero cuántico funcionando podría colocar, eventualmente, a la electricidad solar en una posición económica igual a la electricidad del carbón. Si esto pudiera hacerse, sería revolucionario. Una célula comercial de punto cuántico solar está aún años de distancia, asumiendo que sea posible. Pero si lo es, ayudaría a superar el presente de combustibles fósiles. Nuevos sistemas de iluminación con un rendimiento más eficiente.  

Generalmente es una nanoestructura semiconductora que confina el movimiento en las tres direcciones espaciales de los electrones de la banda de conducción y los huecos de la banda de valencia o excitones (pares de enlaces de electrones de la banda de conducción y huecos de la banda de valencia). Fue descubierto por vez primera en una matriz de vidrio y en soluciones coloidales​ a partir de 1981 por los científicos rusos Aleksey Ekimov y Alexander Efros​ y luego complementado por Louis E. Brus. El término «pozo cuántico» fue acuñado en 1988.  En el mundo macroscópico, los puntos cuánticos pueden tener el aspecto de una simple pastilla plana, o estar disueltos en un líquido. Nadie sospecharía que esa sustancia ha sido elaborada en el laboratorio partiendo de unos pocos átomos, con técnicas que manipulan la materia a escalas de nanómetros. A esas dimensiones el material se convierte en una matriz sobre la que han crecido estructuras, como pirámides o montañas, formadas por unos pocos cientos o miles de átomos. Esas estructuras son los puntos cuánticos. Un punto cuántico tiene un espectro discreto de energía cuantizada. Las funciones de onda correspondientes están espacialmente localizadas dentro del punto cuántico, pero se extienden sobre muchos períodos de la red cristalina. Un punto cuántico contiene un número reducido, y finito, de electrones de la banda de conducción (del orden de 1 a 100), huecos en la banda de valencia, o de excitones, es decir, un número finito de cargas eléctricas elementales. Una de las propiedades más interesantes de los puntos cuánticos es que, al ser iluminados, reemiten luz en una longitud de onda muy específica y que depende del tamaño de este. Cuanto más pequeños sean los puntos, menor es la longitud de onda y más acusadas las propiedades cuánticas de la luz que emiten.

DIMENSIONES

Los quantum dots (puntos cuánticos en español) son nanopartículas de materiales semiconductores. Típicamente, pueden contener desde 100 a 100.000 átomos, con un diámetro total de partícula entre 2 a 10 nm, aunque existen con mayores dimensiones.  Durante la fabricación, el tamaño del punto cuántico se puede determinar con precisión nanométrica para crear una serie de puntos cuánticos con distintas características de emisión. Por ejemplo, un punto cuántico de CdSe de 3nm emite a 520nm (verde) mientras que uno de 5.5 emite a 630nm (rojo). Los puntos cuánticos usualmente se cubren en sulfuro de zinc para mejorar la intensidad fluorescente (al confinar más los pares electrón-hoyo) y después se cubren en un escudo soluble al agua, biocompatible para habilitar la entrada y retención por las células.