Nanomateriales

Definicion y Ejemplos de estos nuevos materiales

¿Qué son los nanomateriales?

Aunque en una definición amplia, clasificamos a los nanomateriales como aquellos que tienen componentes estructurados con al menos una dimensión inferior a 100nm.

Los científicos no han llegado a un acuerdo unánime sobre una definición precisa de los nanomateriales, pero coinciden en que se caracterizan parcialmente por su pequeño tamaño, medido en nanómetros. Un nanómetro es un millonésimo de milímetro, aproximadamente 100.000 veces más pequeño que el diámetro de un cabello humano.

Las partículas nanométricas existen en la naturaleza y pueden ser creadas a partir de una variedad de productos, como el carbono o minerales como la plata, pero los nanomateriales por definición deben tener al menos una dimensión que es inferior a aproximadamente 100 nanómetros. La mayoría de los materiales a nanoescala son demasiado pequeños para ser vistos a simple vista e incluso con microscopios de laboratorio convencionales.

Gran parte de la nanociencia y muchas nanotecnologías se ocupan de producir materiales nuevos o mejorados.

Dimensiones de los nanomateriales

Esta clasificación se basa en el número de dimensiones de un material, que están fuera del rango de nanoescala (<100 nm).

En consecuencia, en nanomateriales de dimensión cero (0D) todas las dimensiones se miden dentro de la nanoescala (no hay dimensiones mayores de 100 nm). Más comúnmente, los nanomateriales 0D son nanopartículas.

En nanomateriales unidimensionales (1D), una dimensión está fuera de la nanoescala. Esta clase incluye nanotubos, nanorods y nanofuegos.

En los nanomateriales bidimensionales (2D), dos dimensiones están fuera de la nanoescala. Esta clase exhibe formas en forma de placa e incluye grafeno, nanofilms, nanolayers, y nanocoatings.

Los nanomateriales tridimensionales (3D) son materiales que no están confinados a la nanoescala en ninguna dimensión. Esta clase puede contener polvos a granel, dispersiones de nanopartículas, haces de nanofuegos y nanotubos, así como multi-nanolayers.

Algunos de estos materiales han estado disponibles desde hace algún tiempo; otros son relativamente nuevos.

¿Como se construyen los Nanomateriales? De arriba hacia abajo y de abajo hacia arriba

Los nanomateriales pueden construirse mediante técnicas de arriba abajo, produciendo estructuras muy pequeñas a partir de piezas de material más grandes, por ejemplo mediante grabado para crear circuitos en la superficie de un microchip de silicio.

También pueden ser construidos por técnicas ascendentes, átomo por átomo o molécula por molécula. Una forma de hacerlo es el autoensamblaje, en la que los átomos o moléculas se organizan en una estructura debido a sus propiedades naturales. Los cristales crecidos para la industria de semiconductores proporcionan un ejemplo de autoensamblaje, al igual que la síntesis química de moléculas grandes.

Una segunda forma es usar herramientas para mover cada átomo o molécula individualmente. Aunque este “montaje posicional” ofrece un mayor control sobre la construcción, actualmente es muy laborioso y no es adecuado para aplicaciones industriales.

Echa un vistazo a nuestro artículo detallado sobre cómo se fabrican las nanopartículas.

Las principales diferencias entre los nanomateriales y los materiales a granel

Dos factores principales hacen que las propiedades de los nanomateriales difieran significativamente de otros materiales: aumento de la superficie relativa y efectos cuánticos. Estos factores pueden cambiar o mejorar las propiedades tales como la reactividad, la resistencia y las características eléctricas.
A medida que una partícula disminuye en tamaño, una mayor proporción de átomos se encuentran en la superficie en comparación con los interiores de la misma. Por ejemplo, una partícula de 30 nm tiene 5% de sus átomos en su superficie, a 10 nm 20% de sus átomos, y a 3 nm un 50% de sus átomos.

Por lo tanto, las nanopartículas tienen una superficie mucho mayor por unidad de masa en comparación con las partículas más grandes. Como el crecimiento y las reacciones químicas catalíticas se producen en las superficies, esto significa que una determinada masa de material en forma nanoparticulada será mucho más reactiva que la misma masa de material compuesta de partículas más grandes.

Propiedades de los nanomateriales

Junto con los efectos superficiales, los efectos cuánticos pueden comenzar a verse en las propiedades de la materia a medida que el tamaño se reduce a la nanoescala. Estos pueden afectar el comportamiento óptico, eléctrico y magnético de los materiales, particularmente cuando la estructura o tamaño de partícula se aproxima al extremo más pequeño de la nanoescala. Los materiales que explotan estos efectos incluyen puntos cuánticos y láseres cuánticos para la optoelectrónica.

Para otros materiales tales como sólidos cristalinos, a medida que disminuye el tamaño de sus componentes estructurales, hay una área mucho mayor de interfaz dentro del material; esto puede afectar de manera significativa a las propiedades mecánicas y eléctricas.

Por ejemplo, la mayoría de los metales se componen de pequeños granos cristalinos; los límites entre los granos ralentizan o detienen la propagación de defectos cuando el material está estresado, lo que le da fuerza. Si estos granos pueden hacerse muy pequeños, o incluso a escala nanométrica, el área de interfaz dentro del material aumenta considerablemente, lo que aumenta su resistencia. Por ejemplo, el níquel nanocristalino es tan fuerte como el acero endurecido.

La comprensión de superficies e interfaces es un desafío clave para aquellos que trabajan en nanomateriales, y donde los nuevos instrumentos de imagen y análisis son vitales.

La importancia de las técnicas de exploración sonda

Hace 25 años que se inventó el microscopio de efecto túnel (STM), seguido cuatro años más tarde por el microscopio de fuerza atómica, y fue entonces cuando la nanociencia y la nanotecnología empezaron realmente a despegar. Diversas formas de microscopios de sonda de exploración basados ​​en estos descubrimientos son esenciales para muchas áreas de la investigación actual. Las técnicas de la sonda de exploración se han convertido en el caballo de batalla de la investigación en nanociencia y nanotecnología.

Aquí está una imagen microscópica de microscopía electrónica de barrido (SEM) de una punta de oro para la microscopía óptica de exploración de campo cercano (SNOM) obtenida por molienda de haz de iones focalizados (FIB). La punta pequeña en el centro de la estructura mide algunas decenas de nanómetros.

Gold Tip para SNOM, con imágenes de SEM, 2006, Gian Carlo Gazzadi y Pietro Gucciardi, con Lucia Covi. (Www.s3.infm.it/blowup) De Blow Up. Imágenes del nanoworld, editado por el Centro de Investigación S3 (INFM-CNR), Damiani, Bolonia. © S3 Centro Nacional de Investigación (INFM-CNR), Módena, Italia

Aplicaciones de los Nanomateriales

Las aplicaciones actuales de los materiales a nanoescala incluyen revestimientos muy finos utilizados, por ejemplo, en electrónica y superficies activas (por ejemplo, ventanas auto-limpias).

En la mayoría de las aplicaciones, los componentes a nanoescala serán fijos o incrustados, pero en algunos, como los utilizados en cosméticos y en algunas aplicaciones piloto de remediación ambiental, se utilizan nanopartículas libres.

La capacidad de mecanizar materiales con una precisión y exactitud muy superiores a los 100 nm genera beneficios considerables en una amplia gama de sectores industriales, por ejemplo en la producción de componentes para las tecnologías de la información , la comunicación, automoción y aeroespacial.

Ejemplos de Nanomateriales

A medida que el mundo avanza, hay muchos nanomateriales que están siendo producidos y diseñados. Los nanomateriales son también un nuevo paso en la evolución de la comprensión y utilización de los materiales, como por ejemplo el nanotubo de carbono, las nanopartículas, el caucho metálico, los puntos cuánticos, los nanoporos y muchos más.

1. Nanotubos de carbón

Nanotubos de carbón. Credito: Michael De Volder

Los nanotubos de carbono son láminas de carbono enrolladas formando un cilindro sin soldadura, conocido como nanotubos de carbono de una sola pared (SWCNTs), o muchos cilindros apilados uno dentro del otro, conocidos como nanotubos de carbono multipared (MWCNTs).

Las longitudes de estos tubos generalmente oscilan entre varios centenares de nanómetros (nm) y varios micrómetros (µm), aunque también se han reportado tubos en el rango milimétrico. Debido a sus buenas propiedades físicas y químicas, tales como materiales más resistentes y rígidos descubiertos en términos de resistencia a la tracción y módulo elástico respectivamente, así como un buen conductor eléctrico y térmico, los nanotubos de carbono tienen un uso potencial en una variedad de aplicaciones industriales y biomédicas, entre las cuales se incluyen:

  • catalizadores
  • biosensores
  • materiales compuestos con propiedades mecánicas y eléctricas mejoradas, y
  • portadores de medicamentos

2. Nanoparticulas

Nanopartículas de oro

En la nanotecnología, una nanopartícula se define como un objeto pequeño que se comporta como una unidad completa en términos de transporte y propiedades. Las partículas en el rango nanométrico se están investigando para una serie de aplicaciones como: resistencia al desgaste, protección contra arañazos y bloqueo de la luz. Un buen ejemplo de esta última aplicación es el bloqueo de la luz ultravioleta por partículas de óxido de zinc para cosméticos. La potencia de bloqueo está directamente relacionada con el tamaño de partícula, la distribución de tamaño, la carga de partículas y la dispersión.

Otros ejemplos del uso de las nanopartículas son:

  • Medios filtrantes. El componente activo es una fibra de alúmina (AlOOH) de dos nanómetros de diámetro, la nano fibra de alúmina es altamente electro positiva, y atraerá y retendrá partículas
  • La plata ha sido durante mucho tiempo se sabe que inhibe el intercambio de oxígeno, matando eficazmente a las bacterias.
  • Otras nanopartículas pueden ser utilizadas como portadores farmacéuticos para entregar específicamente medicamentos contra enfermedades a las áreas del cuerpo afectadas, minimizando así los efectos secundarios.
  • En las celdas de combustible, los perovskitas se están discutiendo como materiales de electrodos para su uso como cátodos.

 

3. Puntos Cuánticos

Un semiconductor cuyos excitones están confinados en todas las dimensiones espaciales. Básicamente, un solo electrón atrapado al lado de una jaula de átomos y cuando el punto es expuesto a un pulso de luz en el momento y longitud de onda correctos, el electrón es elevado a un estado de salida. Por lo tanto, cuando el electrón vuelve a su estado base, estos puntos tienen la capacidad de brillar. Los puntos cuánticos son una clase especial de materiales conocidos como semiconductores. Los puntos cuánticos son muy especiales porque son tan pequeños que absorben hasta 4.000.000 puntos de 2 cm. En estos tamaños pequeños los puntos cuánticos permiten aplicaciones nunca vistas a la ciencia y la tecnología. Nuevos mercados y aplicaciones emergen a medida que continuamos innovando, trabajando y dominando la tecnología de puntos cuánticos.

Ahora los investigadores están tratando de forzar el potencial total de los puntos cuánticos. Muchas aplicaciones se basan en puntos cuánticos como:

  • utilizados para LED
  • almacenamiento de memoria
  • células solares

En el futuro próximo habrá un televisor de pantalla ancha plegable, o un teléfono verdaderamente plegable, en su bolsillo, en lugar de pintura, usted tiene paredes que son pantallas que pueden mostrar películas o programas de televisión, paredes que pueden cambiar los colores a su estado de ánimo, y ayudarle a llegar a dormir, y un periódico que en realidad sólo en una sola superficie.

4. Nanocáscara

Un tipo de nanopartícula esférica que consiste en un núcleo dieléctrico cubierto por una capa metálica delgada (generalmente de oro). Las nano-cáscaras poseen propiedades ópticas y químicas altamente favorables para la obtención de imágenes biomédicas y aplicaciones terapéuticas, además de ofrecer otras ventajas sobre los tintes orgánicos convencionales, incluyendo propiedades ópticas mejoradas.

Nanoshells o nanocascaras diseñadas para absorber varias longitudes de onda de la luz (los seis viales a la derecha), incluyendo infrarrojo (img – el ultimo a la derecha) en comparación con el coloide dorado (img – muy a la izquierda). Las propiedades de la nanocascara son químicamente inertes y solubles en agua, pueden ser utilizadas como catalizadores eficientes, dispersiones formables y también no magnéticas; por lo tanto pueden ser útiles en aplicaciones biológicas.

¿Como son fabricadas las Nanopartículas?

Elaboración de Nanomateriales

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Andrea Rodriguez Alvarado

Investigador asociado: temas biocombustibles, nanomateriales, Olimpiadas Nacionales de Química

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