Nanociencia y la nanotecnología

INTRODUCCIÓN

El interés sobre especies químicas de tamaño nanométrico es una de las áreas de trabajo más importantes de la investigación debido, fundamentalmente, a la gran variedad de nuevas propiedades y potenciales aplicaciones que se pueden explotar en diversos campos.

La síntesis de nanomateriales es actualmente una de las ramas más activas dentro de la nanociencia. La cualidad más importante y sorprendente de esta nueva familia de materiales es el desarrollo de importantes propiedades dependientes del tamaño cuando sus dimensiones alcanzan el rango nanométrico.

El auge experimentado por la investigación en el campo de los nanomateriales en los últimos años pone de manifiesto las potenciales aplicaciones de estos materiales en muy diversos sectores tanto de la sociedad como de la industria a continuación se detallarán las características por las cuales surge el interés de la investigación de este tipo de materiales.

FUNDAMENTO TEÓRICO

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1.1 NANOCIENCIA Y NANOTECNOLOGÍA

La nanociencia y la nanotecnología son nuevas herramientas para la investigación, la innovación y el desarrollo a partir del control de la estructura fundamental y el comportamiento de la materia a nivel atómico, se utiliza para generar nuevas propiedades y usos, como: la inclusión de nanopartículas para reforzar materiales, la mejora de propiedades de materiales diseñados para trabajar en condiciones extremas, la investigación para detectar y neutralizar la presencia de microorganismos o compuestos químicos adversos. (1)

La nanociencia es el estudio de átomos, moléculas y objetos cuyo tamaño se mide a escala nanométrica (de 1 a 100 nanómetros), el término está referido a nivel milímetros como la millonésima parte. De otra forma, el nano es una mil millonésima del metro. Otra comparación es un milímetro es a un kilometro lo que el nanómetro es a un milímetro (2).

La nanotecnología es un campo de las ciencias aplicadas dedicado al control y manipulación de la materia a una escala nanométrica. Lo más habitual es que tal manipulación se produzca en un rango de entre uno y cien nanómetros (3).

La nanotecnología engloba los campos de la ciencia y la técnica que estudian, obtienen y manipulan de manera controlada materiales, sustancias y dispositivos de muy reducidas dimensiones. Entre sus numerosas aplicaciones se pueden citar

el desarrollo de energías, materiales y procesos no contaminantes, y la construcción de diminutos robots que navegan por nuestras arterias, de ordenadores del tamaño de una mota de polvo y de tejidos inteligentes autorreparables. (4)

La nanotecnología promete soluciones nuevas y más eficientes para los problemas ambientales, así como muchos otros enfrentados por la humanidad. (5). La nanotecnología se caracteriza por ser un campo esencialmente multidisciplinar unificado exclusivamente por la escala de la materia con la que trabaja. Para comprender el potencial de esta tecnología, es clave tener en cuenta que las propiedades físicas y químicas de la materia cambian a escala nanométrica, lo cual se debe a efectos cuánticos. La conductividad eléctrica, el calor, la resistencia, la elasticidad, la reactividad entre otras propiedades, se comportan de manera diferente en sistemas de nanopartículas que en los mismos materiales cuando están constituidos por partículas de mayor escala (6).Ésta tecnología tiene como base ciertos objetivos, como por ejemplo, el colocar cada átomo en el lugar más adecuado, intentar que casi toda estructura sea consistente con las leyes físicas y químicas, pudiendo especificarlas y describirlas a nivel atómico y lograr que el coste de fabricación no supere el coste de las materias primas utilizadas y la energía que se utiliza durante el proceso (7).La nanotecnología ofrece un enorme rango de aplicaciones potenciales que van desde la electrónica, las comunicaciones ópticas y los sistemas biológicos, hasta los nuevos materiales. (8)

La figura 1.1.1 muestra una comparación entre las diferentes escalas, utilizando distintas entidades biológicas, en donde se puede notar que las nanopartículas son los cuerpos más pequeños y estas pueden caber dentro de todos los demás cuerpos, por ejemplo, las bacterias, las células e incluso el ser humano. De esta forma estas pueden interactuar de manera positiva o negativa lo que ha estado bajo investigación ya por un par de décadas.

Figura 1.1.1.Escala física de algunas células y organismos. (8)

1.2 ORIGEN DE LAS PROPIEDADES EN NANOMATERIALES

El término nanomateriales engloba todos aquellos materiales desarrollados con al menos una dimensión en la escala nanométrica. Cuando esta longitud es,

además, de un orden menor que alguna longitud física crítica, tal como la longitud de Fermi del electrón, como la longitud de un monodominio magnético, eléctrico etc., aparecen propiedades nuevas que permiten el desarrollo de materiales y dispositivos con funcionalidades y características completamente nuevas. En esta área, por lo tanto, se incluyen agregados atómicos (clusters) y partículas de hasta 100 nm de diámetro, fibras con diámetros inferiores a 100 nm, láminas delgadas de espesor inferior a 100 nm, nanoporos y materiales compuestos conteniendo alguno de estos elementos. La composición del material puede ser cualquiera, si bien las más importantes son: silicatos, carburos, nitruros, óxidos, boruros, seleniuros, teluros, sulfuros, haluros, aleaciones metálicas, intermetálicos, metales, polímeros orgánicos y materiales compuestos. (1)

1.3 CLASIFICACIÓN DE LOS NANOMATERIALES

Nanocompuestos: Se trata de materiales creados introduciendo en bajo porcentaje de nanopartículas en un material base llamado matriz. Con el resultado se obtiene materiales con propiedades distintas a las de los materiales constituyentes. Por ejemplo, propiedades mecánicas (como la rigidez y la resistencia). Un ejemplo de éstos, son los nanopolímeros usados para relleno de grietas en estructuras afectadas por sismos.

Nanopartículas: Las nanopartículas son porciones de materia diferenciadas del medio donde se encuentran y cuya longitud, en al menos en una de sus dimensiones está entre 1 y 100 nm. A partir de esta definición las nanopartículas pueden clasificarse las siguientes categorías.

- Nanopartículas de origen natural:

Algunas son de origen biológico, como por ejemplo muchos virus y bacterias y otras son de origen mineral o medioambiental como las que contiene el polvo de arena del desierto o las nieblas y humos derivados de la actividad volcánica o de los fuegos forestales.

- Nanopartículas generadas por la actividad humana

Las nanopartículas consecuencia de la actividad humana pueden ser generadas de forma involuntaria o deliberada.

- Las nanopartículas producidas de forma involuntaria: son las que se producen en ciertos procesos industriales bien conocidos, tales como la pirolisis a la llama del negro de carbono, producción de materiales a gran escala por procedimientos a altas temperaturas (como el humo de sílice, partículas ultrafinas de óxido de titanio y metales ultrafinos), procesos de combustión (diesel, carbón), obtención de pigmentos, o en procesos domésticos (barbacoas, humos de aceite).

- Las nanopartículas generadas deliberadamente se producen mediante las llamadas nanotecnologías. Son ejemplos de ellas las derivadas de la arcilla para reforzar y aumentar la resistencia del plástico, utilizadas en la fabricación de resinas para acabados del exterior de vehículos, y las que modifican propiedades ópticas de algunos materiales que se utilizan en cosmética.

En la siguiente imagen se muestra la preparación de nanopartículas (NPs) metálicas con propiedades plasmónicas que dan lugar a intensificaciones altas del campo electromagnético como sistemas metálicos mixtos Core/Shell, a nanoprismas triangulares o nanocubos.

Figura 1.3.1. Diferentes sustratos plasmónicos fabricados variando la morfología de las nanopartículas. (9)

Nanotubos: Son estructuras tubulares con diámetro nanométrico. Aunque pueden ser de distinto material, los más conocidos son los de silicio y principalmente, los de carbono. Son tipo canuto o de tubos concéntricos (o multicapa). Algunos están cerrados por media esfera de fullereno, una forma estable del carbono, del nivel siguiente al del diamante y el grafito.

En la siguiente imagen se muestran distintas estructuras de nanotubos de carbono tanto en monocapa como en multicapa los cuales brindan diferentes propiedades.

Figura 1.3.3. Diversas estructuras de nanotubos de carbono. (10)

Superficies nanomoduladas: Son ordenadas o multicapa.

Materiales nanoporosos:Los materiales nanoporosos vendrían a ser como esponjas pero con poros nanométricos, materiales en donde los poros ocupan una gran fracción de su volumen total y presentan una significativa cantidad de superficie por gramo. En un material tan poroso en un área tan pequeña muchas reacciones ocurren más rápido sobre determinadas superficies, de tal manera que se pueden rellenar los poros con lo que queramos: polímeros, metales o diferentes

tipos de moléculas lo que lleva a descubrir peculiares comportamientos del material. Esta posibilidad de combinación de materiales abre las puertas a una variedad asombrosa de aplicaciones.

Principalmente hay de sílica y alúmina. Usados, por ejemplo, para captura de elementos nocivos.

En la siguiente figura se tienen ejemplos de materiales nanoporosos producidos.

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