NANOTECNOLOGÍA Y SUS TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN

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Universidad Estatal de Milagro

Maestría en Química Aplicada 2da. Cohorte

Asignatura: Química Orgánica

Autores: Christian Miguel Villavicencio Yanos

Oswaldo Francisco Villacis Caicedo

Nanotecnología y sus Técnicas de Caracterización

Docente: Dra. Carmen Sagrario Hernández Domínguez

Fecha de entrega: Jueves, 12 de agosto de 2021

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NANOTECNOLOGÍA Y SUS TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN

Resumen

La nanotecnología se expone como una nueva área de investigación en el análisis de los materiales donde se engloban diversas ramas del conocimiento que otorga el estudio de fenómenos que puede ocurrir a un nivel atómico como molecular. Su importancia está en que dentro del mundo nanométrico los materiales pueden conseguir o destacar propiedades diferentes en comparación a las que poseen en la escala macroscópica. (Mendoza U. & Rodríguez-López, 2007)

La nanotecnología ya está beneficiando áreas tales como el cuidado de la salud, el medio ambiente, la industria energética y la seguridad nacional. Estos son solo algunos ejemplos del uso de la nanotecnología para mejorar nuestro mundo: permite apuntar con precisión a las células cancerígenas dentro del organismo; eliminar contaminantes del agua en la tierra y en el suelo; mejorar el desempeño de los paneles solares; mejorar la detección de armas químicas y biológicas y evitar la infección de heridas. Los científicos y las empresas están explorando nuevas maneras en que la nanotecnología puede ayudar a solucionar los problemas de la sociedad y mejorar los productos. (Molins, 2008)

Definición y características de la Nanotecnología

En simples términos, nano es un prefijo griego que significa “enano” y al emplearlo denota una amplia gama de elementos cuyas dimensiones son de una millonésima parte de un milímetro  Al mencionar objetos de esa magnitud, sólo puede relacionar a un ínfimo universo de átomos y moléculas. La nanotecnología es el diseño, caracterización y aplicación de estructuras, dispositivos y sistemas complejos mediante el control de la forma, el tamaño y las propiedades de la materia a escala nanométrica. Entre las disciplinas en donde puede converger la nanotecnología se encuentran la química, la física, la biología, la medicina y la ingeniería, entre otras. (Mendoza U. & Rodríguez-López, 2007)[pic 4]

Dentro de la historia las referencias iniciales a la nanotecnología fueron presentadas por el físico norteamericano Richard Feynmann. El término “nanotecnología” fue usado por primera vez en 1974 por Norio Taniguchi, un investigador de la Universidad de Tokio, quien señalaba así la capacidad de manejar materiales a nivel nanométrico. (Mendoza R. & Avalos B., 2020)

La nanociencia y la nanotecnología han crecido de manera exponencial alrededor del mundo y a través del tiempo desde el nacimiento de tales conceptos, los cuales se remontan al discurso de Feynman en diciembre de 1959 en la reunión de la American Physical Society, donde él preguntó: “¿Qué ocurriría si los seres humanos pudieran ordenar los átomos uno por uno de acuerdo a su preferencia?" Desde aquel discurso hasta la actualidad se ha trabajado e investigado mucho en lo relacionado a partículas a escala de nanómetros, por distintos motivos, pero principalmente, por la disponibilidad de distintos métodos innovadores de síntesis de nanoestructuras y consecuentemente, por el mejor entendimiento de las propiedades eléctricas, ópticas, magnéticas, etcétera. Por otro lado, las técnicas a establecidas de caracterización como microscopía electrónica, microscopía de sonda de barrido, cristalografía y espectroscopia han provisto poderosas herramientas para el estudio de las nanoestructuras. Sin embargo, los mencionados avances sintéticos y de caracterización de materiales nanoestructurados no son suficientes, y han obligado a la comunidad científica a innovar o combinar las características de distintos métodos de caracterización, para de este modo comprender los factores que afectan el desempeño de estos materiales. (Yury, 2006), (Mao, 2006)

Los materiales presentan comportamientos atípicos en comparación con los átomos de los que están hechos, y al material de gran volumen con el que estamos familiarizados. Por ejemplo, las partículas nanómetricas de oro, en lugar de presentar el familiar color que denominamos dorado, aparecen en colores rojo o azul o de otro tipo, en función de su tamaño exacto. Y también tienen propiedades eléctricas diferentes a las del oro a granel que se utiliza en joyería o en los dispositivos electrónicos. Otro ejemplo, los nanotubos de carbono que se hacen del mismo material que el grafito en la mina de los lápices, son increíblemente fuertes en lugar de frágiles, y también tienen propiedades eléctricas diferentes dependiendo de la forma precisa en que los átomos se unan. Como científicos biomédicos, estamos interesados en la nanotecnología porque pensamos que podemos usar estos nuevos materiales para hacer mejores dispositivos de diagnóstico de enfermedades o para mejorar los agentes de visualización que se utilizan para las pruebas de resonancia magnética, e incluso administrar los medicamentos con una mayor eficacia. ([INSHT], 2015)

Usos y Beneficios de la Nanotecnología

La nanotecnología conforma a la siguiente generación de innovación en la ciencia y la ingeniería que transformará a diversos ámbitos, como lo son: el aeroespacial, la energía, las tecnologías de la información, la medicina, la defensa nacional y el transporte. La nanotecnología permitirá el desarrollo de la siguiente generación de materiales que son más fuertes, livianos y duraderos que los materiales usados actualmente en edificios, puentes, aviones, automóviles y otras aplicaciones. (Mendoza U. & Rodríguez-López, 2007)

Esta nueva era representa una gran promesa para crear productos para un mundo más eficiente en cuanto a energía, como celdas de combustible, baterías y paneles solares más eficientes. La nanotecnología puede brindar soluciones para limpiar terrenos y aguas contaminados, y jugará un papel crítico en la transformación de la medicina. (Foladori & Invernizzi, 2005)

En cuanto a la salud, gracias a las nuevas tecnologías se ha logrado desarrollar novedosas herramientas para la detección y tratamiento del cáncer, vendajes que evitan infecciones, mejoras en la tecnología para la generación de imágenes, entre otras (Foladori & Invernizzi, 2005).

La nanotecnología permite establecer un ambiente más limpio mediante el uso de nuevos métodos de purificación de agua y la remoción de los contaminantes del agua en la tierra y en el suelo. Las innovaciones en la energía forman parte de este gran cambio, como los paneles solares más eficientes, las turbinas eólicas más fuertes y livianas, autopartes más livianas y un rendimiento del combustible mejorado están impulsadas por la nanotecnología. (Foladori & Invernizzi, 2005)

Caracterización de Materiales Nanoestructurados

La ciencia y tecnología de los materiales ha llegado a un punto en el cual las estructuras y materiales pueden ser construidos átomo por átomo (Mao, Nanomaterials characterization: Structures, compositions, and properties, 2006). Pero a la fecha, uno de los retos de mayor importancia en el área de nanotecnología y nanociencia es comprender la relación entre la composición inicial, la cual puede controlarse, con la estructura resultante y las propiedades de un material diseñado a nanoescala que tiene un desempeño superior o único (Yao & Wang, 2005). A continuación, se describen las técnicas más utilizadas en la caracterización de estos materiales.

1. Microscopía Electrónica (EM)

La microscopía electrónica es una de las herramientas más eficaz para la caracterización e investigación de nanoestructuras, incluso sirve para identificar las condiciones óptimas de síntesis de materiales a nanoescala, así como el entendimiento de su estructura (Mao, 2004). La generación de la imagen en esta técnica es gracias a la utilización de una fuente de electrones de alta energía, los cuales se enfocan para generar un haz con un tamaño de foco de aproximadamente  (Cao, 2004). Dado a que los electrones golpean y penetran la superficie de la muestra ocurren un número de interacciones que resultan en la emisión de electrones y fotones de la muestra, y que posteriormente son recolectados y procesados para formar una imagen. No obstante, el uso de electrones puede llegar a ser una técnica destructiva para algunos materiales, tales como polímeros o materiales biológicos (Mao, 2004) (Cao, 2004). [pic 5]

1. Microscopía Electrónica de Barrido (SEM)

La microscopía electrónica de barrido o SEM (por sus siglas en inglés), es indudablemente la técnica más ampliamente usada de la EM. La popularidad de esta técnica radica en varios factores (Mao, 2004), (Sawyer, Grubb, & Meyers, 2008), mencionados a continuación:

• La versatilidad de sus distintos modos de obtención de imágenes.
• La excelente resolución espacial que actualmente puede alcanzar.
• Los requerimientos comúnmente poco complicados para la preparación y acondicionamiento de la muestra.
• La relativa facilidad de interpretación de imágenes.
• La accesibilidad de técnicas espectroscópicas y de difracción asociadas.

En lo que respecta al poder de magnificación de esta técnica, pueden obtenerse imágenes del orden de  hasta mayor de , este extenso rango permite la visualización a escala nanométrica (Yao & Wang, 2005). [pic 6][pic 7]

En relación a las interacciones que se presentan entre el espécimen y el haz de electrones, estas pueden ser divididas en dos categorías:

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