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Nanotecnologia: Nanomateriales y sus aplicaciones

  1. 1. NANOTECNOLOGIA: NANOMATERIALES Y SUS APLICACIONES Luis Christian Criollo Ordóñez Email: lcriollo@est.ups.edu.ec Docente: Ing. René Ávila Email: ravila@ups.edu.ec Ecuador-Azuay-Cuenca Abstract:La nanotecnología apunta a ser la campo el estudio de las nanopartículas resultan muyherramienta que a corto plazo generará los nuevos atrayentes para fabricar nuevos dispositivos yadelantos en ingeniería y por ende será el principal materiales que podrían utilizarse en muchos camposmotor de desarrollo de la sociedad.La investigación de la ingeniería actual, los cuales llegarían a teneraquí mostrada muestra en su primera parte algunos características extremadamente superiores a las deprincipios, características y alcances de la los dispositivos y materiales actuales.nanotecnología, para en base a ello identificar losmás importantes campos de aplicación de esta nueva “Las innovaciones basadas en nanotecnologíatecnología que pretende ser y que ya esta siendo un darán respuesta a gran número de los problemas ylugar en donde convergen las nuevas ideas para el necesidades de la sociedad y suponen un desafíodesarrollo de las actuales y futuras generaciones, ya para las actividades industriales y económicas, hastaque los productos hasta ahora creados representan el punto de que se considera el motor de la próximauno de los mercados con índices de mayor revolución industrial”[2].crecimiento y desarrollo. Éste articulo estaencaminado a proporcionar información sobre la 2. NANOTECNOLOGÍAnanotecnología para así formar un criterio técnicosobre el mismo y así cada uno generar nuestro propio La nanotecnología trabaja en procesospunto de vista. científicos sobre tamaños de un nanómetro, o lo que es lo mismo, en tamaños mil veces más pequeñosPalabras clave:Nanotecnología, Nanociencia, que un cabello humano, lo que le permite trabajar conNanomateriales átomos, moléculas y células. La nanotecnología se inserta directamente en el campo del diseño, lo que1. INTRODUCCIÓN quiere decir, que conforman y sintetizan materiales a través del control de la materia ananoescala para En los últimos años, los avances en el desarrollo construir nanopartículas que tengan diferentescientífico a escala atómica han permitido fortalecer un utilidades a las de la materia original. Lanuevo conocimiento, la nanotecnología, una ciencia nanotecnología aprovecha los nuevos fenómenoscon carácter transdisciplinario con la posibilidad de físicos relacionados con los efectos cuánticos que seconverger con otros tipos de conocimientos.“Todo lo presentan a esa escala de manipulación de laque nos rodea, desde nuestros seres queridos a los materia.La nanotecnología es una nueva tecnologíabienes de consumo, está hecho de tan sólo 90 convergente, lo que quiere decir que puede sersustancias simples, a las que llamamos elementos relacionada con otros tipos de conocimientos, lo quequímicos, que no pueden descomponerse en otras estimula a que aumente la potencialidad de susmás sencillas”[1].Lo citado anteriormente sin duda es aplicaciones.una gran limitante para el avance de la tecnología eimpide conseguir grandes innovaciones para el “Las propiedades electrónicas, magnéticas,desarrollo de la sociedad. Pero sin duda es uno de ópticas o mecánicas de las nanopartículas son muylos puntos de partida y de despegue de las sensibles asu tamaño y se pueden modificar variandonanociencias. la forma y dimensiones del compuesto. Por este motivo las nanopartículas resultan muy atractivas Inicialmente el articulo se fundamenta en el para fabricar dispositivos electrónicos y estánprincipio de que propiedades tanto electrónicas, destinados a tener un papel estelar en las nuevasópticas, mecánicas o magnéticas de las tecnologías del siglo XXI”[3].Este es el principio denanopartículas son sensibles a su tamaño y se toda esta revolución llamada nanotecnología, ypueden modificar variando su forma y dimensiones, aunque el premio Nobel de Física 1965 Richardesto se debe a que a este nivel de manipulación del Feynman planteó una idea sobre la manipulación deelemento se producen nuevos fenómenos físicos la materia a escala manométrica en su famosarelacionados con los efectos cuánticos los cuales son conferencia llamada En el fondo hay espacio delos que causan la variación de las propiedades de la sobra, tuvo problemas ya que en esa época no teniamateria. Es aquí donde toma gran importancia las los recursos tecnológicos para hacerlo, a pesar denanociencias y nanotecnologías ya que en este
  2. 2. ello, su idea quedó y por ello se lo llama el padre de obviamente estas nanoparticulas son creadasla nanotecnología. artificialmente en los laboratorios. Además otra de sus particularidades es que poseen características3. NANOCIENCIA propias, es decir que no obedecen a la química cuántica, ni a las leyes de la física clásica. “La nanociencia es distinta a las otras cienciasporque aquellas propiedades que no se pueden ver a En la actualidad el estudio de las nanopartículasescala macroscópica adquieren importancia, como es un área de intensa investigación científica, debidopor ejemplo propiedades de mecánica cuántica y a una extensa variedad de potenciales aplicaciones.termodinámicas. En vez de estudiar materiales en su Entre los campos mas prometedores están losconjunto, los científicos investigan con átomos y campos biomédicos, electrónicos y ópticos. Aunquemoléculas individuales. Al aprender más sobre las por lo general las nanoparticulas están sirviendo parapropiedades de una molécula, es posible unirlas de el perfeccionamiento e innovación de materiales yaforma muy bien definida para crear nuevos materiales existentes, existen también en el campo de lacon nuevas e increíbles características”[4].Ahora biomedicina nanoparticulas que han demostrado serbien, con el concepto anterior claro podemos definir capaces de eliminar tumores y además deque éstasque las nanociencias se enfocan en el estudio de las son biodegradables y orgánicas.propiedades de los átomos y moléculas, tantopropiedades físicas, biológicas y químicas de lasnanoparticulas, además de la forma de producirlos yla manera de ensamblarlos con el fin de poder crearlos nano-objetos.4. IDENTIFICACIÓN DE NANOMATERIALES4.1. Materiales Nanoestructurados Figura 1.Nanopartículas.[6] Una fracción de material comúnmente posee ensu interior moléculas organizadas en granos de 4.2.1. Aplicaciones.dimensiones por lo general de micrómetros ymilímetros de diámetro, estos granos están En la Biomedicina, sirve para la liberación deconstituidos habitualmente con poblaciones de miles fármacos, tratamientos contra el cáncer. En lade millones de átomos. Una misma fracción de Ingeniería como sensores químicos, vidriosmaterial nanoestructurado, posee poblaciones autolimpiables, tintas magnéticas y conductoras. Paragranulares inferiores a un par de miles de átomos y el tratamiento de aguas con procesos fotocatalíticos,en donde los granos moleculares alcanzan un tamaño sirve para recubrimientos textiles repelentes de aguamáximo de 100 nanómetros de diámetro.Entonces, y suciedad. En el área de la electrónica para crearlos materiales nanoestructurados poseen el 0.001 por memorias de alta densidad, pantallas con dispositivosciento de átomos en comparación con un material de emisión basados en óxidos conductores.común de igual volumen, además los granosnanoestructurados son entre mil y cien veces máspequeños que los del material original. Todo esto 4.3. Nanocápsulasconlleva a una mayor ligereza de peso y ahorro demateria, además de las nuevas características que La mayor aplicación de las nanocápsulas estáadquieren y que potencian enormemente el material. sin duda en el campo de la medicina, ya sea para combatir enfermedades o ayudar con la liberación de 4.1.1. Aplicaciones fármacos en puntos específicos dentro del cuerpo humano. Además el desarrollo de las nanocápsulas Cerámicas nanoestructuradas, imanes se enfoca en intervenir las mismas para que sepermanentes de alta temperatura para motores de acumulen en un punto deseado, la principal vía paraaviones; materiales ferromagnéticos, almacenamiento lograr este objetivo es posiblemente modificar lasde información, refrigeración; catalizadores basados propiedades físico-químicas de las nanocápsulas.Laen hidrógeno; materiales para almacenamiento de investigación acerca de las nanocápsulashidrógeno; sensores y actuadores. aspira solucionar los problemas que aparecen, como son los efectos secundarios de los fármacos además4.2. Nanopartículas y Nanopolvos de complicaciones en el tratamiento de la enfermedad. Las Nanopartículas tienen unidades másgrandes que las de los átomos y las moléculas,cuando menos una dimensión menos de los100nm,
  3. 3. optimistas en pocos años fabricar ordenadores basados en nanotecnología. Figura 2.Nanocapsulas.[7] 4.3.1. Aplicaciones “Liberación de fármacos, industria de laalimentación, cosméticos, tratamiento de aguasresiduales, componentes de adhesivos, aditivos Figura 3. Nanotubos de Carbono. [8]aromáticos en tejidos, fluidos magnéticos” [12]. 4.4.1. Propiedades de los nanotubos de4.4. Nanotubos de Carbono Carbono Tal vezuno de los nanomaterialesmas 4.4.1.1. Propiedades eléctricasinteresantes y con mayor potencial de aplicación seanlosnanotubos. Son estructuras cilíndricas con Al tener en cuenta la complejidad electrónica dediámetro nanométrico. Aunque pueden ser de distinto los nanotubos, además de las reglas cuánticas quematerial, los más conocidos son los de silicio pero rigen la conductividad, la conducción en losprincipalmente, los de carbono ya que unas de las nanotubos de carbono se transforma a un tipo deprincipales características de este último sonsu gran conducción cuántica, en ocasiones los nanotubosconductividad, y sus propiedades térmicas y incluso pueden presentar superconductividad.mecánicas. Existen diferentes tipos de estructuras Normalmente en un dispositivo común si separa formar un nanotubo, siendo la estructura, la representa voltaje frente a intensidad de corriente seinfluencia principal que decida las características obtiene una línea recta, o sea, V=IR, cosa diferentefinales como lo son las eléctrica, térmicas o sucede con los nanotubos de carbono y lamecánicas del nanotubo. conducción cuántica que muestra no es directamente proporcional, sino que ahora su gráfica presenta una Debido a laimportancia de los nanotubos, aquí línea escalonada ya que la conductividad de losse presenta brevemente su historia; en 1991 Sumio nanotubos es 3 órdenes de magnitud mayor que la deIijima, descubrió los nanotubos que desde ahíhan los materiales actualmente usados (respecto al cobrerevolucionado la nanociencia. Él encontró un cilindro que es el material mas usado). Su conductividadhueco que se había formado en la punta de un depende de relaciones geométricas, o sea, delelectrodo de grafito, tenía un diámetro de unos pocos número de capas, su torsión o diámetro. Otro aspectonanómetros y una longitud de unas cuantas micras. importante a resaltar es que estos valores además deEstaba hecha de carbono puro, había descubierto los la resistencia del nanotubo no dependen de sunanotubos de carbono. Desde su descubrimiento longitud, a diferencia de lo que ocurre con los cableshasta la actualidad, las aplicaciones reales y normales en donde su resistencia es directamentepotenciales de los nanotubos van creciendo de forma proporcional a su longitud.impresionante. En su conjunto el material constituidoes un perfecto semiconductor por lo que es posible 4.4.1.2. Propiedades mecánicasque los nanotubos de carbono desempeñen elmismo papel que realizo el silicio en los circuitos Actualmente es la fibra más resistente que seelectrónicos en su debido momento, pero ahora a puede fabricar, esta capacidad se debe a laescala molecular, donde los demás semiconductores estabilidad y robustez de los enlaces entre los átomosdejan de funcionar. de carbono. Ahora bien, al hablar de deformación también este nanomaterial posee grandes ventajas ya Estas características auguran que los nanotubos que frente a esfuerzos de deformación muy intensosrepresentan el futuro de los dispositivos en la son capaces de hacerloenormemente y deelectrónica debido a su alta velocidad de mantenerse en un régimen elástico. Esta últimafuncionamiento y además de otros usos relacionados característica también se puede mejorar al hacer queque se les pueden dar. De momento, con los varios tubos se unan como una cuerda, de este modonanotubos de carbono ya se han fabricado al romperse un nanotubo, la fractura no se propagaríacomponentes básicos de los ordenadores, siendo el a los demás nanotubos ya que son independientes.próximo paso, construir circuitos electrónicos y siendo En general, ante pequeños esfuerzos los nanotubos pueden funcionar como resortes extremadamente
  4. 4. firmes o pueden deformarse drásticamente y volver orgánicas, supercondensadores para almacenarposteriormente a su forma original frente a cargas energía, almacenamiento de gases.mayores. En general es común aceptar que losnanotubos son 100 veces más resistentes que el 4.6. Nanofibrasacero, y 6 veces más ligeros. Una nanofibra es una fibra con diámetro menor 4.4.1.3. Propiedades térmicas a 500 nanómetros. “Cuando los átomos de carbono se unen para construir un diamante lo hacen Son enormemente estables térmicamente, tanto mediante cuatro enlaces covalentes y forman unapara valores en el vacío como para mediciones en el rígida red tridimensional que le confiere a la preciadaaire, estas mediciones están referenciadas a valores gema su proverbial dureza. Cuando se unen paraestándarutilizados para la medición de materiales de construir grafito, los átomos de carbono lo hacen acualquier tipo. Además, las propiedades de los través de tres enlaces covalentes situados en unnanotubos pueden modificarse atrapando metales o plano; la estructura sigue siendo muy resistente eninclusive gases en su interior. este plano pero es débil en dirección perpendicular. Una forma de aprovechar esta resistencia es orientar 4.4.2. Aplicaciones estos planos de forma que las direcciones de máximo esfuerzo estén contenidas en ellos. Basta imaginar un Polímeros conductores, cerámicas altamente mil hojas y tirar en la dirección paralela a las hojas entenaces, apantallamientos electromagnéticos, vez de hacerlo en dirección perpendicular. Arrollandocomponentes paramembranas y células solares, estas hojas, como si fueran las de un cigarro puro, senano-osciladores en orden de giga-Hertz, puntas pueden obtener fibras de carbono muy resistentes”[3].nanoscópicas, músculos artificiales. Desde hace tiempo se han venido produciendo4.5. Materiales Nanoporosos fibras de carbono con este material, la cuales se utilizan para fabricar implementos deportivos como Los materiales nanoporosos vendrían a ser como palos de golf, cañas de pescar, para elaborar ciertasesponjas pero con poros nanométricos, materiales en partes de bólidos de fórmula uno o incluso paradonde los poros ocupan una gran fracción de su diferentes partes aviones de combate.volumen total y presentan una significativa cantidadde superficie por gramo. Otra aplicación es la de protección contra bacterias, los agentes que componen la nanofibra Un material tan poroso en un área lo tan absorben los elementos dañinos desconocidos y lospequeña posible sirve para, por un lado, porque descomponen por medios químicos, pero el problemamuchas reacciones ocurren más rápido sobre radica en que se hace difícil desechar los agentesdeterminadas superficies, y por otro, porque podemos tóxicos producidos.rellenar los poros con lo que queramos: polímeros,metales o diferentes tipos de moléculas lo que lleva adescubrir peculiares comportamientos del material.Esta posibilidad de combinación de materiales abrelas puertas a una variedad asombrosa deaplicaciones. Figura 5. Nanofibras[10] 4.6.1. Aplicaciones. “Filtros, tejidos, cosméticos, esterilización, Figura 4. Materiales Nanoporos[9] separaciones biológicas, ingeniería de tejidos, biosensores, órganos artificiales, implantes, liberación 4.5.1. Aplicaciones controlada de fármacos”[12]. Purificar el agua obteniendo la energía para hacerlo por medio de la Catalizadores para reducirla emisión de luz del sol.contaminantes, aislantes, en aplicacionesmedioambientales como purificación de aguas, 4.7. Nanohiloseliminación de contaminantes, atrapadas yeliminación de metales pesados, células solares
  5. 5. Un nanohilo es un cable con un diámetro del derivan, estas propiedades simplemente sonorden de un nanómetro. Los nanohilos pueden ser innumerables ya que el simple hecho de variar ladefinidos como estructuras que tienen un tamaño geometría del material o el hecho de combinar laslateral restringido a diez o menos nanómetros por lo nanoparticulas con distintos tipos de elementosgeneral, aunque científicos turcos en la Universidad pueden resultar finalmente con una característicaBilkent de Ankara están logrando crear nanohilos nueva la cual tendrá un extenso campo para sude15 nanómetros de diámetro y de una longitud libre. aplicación. Los nanohilos debido a su relación longitud– Finalmente, los nanomateriales al ser elementosancho han sido considerados como materiales autoadaptables e inteligentes, significarán unaunidimensionales, por lo que presentan llamativas revolución tal como lo hicieron muchos materialespropiedades que no se han visto en materiales de 3 como el silicio que revolucionó la electrónica en sudimensiones, ya que en estos nanohilos no se momento, pero con la diferencia de que ahora laproducen efectos físicos cuánticos en los bordes. Por nanotecnologia influirá directamente en unello también se los llama hilos cuánticos. sinnúmero de diferentes campos, permitiendo dar grandes avances para la sociedad en un periodo de Existen varios tipos de nanohilos, hilos tiempo relativamente corto.metálicos semiconductores y aisladores, estosdependen del elemento con que se los produzca que 6. REFERENCIASpuede variar desde el níquel a oro, platino, titanio osilicio...“Los electrones, que transmiten la corriente, [1]http://t3innovacion.larioja.org/uploads/media/Innovanecesitan cierta cantidad de átomos juntos para cion-Nanotecnologia.pdf Fecha: 5:06 12/01/2012transmitirse de forma fluida; cuando la anchura de su [2]http://www.opti.org/publicaciones/pdf/resumen10.pcarretera es menor, su movimiento se ve df Fecha: 5:09 12/01/2012obstaculizado por los átomos del borde del material y [3]http://www.rac.es/ficheros/doc/00429.pdf Fecha:se ralentiza”[5].Esto lleva a pensar que se obtendrán 5:10 12/01/2012grandes velocidades de transmisión. [4]http://www.euroresidentes.com/futuro/nanotecnolog ia/recursos_docentes/que_es_nanociencia.htm Fecha: 15:13 11/01/2012 [5]http://www.elmundo.es/elmundo/2011/06/27/nanote cnologia/1309170584.html Fecha: 0:15 12/01/2012 [6] http://copublications.greenfacts.org/es/nanotecnologia s/index.htm Fecha: 23:22 11/01/2012 [7]http://www.vanguardia.com.mx/creannanocapsulas quepodrianservirparatratartumores-500755.html Fecha: 23:20 11/01/2012 Figura 6.Nanohilos[11] [8]http://www.andaluciainvestiga.com/espanol/noticias /7/5968.asp Fecha: 23:27 11/01/20124.7.1. Aplicaciones [9]http://www.andaluciainvestiga.com/espanol/noticias /5/4990.asp Fecha: 23:35 11/01/2012Tiene gran potencial para ser aplicados en [10]http://eliax.com/index.cfm?post_id=4682electrónica, dispositivos optoelectronicos, así como a Fecha: 23:41 11/01/2012dispositivos nanoenectromecanicos. [11] http://blogs.creamoselfuturo.com/nano- tecnologia/2007/02/09/nanolaseres-de-nanohilos/5. CONCLUSIONES 0:21 12/01/2012 [12]http://www.phantomsnet.net/Resources/files/Nano Como se puede ver, el futuro esta basado en los materiales_alta.pdf 15:04 12/01/2012nanomateriales, ya que al ser la nanotecnología unaciencia multidisciplinaria estará prácticamente entodos los aspectos de la vida diaria, inmiscuida encosas que van desde la ropa que vestimos hasta enlos dispositivos electrónicos que usamosdiariamente. Las aplicaciones reales de la nanotecnologia yaestán a la vista, y sus potenciales aplicaciones estánabordando sus últimas fases de desarrollo para quepuedan ser expuestas al mundo sin mayor tipo deriesgos. Losnanomateriales proporcionan nuevas ysupremamente mejores características que la de losmateriales normales originales de las cuales se

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