1er conversatorio del ciclo b2011 La Nanociencia y la Nanotecnología

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Dictado por el Dr. Noburo Takeichi de la UNAM (México)
Correo: takeuchi@cnyn.unam.mx ; cienciapumita@hotmail.com
Lugar Universidad de los Andes Facultad de ciencias Auditorio A10
Día sábado, 08 de octubre

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1er conversatorio del ciclo b2011 La Nanociencia y la Nanotecnología

  1. 1. Nanociencia y la Nanotecnología Dr. Noboru Takeuchi Centro de Nanociencias y Nanotecnología Universidad Nacional Autónoma de México Campus Ensenada Red "José Roberto Leite" de Divulgación y Formación en Nanotecnología
  2. 2. Centro de Nanociencias y Nanotecnología EducaciónInvestigación Posgrados:Nanoestructuras Física de Materiales CICESEMateriales Avanzados Ciencias e Ing. MaterialesNanocatálisis UNAMFisicoquímica de superficies Ciencias Fisicas UNAMFísica TeóricaBionanotecnología Pregrado Carrera de Nanotecnología Centro de Nanociencias y Nanotecnología UNAM-Campus Ensenada
  3. 3. Nanobots Existen?
  4. 4. Los nanobots como los de laspelículas no existen todavía.Pero si existen la Nanociencia y laNanotecnología
  5. 5. ¿Qué quiere decir nano? Museo de Delicias Chihuahua Nano viene del griego y significa enano ¿Que tan enano es un nano?Nano= 10-9 = 1/mil millonesNanometro: 10-9 metros1metro/mil millones1 milimetro dividido en un millon
  6. 6. Para tener una idea del tamaño de un nanómetro:Diámetro de un cabello humano~75,000 nm,Diámetro de un glóbulo rojo~ 3,000 nmDiámetro del virus de la influenza~ 200 nm
  7. 7. DEFINICIONESNanoestructuras: objetos de tamaño entre 1 y 100nanómetros.La nanociencia estudia las nanoestructuras y losprocesos fundamentales que ocurren en escalas entre1 y 100 nm.La nanotecnología aplicaciones de la nanociencia enproductos utiles.En muchas ocasiones se denomina nanotecnología ala habilidad de controlar la materia átomo por átomo
  8. 8. ¿Qué tiene de especial la nanoescala? Primero hablemos de las propiedades de los materiales macroscopicos Ejemplo: El Oro. Es un metal, buen conductor de la electricidad, maleable Dorado!
  9. 9. mm micrasSi cortamos una moneda de oro a la mitad, sus propiedadesno cambian. Media moneda es metálica, conductora,DORADA.Si repetimos el proceso, las cosas no cambianpodemos llegar hasta las micras sin que se modifiquen laspropiedades del oro.
  10. 10. Si pudiésemos seguir cortando lamoneda,al llegar a los nanómetros nossorprenderíamos: Oro nanoscopico Propiedades distintas!! Depende del tamaño No es dorado
  11. 11. Ventajas de los nanomateriales para las aplicacionesLos nanomateriales tienen un área superficial muy grande,propiedad que presenta ventajas significativas en procesos como laabsorción de la luz y de separación de carga en semiconductores y enla actividad catalitica.Una segunda ventaja de las nanopartículas es la dependencia de suspropiedades ópticas con su tamaño. Cuando los electrones estánconfinados en una partícula muy pequeña (tamaño nanométrico)sólo pueden ocupar niveles de energía bien definidos y la separaciónentre estos niveles de energía depende del tamaño de la partícula.Esto se conoce como el efecto de confinamiento cuántico y en estecaso las nanopartículas se denominan puntos cuánticos. En tercer lugar, los dispositivos basados en nanomateriales puedesser más baratos de fabricar.
  12. 12. METODOS PARA EL ESTUDIO DE LAS NANOESTRUCTURAS
  13. 13. Los microscopios Resolución α λ Luz visible λ ~3800-7800 Å Centro de Nanociencias y Nanotecnología UNAM-Campus Ensenada
  14. 14. Microscopios electrónicos Debido a la dualidad partícula onda los electrones tienen propiedades ondulatorias La longitud de onda del electrón es de aproximadamente λ ~0.5Å Se puede tener resoluciones atómicas Centro de Nanociencias y Nanotecnología UNAM-Campus Ensenada
  15. 15. Microscopio electrónico de Transmisión(TEM) Nanoestructuras de 0D Centro de Nanociencias y Nanotecnología UNAM-Campus Ensenada
  16. 16. Microscopio electrónico deBarrido (SEM) NO TIENE RESOLUCION ATOMICA Centro de Nanociencias y Nanotecnología UNAM-Campus Ensenada
  17. 17. Microscopio de tunelamientoelectronico (STM)
  18. 18. Se basa en el efectotunel(efecto cuantico)
  19. 19. Scanning tunneling microscope
  20. 20. Con el STM podemos ver los átomos Cada punto brillante corresponde a un átomo
  21. 21. Muchas veces no es posible identificar losátomos en los microscopiosSimulaciones por computadora:Cálculos de primeros principios (ab initio)
  22. 22. Crecimiento en la capacidad de cómputo Nuevos métodos de cálculo, problemas 16 más complicados 10 15 Petaflop IBM Roadrunner 10 IBM Blue Gene L 14 10 NEC Earth Simulator 13 10 Intel ASCI White Teraflop Intel ASCI Red 12 10 Hitachi CP-Pacs 11 Intel Fujitsu NWT 10Flops NEC SX3 TM CM5 10 10 Cray2 ETA 10 Gigaflop 9 Cray XMP 10 Cray1 8 CDC-Cyber205 10 CDC7600 CDC-Star100 7 10 CDC6600 6 10 IBM7030 5 10 1960 1970 1980 1990 2000 2010 Año
  23. 23. Computadora RoadrunnerLos Alamos National Laboratory1.105 petaflop/s
  24. 24. Synapsys in the brain 1015
  25. 25. 1997Se decia que el ajedrez era un juego tancomplicado que necesitaba de la inteligenciahumana y que una computadora jamas podriavencer a un buen jugador.
  26. 26. 2010 80 Teraflops
  27. 27. Que sigue?
  28. 28. EspectroscopíasInfrarroja Radiación inicidente Radiación salienteRamanUltravioletaAuger Muestra
  29. 29. Infrarroja Si iluminamos nuestra muestra con radiación infrarroja de una determinada frecuencia, podemos observar que en algunos casos la radiación es absorbida casi completamente. Sabemos que a cada frecuencia de la luz le corresponde una energía. Si la radiación es adsorbida para una frecuencia particular cuando pasa por la muestra, significa que la energía es transferida al material, cambiando el modo de vibración de las moléculas. La frecuencia depende del enlace de la molecula
  30. 30. Espectro infrarrojo del Formaldehido, H2C=O
  31. 31. Raman Se hace incidir radiación de una sola frecuencia (normalmente de un láser) sobre una muestra. Se mide entonces la frecuencia de la radiación saliente, la cual pude ser igualRadiación inicidente Radiación saliente o diferente a la frecuencia de la radiación incidente. En el segundo caso, el cual es el que nos interesa, la molécula termina vibrando en un modo diferente. Muestra A partir de la diferencia de frecuencias podemos obtener información sobre las moléculas y su estado
  32. 32. Espectro Raman de Caucho de Estireno/Butadiene.
  33. 33. Hay muchas otras espectroscopias:AugerUVRayos X
  34. 34. METODOS DE FABRICACION DE NANOESTRUCTURAS• METODOS FISICOS• METODOS QUIMICOS• METODOS BIOLOGICOS
  35. 35. Otra vez el:Microscopio de tunelamientoelectronico (STM)
  36. 36. Pagina web de la IBMCon el STM se puedenmanipular o moveratomo por atomoEjemplo:Palabra Atomoen caracteres kanjiFe sobre Cu:
  37. 37. Se acerca laEsta es la forma como se puntapueden mover losátomos con el STM
  38. 38. Creacion de un corral cuantico usando el STMProf.Saw HlaU. Ohio
  39. 39. Se puede usar el STM para fabricar dispositivosMediante la inyección deelectrones a la moléculade la clorofila, éstaadquiere cuatroposiciones diferentes quevarían de lineal acompletamente curvada,las cuales pueden sercontroladas, creando asíun interruptor molecularde cuatro pasos conprecisión atómica.
  40. 40. Crecimiento MBE, Epitaxia de haces moleculares:
  41. 41. hay un control capa por capa En forma similar a como se pinta con un aerosolpintamos lassuperficies conatomos
  42. 42. Litografía y Nanolitografía Litografía se refiere a la impresión con tinta de una imagen grabada en Luz una matriz o molde de piedra sobre un papel. Lente condensador Los “chips” de computadoras son fabricados usando un método Máscara llamado fotolitografía. En lugar de tinta se usa luz Lente de enfoque Con luz ultravioleta se tiene líneas de 100 nm de ancho Con luz del extremo ultavioleta se Sustrato tienen lineas de 14 nm Usar electrones en lugar de luz
  43. 43. Nanolitografia usando una punta de unmicroscopio de fuerza atomica Punta del AFM Dirección de escritura Sustrato
  44. 44. METODOS DE FABRICACION DE NANOESTRUCTURAS• METODOS FISICOS• METODOS QUIMICOS• METODOS BIOLOGICOS
  45. 45. Los métodos físicos son muy caros.En la década de los 90 se comenzaron a usarmétodos químicos- para fabricarnanopartículas en forma fácil y económica.Muchos de los métodos tradicionales de laquímica resultaba en la fabricación denanoestructuras
  46. 46. Método de microemulsiones. Aceite Surfactante Agua o detergenteNo se mezclan Microemulsiones
  47. 47. Se disuelven los reactivos adecuados (A y B) endiferentes micoremulsiones cada uno. Por ejemplo, siqueremos fabricar nanopartículas de oro, A podríasería una sal de oro, y B un reductor.Hydracine N2H2
  48. 48. Ha sido aplicada para fabricar partículas metálicas puras (Pt, Pd, Ir, Rh, Au, etc), binarias (Pt/Pd, Pt/Ru, Pt/I, etc) y también pude ser usada para fabricar nanopartículas multimetálicas.Nanopartículas de rutenio fabricadas por el método de micoremulsiones.
  49. 49. Metodo de Aspersión Pirolítica o spray pyrolysis Solución Gas inerteSobre un sustrato (metal,vidrio, etc) colocado dentrode un calefactor al cual se lepuede graduar latemperatura.Le hacemos incidir un spray Superficie dondeformado por un gas portador se crece la(inerte al sistema) más una nanoestructurasolución que contiene una Calefactorsustancia, la cual aldescomponerse sobre lasuperficie del sustrato,producirá la naonopartícula.
  50. 50. Imagen de microscopía electrónica de transmisión de un nanotubo decarbón fabricado con spray pirólisis.
  51. 51. METODOS DE FABRICACION DE NANOESTRUCTURAS• METODOS FISICOS• METODOS QUIMICOS• METODOS BIOLOGICOS
  52. 52. En la búsqueda por hacer más eficiente y barata lafabricación de nanoestructuras, se está explorando eluso de organismos vivos, los cuales se pretenden queremplacen las herramientas de alta tecnología queusamos actualmente.
  53. 53. Materiales nano-estructurados y la biología Nanoestructuras que se encuentran en los seres vivos
  54. 54. Materiales nano-estructurados Nanoporos Poros o cavidades de tamaños nanoscópicos
  55. 55. En los seres vivos tenemosLas diatomeas son formas microscópicas unicelulares de vida marinaEl cuerpo celular de las diatomeas está encerrado por paredes de sílice (óxido desilicio), las cuales constituyen una especie de “esqueleto” que recibe el nombre defrústula.
  56. 56. NanotubosDiámetro dealgunosnanómetros
  57. 57. En los seres vivos tenemos Tubos vasculares
  58. 58. NanopartículasDiámetro dealgunosnanómetros
  59. 59. Virus
  60. 60. Uso de los seres vivos para fabricar nanoestructuras
  61. 61. Plantas J.L Gardea-Torresdey, et al. Nano Letters vol 2, (2008).Nanoestructuras de oro cuando se crecen plantas de alfalfa en un ambiente rico en cloruro de oro
  62. 62. Bacterias Imagen de miscroscopía de varias bacterias magnetostáticas y magnetosomas.
  63. 63. Nanofibras Producidas por Shewanella
  64. 64. El hongo fusarium oxysporum puedesintetizar puntos cuánticos de CdSe conuna alta luminiscencia mediante laincubación en una mezcla de CdCl2 y SeCl4 .
  65. 65. Materiales luminiscentes usando diatomeasLa capacidad de bio-mineralización de las diatomeaspuede ser controlada parafabricar biológicamentemateriales nanoestructurados desilicio y germanio. Investigadorespudieron insertarmetabólicamente metalesforáneos (por ejemplo germanio)en la frústula (de sílice) de lacélula de una diatomea viva paraluego producir copias en formamasiva (aproximadamente unmillón por milímetro desuspensión líquida de cultivo decélula). Estos materiales poseenpropiedades optoelectónicasincluyendo una fuerteluminiscencia en la región azul.
  66. 66. Gracias por su atencióntakeuchi@cnyn.unam.mxcienciapumita@hotmail.com

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