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CONSEJO SUPERIOR
DE INVESTIGACIONES
CIENTÍFICAS
PREFIJOS DE MEDIDAS
                                             1 Milímetro = 10-3 m
                                    ...
¿Dónde está la nanotecnología?
 Cerebr
  o de
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NANOCIENCIA Y NANOTECNOLOGÍA: ¿QUÉ SON?

La nanociencia se dedica al estudio de
las propiedades de los objetos y
fenómenos...
NANOCIENCIA Y NANOTECNOLOGÍA: ¿QUÉ SON?

El término de “nanotecnología”, es más
empleado que el de “nanociencia”. El
ámbit...
NANOTECNOLOGÍA

“La Nanotecnología es
particularmente importante
para los países en desarrollo,
debido a que involucra poc...
Un circuito integrado: 20 micras             Una molécula biológica:30 nanometros
(1 micra = 1 µm= 0.000 001 m = 10-6 m)  ...
Escala nanométrica
                              (0.2 – 100 nm)




                                Nanotubo
             ...
Nanotecnología
Partículas                         Películas




     Compuestos
PENSAR DIFERENTE: NANO PIONERO
                                                         Richard Feynman
                  ...
.....``There is Plenty of Room at the Bottom''---not just ``There
                      is Room at the Bottom.'' ............
NANOTECNOLOGÍA

A la escala nanométrica, no aplican las reglas ordinarias de la Física y
la Química. Las características d...
Historia

•  1959. Richard Feynman (Premio Nobel en
   1965): “There is plenty of room at the
   bottom” (hay mucho espaci...
“Labors of the Months” (Norwich, England, ca. 1480)
   donde el color rojo es debido probablemente a
   nanopartículas de ...
La copa de Lycurgus (cristal del
            museo británico, siglo 4º) 

  Verde para luz reflejada
  Rojo para luz trans...
Aplicaciones de la Nanotecnología

  herramientas (para ver, manipular e ingeniar en el
nivel atómico)
  materiales (por...
Aplicaciones de la Nanotecnología


•  tecnología electrónica y de información
(incremento del poder de la computación en
...
Productos nanotecnológicos

•  Herramientas que cortan metal;
•  Pelotas de tenis de larga duración;
•  Agente de unión de...
Nanomateriales



•  Comportamiento distinto a los mismos
   materiales a escala macroscópica

  –  Mayor área superficial...
Nanomateriales


• Manipulación y fabricación de
  nanomateriales
  –  Aproximación top-down
  –  Aproximación bottom-up
Bottom-up                                                           Top-Down


                                           ...
Feynman
1959
                                         Corto plazo: Nanocomposites
                                        ...
Ley de Moore (1965): El camino hacia la nada                                               Electrónica


   Doblar el núme...
Tecnología actual:
Partir de lo grande, para construir cosas cada vez más pequeñas




            Nanotecnología
        ...
La Nanotecnología ...tan antigua como el ser humano
   Enzima F1-ATPasa es el motor molecular mas pequeño y eficiente de l...
Primero la ciencia: mecánica cuántica 
               Luego la tecnología: el transistor

     1948
                      ...
Nanotecnología
              Tecnología del siglo XXI
Partir de lo pequeño, átomos, moléculas, para construir algo




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1 µm   1 mm 1 cm




            Nanometros
Nuevas tecnologías para manipular lo más pequeño


         ¿cual es el ladrillo más pequeño?




          Pero... ¿se pu...
Los ojos de la
    nanotecnologia

Microscopías de campo cercano


Ver y manipular objetos a escala nanometrica…
Ver los tornillos de la torre
  Eiffel desde la luna…
Microscopias de campo cercano
  (SPM: scanning probe microscopies)


     resolución atómica, vacío, experimentos muy cont...
STM: El microscopio de efecto túnel
 A principios de los años 80, dos investigadores del
 Laboratorio de IBM en Zürich (H....
¿CÓMO FUNCIONA?

      Una pequeña punta metálica que actúa como una sonda se aproxima a
      la superficie que se desea ...
STM: Ingredientes básicos
(i)  Fenómeno cuántico (efecto túnel)
(ii)  disponer de puntas afiladas,
(iii) tener control (pi...
Si recorremos la superficie con la punta, sin contacto alguno entre
       ambas, podemos medir la topografía de la misma ...
Ultra alto vacío
Los hijos del STM ... SPMs


La técnica STM conlleva una pequeña revolución: el controlar
movimientos a escala atómica. (“...
SPM: LAS HERRAMIENTAS HIJAS DEL STM

Gracias al nanocontrol han surgido una serie de herramientas que son
capaces de obser...
AFM: El microscopio de fuerzas atómicas.
Entre las diversas herramientas SPM quizás es el AFM el que ha tenido
más éxito, ...
El microscopio AFM posee diversos modos de funcionamiento. Se
pueden adquirir imágenes sin contactar con la superficie (mo...
AFM




             Laser
Detector
fotodiodo
AFM




             Laser
Detector
fotodiodo
AFM
                     Enorme versatilidad

                           Diferentes ambientes:
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AFM
                     ¿Qué tipo de fuerzas podemos estudiar?

                                  Van der Waals


       ...
AFM




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El AFM es más versátil, puede trabajar en peores condiciones...
Superficie de un nuevo           Imágenes de bacterias
biomaterial
      Ti-15Zr-4Nb



                    AFM



        ...
AFM: El microscopio de fuerzas atómicas.




                          Imagen de virus PHI29 sobre vidrio


              ...
AFM para la Nanobiotecnología
  Estudio de biomoléculas
  Uso de AFM para estudiar desplegamiento
    de proteínas ante un...
OTRAS NANOHERRAMIENTAS DE LA FAMILIA SPM

Si la punta ubicada sobre la palanquita es magnética, entonces detecta
señales m...
Pero ver no es manipular ...

    ¿Por qué sólo máquinas para ver? ¿Es posible usar estas máquinas
             para modif...
¿Es posible usar estas máquinas para modificar a escala atómica?


   La respuesta es sí, podemos modificar a pequeña esca...
STM: UNA HERRAMIENTA PARA VER Y PARA MANIPULAR

El microscopio STM permite ver lo que ocurre en una superficie. Pero para
...
También se ha
logrado usar la punta
como una
“nanopinza” para
mover átomos uno a
uno o para oxidar de
forma controlada
reg...
Grupo de Eigler
¡El método funciona! La punta actúa como una
pinza que deposita el átomo en el lugar elegido.




         Logotipo de IBM...
Ejemplos
IBM

                          Atomos de Xe sobre una superficie de Ni




           Hombre de monoxido de carbon...
Diferentes formas
   de “interactuar”


Modos:
•  en el caso a), la punta tira de la muestra (es el
caso del Xe);
•  en el...
Es posible formar
corrales cuánticos

            http://www.almaden.ibm.com
Todo el quijote cabría en el diametro de 6 pelos
El nanomundo
SPM: STM


 Atomos en la superficie




                           Resolución
                           atómica


Informa...
Si(111) 7x7
          Cada bola es un átomo sobre una superficie de Si




                                                ...
Imagen STM de resolución atómica de la superficie de silicio, Si(111) 7x7

Cada una de las protuberancias corresponde a un...
Imágenes STM
C60 sobre Si (111)
Imágenes STM: moléculas de PTCDA sobre Au




                          PTCDA
                          C24H8O6




~ 80 n...
Clasificación de los nano-materiales
                                (en función de su dimensionalidad)



               ...
Ejemplos de nanomateriales

Nanopartículas

                                                                              ...
¿Qué tiene de especial un nanomaterial?




•  Propiedades electrónicas cuantizadas

• Enorme proporción área/volumen
• Po...
Al disminuir el tamaño del cristal el número de átomos
superficiales es una fracción mayor del total de átomos
Nanomateriales:
    películas, capas y superficies finas



-  Control nanométrico de la estructura de una superficie
-  C...
Nanomateriales:
        nanopartículas y otras nanoestructuras


-  Nanopartícula: partícula inferior a 100 nm
-  Caracter...
Nanomateriales: Puntos cuánticos
                              Quantum dots




-  Nanopartículas de semiconductores (2-10...
Propiedades ópticas: efectos cuánticos en
           partículas de semiconductores

      Nanopartículas fluorescentes
   ...
Nanomateriales: Nanocables
Un nanocable es un cable con un grosor del orden de nanometros




Son estructuras moleculares ...
Nanomateriales: Dendrímeros
-  Polímeros con estructura en forma de árbol (núcleo central se va ramificando)
-  Síntesis i...
Nanomateriales:
              Dendrímeros (árboles moleculares)


-  Versatilidad
-  Vehículos de fármacos (drug-delivery)...
Dendrímeros polipectídicos


Poliprolina          PPI PPII
                     PPI → PPII


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Nanomateriales:
                   Fulerenos y nanotubos de carbono
-    Una o varias capas de grafito plegadas sobre sí m...
Nanomateriales:
    Fulerenos y nanotubos de carbono


-  Fulerenos:

   –  Recuperan su forma tras someterse a alta presi...
Fulerenos a partir de precursores aromáticos por
             ciclodeshidrogenación 
                                Natur...
Partiendo de hidrocarburos policíclicos aromáticos


                            Con presencia de C-H en forma
           ...
Motivación: si fuera topológicamente posible…
        ¿podría llegar a ser un fulereno?

                           C57N3H...
Hidrocarburos
 policíclicos
 aromáticos
ORIGAMI A NANOSCALA
Ciclo-
deshidrogenación
¿Se puede hacer mejor?




Proceso activado por una superficie catalítica
Pt es un modello de catalizador para reacciones d...
Proceso seguido por STM




      Pt(111)




 (100nm
x
100nm)

750K
C60 / Pt(111) sintetizado de deshidrogenación de C60H30
                                                (40.0nm
x
40.0nm)
...
Pasos que llevan a la completa deshidrogenación




Las barreras de energía en los pasos intermedios se vencen con la ener...
Proceso de deshidrogenación
Este mecanismo abre la puerta a:

  •  Síntesis controlada de hetero- y Endo-fulerenos
                       •  Nanotubos...
Nanotecnología
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Nanotecnología

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Conferencia dad por D. Francisca López(CSIC) en el curso "Temas de hoy en Biología y Geología" (CTIF Madrid-Sur) Febrero 2009

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Nanotecnología

  1. 1. CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTÍFICAS
  2. 2. PREFIJOS DE MEDIDAS 1 Milímetro = 10-3 m 1 milésima de metro Mili = 10-3 1 millón de nanómetros ORILLA DE UNA MONEDA 1 Micrómetro = 10-6 m Micra = 10 1 millonésima de metro -6 mil nanómetros LÍNEAS DE CIRCUITO DE CHIP 1 Nanómetro = 10-9 m NANO = 10-9 1 mil millonésima de metro 10 ÁTOMOS DE HIDRÓGENO 10 m -10 Angstrom = 1 Angstrom = 10-10 m 1 billonésima de metro ÁTOMO DE Pico = 10-12 HIDRÓGENO Femto = 10-15 Atto = 10-18
  3. 3. ¿Dónde está la nanotecnología? Cerebr o de rata Tumor
  4. 4. NANOCIENCIA Y NANOTECNOLOGÍA: ¿QUÉ SON? La nanociencia se dedica al estudio de las propiedades de los objetos y fenómenos a escala nanométrica (un nanómetro es la mil millonésima parte de un metro). La nanotecnología trata de la manipulación “controlada” y producción de objetos materiales, instrumentos, estructuras y sistemas a dicha escala. La nanociencia y la nanotecnología son ejemplo de (nano) tecnociencia.
  5. 5. NANOCIENCIA Y NANOTECNOLOGÍA: ¿QUÉ SON? El término de “nanotecnología”, es más empleado que el de “nanociencia”. El ámbito de la escala de trabajo que abarca, usualmente va desde 1 a 100 nanómetros. La nanotecnología opera a nivel atómico y molecular, pero en principio nada impide que el nivel de operación descienda hasta las partículas subatómicas, los “ladrillos del universo”.
  6. 6. NANOTECNOLOGÍA “La Nanotecnología es particularmente importante para los países en desarrollo, debido a que involucra poca labor, tierras o mantenimiento; es altamente productiva y barata; y sólo requiere modestas cantidades de materiales y energía” Del informe “Innovation: applying knowledge in development, report of the UN Millennium Project, Task force on Science, Technology and Innovation”, 2005.
  7. 7. Un circuito integrado: 20 micras Una molécula biológica:30 nanometros (1 micra = 1 µm= 0.000 001 m = 10-6 m) (1 nanómetro = 1nm = 0.000 000 001 m = 10-9 m) De micro a nano Existe ahora la capacidad de mover, manipular y crear objetos de tamaño nanométrico (nanociencia) que podrían ser usados en un futuro cercano para realizar una función específica (nanotecnología) Nanociencia y nanotecnología son áreas de investigación MULTIDISCIPLINARES donde se encuentran la física, química, teoría y biología Nano-magnetismo, Nano-electrónica, Nano-medicina, Nano-biología, Nano-química, Nano-mecánica, Nano-robótica, Nano-fricción, Nano…
  8. 8. Escala nanométrica (0.2 – 100 nm) Nanotubo Hélice α de Enlace C-C Albúmina 0.50 nm carbono 0.15 nm 8 nm 1 nm Membrana celular 10 nm Cabello Eritrocito Virus VIH Nanocable humano típico 8 µm 90 nm 80 µm 10 nm
  9. 9. Nanotecnología Partículas Películas Compuestos
  10. 10. PENSAR DIFERENTE: NANO PIONERO Richard Feynman Foto de Archivo del Instituto de Tecnología de California. “¿Qué pasaría si nosotros pudiéramos arreglar los átomos uno por uno de la manera en que nosotros los queremos?” Richard P. Feynman en: (1959) Richard P. Feynman “hay mucho espacio por debajo” Premio Nobel en Física (1965) por su trabajo fundamental en electrodinámica cuántica, contribución de profundas consecuencias para la física de partículas elementales. http://www.nano.org.uk/people.htm
  11. 11. .....``There is Plenty of Room at the Bottom''---not just ``There is Room at the Bottom.'' .........we are not doing it simply because we haven't yet gotten around to it....... 29 de Diciembre de 1959 en Caltech durante un congreso de la APS Prof. R. P. Feynman La revolución....... No fue hasta 20 años después con el invento de las microscopías de efecto túnel y de fuerza atómica. Dichas microscopías eran los “ojos” y las “manos” que se requerían para estudiar y manipular nanoestructuras.
  12. 12. NANOTECNOLOGÍA A la escala nanométrica, no aplican las reglas ordinarias de la Física y la Química. Las características de los materiales tales como el color, fuerza, conductividad y reactividad, pueden diferir sustancialmente entre la nanoescala y lo macro. Nanotubos de carbono son 100 veces más fuertes que el acero pero seis veces más ligeros.
  13. 13. Historia •  1959. Richard Feynman (Premio Nobel en 1965): “There is plenty of room at the bottom” (hay mucho espacio por debajo) •  1974 Norio Taniguchi – Término de la Nanotecnología •  1970s Litografía de haz de electrones (IBM) •  1982 Microscopio de efecto túnel •  1986 Microscopio de fuerza atómica •  1986 Fulerenos •  1990s Nanotubos de Carbono
  14. 14. “Labors of the Months” (Norwich, England, ca. 1480) donde el color rojo es debido probablemente a nanopartículas de oro embebidas en el cristal.
  15. 15. La copa de Lycurgus (cristal del museo británico, siglo 4º) Verde para luz reflejada Rojo para luz transmitida El cristal contiene pequeñas cantidades de oro (unas 40 partes por millón) y plata (300 partes por millón) que afectan a las propiedades ópticas del material
  16. 16. Aplicaciones de la Nanotecnología   herramientas (para ver, manipular e ingeniar en el nivel atómico)   materiales (por las diferentes propiedades que manifiestan)   dispositivos (para el funcionamiento a nivel nanométrico y en tecnologías más avanzadas)   técnicas para construir estructuras a nanoescala (autoensamblamiento, nanolitografía)
  17. 17. Aplicaciones de la Nanotecnología •  tecnología electrónica y de información (incremento del poder de la computación en pequeño espacio a bajo costo) •  ciencias de la vida (habilidad para trabajar en la escala de los sistemas biológicos) •  energía, procesos, medio ambiente (catálisis, fuentes energéticas limpias)
  18. 18. Productos nanotecnológicos •  Herramientas que cortan metal; •  Pelotas de tenis de larga duración; •  Agente de unión dental; •  Raquetas de tenis más fuertes y ligeras, •  Vendajes para quemaduras y heridas; •  Protectores solares y cosméticos; •  Parachoques en los automóviles; •  Cintas de la grabación magnéticas; •  Unidades de disco duro de la computadora; •  Convertidores catalíticos automovilísticos; •  Vestidos y colchones resistentes a las manchas; •  Cubiertas protectoras que reducen la luz intensa en lentes y autos; •  Pinturas protectoras contra la corrosión, arañazos y radiación.
  19. 19. Nanomateriales •  Comportamiento distinto a los mismos materiales a escala macroscópica –  Mayor área superficial relativa –  Predominio de efectos cuánticos
  20. 20. Nanomateriales • Manipulación y fabricación de nanomateriales –  Aproximación top-down –  Aproximación bottom-up
  21. 21. Bottom-up Top-Down “Descendente ” 0,1 nm 1 nm 10 nm 100 nm 1 µm 10 µm 100 µm 1 mm Nanociencia/nanotecnología “Ascendente” “Descendente” Nano-estructuras Litografía Nanocomposites “Ascendente” Nanolitografía Capas finas Molienda Síntesis química Dendrímeros Destrucción….. Supramolecular Nanopartículas Autoensamblaje Nanoporos Deposición……... Nanotubos Puntos cuánticos…...
  22. 22. Feynman 1959 Corto plazo: Nanocomposites Medio plazo: Nanotubos y Electrónica Molecular Largo plazo: Motores Moleculares Nanotecnología? primer artículo en nanotecnología molecular Drexler 1981 2000 2050 STM AFM 1985 “Descendente” 1991 Nanotubos NANO “Ascendente NNI 2000 ” 2002 National Nanotechnology Initiative
  23. 23. Ley de Moore (1965): El camino hacia la nada Electrónica Doblar el número de transistores por circuito 1 09 transistores integrado cada 18-24 meses 2007 El tamaño de los elementos de los circuitos integrados se reduce a la mitad Aumento del consumo Limitaciones tecnológicas Incremento del costo....... Hemos pasado sin percibirlo de la Micro a la Explorando.... Nanotecnología Litografía de haz electrónico Se necesita una mayor Litografía de rayos X inversión en equipamiento de Litografía de haz iónico fábricas para aumentar en Nuevas aproximaciones............. la miniaturización
  24. 24. Tecnología actual: Partir de lo grande, para construir cosas cada vez más pequeñas Nanotecnología Tecnología del siglo XXI Partir de lo pequeño, átomos, moléculas, para construir algo
  25. 25. La Nanotecnología ...tan antigua como el ser humano Enzima F1-ATPasa es el motor molecular mas pequeño y eficiente de la naturaleza cataliza la reacción de hidrólisis de ATP en ciertas membranas de los sistemas vivos. Hidrólisis ATP F1 14 nm antihorario β F0 8 nm Fuerza > 100 pN Noji y col. Science 1997, 386, 299 17 rps Procesos fisiológicos ADP ATP Motor biomolecular ATP ADP Transforma la energía química del ATP en energía cinética, convierten los cambios estructurales derivados de la hidrólisis del ATP en un movimiento dirigido.
  26. 26. Primero la ciencia: mecánica cuántica Luego la tecnología: el transistor 1948 1959 Dual-Core Intel Xeonprocessor primer circuito integrado con 7100 series, 1.3 billones de un solo transistor transistores crecidos usando nanotecnlogía de Intel primer transistor
  27. 27. Nanotecnología Tecnología del siglo XXI Partir de lo pequeño, átomos, moléculas, para construir algo imitando la naturaleza, como lo hace con los seres vivos...
  28. 28. 1 µm 1 mm 1 cm Nanometros
  29. 29. Nuevas tecnologías para manipular lo más pequeño ¿cual es el ladrillo más pequeño? Pero... ¿se puede ver un átomo?
  30. 30. Los ojos de la nanotecnologia Microscopías de campo cercano Ver y manipular objetos a escala nanometrica…
  31. 31. Ver los tornillos de la torre Eiffel desde la luna…
  32. 32. Microscopias de campo cercano (SPM: scanning probe microscopies) resolución atómica, vacío, experimentos muy controlados resolución molecular (10 nm), aire-liquidos, herrramienta diarias no destructivas amplio rango de barrido cualquier ambiente (vacío, líquido,celda de presion,aire....) Cualquier material (plano) imágenes verdaderamente en 3D
  33. 33. STM: El microscopio de efecto túnel A principios de los años 80, dos investigadores del Laboratorio de IBM en Zürich (H. Rohrer y G. Binnig) diseñaron un equipo relativamente sencillo, con el cual podían observar las superficies de objetos con una resolución sin precedentes. ¡Incluso se podían ver los átomos que forman las superficies! Este equipo se llamó microscopio de efecto túnel y se le conoce por sus siglas en inglés STM (de “scanning tunneling microscopy”). Por este descubrimiento ambos investigadores recibieron el Premio Nobel de Física en 1986. Fotografía del primer microscopio STM construido en los laboratorios de IBM en Zürich. H. Rohrer G. Binnig
  34. 34. ¿CÓMO FUNCIONA? Una pequeña punta metálica que actúa como una sonda se aproxima a la superficie que se desea observar (que es también es conductora de la electricidad). A una distancia pequeñísima (inferior al nanómetro) se establece una débil corriente eléctrica entre la punta y la muestra. Esta corriente, que se debe al llamado “efecto túnel” (¡un fenómeno cuántico!), varía muy rápidamente a medida que cambia la separación entre muestra y punta. Es decir, midiendo cambios de corriente se pueden determinar los cambios de la distancia entre la muestra y la punta. Esto nos permite conocer la topografía de la superficie y determinar las regiones planas, la presencia de escalones, hoyos, montículos e incluso ver átomos. punta A A Voltaje A medida que la distancia punta-muestra crece, se observa como la corriente decrece de forma exponencial. muestra
  35. 35. STM: Ingredientes básicos (i)  Fenómeno cuántico (efecto túnel) (ii)  disponer de puntas afiladas, (iii) tener control (piezoeléctrico) de los movimientos, (iv) sistema razonable de adquisición de datos (v) buena electrónica y software de control.
  36. 36. Si recorremos la superficie con la punta, sin contacto alguno entre ambas, podemos medir la topografía de la misma a partir de la medida de la corriente. Si hay montículos, escalones, átomos…¡los podremos percibir! La punta actúa como una sonda que “palpa” la superficie…¡con resolución atómica! Imagen de una superficie de oro mostrando escalones atómicos (coloreados con diferentes tonalidades).
  37. 37. Ultra alto vacío
  38. 38. Los hijos del STM ... SPMs La técnica STM conlleva una pequeña revolución: el controlar movimientos a escala atómica. (“¡El secreto está en el piezo!”). Eso la convierte en una ‘sonda local’. Bajo esta filosofía han ido apareciendo otro tipo de técnicas microscópicas que en general se denominan SPM (Scanning Probe Microscopy): • AFM: detecta fuerzas a escala atómica y las usa para regular la separación entre la muestra y el detector. • MFM: una variante del anterior que mide fuerzas magnéticas. ¡Nos encontramos en la antesala de la robotización en la nanoscala!
  39. 39. SPM: LAS HERRAMIENTAS HIJAS DEL STM Gracias al nanocontrol han surgido una serie de herramientas que son capaces de observar lo que ocurre en una superficie de forma local y con precisión nanométrica. Todas estas herramientas se engloban bajo el nombre genérico de SPM (del inglés “scanning probe microscopy”). En unos casos se usa corriente como forma de detectar la distancia entre punta y superficie, pero en otros casos podemos utilizar la fuerza (de origen magnético o electrostático), la intensidad de la luz, o incluso la afinidad química entre moléculas, proteínas, etc.. Un microscopio SPM “palpa” la superficie “leyendo” su topografía de la misma manera que los dedos de una persona pueden detectar los montículos que forman el alfabeto Braille.
  40. 40. AFM: El microscopio de fuerzas atómicas. Entre las diversas herramientas SPM quizás es el AFM el que ha tenido más éxito, encontrándose en cientos de laboratorios del mundo como una herramienta imprescindible de caracterización. El AFM detecta la fuerza (la interacción) entre una superficie y un punta que se encuentra al final de una micropalanca (“cantilever”). Cuando la palanca se acerca a la superficie aparecen fuerzas atractivas (de van der Waals) entre ambas y la palanca se dobla. Conociendo la distancia que dicha palanca se flexiona (usando un pequeño haz láser) y aplicando la ley de Hooke, podemos conocer el valor de la fuerza entre punta y muestra. Desplazando la palanquita sobre la superficie podemos hacer un mapa de fuerzas. Esquema del funcionamiento de un microscopio AFM. La palanca se dobla en presencia de una fuerza. La deflexión de la palanca se mide por medio de un haz láser y un fotodetector.
  41. 41. El microscopio AFM posee diversos modos de funcionamiento. Se pueden adquirir imágenes sin contactar con la superficie (modo de no- contacto) y observar la topografía de la muestra. Se puede golpear suavemente la superficie y luego medir la fuerza que necesitamos para despegar la punta de la muestra (midiéndose la fuerza de adhesión). Se puede arrastrar la punta sobre la muestra y realizar un mapa de fuerzas de fricción. Como dato de interés hay que señalar que los microscopios AFM pueden operar en condiciones ambientales diversas (al aire, con diferente humedad, temperatura,…) lo que les hace muy versátiles. También pueden medir en líquidos y esto les abre aplicaciones en biología, donde pueden observar entes biológicos vivos. Un microscopio AFM también permite hacer indentaciones sobre una superficie. En esta imagen se observa una serie de 16 indentaciones creadas sobre una superficie de oro aplicando cada vez más y más carga. Cortesía de A. Asenjo (ICMM-CSIC)
  42. 42. AFM Laser Detector fotodiodo
  43. 43. AFM Laser Detector fotodiodo
  44. 44. AFM Enorme versatilidad Diferentes ambientes: Aire Líquido Vacío Laser Detector Photodiode Todo tipo de superficies, incluso aislantes Muestras desordenadas Escala: de nm a µm
  45. 45. AFM ¿Qué tipo de fuerzas podemos estudiar? Van der Waals Fricción Laser Detector Photodiode Adhesión Magnéticas
  46. 46. AFM Cantilever: palanca + punta El AFM es más versátil, puede trabajar en peores condiciones, tiene muchos modos de trabajo, la muestra no necesita ser conductora, permite hacer mapas de fricción, etc, etc.
  47. 47. Superficie de un nuevo Imágenes de bacterias biomaterial Ti-15Zr-4Nb AFM Célula de Escherichia Coli con flagelos SEM
  48. 48. AFM: El microscopio de fuerzas atómicas. Imagen de virus PHI29 sobre vidrio La imagen superior muestra la topografía del virus. La imagen inferior muestra un mapa de las constantes elásticas en cada sitio del virus.
  49. 49. AFM para la Nanobiotecnología Estudio de biomoléculas Uso de AFM para estudiar desplegamiento de proteínas ante un estrés mecánico
  50. 50. OTRAS NANOHERRAMIENTAS DE LA FAMILIA SPM Si la punta ubicada sobre la palanquita es magnética, entonces detecta señales magnéticas, como las originadas en un sistema de almacenamiento magnético, donde los bits (0,1) corresponden con orientaciones opuestas del momento magnético. Esta sonda SPM se denomina Microscopio de Fuerzas Magnéticas (MFM, de “magnetic force microscopy”). Si la punta es metálica también se pueden medir fuerzas electrostáticas. Si la punta tiene una enzima y la movemos sobre una membrana llena de proteínas entonces podemos medir la interacción enzima-proteína. Dominios magnéticos en FePd observados mediante MFM. Imagen de 2,5 µm x 2,5 µm. Cortesia de A. Asenjo (ICMM-CSIC).
  51. 51. Pero ver no es manipular ... ¿Por qué sólo máquinas para ver? ¿Es posible usar estas máquinas para modificar a escala atómica? Algunas ideas: • Una idea basada en STM: Podemos golpear la superficie con la punta y luego mirar lo que hemos hecho (siendo cuidadosos y no dañando mucho la punta, para poderla usar posteriormente para observar los efectos producidos). • Una idea basada en herramientas ‘convencionales’: usar haces de iones para modificar localmente superficies (FIB), usar luz láser para modificar superficies, usar ataques químicos....
  52. 52. ¿Es posible usar estas máquinas para modificar a escala atómica? La respuesta es sí, podemos modificar a pequeña escala algunas superficies, haciendo marcas hacer marcas a voluntad La montaña tiene 20 nm de diámetro Formación de 2 marcas sobre un substrato de oro.
  53. 53. STM: UNA HERRAMIENTA PARA VER Y PARA MANIPULAR El microscopio STM permite ver lo que ocurre en una superficie. Pero para llegar a desarrollar una verdadera Nanotecnología se debe ser capaz de hacer cosas en la nanoescala (nanofabricar). El microscopio STM permite modificar una superficie haciendo colisionar la punta con la superficie. Logotipo de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) obtenido mediante indentaciones de una punta de STM sobre una superficie de oro. Cada montículo tiene un diámetro de unos pocos nanómetros. Cortesía de J. Gómez Herrero (UAM).
  54. 54. También se ha logrado usar la punta como una “nanopinza” para mover átomos uno a uno o para oxidar de forma controlada regiones de una superficie. D. Eigler y K. Schweizer Almaden IBM Research Lab. (1990)
  55. 55. Grupo de Eigler
  56. 56. ¡El método funciona! La punta actúa como una pinza que deposita el átomo en el lugar elegido. Logotipo de IBM con 35 átomos de Xe sobre Ni. D. Eigler y K. Schweizer Almaden IBM Research Lab. (1990)
  57. 57. Ejemplos IBM Atomos de Xe sobre una superficie de Ni Hombre de monoxido de carbono Cada bola roja, una molécula de CO sobre Pt(111)
  58. 58. Diferentes formas de “interactuar” Modos: •  en el caso a), la punta tira de la muestra (es el caso del Xe); •  en el caso b), la punta empuja a los átomos (es el caso utilizado para mover moléculas) •  en el caso c), los átomos se extraen y depositan en la superficie aplicando a veces un voltaje externo adecuado que promueve el salto de los átomos entre la punta y la muestra.
  59. 59. Es posible formar corrales cuánticos http://www.almaden.ibm.com
  60. 60. Todo el quijote cabría en el diametro de 6 pelos
  61. 61. El nanomundo
  62. 62. SPM: STM Atomos en la superficie Resolución atómica Información topográfica
  63. 63. Si(111) 7x7 Cada bola es un átomo sobre una superficie de Si Periodicidad que se repite Podemos observar vacantes atómicas 100 Å
  64. 64. Imagen STM de resolución atómica de la superficie de silicio, Si(111) 7x7 Cada una de las protuberancias corresponde a un átomo de la superficie. Los agujeros más oscuros corresponden a zonas de ausencia de los átomos más externos.
  65. 65. Imágenes STM C60 sobre Si (111)
  66. 66. Imágenes STM: moléculas de PTCDA sobre Au PTCDA C24H8O6 ~ 80 nm length ~ 30 molecules
  67. 67. Clasificación de los nano-materiales (en función de su dimensionalidad) 2D 1D 0D 3D Sistemas básicos Materiales 3D: Materiales 2D: Materiales 1D: Materiales 0D: cristales superficies hilos, nanotubos nanoparticulas Sistemas periódicos Sistemas 1D: Sistemas 3D: Sistemas 2D: Sistemas 0D: redes de cristales sinteticos multicapas puntos difracción cuánticos
  68. 68. Ejemplos de nanomateriales Nanopartículas 0 D nanopartícula Nanopartícula TiO2 cúbico Nanopartícula Nanopartíula SiO2 Au 13 nm Pt tetragonal nanopartícula Pt cúbico Nanocables 1 D RuO2 nanocable GaAs nanocable Au nano-varilla ZnO nanohélice Nanoestructuras en superficies Nanotubos de C 2 D 3 D superred SAM / Au
  69. 69. ¿Qué tiene de especial un nanomaterial? •  Propiedades electrónicas cuantizadas • Enorme proporción área/volumen • Posibilidad de “mostrar ” funciones moleculares en la superficie, además del “core” • Tamaño similar a objetos biológicos (enzimas, micelas, vesículas) • Las propiedades físicas dependen del tamaño en la nanoescala
  70. 70. Al disminuir el tamaño del cristal el número de átomos superficiales es una fracción mayor del total de átomos
  71. 71. Nanomateriales: películas, capas y superficies finas -  Control nanométrico de la estructura de una superficie -  Creación de patrones nanoscópicos en superficie -  Inmovilización en superficie de nanopartículas -  Objetivo: control propiedades de la superficie como conductividad, capacidad de adsorción, reactividad…
  72. 72. Nanomateriales: nanopartículas y otras nanoestructuras -  Nanopartícula: partícula inferior a 100 nm -  Características distintas al material a escala macroscópica -  Tipos: –  Puntos cuánticos (quantum dots) –  Nanocables –  Dendrímeros –  Fullerenos y nanotubos de carbono
  73. 73. Nanomateriales: Puntos cuánticos Quantum dots -  Nanopartículas de semiconductores (2-100 nm) -  Absorben y emiten radiación a longitudes de onda muy definidas según el tamaño de la partícula y con alto rendimiento cuántico -  Aplicaciones: paneles solares, biosensores, sondas moleculares
  74. 74. Propiedades ópticas: efectos cuánticos en partículas de semiconductores Nanopartículas fluorescentes de CdSe 2-10 nm ¡No cambiamos el COMPUESTO! Cambiamos las propiedades con el TAMAÑO de la partícula Partículas grandes Abs ⇒rojo En metales este fenómeno solo se observa cuando el tamaño es menor que 2 nm (100 hν hν E átomos) ya que entonces la densidad continua de estados electrónicos se rompe en niveles de energía discretos y se pueden observar 2 nm 10 nm transiciones intrabanda.
  75. 75. Nanomateriales: Nanocables Un nanocable es un cable con un grosor del orden de nanometros Son estructuras moleculares con propiedades eléctricas u ópticas. Son uno de los componentes clave para la creación de chip eletrónicos moleculares. Fáciles de producir, estos pueden ser juntados a modo de rejilla y llegan a constituir la base para los circuitos lógicos a nanoescala Usados como semiconductores, diodos emisores de luz (LEDs), ... dependiendo de su composición química.
  76. 76. Nanomateriales: Dendrímeros -  Polímeros con estructura en forma de árbol (núcleo central se va ramificando) -  Síntesis iterativa  distintas generaciones, más alta mayor tamaño
  77. 77. Nanomateriales: Dendrímeros (árboles moleculares) -  Versatilidad -  Vehículos de fármacos (drug-delivery): encapsulación y derivatización superficie -  Biocompatibilidad
  78. 78. Dendrímeros polipectídicos Poliprolina PPI PPII PPI → PPII   La transición entre las fases PPI y PPII incrementa la longitud de la hélice desde 1.9 to 3.1 Å.   La plasticidad de la polipropilina permite modular las propiedades del dendrímero variando la longitud de las ramas en respuesta al medio. Vehículos para transporte de fármacos Los fármacos pueden ser atrapados en la fase PPI y liberados cuando las cadenas pasan a PPII en condidiones fisiologicas E. Giralt et al. (PCB)
  79. 79. Nanomateriales: Fulerenos y nanotubos de carbono -  Una o varias capas de grafito plegadas sobre sí mismas Fulerenos Nanotubos de carbono
  80. 80. Nanomateriales: Fulerenos y nanotubos de carbono -  Fulerenos: –  Recuperan su forma tras someterse a alta presión –  No interacción entre ellos -  Nanotubos de carbono: –  Gran resistencia mecánica –  Flexibles alrededor de su eje –  Gran eficacia como conductor
  81. 81. Fulerenos a partir de precursores aromáticos por ciclodeshidrogenación Nature 454, 865 (2008) http://www.icmm.csic.es/esisna/
  82. 82. Partiendo de hidrocarburos policíclicos aromáticos Con presencia de C-H en forma de anillos aromáticos ¡ Llegamos a formar fulerenos sobre una superficie catalítica!
  83. 83. Motivación: si fuera topológicamente posible… ¿podría llegar a ser un fulereno? C57N3H30 Con o sin N
  84. 84. Hidrocarburos policíclicos aromáticos
  85. 85. ORIGAMI A NANOSCALA
  86. 86. Ciclo- deshidrogenación
  87. 87. ¿Se puede hacer mejor? Proceso activado por una superficie catalítica Pt es un modello de catalizador para reacciones de hidro y deshidrogenación
  88. 88. Proceso seguido por STM Pt(111) (100nm
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100nm)

  89. 89. 750K
  90. 90. C60 / Pt(111) sintetizado de deshidrogenación de C60H30 (40.0nm
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40.0nm)
 C60 comercial / Pt(111) ¡¡ eficiencia 100% !!!
  91. 91. Pasos que llevan a la completa deshidrogenación Las barreras de energía en los pasos intermedios se vencen con la energía térmica del tratamiento a altas temperaturas
  92. 92. Proceso de deshidrogenación
  93. 93. Este mecanismo abre la puerta a: •  Síntesis controlada de hetero- y Endo-fulerenos •  Nanotubos •  Otras estructuras basadas en carbon Fulerenos Hetero-Fulerenos Endohedral-Fulerenos

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