Archivo de abril, 2012

Nanomateriales (3): la fibra ideal

Manuel Elices Calafat (Universidad Politécnica de Madrid; Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales; National Academy of Engineering USA)

 

Nanotubos de carbono

En 1991 Sumio Iijima (Iijima S. (1991) Helical microtubules of graphitic carbon. Nature 354, 56-58), trabajando en un laboratorio de investigación básica en Tsukuba, Japón, descubrió una aguja en un pajar que ha revolucionado la nanociencia. La aguja era un cilindro hueco que se había formado en la punta de un electrodo de grafito. Tenía un diámetro de unos pocos nanómetros y una longitud de unas cuantas micras. Estaba hecha de carbono puro. Era un nanotubo de carbono.

Desde su descubrimiento hasta nuestros días, las aplicaciones de los nanotubos —algunas reales, otras potenciales— han crecido de forma impresionante. Es posible que los nanotubos de carbono desempeñen el mismo papel que el silicio en los circuitos electrónicos, pero a escala molecular, donde el silicio y otros semiconductores dejan de funcionar. Ya se han fabricado con nanotubos dispositivos lógicos —los componentes básicos de los ordenadores— y se han creado expectativas para producir, a partir de ellos, circuitos electrónicos e incluso ordenadores. Los nanotubos de carbono han permitido mejorar la resolución de los microscopios de barrido basados en el efecto túnel, se han usado como sondas químicas en microscopios de fuerza atómica y como sensores extremadamente sensibles.

En el incio del siglo XXI, unos investigadores japoneses (Gao Y., Bando Y. (2002) Carbon nanothermometer containing gallium. Nature 415, 599) fabricaron el termómetro más pequeño del mundo llenando con galio un nanotubo de carbono. La altura de la columna de galio en el nanotermómetro varía linealmente con la temperatura, mientras que el diámetro del nanotubo apenas varía, debido al pequeño coeficiente de dilatación del tubo. El nanotermómetro opera entre 50 y 500˚C y puede resultar muy útil para medir la temperatura en una gran variedad de microambientes. Sólo tiene un pequeño inconveniente: hace falta un microscopio electrónico para leer la temperatura del termómetro.

 

Nanotubos ideales obtenidos enrollando una lámina de grafito, haciendo coincidir el extremo A del vector OA (n,m) con su origen O, de manera que OA sea la circunferencia directriz del cilindro: (a) AO (9,0) Estructura en zig-zag; (b) AO (5,5) estructura en armchair; (c) AO (10,5) estructura quiral.

La estructura de los nanotubos de carbono se ha observado utilizando microscopía electrónica de transmisión de alta resolución. La forma ideal de un nanotubo se puede obtener enrollando una lámina de grafito, como  la indicada en la figura anterior, haciendo coincidir el extremo A del vector  OA(n, m)  con su origen O de manera que OA sea la circunferencia directriz del cilindro. Las estructuras más simétricas se obtienen a partir de los vectores (n, 0) —llamadas en zig-zag, donde q = 0˚— y de los vectores (n,n) —llamadas en butaca (armchair), donde q = 30˚—. Las estructuras intermedias, donde 0 < q < 30, se llaman quirales porque pueden existir en dos formas con simetría especular. Los extremos de los tubos de carbono se cierran con medias moléculas de fullereno. Las estructuras que se observan frecuentemente son tubos de varias paredes, formadas por la superposición de tubos coaxiales. Son estructuras que recuerdan a las muñecas rusas.

La fibra ideal

Cuando los átomos de carbono se unen para construir un diamante lo hacen mediante cuatro enlaces covalentes y forman una rígida red tridimensional que le confiere a la preciada gema su proverbial dureza. Cuando se unen para construir grafito, los átomos de carbono lo hacen a través de tres enlaces covalentes situados en un plano; la estructura sigue siendo muy resistente en este plano pero es débil en dirección perpendicular. Una forma de aprovechar esta resistencia es orientar estos planos de forma que las direcciones  de  máximo  esfuerzo estén contenidas en ellos.

Basta imaginar un mil hojas y tirar en la dirección paralela a las hojas en vez de hacerlo en dirección perpendicular. Arrollando estas hojas, como si fueran las de un cigarro puro, se pueden obtener fibras de carbono muy resistentes.

Ya se producen, desde hace algún tiempo, fibras de carbono con esta estructura y se utilizan (embebidas en una matriz polimérica) para fabricar palos de golf, cañas de pescar, coches de fórmula uno y aviones de combate. Estas fibras son rígidas (tienen un módulo de elasticidad elevado) y resistentes (una tensión de rotura grande) pero sus valores todavía están lejos de los valores teóricos debido a sus defectos e imperfecciones. Cuando se descubrieron los nanotubos de carbono —con una estructura casi perfecta— se despertaron muchas esperanzas y se empezó a especular sobre la posibilidad de obtener fibras ideales.

Muy pronto se hicieron estimaciones teóricas de las propiedades mecánicas de los nanotubos (Overney G., Zhong W., Tomanek D. (1993) Structural rigidity and low frequency vibrational modes of long carbon tubules. Zeit. Physik D 27, 93-96) y se confirmó que deberían poseer una rigidez y una resistencia superiores a cualquier otra fibra conocida, (módulo de elasticidad E = 1250 GPa y tensión de rotura, sR, alrededor de 60 GPa), pero la comprobación experimental de estas predicciones no resultó fácil por la pequeñez de los nanotubos y la dificultad de su manipulación; basta imaginar de qué forma se podría realizar un ensayo de tracción con una fibra de 5 nm de diámetro y 1 mm de longitud.

Por otra parte, R.S. Ruoff y sus colaboradores (Yu M.F., Files B.S., Arepalli S., Ruoff R.S. (2000) Tensile loading of ropes of single wall carbon nanotubes and their mechanical properties. Phys. Rev. Lett. 84(24), 5552-5555) se las ingeniaron para ensayar a tracción 15 nanotubos de una sola capa. En algunos observaron que la deformación en rotura llega a alcanzar valores del 5%. También medieron las fuerzas en el momento de la rotura, obteniendo valores entre 400 y 1300 nN. Suponiendo que esta carga está soportada uniformemente por el borde del nanotubo, dedujeron que las tensiones de rotura deberían oscilar entre 13 y 52 GPa. A partir de estos resultados también se puede estimar el módulo de elasticidad; el valor más alto —para una tensión de rotura de 52 GPa y una deformación del 0.05— es de 1040 GPa.

Estos resultados son muy parecidos a las predicciones teóricas, anteriormente señaladas, y están lejos de los mejores valores alcanzados por las fibras comerciales como el Kevlar® (E = 120 GPa, sR = 3 GPa), el acero (E = 210 GPa, sR = 3 GPa), o algunas fibras de carbono (E entre 250 y 800 GPa y sR entre 3 y 4 GPa) como se muestra en la figura siguiente.

 

Comparación de la resistencia o tensión de rotura (extremos de las rectas) y de la rigidez o módulo de elasticidad (pendiente de las rectas) de los nanotubos de carbono con las fibras comerciales de más altas prestaciones (Kevlar 49, acero y fibras de carbono).

La aparente sencillez del nanotubo de carbono ha estimulado cálculos teóricos más precisos y simulaciones utilizando dinámica molecular. J. Bernholc y sus colaboradores (Bernholc J. (1999) Computational materials science. Physics Today Sept., 30-35; Bernholc J. et al. (2002) Atomic transformations, strength, plasticity, and electron transport in strained carbon nanotubes. In Fiber Fracture (M. Elices, J. Llorca Eds.), Elsevier, Chap. 15) han simulado la respuesta de un nanotubo a un ensayo de tracción y han observado que pueden comportarse de forma dúctil o frágil, según las condiciones de contorno y la simetría de los nanotubos. A partir de un valor crítico de la tensión, el nanotubo libera parte de la energía elástica almacenada creando defectos (ver figura).

Formación de un defecto en un nanotubo de carbono sometido a tracción. (a) Situación inicial; (b) rotura de un enlace; (c) rotura de dos enlaces; (d) formación del defecto (5-7-7-5). Simulación usando dinámica molecular. (Para más detalles ver Bernholc, cap. 15 del libro Fiber Fracture, M. Elices y J. Llorca Eds.).

Formación de un defecto en un nanotubo de carbono sometido a tracción. (a) Situación inicial; (b) rotura de un enlace; (c) rotura de dos enlaces; (d) formación del defecto (5-7-7-5). Simulación usando dinámica molecular. (Para más detalles ver Bernholc, cap. 15 del libro Fiber Fracture, M. Elices y J. Llorca Eds.).

Los cálculos indican que esto sucede cuando la deformación es del orden del 5%. Estos defectos pueden disparar la rotura o bien formar dislocaciones que iniciarán una deformación plástica. Nuevamente, la deformación crítica del 5% indica que los nanotubos pueden soportar tensiones de 60 GPa.

A pesar de todo lo anterior,  es en el campo de las propiedades electrónicas donde las predicciones teóricas ofrecen resultados más expectaculares como veremos en el post de la próxima semana.

 

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Nanomateriales (2): el tamaño de los materiales tiene importancia

Manuel Elices Calafat (Universidad Politécnica de Madrid; Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales; National Academy of Engineering USA)

En 1871, Lord Kelvin preguntó si “la temperatura de fusión de una pequeña partícula podía depender de su tamaño” y su pregunta quedó sin respuesta durante cien años. Se argumentó, a principios del siglo XX, que la temperatura de fusión en las partículas metálicas debería disminuir con su tamaño pero no se comprobó experimentalmente hasta 1976, cuando P. Buffat y J. Borel, en la universidad de Lausanne, midieron las temperaturas de fusión de nanopartículas de oro con la ayuda de un microscopio electrónico de transmisión. La temperatura de fusión del oro es de 1338 K, mientras que las menores nanopartículas funden a 700 K.

El ejemplo citado indica que algunas propiedades de los materiales pueden variar con su tamaño. Este efecto es evidente cuando el comportamiento del aglomerado depende del porcentaje de átomos que ocupan la superficie; en una partícula esférica de unos 10.000 átomos, el 20 por ciento están en la superficie. Para que este porcentaje se reduzca al 1 por ciento —y por consiguiente las propiedades varíen poco al seguir aumentando el tamaño— hacen falta más de 64 millones de átomos. Otro motivo por el que las propiedades de los pequeños agregados pueden variar con el tamaño es que empiecen a manifestarse efectos cuánticos. Esto sucede si el tamaño es muy pequeño; del orden de la longitud de onda de de Broglie asociada a la partícula considerada, generalmente el electrón.

Las propiedades electrónicas, magnéticas, ópticas o mecánicas de las nanopartículas son muy sensibles a su tamaño y se pueden modificar variando su forma y dimensiones. Por este motivo las nanopartículas resultan muy atractivas para fabricar dispositivos electrónicos y están destinadas a tener un papel estelar en las nuevas tecnologías del siglo XXI.

Los puntos cuánticos (quantum dots) y sus aplicaciones —presentes en campos tan dispares como la industria electrónica y la biología— nos proporcionan un ejemplo para ilustrar estas ideas:

Puede considerarse, de forma muy simplificada, que una nanopartícula ocupa una posición intermedia entre un cristal y un átomo. Si la nanopartícula es muy pequeña —si contiene varios miles de electrones— se comporta como un superátomo y se la llama un punto cuántico. La razón de este nombre es porque los electrones de la nanopartícula están concentrados en un espacio muy reducido —casi un punto— donde ya empiezan a notarse los efectos cuánticos debidos al confinamiento1. El espectro energético de estas partículas es discreto, como el de los átomos, con la ventaja de que se pueden variar los niveles de energía variando el tamaño de los puntos cuánticos (ver figura).

 

Variación de los niveles electrónicos (esquemática) al pasar de orbitales localizados (pequeñas moléculas, a la izquierda) a orbitales deslocalizados (moléculas grandes, derecha). Nótese la variación de la separación entre bandas, Eg.

Con el seleniuro de cadmio CdSe, por ejemplo, se pueden formar nanopartículas que se comportan como puntos cuánticos si su tamaño es menor de 4 nm. Para nanopartículas grandes (30 nm, por ejemplo) el gap energético (la diferencia de energías entre las bandas de “valencia” y de “conducción”,  Eg ) es de 1,8 eV, muy parecido al de un cristal macroscópico. Sin embargo, cuando el tamaño es de 1,2 nm,  Eg vale 3,0 eV.

El valor de Eg está relacionado con el color. La percepción del color depende de la respuesta del ojo a la radiación electromagnética; sólo es sensible a las longitudes de onda entre 400 y 700 nm, más o menos. Cuando todas estas longitudes están presentes con una intensidad parecida observamos luz blanca. Cuando falta alguna, el ojo detecta colores. Por ejemplo, si observamos una sustancia que absorbe las longitudes correspondientes a los azules, el ojo verá luz amarilla.

Para que un semiconductor pueda absorber una determinada longitud de onda es preciso que su energía asociada ( hc/λ, donde h es la constante de Plank, c la velocidad de la luz y λ la longitud de onda) sea igual o superior a la energía del gap, Eg. Cuando Eg es menor que la menor energía de la luz visible (luz roja, λ ≈ 700 nm, E ≈ 1.7 eV) todas las longitudes de onda serán absorbidas y el semiconductor aparecerá oscuro o metálico, que es el aspecto que muestra el silicio cuyo Eg ≈ 1,1 eV. Si Eg es mayor que la mayor energía de la luz visible (luz violeta, λ ≈ 400 nm, E ≈ 3.0 eV), ninguna longitud de onda será absorbida y el material será transparente, como sucede con el diamante cuyo Eg está alrededor de 5.4 eV.

El CdSe, al que antes nos hemos referido, posee un Eg ≈ 1,8 eV. Con este valor del gap energético casi todas las longitudes de onda visibles serán absorbidas y el color del material será oscuro. En cambio las nanopartículas de CdSe de 3 nm muestran un color amarillo-naranja porque al ser Eg ≈ 2,3 eV (que corresponde a la longitud de onda del azul claro) se absorbe el azul claro y las partículas exhiben el color complementario que es amarillo-naranja. Si el tamaño de las nanopartículas disminuye —por  ejemplo  a 1.2 nm— el gap Eg aumenta —en este caso a 3 eV— y el color también varía; ahora se absorbe preferentemente el color azul violáceo y las partículas exhiben un color amarillo limón. Para nanopartículas grandes se recupera el valor de Eg que corresponde al cristal, 1,8 eV, y la solución tiene un color oscuro como se indica en la siguiente figura.

El color depende del tamaño. Los recipientes contienen nanopartículas de CdSe disueltas de distinto tamaño: las dimensiones de las nanopartículas, junto con el correspondiente valor de Eg se indican en la figura (Siegel 1993, link.aip.org/link/phtoad/v46/i10/p64/s1).

El color depende del tamaño. Los recipientes contienen nanopartículas de CdSe disueltas de distinto tamaño: las dimensiones de las nanopartículas, junto con el correspondiente valor de Eg se indican en la figura (Siegel 1993, link.aip.org/link/phtoad/v46/i10/p64/s1)

Si estas partículas se dispersan en una matriz de vidrio se pueden  fabricar  filtros  de colores enfunción de su tamaño.

Es muy posible que algunos filtros de color comerciales contengan puntos cuánticos de compuestos II-VI. Los efectos cuánticos también pueden manifestarse a través de la forma. En este caso, el color dependerá del aspecto de las nanopartículas,  como  se  muestra  en  la  figura siguiente,  en   la que disoluciones acuosas de distintos nanocilindros de plata exhiben distintos colores.

 

El color depende de la forma. Los recipientes contienen una solución acuosa de nanocilindros de plata, excepto el tubo de la izquierda que contiene nanopartículas esféricas de 4 nm de diámetro. El factor de forma (longitud/diámetro) aumenta hacia la derecha, hasta un valor 10 (Murphy, Jana 2002).

También es posible que los puntos cuánticos estén relacionados con las vidrieras de color de las catedrales medievales aunque lo más probable es que en muchas vidrieras el efecto sea debido a otro fenómeno, también relacionado  con  las  nanopartículas;  la dispersión de la luz cuando el tamaño es del orden de la longitud de onda (fenómeno conocido como dispersión de Mie). Si, por ejemplo, el vidrio contiene nanopartículas de oro, con un tamaño alrededor de 20 nm, la luz verde se absorbe debido a la dispersión y el vidrio se ve de color rojo. Los artesanos medievales guardaron celosamente los procedimientos para crecer las nanopartículas —hasta conseguir el tamaño deseado— durante la fabricación de los vidrios de colores y de los esmaltes (ver figura).

 

La nanotécnica ya era utilizada por los artesanos medievales. Vidrieros y ceramistas emplearon nanopartículas para colorear sus obras. a.- Las vidrieras del Monasterio de Santes Creus, ejemplo de vidriería cisterciense en Cataluña, datan del siglo XIII. b.- Cerámica de Manises, alrededor del siglo XI. El reflejo metálico y la iridiscencia se conseguían con procedimientos análogos a los utilizados actualmente para fabricar películas metálicas de nanómetros de espesor (Pérez-Arantegui et al. 2001, cortesía de M. Vendrell y del Museo de Cerámica de Barcelona).

En la industria electrónica, un objetivo prioritario para diseñar nuevos dispositivos es poder modificar el gap energético, Eg, de los materiales—lo que se conoce como band gap engineering— y se consigue habitualmente dopando el silicio de diversas formas. Con las nanopartículas, el gap Eg se puede modificar variando el tamaño. La fabricación de puntos cuánticos con propiedades electrónicas deseadas y su inserción masiva en un chip permite muchas posibilidades a las nuevas tecnologías. El desarrollo de estos dispositivos depende de la habilidad para fabricar redes tridimensionales de puntos cuánticos conectados entre sí y evitar que se unan o aglutinen. En algunos casos se ha recurrido a técnicas de autoensamblaje que imitan la fabricación de los materiales biológicos.

En el campo de la medicina también han encontrado aplicaciones los puntos cuánticos. Los ensayos biológicos que miden la presencia o la actividad de determinadas moléculas pueden realizarse de forma más rápida y con más sensibilidad si se utilizan puntos cuánticos como marcadores. El rastreo habitual en un sistema biológico se hace mediante tinciones con colorantes orgánicos que se excitan con longitudes de onda diferentes. El proceso es lento y poco versátil. Si las moléculas seleccionadas se etiquetan con nanopartículas con un tamaño distinto para cada tipo de molécula, al activar los puntos cuánticos con luz normal cada molécula responderá con un color distinto. Este nuevo procedimiento ofrece varias ventajas; proporciona una enorme variedad de etiquetas (millones de colores) y es mucho más rápido porque el rastreo se hace simultáneamente.

En la pasada década se ha conseguido conectar neuronas con puntos cuánticos (Winter et al. 2001) con el propósito de explorar el comportamiento y las posibles aplicaciones de las heterouniones entre moléculas biológicas y sustratos inorgánicos. El alcance de estos descubrimientos es difícil de prever, si tenemos en cuenta que las heterouniones con semiconductores y metales han transformado la industria de la microelectrónica y han estimulado el desarrollo de una gran variedad de dispositivos, desde láseres hasta ordenadores.

Próximas entradas

La información que se publica sobre nanomateriales aumenta de forma explosiva, hecho que dificulta presentar una síntesis equilibrada de lo que está ocurriendo. El número de artículos en revistas especializadas ha crecido de forma exponencial en los últimos años. Los temas abordados van desde espejismos cuánticos hasta la aportación de pistas sobre la extinción de los dinosaurios. En el primer caso, la colocación de un átomo magnético de cobalto en uno de los focos de un anillo elíptico de átomos de cobre crea un espejismo del mismo átomo en el otro foco (Manoharan et al. 2000) lo que posibilitaría, quizás, transmitir información sin utilizar hilos. En cuanto a la extinción de los dinosaurios, se sospecha que fue debida, hace 65 millones de años, a la explosión provocada por el impacto de un meteorito que dejó un cráter cerca de Yucatán y una marca en forma de una delgada capa de minerales enriquecida con iridio, en la frontera entre el Cretácico y el Terciario. En esta delgada capa se han encontrado nanopartículas de óxido de hierro que se cree provienen del meterorito. Estas nanopartículas pueden proporcionar claves sobre la composición del meteorito e información sobre la dinámica del evento (Wdowiak et al. 2001).

En esta breve incursión en el campo de los nanomateriales sólo se han seleccionado, para las próximas entradas, dos áreas en las que se desarrolla una gran actividad: los nanotubos de carbono y algunas técnicas de fabricación de nanomateriales basadas en el autoensamblaje.

Los nanotubos de carbono destacan entre los nanomateriales porque exhiben propiedades electrónicas y mecánicas extraordinarias, porque son unos nanomateriales que ya se saben modelizar razonablemente bien, y porque las aplicaciones que se entreven son interesantísimas.

Por otro lado, el desarrollo de la nanotécnica dependerá de la capacidad para fabricar eficazmente materiales de menos de 100 nm. Un grupo de técnicas muy prometedor es el basado en métodos ascendentes (bottom-up) donde se ensamblan átomos o moléculas para formar nanoestructuras. Las técnicas de autoensamblaje —algunas inspiradas en los procesos de biomineralización— serán objeto de las últimas entradas en las próximas semanas.

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1El tamaño debe ser del orden de h/2πp, donde h es la constante de Planck  y p el momento del electrón, o bien h(mkBT)–1/2/2π, donde kB es la constante de Boltzmann, T la temperatura absoluta y m la masa efectiva del electrón. Para un electrón en un semiconductor a temperatura  ambiente, el tamaño es del orden de 4 nm.

Continuación: próxima semana.

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Nanomateriales (1): exploradores del siglo XXI

Manuel Elices Calafat (Universidad Politécnica de Madrid; Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales; National Academy of Engineering USA)

Marco Polo tenía 21 años cuando se encontró en China con el gran Kublai Kan, nieto del conquistador Gengis Kan. Había recorrido más de 12.000 kilómetros siguiendo la ruta del sol naciente en un viaje que duró tres años y medio. Ningún explorador tiene en su haber una aventura tan dilatada; una odisea que se prolongó 24 años y concluyó en Venecia, en 1295, después de una larga travesía marítima por Sumatra y la India.

Marco relató esta aventura en una crónica titulada La descripción del mundo, más conocida como el Libro de las maravillas. Con el tiempo esta obra se convirtió en uno de los grandes acicates que incitaron a los europeos —Colón entre ellos— a explorar los confines remotos de la Tierra. En ella cuenta que en Taidú las casas se calentaban con “piedras negras que arden haciendo llamas como leños” y, añade, que el carbón era tan abundante que todos los ciudadanos se daban un baño caliente al menos tres veces por semana. Cerca del mar Caspio observó una “fuente de donde brota un licor tal que aceite”, primera descripción europea de un yacimiento petrolífero. También le impresionó el amianto con el que fabricaban telas ininflamables; “lo vi por mí mismo”, afirmó. Los europeos creían que las fibras procedían de la salamandra, que vivía en el fuego, pero Polo constató que se trataba de un mineral extraido de minas en China. La imprenta, el papel moneda, la porcelana,… son otras maravillas que narra en su libro.

No todas las fabulosas historias de Marco se aceptaron por sus contemporáneos y muchas se consideraron como las clásicas exageraciones de los viajeros que recorren tierras lejanas. Ni las joyas —que trajo escondidas en los dobladillos de los harapientos trajes— ni el  paitzu —salvoconducto de oro— sirvieron para dar crédito a las fantásticas y novedosas noticias pero, con el paso del tiempo, muchos relatos se fueron confirmando y el libro ganó credibilidad. Las personas singulares —como Marco Polo— están incentivadas por la curiosidad y por la esperanza de éxitos —materiales o espirituales— y se aventuran más allá del horizonte con la intención de regresar cargados con valiosos objetos y contar las cosas extraordinarias que han visto. Marco Polo ensanchó su mundo y marcó nuevos senderos para la civilización occidental.

 

"En la provincia de Gaindu existe un lago donde hay perlas. Nadie tiene derecho a pescarlas si no es el Gran Khan. Lo mismo sucede con las turquesas que se extraen de las montañas vecinas", de "Le Livre des Merveilles du Monde" (manuscrito francés 2810 de la Biblioteca Nacional de Francia, folio 54).

Con la sugerente asociación entre Marco Polo y los científicos que sienten curiosidad por el nanomundo, empieza G. Timp su libro sobre nanotecnología. En la actualidad hay numerosos exploradores de procedencia muy diversa —físicos, químicos, biólogos, matemáticos e ingenieros— que, como Marco Polo, están motivados por la curiosidad y por las posibles recompensas intelectuales y crematísticas que les puede deparar cartografiar la  terra incognita de un mundo microscópico cuyas fronteras caben en la cabeza de un alfiler. Estos territorios singulares son mucho más exóticos que el Lejano Oriente de Marco Polo porque las leyes físicas que rigen en el mundo macroscópico quedan suspendidas al atravesar sus fronteras.

Los objetos que pertenecen al nanomundo tienen dimensiones que van desde el nanómetro hasta centenares de nanómetros. El mundo atómico (el del angstrom; una décima de nanómetro) lo bordea por debajo y el micromundo (el de la  micra; mil nanómetros) lo limita por encima. El nanómetro, nm, tiene una dimensión de 0.000000001 m. Dicho de otra manera, equivale a una millonésima de milímetro; la relación que hay entre un kilómetro y un milímetro es la misma que existe entre un milímetro y un nanómetro. Una molécula de agua tiene el tamaño de 1 nm, más o menos.
La nanociencia y la nanotécnica estudian y utilizan materiales y disposivos de tamaño nanométricos. Existe el convencimiento de que cuando se domine la nanotécnica —cuando se sepa manipular los átomos a esta escala— se producirá una revolución sin precedentes en electrónica, computación, medicina, biotécnología diseño de materiales y en muchos otros campos. Es comprensible que existan dudas —como en tiempos de Marco Polo— sobre la viabilidad y el alcance de algunas aplicaciones. Los conocimientos geográficos acopiados por Polo no empezaron a reflejarse en los rudimentarios mapas europeos hasta ocho décadas más tarde, todo parece indicar que la nanociencia y la nanotécnica se desarrollan con rápidez y que ya merece la pena correr riesgos en inversiones comerciales.

Continuación de esta entrada: 20/04/2012.

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The Greatest Materials Moment

Por José Miguel Atienza (Universidad Politécnica de Madrid)

 

Durante 2006, la Minerals, Metals & Materials Society (TMS) realizó una votación online para elegir el Momento más importante de la Historia de los Materiales. Previamente el equipo de la revista Journal of Minerals, Metals & Materials (JOM) había seleccionado los 100 nominados entre más de 600 candidatos propuestos por TMS. Casi mil votantes online eligieron su lista de los 10 grandes momentos entre los 100 nominados.

Un Gran Momento de los Materiales fue definido como un acontecimiento (observación, intervención, invención) humano que condujo a un cambio de paradigma en la comprensión del comportamiento de los materiales, introdujo una nueva era en la utilización de los materiales y/o produjo cambios socioeconómicos significativos en la Humanidad por el nuevo uso de los materiales.

Finalmente, el Momento elegido como el más importante de la Historia de los Materiales fue la elaboración de la primera Tabla Periódica, por Dmitri Mendeleev en 1869. Mendeleev comparó los elementos conocidos y encontró que sus propiedades dependían de manera regular del cambio de peso atómico. Entonces, decidió presentar sus resultados en forma de tabla agrupando a los elementos con propiedades semejantes e incluso prediciendo las propiedades de los “huecos” que faltaban, así surgió la primera Tabla Periódica. Su trabajo permitió sistematizar y ordenar la Química dotándola de una gran capacidad predictiva.

Primera Tabla Periódica de Mendeleev (1869)

Además de Mendeleev, el top 10 pone de manifiesto el carácter interdisciplinar de la Ingeniería de Materiales: podemos encontrar momentos relacionados con la metalurgia del acero y del cobre, pero también el vidrio, el transistor, la microscopía óptica o los rayos X. Por supuesto, esta lista de TMS y JOM, como todos los ránkings, es muy discutible, pero merece la pena echar un vistazo a esos 100 nominados que recorren la Historia de la Humanidad, desde el 28.000 antes de Cristo hasta el año 1991. Os invitamos a ello:

http://www.materialmoments.org/top100.html

Cada uno tendrá sus propios favoritos. Reconozco que lo primero que yo comprobé fue que por allí estaba A.A.Griffith con su “extraña” explicación de la rotura de los materiales. También  me gustó ver a Stephanie Kwolek, siempre me cayó bien esa mujer pequeñita que adora la costura y la jardinería y que, sólo contando en EEUU, ha salvado la vida a más de tres mil policías. Es buenísima esa anécdota de que un día se le acercó un corpulento agente de policía, ella apenas mide 1.50, y le pidió que por favor le dedicara un autógrafo en su chaleco antibalas, acababa de parar dos balas que iban dirigidas directamente a su corazón.

En cualquier caso, lo que impresiona al ver la lista es el tremendo impacto que los materiales han tenido en nuestro mundo, en nuestra vida. Y también su evolución, que al final es la evolución que realmente ha vivido la Ingeniería de Materiales, desde aquellos primeros “ingenieros” centrados casi exclusivamente en los metales hasta la fuerte presencia de los biomateriales y materiales funcionales a finales del siglo XX.

Pero cierro el post volviendo al Top1. Hoy en las universidades vivimos sumidos en una continua disputa entre la investigación y la docencia, que a menudo son tratadas como ocupaciones separadas e, incluso, contrapuestas. Peor aún, llegan a convertirse en verdaderas “trincheras” desde las que nos lanzamos cargas envenenadas. Quizá la gran lección que hoy nos puede transmitir Mendeleev es que detrás de la Tabla Periódica, de ese Gran Momento de los Materiales, lo que probablemente hubo fue el esfuerzo de un docente por hacer más comprensible a sus estudiantes la Química. Mendeleev estaba preocupado por lo difícil que resultaba a los estudiantes aprender Química porque la información nunca se presentaba en forma que reflejara las relaciones entre las diversas sustancias. Su “Fundamentos de Química” básicamente pretendía ser un libro de texto. Mendeleev fue, sobre todo, un gran profesor, un revolucionario de la docencia que acabó dejando la universidad cuando el zar denegó sus peticiones de cambio, aún cuando en el resto del mundo era ya reconocido como uno de los químicos más importantes de la Historia.

Referencias:

[1] The Greatest Moments in Materials Science & Engineering (TMS):

http://www.materialmoments.org/index.html

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