{"id":380,"date":"2012-04-20T17:07:59","date_gmt":"2012-04-20T16:07:59","guid":{"rendered":"http:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/ingenieriamateriales\/?p=380"},"modified":"2012-05-25T22:28:27","modified_gmt":"2012-05-25T21:28:27","slug":"nanomateriales-2-el-tamano-de-los-materiales-tiene-importancia","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/ingenieriamateriales\/2012\/04\/20\/380\/","title":{"rendered":"Nanomateriales (2): el tama\u00f1o de los materiales tiene importancia"},"content":{"rendered":"

Manuel Elices Calafat<\/a><\/strong> (Universidad Polit\u00e9cnica de Madrid; Real Academia de Ciencias Exactas, F\u00edsicas y Naturales; National Academy of Engineering USA)<\/p>\n

En 1871, Lord Kelvin<\/a> pregunt\u00f3 si \u201cla temperatura de fusi\u00f3n de una peque\u00f1a part\u00edcula pod\u00eda depender de su tama\u00f1o\u201d y su pregunta qued\u00f3 sin respuesta durante cien a\u00f1os. Se argument\u00f3, a principios del siglo XX, que la temperatura de fusi\u00f3n en las part\u00edculas met\u00e1licas deber\u00eda disminuir con su tama\u00f1o pero no se comprob\u00f3 experimentalmente hasta 1976, cuando P. Buffat y J. Borel, en la universidad de Lausanne, midieron las temperaturas de fusi\u00f3n de nanopart\u00edculas de oro con la ayuda de un microscopio electr\u00f3nico de transmisi\u00f3n. La temperatura de fusi\u00f3n del oro es de 1338 K, mientras que las menores nanopart\u00edculas funden a 700 K.<\/p>\n

El ejemplo citado indica que algunas propiedades de los materiales pueden variar con su tama\u00f1o. Este efecto es evidente cuando el comportamiento del aglomerado depende del porcentaje de \u00e1tomos que ocupan la superficie; en una part\u00edcula esf\u00e9rica de unos 10.000 \u00e1tomos, el 20 por ciento est\u00e1n en la superficie. Para que este porcentaje se reduzca al 1 por ciento \u2014y por consiguiente las propiedades var\u00eden poco al seguir aumentando el tama\u00f1o\u2014 hacen falta m\u00e1s de 64 millones de \u00e1tomos. Otro motivo por el que las propiedades de los peque\u00f1os agregados pueden variar con el tama\u00f1o es que empiecen a manifestarse efectos cu\u00e1nticos. Esto sucede si el tama\u00f1o es muy peque\u00f1o; del orden de la longitud de onda de de Broglie<\/em><\/a> asociada a la part\u00edcula considerada, generalmente el electr\u00f3n.<\/p>\n

Las propiedades electr\u00f3nicas, magn\u00e9ticas, \u00f3pticas o mec\u00e1nicas de las nanopart\u00edculas son muy sensibles a su tama\u00f1o y se pueden modificar variando su forma y dimensiones. Por este motivo las nanopart\u00edculas resultan muy atractivas para fabricar dispositivos electr\u00f3nicos y est\u00e1n destinadas a tener un papel estelar en las nuevas tecnolog\u00edas del siglo XXI.<\/p>\n

Los puntos cu\u00e1nticos (quantum dots<\/em>) y sus aplicaciones \u2014presentes en campos tan dispares como la industria electr\u00f3nica y la biolog\u00eda\u2014 nos proporcionan un ejemplo para ilustrar estas ideas:<\/p>\n

Puede considerarse, de forma muy simplificada, que una nanopart\u00edcula ocupa una posici\u00f3n intermedia entre un cristal y un \u00e1tomo. Si la nanopart\u00edcula es muy peque\u00f1a \u2014si contiene varios miles de electrones\u2014 se comporta como un super\u00e1tomo y se la llama un punto cu\u00e1ntico. La raz\u00f3n de este nombre es porque los electrones de la nanopart\u00edcula est\u00e1n concentrados en un espacio muy reducido \u2014casi un punto\u2014 donde ya empiezan a notarse los efectos cu\u00e1nticos\u00a0debidos al confinamiento1<\/sup>. El espectro energ\u00e9tico de estas part\u00edculas es discreto, como el de los \u00e1tomos<\/a>, con la ventaja de que se pueden variar los niveles de energ\u00eda variando el tama\u00f1o de los puntos cu\u00e1nticos (ver figura).<\/p>\n

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\"\"<\/a>
Variaci\u00f3n de los niveles electr\u00f3nicos (esquem\u00e1tica) al pasar de orbitales localizados (peque\u00f1as mol\u00e9culas, a la izquierda) a orbitales deslocalizados (mol\u00e9culas grandes, derecha). N\u00f3tese la variaci\u00f3n de la separaci\u00f3n entre bandas, Eg.<\/figcaption><\/figure>\n

Con el seleniuro de cadmio CdSe, por ejemplo, se pueden formar nanopart\u00edculas que se comportan como puntos cu\u00e1nticos si su tama\u00f1o es menor de 4 nm. Para nanopart\u00edculas grandes (30 nm, por ejemplo) el gap<\/em> energ\u00e9tico (la diferencia de energ\u00edas entre las bandas de \u201cvalencia\u201d y de \u201cconducci\u00f3n\u201d,\u00a0 Eg<\/sub><\/em> <\/sub>) es de 1,8 eV, muy parecido al de un cristal macrosc\u00f3pico. Sin embargo, cuando el tama\u00f1o es de 1,2 nm,\u00a0 Eg<\/sub><\/em> vale 3,0 eV.<\/p>\n

El valor de Eg<\/sub><\/em> est\u00e1 relacionado con el color. La percepci\u00f3n del color depende de la respuesta del ojo a la radiaci\u00f3n electromagn\u00e9tica; s\u00f3lo es sensible a las longitudes de onda entre 400<\/span> y 700<\/span> nm, m\u00e1s o menos. Cuando todas estas longitudes est\u00e1n 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<\/span>, el ojo ver\u00e1 luz amarilla<\/span>.<\/p>\n

Para que un semiconductor pueda absorber una determinada longitud de onda es preciso que su energ\u00eda asociada ( hc<\/em>\/\u03bb, donde h<\/em> es la constante de Plank, c<\/em> la velocidad de la luz y \u03bb\u00a0la longitud de onda) sea igual o superior a la energ\u00eda del gap, Eg<\/sub><\/em>. Cuando Eg<\/sub><\/em> es menor que la menor energ\u00eda de la luz visible (luz roja<\/span>, \u03bb\u00a0\u2248 700<\/span> nm, E<\/em> \u2248 1.7 eV) todas las longitudes de onda ser\u00e1n absorbidas y el semiconductor aparecer\u00e1 oscuro o met\u00e1lico, que es el aspecto que muestra el silicio cuyo Eg<\/sub><\/em> \u2248 1,1 eV. Si Eg<\/sub><\/em> es mayor que la mayor energ\u00eda de la luz visible (luz violeta<\/span>, \u03bb \u2248 400<\/span> nm, E<\/em> \u2248 3.0 eV), ninguna longitud de onda ser\u00e1 absorbida y el material ser\u00e1 transparente, como sucede con el diamante cuyo Eg<\/sub><\/em> est\u00e1 alrededor de 5.4 eV.<\/p>\n

El CdSe, al que antes nos hemos referido, posee un Eg<\/sub><\/em> \u2248 1,8 eV. Con este valor del gap<\/em> energ\u00e9tico casi todas las longitudes de onda visibles ser\u00e1n absorbidas y el color del material ser\u00e1 oscuro. En cambio las nanopart\u00edculas de CdSe de 3 nm<\/span> muestran un color amarillo-naranja<\/span> porque al ser Eg<\/sub><\/em> \u2248 2,3 eV (que corresponde a la longitud de onda del azul claro) se absorbe el azul claro y las part\u00edculas exhiben el color complementario que es amarillo-naranja. Si el tama\u00f1o de las nanopart\u00edculas disminuye \u2014por\u00a0 ejemplo\u00a0 a 1.2 nm\u2014\u00a0el gap Eg<\/sub><\/em> aumenta \u2014en este caso a 3 eV\u2014 y el color tambi\u00e9n var\u00eda; ahora se absorbe preferentemente el color azul viol\u00e1ceo y las part\u00edculas exhiben un color amarillo lim\u00f3n. Para<\/span> nanopart\u00edculas grandes se recupera el valor de Eg<\/sub><\/em> que corresponde al cristal, 1,8 eV, y la soluci\u00f3n tiene un color oscuro como se indica en la siguiente figura.<\/p>\n

\"El<\/a>
El color depende del tama\u00f1o. Los recipientes contienen nanopart\u00edculas de CdSe disueltas de distinto tama\u00f1o: las dimensiones de las nanopart\u00edculas, junto con el correspondiente valor de Eg se indican en la figura (Siegel 1993, link.aip.org\/link\/phtoad\/v46\/i10\/p64\/s1)<\/figcaption><\/figure>\n

Si estas part\u00edculas se dispersan en una matriz de vidrio se pueden\u00a0 fabricar\u00a0 filtros\u00a0 de colores enfunci\u00f3n de su tama\u00f1o.<\/p>\n

Es muy posible que algunos filtros de color comerciales contengan puntos cu\u00e1nticos de compuestos II-VI. Los efectos cu\u00e1nticos tambi\u00e9n pueden manifestarse a trav\u00e9s de la forma. En este caso, el color depender\u00e1 del aspecto de las nanopart\u00edculas,\u00a0 como\u00a0 se\u00a0 muestra\u00a0 en\u00a0 la\u00a0 figura siguiente<\/a>,\u00a0 en\u00a0\u00a0 la que disoluciones acuosas de distintos nanocilindros de plata exhiben distintos colores.<\/p>\n

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\"\"<\/a>
El color depende de la forma. Los recipientes contienen una soluci\u00f3n acuosa de nanocilindros de plata, excepto el tubo de la izquierda que contiene nanopart\u00edculas esf\u00e9ricas de 4 nm de di\u00e1metro. El factor de forma (longitud\/di\u00e1metro) aumenta hacia la derecha, hasta un valor 10 (Murphy, Jana 2002).<\/figcaption><\/figure>\n

Tambi\u00e9n es posible que los puntos cu\u00e1nticos est\u00e9n relacionados con las vidrieras de color de las catedrales medievales aunque lo m\u00e1s probable es que en muchas vidrieras el efecto sea debido a otro fen\u00f3meno, tambi\u00e9n relacionado\u00a0 con\u00a0 las\u00a0 nanopart\u00edculas;\u00a0 la dispersi\u00f3n de la luz cuando el tama\u00f1o es del orden de la longitud de onda (fen\u00f3meno conocido como dispersi\u00f3n de Mie<\/a>). Si, por ejemplo, el vidrio contiene nanopart\u00edculas de oro, con un tama\u00f1o alrededor de 20 nm<\/span>, la luz verde se absorbe debido\u00a0a la dispersi\u00f3n y el vidrio se ve de color rojo. Los artesanos medievales guardaron celosamente los procedimientos para crecer las nanopart\u00edculas \u2014hasta conseguir el tama\u00f1o deseado\u2014 durante la fabricaci\u00f3n de los vidrios de colores y de los esmaltes (ver figura).<\/p>\n

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\"\"<\/a>
La nanot\u00e9cnica ya era utilizada por los artesanos medievales. Vidrieros y ceramistas emplearon nanopart\u00edculas para colorear sus obras. a.- Las vidrieras del Monasterio de Santes Creus, ejemplo de vidrier\u00eda cisterciense en Catalu\u00f1a, datan del siglo XIII. b.- Cer\u00e1mica de Manises, alrededor del siglo XI. El reflejo met\u00e1lico y la iridiscencia se consegu\u00edan con procedimientos an\u00e1logos a los utilizados actualmente para fabricar pel\u00edculas met\u00e1licas de nan\u00f3metros de espesor (P\u00e9rez-Arantegui et al. 2001, cortes\u00eda de M. Vendrell y del Museo de Cer\u00e1mica de Barcelona).<\/figcaption><\/figure>\n

En la industria electr\u00f3nica, un objetivo prioritario para dise\u00f1ar nuevos dispositivos es poder modificar el gap<\/em> energ\u00e9tico, Eg<\/sub><\/em>, de los materiales\u2014lo que se conoce como band gap engineering<\/em>\u2014 y se consigue habitualmente dopando el silicio de diversas formas. Con las nanopart\u00edculas, el gap Eg<\/sub><\/em> se puede modificar variando el tama\u00f1o. La fabricaci\u00f3n de puntos cu\u00e1nticos con propiedades electr\u00f3nicas deseadas y su inserci\u00f3n masiva en un chip permite muchas posibilidades a las nuevas tecnolog\u00edas. El desarrollo de estos dispositivos depende de la habilidad para fabricar redes tridimensionales de puntos cu\u00e1nticos conectados entre s\u00ed y evitar que se unan o aglutinen. En algunos casos se ha recurrido a t\u00e9cnicas de autoensamblaje que imitan la fabricaci\u00f3n de los materiales biol\u00f3gicos.<\/p>\n

En el campo de la medicina tambi\u00e9n han encontrado aplicaciones los puntos cu\u00e1nticos. Los ensayos biol\u00f3gicos que miden la presencia o la actividad de determinadas mol\u00e9culas pueden realizarse de forma m\u00e1s r\u00e1pida y con m\u00e1s sensibilidad si se utilizan puntos cu\u00e1nticos como marcadores. El rastreo habitual en un sistema biol\u00f3gico se hace mediante tinciones con colorantes org\u00e1nicos que se excitan con longitudes de onda diferentes. El proceso es lento y poco vers\u00e1til. Si las mol\u00e9culas seleccionadas se etiquetan con nanopart\u00edculas con un tama\u00f1o distinto para cada tipo de mol\u00e9cula, al activar los puntos cu\u00e1nticos con luz normal cada mol\u00e9cula responder\u00e1 con un color distinto. Este nuevo procedimiento ofrece varias ventajas; proporciona una enorme variedad de etiquetas (millones de colores) y es mucho m\u00e1s r\u00e1pido porque el rastreo se hace simult\u00e1neamente.<\/p>\n

En la pasada d\u00e9cada se ha conseguido conectar neuronas con puntos cu\u00e1nticos (Winter et al. 2001<\/a>) con el prop\u00f3sito de explorar el comportamiento y las posibles aplicaciones de las heterouniones entre mol\u00e9culas biol\u00f3gicas y sustratos inorg\u00e1nicos. El alcance de estos descubrimientos es dif\u00edcil de prever, si tenemos en cuenta que las heterouniones con semiconductores y metales han transformado la industria de la microelectr\u00f3nica y han estimulado el desarrollo de una gran variedad de dispositivos, desde l\u00e1seres hasta ordenadores.<\/p>\n

Pr\u00f3ximas entradas<\/strong><\/p>\n

La informaci\u00f3n que se publica sobre nanomateriales aumenta de forma explosiva, hecho que dificulta presentar una s\u00edntesis equilibrada de lo que est\u00e1 ocurriendo. El n\u00famero de art\u00edculos en revistas especializadas ha crecido de forma exponencial en los \u00faltimos a\u00f1os. Los temas abordados van desde espejismos cu\u00e1nticos hasta la aportaci\u00f3n de pistas sobre la extinci\u00f3n de los dinosaurios. En el primer caso, la colocaci\u00f3n de un \u00e1tomo magn\u00e9tico de cobalto en uno de los focos de un anillo el\u00edptico de \u00e1tomos de cobre crea un espejismo del mismo \u00e1tomo en el otro foco (Manoharan et al.<\/em> 2000<\/a>) lo que posibilitar\u00eda, quiz\u00e1s, transmitir informaci\u00f3n sin utilizar hilos. En cuanto a la extinci\u00f3n de los dinosaurios, se sospecha que fue debida, hace 65 millones de a\u00f1os, a la explosi\u00f3n provocada por el impacto de un meteorito que dej\u00f3 un cr\u00e1ter cerca de Yucat\u00e1n y una marca en forma de una delgada capa de minerales enriquecida con iridio, en la frontera entre el Cret\u00e1cico y el Terciario. En esta delgada capa se han encontrado nanopart\u00edculas<\/em> de \u00f3xido de hierro que se cree provienen del meterorito. Estas nanopart\u00edculas pueden proporcionar claves sobre la composici\u00f3n del meteorito e informaci\u00f3n sobre la din\u00e1mica del evento (Wdowiak et al. 2001<\/a>).<\/p>\n

En esta breve incursi\u00f3n en el campo de los nanomateriales s\u00f3lo se han seleccionado, para las pr\u00f3ximas entradas, dos \u00e1reas en las que se desarrolla una gran actividad: los nanotubos de carbono y algunas t\u00e9cnicas de fabricaci\u00f3n de nanomateriales basadas en el autoensamblaje.<\/p>\n

Los nanotubos de carbono destacan entre los nanomateriales porque exhiben propiedades electr\u00f3nicas y mec\u00e1nicas extraordinarias, porque son unos nanomateriales que ya se saben modelizar razonablemente bien, y porque las aplicaciones que se entreven son interesant\u00edsimas.<\/p>\n

Por otro lado, el desarrollo de la nanot\u00e9cnica depender\u00e1 de la capacidad para fabricar eficazmente materiales de menos de 100 nm. Un grupo de t\u00e9cnicas muy prometedor es el basado en m\u00e9todos ascendentes (bottom-up<\/em>) donde se ensamblan \u00e1tomos o mol\u00e9culas para formar nanoestructuras. Las t\u00e9cnicas de autoensamblaje \u2014algunas inspiradas en los procesos de biomineralizaci\u00f3n\u2014 ser\u00e1n objeto de las \u00faltimas entradas en las pr\u00f3ximas semanas.<\/p>\n

————————-<\/p>\n

1<\/sup>El tama\u00f1o debe ser del orden de h\/<\/em>2\u03c0p<\/em>, donde h <\/em>es la constante de Planck \u00a0y p<\/em> el momento del electr\u00f3n, o bien h<\/em>(mkB<\/sub>T<\/em>)\u20131\/2<\/sup>\/2\u03c0<\/em>, donde kB<\/sub><\/em> es la constante de Boltzmann, T<\/em> la temperatura absoluta y m<\/em> la masa efectiva del electr\u00f3n. Para un electr\u00f3n en un semiconductor a temperatura\u00a0 ambiente, el tama\u00f1o es del orden de 4 nm.<\/p>\n

Continuaci\u00f3n:\u00a0pr\u00f3xima semana<\/em>.<\/span><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Manuel Elices Calafat (Universidad Polit\u00e9cnica de Madrid; Real Academia de Ciencias Exactas, F\u00edsicas y Naturales; National Academy of Engineering USA) En 1871, Lord Kelvin pregunt\u00f3 si \u201cla temperatura de fusi\u00f3n de una peque\u00f1a part\u00edcula pod\u00eda depender de su tama\u00f1o\u201d y su pregunta qued\u00f3 sin respuesta durante cien a\u00f1os. Se argument\u00f3, a principios del siglo XX, que la temperatura de fusi\u00f3n en las part\u00edculas met\u00e1licas deber\u00eda disminuir con su tama\u00f1o pero no se comprob\u00f3 experimentalmente hasta 1976, cuando P. Buffat y J. Borel, en la universidad de Lausanne, midieron las temperaturas de fusi\u00f3n de nanopart\u00edculas de oro con la ayuda de\u2026<\/p>\n","protected":false},"author":187,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"ngg_post_thumbnail":0},"categories":[16827,14000,16825],"tags":[16854],"blocksy_meta":{"styles_descriptor":{"styles":{"desktop":"","tablet":"","mobile":""},"google_fonts":[],"version":4}},"aioseo_notices":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/ingenieriamateriales\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/380"}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/ingenieriamateriales\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/ingenieriamateriales\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/ingenieriamateriales\/wp-json\/wp\/v2\/users\/187"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/ingenieriamateriales\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=380"}],"version-history":[{"count":22,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/ingenieriamateriales\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/380\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":472,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/ingenieriamateriales\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/380\/revisions\/472"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/ingenieriamateriales\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=380"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/ingenieriamateriales\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=380"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/ingenieriamateriales\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=380"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}