- Nanomateriales
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Los nanomateriales son materiales con propiedades morfológicas más pequeñas que una décima de micrómetro en al menos una dimensión.[1] A pesar del hecho de que no hay consenso sobre el tamaño mínimo o máximo de un nanomaterial, algunos autores restringen su tamaño de 1 a 100 nm, una definición lógica situaría la nanoescala entre la microescala (1 micrómetro) y la escala atómica/molecular (alrededor de 0.2 nanómetros).
Contenido
Conceptos fundamentales
Un aspecto singular de los nanomateriales es que presentan una superficie muy elevada respecto a su volumen, lo que se traduce en una mayor reactividad para su aplicación en campos como adsorción o catálisis. Otra ventaja significativa de los nanomateriales reside en la capacidad de modificar sus propiedades fundamentales (tales como magnetización, propiedades ópticas, temperatura de fusión, etc.) respecto a los materiales a escala micro o macroscópicas. Algunas de estas propiedades se relacionan directamente con las interacciones superficiales entre nanopartículas (dureza o temperatura de fusión) pero las propiedades electrónicas están controladas por los denominados "efectos de confinamiento cuántico". Este efecto no entran en juego al pasar de micro a macro dimensiones. Sin embargo, se convierte en dominante cuando el rango de tamaño nanómetro es alcanzado. La nanomecánica estudia las propiedades mecánicas de estos materiales. Su actividad catalítica revela nuevas propiedades en la interacción con los biomateriales.
La nanotecnología puede ser pensada como extensiones de las disciplinas tradicionales hacia la consideración explícita de estas propiedades. Además, las disciplinas tradicionales pueden ser re-interpretarse como aplicaciones específicas de la nanotecnología. Esta dinámica de reciprocidad de ideas y conceptos contribuye a la comprensión moderna del campo. En términos generales, la nanotecnología es la síntesis y aplicación de las ideas de la ciencia y la ingeniería hacia la comprensión y producción de nuevos materiales y dispositivos. Estos productos suelen hacer uso copioso de las propiedades físicas asociadas a pequeña escala.
Materiales reducidos a nanoescala pueden repentinamente mostrar propiedades muy diferentes en comparación con las que presentan en una exposición a macroescala, lo que permite aplicaciones únicas. Por ejemplo, sustancias opacas llegan a ser transparente (cobre); materiales inertes se conviertan en catalizadores (platino); sólidos se convierten en líquidos a temperatura ambiente (oro); aislantes se convierten en conductores (silicio). Materiales como el oro, que es químicamente inerte a las escalas normales, puede servir como un potente químico catalizador en nanoescalas. Gran parte de la fascinación con la nanotecnología se deriva de estos singulares cuántica y los fenómenos de superficie que en cuestión exhibe la nanoescala.
Nanométricas partículas de polvo (a unos cuantos nanómetros de diámetro, también llamadas nanopartículas) son potencialmente importantes en cerámica, metalurgia de polvos, el logro de nanoporosidad uniforme y aplicaciones similares. La fuerte tendencia de las pequeñas partículas para formar macizos ( "aglomerados") es un grave problema tecnológico que impide dichas solicitudes. Sin embargo, algunos dispersantes como citrato amónico (acuosa) y imidazoline o oleyl alcohol (no acuoso) son prometedores para los aditivos deaglomeración.
Preocupaciones relacionadas con el tamaño
Otra preocupación es que el volumen de un objeto sufre decrementos en un orden igual a la tercera potencia de sus dimensiones lineales, pero el área de su superficie solo sufre un decremento igual a la segunda potencia. Este principio tan sutil como inevitable tiene implicaciones de gran importancia. Por ejemplo la potencia de un taladro es proporcional a su volumen, mientras que la fricción entre sus rodamientos y piñones es proporcional a su área, para un taladro de tamaño normal, su potencia es suficiente para vencer sin problemas cualquier fricción. Sin embargo si reducimos su escala en un factor de 1000, su poder se reduce en una cantidad proporcional a 10003 (un factor del orden de miles de millones), mientras que la fricción se reduce "únicamente" en un factor de 10002 (equivalente a un millón). Este taladro microscópico tiene una potencia por unidad de fricción 1000 veces menor a la del taladro original. Si la proporción original entre fricción y potencia era de 1% significa que el taladro pequeño tendrá dicha proporción en una escala de 10 a 1 (fricción y potencia), por lo tanto el taladro es inutil.
Es por ello que, mientras que en las superpotencias en miniatura, circuitos electrónicos integrados se pueden hacer funcionar, la misma tecnología no puede utilizarse para hacer funcional los dispositivos mecánicos en miniatura: la fricción supera la potencia disponible a escalas tan pequeñas. Así, mientras se puede ver microfotografías de silicio delicadamente grabada, la utilización de dichos dispositivos se encuentra con curiosidades limitado el mundo real, por ejemplo en el movimiento espejos y persianas. Aumenta la tensión superficial de la misma manera, causando que muy pequeños objetos tiendan a estar pegados.
Esto podría hacer cualquier tipo de "micro fábrica" poco práctica: aunque brazos robóticos y las manos podría ser reducido, cualquier cosa a recoger tenderán a ser imposible de poner. Lo anterior se dice, evolución molecular se ha traducido en trabajo cilios, flagelos, las fibras musculares, y los motores rotativos en ambientes acuosos, todos en la nanoescala. Estas máquinas, sin embargo, aprovechar el aumento de las fuerzas de rozamiento encontrados en micro o nanoescala. A diferencia de un remo, remo o hélice, la mecánica de los cuales están dominados por las fuerzas de rozamiento normal (las fuerzas de rozamiento perpendicular a la superficie) para la propulsión, cilios, etc, desarrollar el movimiento resultante de la exagerada arrastre o laminar las fuerzas (las fuerzas de fricción paralelas a la superficie) presentes en las microempresas y las dimensiones nanométricas. Para desarrollar "máquinas" significativas en nanoescala, las fuerzas deben ser consideradas. Nos enfrentamos con el desarrollo y diseño de nanomáquinas en lugar de la simple reproducción de macroscópicas.
Todas estas cuestiones han escalado a tener en cuenta al evaluar cualquier tipo de nanotecnología.
Materiales utilizados en nanotecnología
Materiales a que se refiere como "nanomateriales" en general se dividen en dos categorías: fullerenos, y nanopartículas inorgánicas.
Fullerenos. Artículo principal: fullereno
Buckminsterfullereno (Buckminsterfullerene) C60, también conocida como la buckyball, es el miembro más pequeño de la familia de los fullerenos.
Los fullerenos son una clase de alótropos de carbono los cuales son conceptualmente hojas de grafito enrolladas en tubos o esferas. Estos incluyen los nanotubos de carbono que son de interés debido a su resistencia mecánica y sus propiedades eléctricas.
Durante los últimos diez años, las propiedades químicas y físicas de los fullerenos han sido un tema candente en el ámbito de la investigación y el desarrollo, y es probable que sigan siendo durante mucho tiempo. En abril de 2003, fullerenos fueron objeto de estudio para su posible uso medicinal: vinculante antibióticos específicos a la estructura para orientar las bacterias resistentes, e incluso algunas objetivo las células del cáncer como el melanoma. En octubre de 2005 número de Química y Biología contiene un artículo que describe el uso de fullerenos como luz activados los agentes antimicrobianos. En el campo de la nanotecnología, resistencia al calor y la superconductividad son algunas de las más estudiadas en gran medida las propiedades.
Un método común utilizado para producir fullerenos es enviar una gran corriente entre dos electrodos de grafito cerca en una atmósfera inerte. El resultado de carbono arco de plasma entre los electrodos se enfría en los residuos de hollín que muchos fullerenos pueden ser aislados.
Hay muchos cálculos que se han realizado utilizando ab-initio Quantum métodos aplicados a fullerenos. De DFT y TDDFT métodos se puede obtener IR, Raman y UV espectros. Los resultados de dichos cálculos se pueden comparar con los resultados experimentales.
Nanopartículas
Artículo principal: nanopartícula
Las nanopartículas o nanocristales de los metales, semiconductores, óxidos, son de interés para sus mecánicos, eléctricos, magnéticos, ópticos, químicos y otras propiedades. . Las nanopartículas se han utilizado como puntos cuánticos y como catalizadores químicos.
Las nanopartículas son de gran interés científico ya que son efectivamente un puente entre materiales a granel y de la Energía Atómica o estructuras moleculares. Un material a granel debe tener propiedades físicas constantes, independientemente de su tamaño, pero a escala nanométrica, con este no suele ser el caso. Tamaño dependen de las propiedades se observan como confinamiento cuántico en semiconductores partículas, resonancia de plasmones superficiales en algunas partículas metálicas y Superparamagnetismo en materiales magnéticos.
Las nanopartículas presentan una serie de propiedades especiales en relación con el material a granel. Por ejemplo, la flexión de grueso del cobre (alambre, cinta, etc) se produce con el movimiento de los átomos de cobre / agrupaciones más o menos en la escala de 50 nm. Las nanopartículas de Cobre de menos de 50 nm se consideran super materiales duros que no muestren la misma maleabilidad y ductilidad a granel como el cobre macroscópico. El cambio en las propiedades no es siempre deseable. Materiales ferroeléctricos de menos de 10 nm puede cambiar su dirección magnetización temperatura ambiente utilizando energía térmica, con lo que son inútiles para la memoria de almacenamiento. Suspensiones de las nanopartículas son posibles debido a la interacción de las partículas superficiales con el disolvente es lo suficientemente fuerte como para superar las diferencias en la densidad, que suele dar lugar a un hundimiento, ya sea material o flotando en un líquido. Las nanopartículas tienen a menudo inesperadas propiedades visibles porque son lo suficientemente pequeños para limitar sus electrones y producir efectos cuánticos. Por ejemplo el oro nanopartículas aparecen de color rojo profundo a negro en la solución.
Las nanopartículas tienen una gran superficie proporción al volumen. Esto proporciona una enorme fuerza impulsora para la difusión, especialmente a temperaturas elevadas. Aglomerados puede tener lugar a temperaturas más bajas, a lo largo de escalas de tiempo más corto que para las partículas más grandes. Esta teoría no afecta a la densidad del producto final, a pesar de las dificultades de flujo y la tendencia de las nanopartículas de aglomerado de complicaciones. La superficie efectos de las nanopartículas también reduce la incipiente temperatura de fusión.
Referencias
Wikimedia foundation. 2010.
