Nanotecnologia: Nanomateriales y sus aplicaciones

Abstract

La nanotecnología apunta a ser la herramienta que
a corto plazo generará los nuevos adelantos en
ingeniería y por ende será el principal motor de
desarrollo de la sociedad. La investigación aquí
mostrada muestra en su primera parte algunos principios,
características y alcances de la nanotecnología,
para en base a ello identificar los más importantes campos
de aplicación de esta nueva tecnología que pretende
ser y que ya esta siendo un lugar en donde convergen las nuevas
ideas para el desarrollo de las actuales y futuras generaciones,
ya que los productos hasta ahora creados representan uno de los
mercados con índices de mayor crecimiento y desarrollo.
Éste articulo esta encaminado a proporcionar
información sobre la nanotecnología para así
formar un criterio técnico sobre el mismo y así
cada uno generar nuestro propio punto de vista.

Palabras clave: Nanotecnología,
Nanociencia, Nanomateriales

Introducción

En los últimos años, los avances en el
desarrollo científico a escala atómica han
permitido fortalecer un nuevo conocimiento, la
nanotecnología, una ciencia con carácter
transdisciplinario con la posibilidad de converger con otros
tipos de conocimientos. "Todo lo que nos rodea, desde nuestros
seres queridos a los bienes de consumo, está hecho de tan
sólo 90 sustancias simples, a las que llamamos elementos
químicos, que no pueden descomponerse en otras más
sencillas" [1]. Lo citado anteriormente sin duda es una gran
limitante para el avance de la tecnología e impide
conseguir grandes innovaciones para el desarrollo de la sociedad.
Pero sin duda es uno de los puntos de partida y de despegue de
las nanociencias.

Inicialmente el articulo se fundamenta en el principio
de que propiedades tanto electrónicas, ópticas,
mecánicas o magnéticas de las nanopartículas
son sensibles a su tamaño y se pueden modificar variando
su forma y dimensiones, esto se debe a que a este nivel de
manipulación del elemento se producen nuevos
fenómenos físicos relacionados con los efectos
cuánticos los cuales son los que causan la
variación de las propiedades de la materia. Es aquí
donde toma gran importancia las nanociencias y
nanotecnologías ya que en este campo el estudio de las
nanopartículas resultan muy atrayentes para fabricar
nuevos dispositivos y materiales que podrían utilizarse en
muchos campos de la ingeniería actual, los cuales
llegarían a tener características extremadamente
superiores a las de los dispositivos y materiales
actuales.

"Las innovaciones basadas en nanotecnología
darán respuesta a gran número de los problemas y
necesidades de la sociedad y suponen un desafío para las
actividades industriales y económicas, hasta el punto de
que se considera el motor de la próxima revolución
industrial" [2].

Nanotecnología

La nanotecnología trabaja en procesos
científicos sobre tamaños de un nanómetro, o
lo que es lo mismo, en tamaños mil veces más
pequeños que un cabello humano, lo que le permite trabajar
con átomos, moléculas y células. La
nanotecnología se inserta directamente en el campo del
diseño, lo que quiere decir, que conforman y sintetizan
materiales a través del control de la materia a nanoescala
para construir nanopartículas que tengan diferentes
utilidades a las de la materia original. La nanotecnología
aprovecha los nuevos fenómenos físicos relacionados
con los efectos cuánticos que se presentan a esa escala de
manipulación de la materia. La nanotecnología es
una nueva tecnología convergente, lo que quiere decir que
puede ser relacionada con otros tipos de conocimientos, lo que
estimula a que aumente la potencialidad de sus
aplicaciones.

Las propiedades electrónicas, magnéticas,
ópticas o mecánicas de las nanopartículas
son muy sensibles a su tamaño y se pueden modificar
variando la forma y dimensiones del compuesto. Por este motivo
las nanopartículas resultan muy atractivas para fabricar
dispositivos electrónicos y están destinados a
tener un papel estelar en las nuevas tecnologías del siglo
XXI [3]. Este es el principio de toda esta revolución
llamada nanotecnología, y aunque el premio Nobel de
Física 1965 Richard Feynman planteó una idea sobre
la manipulación de la materia a escala manométrica
en su famosa conferencia llamada  En el fondo hay
espacio de sobra, tuvo problemas ya que en esa época
no tenia los recursos tecnológicos para hacerlo, a pesar
de ello, su idea quedó y por ello se lo llama el padre de
la nanotecnología.

Nanociencia

La nanociencia es distinta a las otras ciencias porque
aquellas propiedades que no se pueden ver a escala
macroscópica adquieren importancia, como por ejemplo
propiedades de mecánica cuántica y
termodinámicas. En vez de estudiar materiales en su
conjunto, los científicos investigan con átomos y
moléculas individuales. Al aprender más sobre las
propiedades de una molécula, es posible unirlas de forma
muy bien definida para crear nuevos materiales con nuevas e
increíbles características [4]. Ahora bien, con el
concepto anterior claro podemos definir que las nanociencias se
enfocan en el estudio de las propiedades de los átomos y
moléculas, tanto propiedades físicas,
biológicas y químicas de las nanoparticulas,
además de la forma de producirlos y la manera de
ensamblarlos con el fin de poder crear los
nano-objetos.

Identificación
de nanomateriales

• Materiales Nanoestructurados

Una fracción de material comúnmente posee
en su interior moléculas organizadas en granos de
dimensiones por lo general de micrómetros y
milímetros de diámetro, estos granos están
constituidos habitualmente con poblaciones de miles de millones
de átomos. Una misma fracción de material
nanoestructurado, posee poblaciones granulares inferiores a un
par de miles de átomos y en donde los granos moleculares
alcanzan un tamaño máximo de 100 nanómetros
de diámetro. Entonces, los materiales nanoestructurados
poseen el 0.001 por ciento de átomos en comparación
con un material común de igual volumen, además los
granos nanoestructurados son entre mil y cien veces más
pequeños que los del material original. Todo esto conlleva
a una mayor ligereza de peso y ahorro de materia, además
de las nuevas características que adquieren y que
potencian enormemente el material.

• Aplicaciones

Cerámicas nanoestructuradas, imanes permanentes
de alta temperatura para motores de aviones; materiales
ferromagnéticos, almacenamiento de información,
refrigeración; catalizadores basados en hidrógeno;
materiales para almacenamiento de hidrógeno; sensores y
actuadores.

• Nanopartículas y Nanopolvos

Las Nanopartículas tienen unidades más
grandes que las de los átomos y las moléculas,
cuando menos una dimensión menos de los 100nm, obviamente
estas nanoparticulas son creadas artificialmente en los
laboratorios. Además otra de sus particularidades es que
poseen características propias, es decir que no obedecen a
la química cuántica, ni a las leyes de la
física clásica.

En la actualidad el estudio de las nanopartículas
es un área de intensa investigación
científica, debido a una extensa variedad de potenciales
aplicaciones. Entre los campos mas prometedores están los
campos biomédicos, electrónicos y ópticos.
Aunque por lo general las nanoparticulas están sirviendo
para el perfeccionamiento e innovación de materiales ya
existentes, existen también en el campo de la biomedicina
nanoparticulas que han demostrado ser capaces de eliminar tumores
y además de que éstas son biodegradables y
orgánicas.

Figura 1.
Nanopartículas. [6]

• Aplicaciones.

En la Biomedicina, sirve para la liberación de
fármacos, tratamientos contra el cáncer. En la
Ingeniería como sensores químicos, vidrios
autolimpiables, tintas magnéticas y conductoras. Para el
tratamiento de aguas con procesos fotocatalíticos, sirve
para recubrimientos textiles repelentes de agua y suciedad. En el
área de la electrónica para crear memorias de alta
densidad, pantallas con dispositivos de emisión basados en
óxidos conductores.

• Nanocápsulas

La mayor aplicación de las nanocápsulas
está sin duda en el campo de la medicina, ya sea para
combatir enfermedades o ayudar con la liberación de
fármacos en puntos específicos dentro del cuerpo
humano. Además el desarrollo de las nanocápsulas se
enfoca en intervenir las mismas para que se acumulen en un punto
deseado, la principal vía para lograr este objetivo es
posiblemente modificar las propiedades
físico-químicas de las nanocápsulas. La
investigación acerca de las nanocápsulas
aspira solucionar los problemas que aparecen, como son
los efectos secundarios de los
fármacos además de  complicaciones en el
tratamiento de la enfermedad.

Figura 2. Nanocapsulas.
[7]

• Aplicaciones

Liberación de fármacos, industria de la
alimentación, cosméticos, tratamiento de aguas
residuales, componentes de adhesivos, aditivos aromáticos
en tejidos, fluidos magnéticos [12].

• Nanotubos de Carbono

Tal vez uno de los nanomateriales mas interesantes y con
mayor potencial de aplicación sean los nanotubos. Son
estructuras cilíndricas con diámetro
nanométrico. Aunque pueden ser de distinto material, los
más conocidos son los de silicio pero principalmente, los
de carbono ya que unas de las principales características
de este último son su gran conductividad, y sus
propiedades térmicas y mecánicas. Existen
diferentes tipos de estructuras para formar un nanotubo, siendo
la estructura, la influencia principal que decida las
características finales como lo son las eléctrica,
térmicas o mecánicas del nanotubo.

Debido a la importancia de los nanotubos, aquí se
presenta brevemente su historia; en 1991 Sumio Iijima,
descubrió los nanotubos que desde ahí han
revolucionado la nanociencia. Él encontró 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, había descubierto los
nanotubos de carbono. Desde su descubrimiento hasta la
actualidad, las aplicaciones reales y potenciales de los
nanotubos van creciendo de forma impresionante. En su conjunto el
material constituido es un perfecto semiconductor por lo que es
posible que los nanotubos de carbono desempeñen el mismo
papel que realizo el silicio en los circuitos electrónicos
en su debido momento, pero ahora a escala molecular, donde los
demás semiconductores dejan de funcionar.

Estas características auguran que los nanotubos
representan el futuro de los dispositivos en la
electrónica debido a su alta velocidad de funcionamiento y
además de otros usos relacionados que se les pueden dar.
De momento, con los nanotubos de carbono ya se han fabricado
componentes básicos de los ordenadores, siendo el
próximo paso, construir circuitos electrónicos y
siendo optimistas en pocos años fabricar ordenadores
basados en nanotecnología.

Figura 3. Nanotubos de
Carbono. [8]

• Propiedades de los nanotubos de
  Carbono

• Propiedades eléctricas

Al tener en cuenta la complejidad electrónica de
los nanotubos, además de las reglas cuánticas que
rigen la conductividad, la conducción en los nanotubos de
carbono se transforma a un tipo de conducción
cuántica, en ocasiones los nanotubos incluso pueden
presentar superconductividad. Normalmente en un dispositivo
común si se representa voltaje frente a intensidad de
corriente se obtiene una línea recta, o sea, V=IR, cosa
diferente sucede con los nanotubos de carbono y la
conducción cuántica que muestra no es directamente
proporcional, sino que ahora su gráfica presenta una
línea escalonada ya que la conductividad de los nanotubos
es 3 órdenes de magnitud mayor que la de los materiales
actualmente usados (respecto al cobre que es el material mas
usado). Su conductividad depende de relaciones
geométricas, o sea, del número de capas, su
torsión o diámetro. Otro aspecto importante a
resaltar es que estos valores además de la resistencia del
nanotubo no dependen de su longitud, a diferencia de lo que
ocurre con los cables normales en donde su resistencia es
directamente proporcional a su longitud.

Propiedades mecánicas

Actualmente es la fibra más resistente
que se puede fabricar, esta capacidad se debe a la estabilidad y
robustez de los enlaces entre los átomos de carbono. Ahora
bien, al hablar de deformación también este
nanomaterial posee grandes ventajas ya que frente a esfuerzos
de deformación muy intensos son capaces de
hacerlo enormemente y de mantenerse en un régimen
elástico. Esta última característica
también se puede mejorar al hacer que varios tubos se unan
como una cuerda, de este modo al romperse un nanotubo, la
fractura no se propagaría a los demás nanotubos ya
que son independientes. En general, ante pequeños
esfuerzos los nanotubos pueden funcionar
como resortes extremadamente firmes o pueden deformarse
drásticamente y volver posteriormente a su forma original
frente a cargas mayores. En general es común aceptar que
los nanotubos son 100 veces más resistentes que el acero,
y 6 veces más ligeros.

Propiedades térmicas

Son enormemente estables térmicamente, tanto para
valores en el vacío como para mediciones en el aire, estas
mediciones están referenciadas a valores estándar
utilizados para la medición de materiales de cualquier
tipo. Además, las propiedades de los nanotubos pueden
modificarse atrapando metales o inclusive gases en su
interior.

• Aplicaciones

Polímeros conductores, cerámicas altamente
tenaces, apantallamientos electromagnéticos, componentes
para membranas y células solares, nano-osciladores en
orden de giga-Hertz, puntas nanoscópicas, músculos
artificiales.

• Materiales Nanoporosos

Los materiales nanoporosos vendrían a ser como
esponjas pero con poros nanométricos, materiales en donde
los poros ocupan una gran fracción de su volumen total y
presentan una significativa cantidad de superficie por
gramo.

Un material tan poroso en un área lo tan
pequeña posible sirve para, por un lado, porque muchas
reacciones ocurren más rápido sobre determinadas
superficies, y por otro, porque podemos rellenar los poros con lo
que queramos: polímeros, metales o diferentes tipos de
moléculas lo que lleva a descubrir peculiares
comportamientos del material. Esta posibilidad de
combinación de materiales abre las puertas a una variedad
asombrosa de aplicaciones.

Figura 4. Materiales
Nanoporos [9]

• Aplicaciones

Catalizadores para reducir la emisión de
contaminantes, aislantes, en aplicaciones medioambientales como
purificación de aguas, eliminación de
contaminantes, atrapadas y eliminación de metales pesados,
células solares orgánicas, supercondensadores para
almacenar energía, almacenamiento de gases.

• Nanofibras

Una nanofibra es una fibra  con
diámetro menor a 500 nanómetros. 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 [3].

Desde hace tiempo se han venido produciendo fibras de
carbono con este material, la cuales se utilizan para fabricar
implementos deportivos como palos de golf, cañas de
pescar, para elaborar ciertas partes de bólidos de
fórmula uno o incluso para diferentes partes aviones de
combate.

Otra aplicación es la de protección contra
bacterias, los agentes que componen la nanofibra absorben los
elementos dañinos desconocidos y los descomponen por
medios químicos, pero el problema radica en que se hace
difícil desechar los agentes tóxicos
producidos.

Figura 5. Nanofibras
[10]

• Aplicaciones.

Filtros, tejidos, cosméticos,
esterilización, separaciones biológicas,
ingeniería de tejidos, biosensores, órganos
artificiales, implantes, liberación controlada de
fármacos [12]. Purificar el agua obteniendo la
energía para hacerlo por medio de la luz del
sol.

• Nanohilos

Un nanohilo  es un cable con un
diámetro del orden de un nanómetro. Los
nanohilos pueden ser definidos como estructuras que tienen un
tamaño lateral restringido a diez o menos
nanómetros por lo general, aunque científicos
turcos en la Universidad Bilkent de Ankara están logrando
crear nanohilos de 15 nanómetros de diámetro y de
una longitud libre.

Los nanohilos debido a su relación
longitud–ancho han sido considerados como materiales
unidimensionales, por lo que presentan llamativas propiedades que
no se han visto en materiales de 3 dimensiones, ya que en estos
nanohilos no se producen efectos físicos cuánticos
en los bordes. Por ello también se los llama hilos
cuánticos.

Existen varios tipos de nanohilos, hilos
metálicos semiconductores y aisladores, estos dependen del
elemento con que se los produzca que puede variar desde el
níquel a oro, platino, titanio o silicio… Los
electrones, que transmiten la corriente, necesitan cierta
cantidad de átomos juntos para transmitirse de forma
fluida; cuando la anchura de su 'carretera' es menor, su
movimiento se ve obstaculizado por los átomos del borde
del material y se ralentiza [5]. Esto lleva a pensar que se
obtendrán grandes velocidades de
transmisión.

Figura 6. Nanohilos
[11]

• Aplicaciones

Tiene gran potencial para ser aplicados en
electrónica, dispositivos optoelectronicos, así
como a dispositivos nanoenectromecanicos.

Conclusiones

Como se puede ver, el futuro esta basado en los
nanomateriales, ya que al ser la nanotecnología una
ciencia multidisciplinaria estará en prácticamente
en todos los aspectos de la vida diaria, inmiscuida en cosas que
van desde la ropa que vestimos hasta en los dispositivos
electrónicos que usamos diariamente.

Las aplicaciones reales de la nanotecnologia ya
están a la vista, y sus potenciales aplicaciones
están abordando sus últimas fases de desarrollo
para que puedan ser expuestas al mundo sin mayor tipo de riesgos.
Los nanomateriales proporcionan nuevas y supremamente mejores
características que la de los materiales normales
originales de las cuales se derivan, estas propiedades
simplemente son innumerables ya que el simple hecho de variar la
geometría del material o el hecho de combinar las
nanoparticulas con distintos tipos de elementos pueden resultar
finalmente con una característica nueva la cual
tendrá un extenso campo para su
aplicación.

Finalmente, los nanomateriales al ser elementos
autoadaptables e inteligentes, significarán una
revolución tal como lo hicieron muchos materiales como el
silicio que revolucionó la electrónica en su
momento, pero con la diferencia de que ahora la nanotecnologia
influirá directamente en un sinnúmero de diferentes
campos, permitiendo dar grandes avances para la sociedad en un
periodo de tiempo relativamente corto.

Referencias

[1]
http://t3innovacion.larioja.org/uploads/media/Innovacion-Nanotecnologia.pdf
Fecha: 5:06 12/01/2012

[2]
http://www.opti.org/publicaciones/pdf/resumen10.pdf Fecha: 5:09
12/01/2012

[3]
http://www.rac.es/ficheros/doc/00429.pdf Fecha: 5:10
12/01/2012

[4]
http://www.euroresidentes.com/futuro/nanotecnologia/recursos_docentes/que_es_nanociencia.htm
Fecha: 15:13 11/01/2012

[5]
http://www.elmundo.es/elmundo/2011/06/27/nanotecnologia/1309170584.html
Fecha: 0:15 12/01/2012

[6]
http://copublications.greenfacts.org/es/nanotecnologias/index.htm
Fecha: 23:22 11/01/2012

[7]
http://www.vanguardia.com.mx/creannanocapsulasquepodrianservirparatratartumores-500755.html
Fecha: 23:20 11/01/2012

[8]
http://www.andaluciainvestiga.com/espanol/noticias/7/5968.asp
Fecha: 23:27 11/01/2012

[9]
http://www.andaluciainvestiga.com/espanol/noticias/5/4990.asp
Fecha: 23:35 11/01/2012

[10]
http://eliax.com/index.cfm?post_id=4682 Fecha: 23:41
11/01/2012

[11]
http://blogs.creamoselfuturo.com/nano-tecnologia/2007/02/09/nanolaseres-de-nanohilos/
0:21 12/01/2012

[12]
http://www.phantomsnet.net/Resources/files/Nanomateriales_alta.pdf
15:04 12/01/2012

Autor:

Luis Christian Criollo
Ordóñez

Docente: Ing. René
Ávila

Ecuador-Azuay-Cuenca