El Nanomundo


Nano (nm): equivale a 10-9 metros (millonésima parte de un milímetro).

Hoy en día tenemos el conocimiento necesario para mover, manipular y construir objetos a escala atómica o molecular, de manera individual (nanociencia), y este conocimiento será utilizado en un futuro cercano para realizar una función específica dentro de un determinado dispositivo (nanotecnología). A su vez, la nanotecnología proporcionará herramientas nuevas a los científicos con las que estudiar nuevos conceptos y avanzar en la ciencia.


La distancia típica entre dos bits consecutivos en un DVD Blue-Ray es de 320 nm (láser azul con longitud de ondaλ=405 nm), mientras en un DVD tradicional es λ=650 nm (láser rojo). La separación entre líneas en un chip es de 45 nm, utilizando técnicas de fabricación litográfica.

NANO-MATERIALES
  1. Redes cristalinas de carbono:
    • Diamantes, red tridimensional de enlaces covalentes, tetraédrica con 4 orbitales híbridos sp3;
    • Grafitos, red trigonal plana con 3 orbitales híbrido sp2 y 1 orbital p puro, formando láminas paralelas, unas a otras mediante fuerzas de Van der Waals, que son mucho más débiles que los enlaces covalentes. Como consecuencia, las propiedades del grafito son diferentes en el plano y en la dirección perpendicular al mismo; El grafeno tiene una sola lámina o plano atómico, se presupone que poseen una altísima movilidad electrónica y baja resistividad, podrían sustituir al silicio;
    • Carbinos, teóricamente deberían tener red lineal con 2 sp y 2 p;
    • Quasi-diamantes o Quasi-grafitos, según predomine el número de orbitales sp3 o sp2, fáciles de conseguir, destacan por su uso como protectores (de no más de 500 nm de espesor) debido a su elevada dureza, baja fricción y alta resistencia al desgaste (esquíes, raquetas de tenis o gafas);
    • Polímeros, formados fundamentalmente por carbono e hidrógeno, aunque también pueden incluir otros elementos, como oxígeno, azufre o nitrógeno. Tienen un enorme número de aplicaciones, por ejemplo, los plásticos, los polímeros conductores...
  2. Fullerenos, C60, C70, C48, C34: tienen forma de balón con pentágonos y exágonos en sus caras y átomos de carbono en sus vértices. Son muy estables y logran encerrar un mayor volumen en una menor área. En aplicaciones médicas, podrían transportar a otros materiales (inhibidores o con rastro magnético) en su interior.
  3. Nanotubos de carbono: formados por átomos ligeros (carbono), pero que se encuentran unidos entre sí por fuertes enlaces (hibridación sp2); sería como si se enrollara un plano atómico de grafeno.
    • En la construcción:Es 10 veces más ligero que el acero, 100 veces más resistente, y a la vez 10.000 veces más fino que un cabello, alta capacidad para doblarse pero sin romperse y son muy duros, muy eficientes conductores de calor, tal vez los mejores conocidos hasta hoy, y a la vez presentan un bajísimo coeficiente térmico de expansión.
    • En electrónica: pueden ser tanto conductores como aislantes. Así, por ejemplo, podremos disponer de un cable, no de 0.1 micras, como en los circuitos integrados actuales, sino inferiores a 10 nanómetros. Por otra parte, si introducimos defectos en la estructura podemos generar moléculas semiconductoras y así formar diodos o transistores: los dispositivos fundamentales de los aparatos electrónicos.
    • Otras aplicaciones: su utilización en pantallas planas o su uso para conseguir fabricar puntas de AFM mucho más afiladas y duraderas, que acaban en un nanotubo de carbono.
  4. Zeolitas: minerales de aluminio, silicio, hidrógeno y oxigeno que presentan una estructura ordenada de micro o nano-poros, que permiten (o no) el paso de algunas moléculas. Por ejemplo, pueden usarse como catalizadores en la industria petroquímica o como tamices moleculares en la purificación de gases y líquidos.
  5. Alcanotioles: hidrocarburos saturados (alcanos) que acaban en un grupo tiol (grupo formado por un átomo de azufre y uno de hidrógeno, -SH). Permite realizar procesos de autoensamblado de monocapas sobre superficies metálicas de oro. La formación de este tipo de estructuras está basada en la capacidad que presentan ciertas moléculas para, de forma espontánea, adsorberse (quedar unidas) y colocarse de una determinada manera sobre la superficie de un material.
    Podemos distinguir 3 partes: 1) La cabeza o grupo de anclaje a la superficie, proporciona la afinidad química con el soporte, por ejemplo, por la interacción azufre-oro; 2) el esqueleto orgánico o grupo espaciador posibilita la estabilización de la estructura mediante débiles interacciones de Van der Waals con los esqueletos de otras moléculas quimiadsorbidas vecinas, y también permite la formación de estructuras ordenadas. 3) El grupo terminal o funcional específico es el que va a quedar expuesto al ambiente y a definir tanto la reactividad como las propiedades físico-químicas de la superficie modificada, y por consiguiente, sus posibles aplicaciones.
  6. Nanopartículas:
    conjunto de átomos. Dendrímero: sucesión de moléculas orgánicas dispuestas de manera parecida a las ramas de un árbol. El núcleo central puede ser una molécula orgánica o incluso una nanopartícula, que actúe como “semilla”. A partir de este núcleo central van creciendo capas de forma radial dando lugar a una macromolécula altamente ramificada. El tamaño, forma y reactividad del dendrímero se controlan mediante el tipo de moléculas utilizadas, su grado de ramificación y el número de capas superpuestas. Dada la naturaleza porosa del entramado molecular que se origina, los dendrímeros pueden construirse de tal forma que incluyan en su interior (o expongan sobre su superficie) determinadas moléculas de interés, por ejemplo fármacos o anticuerpos.




PROBLEMAS EN LA CARRERA HACIA LA MINIATURIZACIÓN
  1. Efectos de tamaño finito. A medida que los objetos se hacen más pequeños, su superficie crece respecto a su volumen. Estos objetos se van convirtiendo más “en superficies”, donde los átomos tienen menos vecinos, tienen la posibilidad de escapar antes del material, pueden “sentir” mejor la presencia de otros átomos externos y reaccionar con ellos. Las propiedades físicas de una superficie son muy distintas a las del volumen.
  2. Efectos cuánticos. Las ecuaciones para la escala macroscópica en nuestro mundo, como las de Newton que definen el movimiento de los cuerpos, las de Maxwell la radiación electromagnética y la ley de Ohm la electricidad, dejan de ser válidas cuando tratamos con objetos muy pequeños (por debajo del nanómetro) y cuando las velocidades de los objetos son elevadas (cercanas a la de la luz). La física cuántica, con sus paradojas, nos demuestra nuestra incapacidad para conocer de manera absoluta el mundo que nos rodea, ya que sólo seremos capaces de describir la probabilidad de que un objeto esté en un determinado lugar o de que un suceso ocurra. En el mundo atómico el mismo objeto puede ser o no ser, estar o no estar, dependiendo de cómo lo observes. Y además, cuando lo observas puedes ser tú el causante de lo que estás viendo. Estas nuevas leyes y fórmulas contradicen nuestra lógica newtoniana, basada en la experiencia en el mundo cotidiano.

LA TECNOLOGÍA DEL FUTURO

La química ha trabajado tradicionalmente desde un punto de vista macroscópico y global, por ejemplo, siguiendo las reacciones que ocurren en un tubo de ensayo mediante cambios en el color, temperatura o pH.

La tecnología actual trabaja como un escultor: haciendo las cosas más y más pequeñas, más y más perfectas (planteamiento top-down, de arriba hacia abajo). La nanotecnología del futuro trabaja como un albañil: utilizando pequeños “ladrillos” para crear objetos superiores con distintas aplicaciones (planteamiento bottom-up, de abajo hacia arriba).

Otro de los objetivos de la nanociencia y la nanotecnología es aprender de los mecanismos fundamentales que la vida ha desarrollado durante su evolución para intentar reproducirlos e incluso adaptarlos para la resolución de otros problemas que poco tienen que ver, en principio, con la biología.

NANO-HERRAMIENTAS: EL ARTE DE VER, TOCAR, MOVER Y ESCRIBIR

Gracias a la física cuántica, podemos no sólo ver los tornillos de la torre Eiffffel desde la Luna, sino también apretarlos o aflojarlos. En defifinitiva, actuar sobre ellos.

Microscopios:
  1. Óptico (resoluciones hasta 1000 nm): limitados por la longitud de onda de la luz visible utilizada para iluminar los objetos (el tamaño mínimo es la mitad de esta longitud) y por aberraciones ópticas (defectos de las lentes) de las lentes de vidrio.

  2. Electrónico TEM (de transmisión) o el SEM (de barrido) (hasta 10nm): radiación con haces de electrones con potentes fuentes de alimentación y bombas de vacío para evitar que en su camino hacia la muestra sean desviados por las moléculas del aire. El objeto que se estudia debe ser metálico y debe resistir la radiación sin deteriorarse.

  3. De campo cercano (SPM) (hasta 0,01 nm): la sonda, que es una punta afiladísima de unos pocos nanómetros, al acercala a la muestra aparecen diversos tipos de interacciones de naturaleza cuántica (corrientes eléctricas o fuerzas atómicas), por la proximidad a la que se encuentran. La magnitud de la interacción está directamente relacionada con la distancia punta-muestra, por lo que es posible generar un mapa de la topografía de la superficie al ir moviendo la sonda, a una altura constante, sobre la muestra con grandísima precisión y de una manera controlada. Aplicando potenciales a una barrita de material piezoeléctrico podemos hacer que ésta se deforme y pueda mover la punta del SPM, pegada a su extremo.

    Problemas: la punta debe acabar en un sólo átomo y ser estable, necesita sistemas antivibratorios muy potentes, es necesario afilarla, limpiarla o incluso cambiarla, y la estabilidad de la propia muestra (sus átomos se mueven a temperatura ambiente debido a la agitación térmica).
  • STM (de efecto de tunel, hasta 0,01 nm): Se mide una pequeñísima corriente eléctrica, la llamada corriente túnel, cuyo valor depende exponencialmente de la separación entre la punta y la superficie, que debe ser conductora. El efecto tunel viene a decir que una partícula con una determinada energía tiene una probabilidad no nula de atravesar una barrera de potencial cuya altura sea superior a la energía de la partícula, y que depende de la anchura y altura de la barrera y la energía y masa de la partícula.
  • AFM (de fuerzas atómicas, hasta 0,1 nm): se mide es la fuerza atómica entre una punta que está en el extremo de una micro-palanca y la superficie, que no tiene que ser conductora. Si la punta está cerca, estas fuerzas son repulsivas y tienen su origen en la repulsión entre las nubes electrónicas entre los átomos de la superficie y la punta, dependiendo enormemente de la distancia. La palanca refleja la luz láser de fotodiodos para medir su deflexión y por tanto la altura de la punta.
Otros: MFM (de Fuerzas Magnéticas), para visualizar moléculas o regiones con propiedades magnéticas, mientras que el SNOM (de Campo Cercano) permite observar luz proveniente de una sola molécula y estudiar así sus propiedades ópticas.

Zoom de CILa figura muestra sucesivos zooms de una superficie de silicio de un circuito integrado: lo que vemos con nuestros ojos (A), con una lupa (B), con un microscopio óptico (C), con un microscopio electrónico de barrido (SEM) (D) y finalmente con un microscopio de fuerzas atómicas (AFM) (E).

Nanolitografía: Manipulación de la materia
  1. Mediante el uso de microscopios: Para lograr “escribir” las letras de oxido de silicio sobre una placa de silicio a tamaño nanométrico se genera un campo eléctrico entre la placa y la punta de un microscopio AFM. Así se consigue que el vapor de agua ambiental se condense justo entre la superficie y la punta dando lugar a un menisco de unos 10 nm de grosor que actuará como un “bolígrafo”, pues al aplicar un segundo voltaje se consigue oxidar el silicio en esa zona, originándose una marca de estas dimensiones.
  2. Abrasión iónica (FIB: “Focused Ion Beam”): erosión controlada de una superficie mediante haces nanométricos de iones, generalmente de galio. Se puede emplear también para depositar materiales con formas determinadas, unos encima de otros, alcanzándose resoluciones de hasta unos 30 nm.
  3. Abrasión electrónica: hacer incidir un haz de electrones sobre una superficie y son las más utilizadas para fabricar los circuitos impresos.
  4. Abrasión fotónica: mediante radiación luminosa.
Un ejemplo muy interesante es la manipulación de nanotubos utilizando microscopios SEM, cuyo haz de electrones se focaliza en puntos concretos del sustrato, modificándolo y formando una semilla. Posteriormente transportan la muestra a un medio que contiene nanotubos de carbono, los cuales se fijan por afinidad química en los puntos donde se había focalizado el haz de electrones. El resultado es una superficie modificada con nanotubos que se encuentran dispuestos verticalmente.

NANOCIENCIA Y NANOTECNOLOGÍA: Entre la ciencia ficción del presente y la tecnología del futuro. FECYT (fundación Española para la ciencia y la Tecnología)

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