P
REGUNTAS Y
R
ESPUESTAS
S
OBRE
EL
MUNDO NANO
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Imágenes de la portada Cortesía de:
© cambridge2000.com
Gabriel Alonso Núñez, CNyN
Óscar Eugenio Jaime Acuña, CNyN
Mariana Oviedo Bandera, CNyN
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Comité Editorial
Joel Antúnez García
Jesús Alberto Maytorena Córdova
Vitalii Petranovskii
Oscar Raymond Herrera
Leonardo Morales de la Garza
Editor
María Isabel Pérez Montfort
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ÍNDICE DE ARTÍCULOS
PRÓLOGO ... v
INTRODUCCIÓN ... vii
Agradecimientos ... viii
¿A QUÉ NOS REFERIMOS CON NANO? ... 1
CONCEPTOS ... 6
¿QUÉ SON LOS NANOCOMPUESTOS? ... 7
¿QUÉ ES UN PUNTO CUÁNTICO? ... 13
FERROELECTRICIDAD: ¿TIENE EFECTO EL TAMAÑO? ... 16
¿QUÉ HACE LA LUZ EN ESPACIOS DE TAMAÑO NANOMÉTERICO? ... 22
¿QUÉ ES UN NANOREACTOR? ... 28
MATERIALES ... 33
¿QUÉ ES EL NANO-ORO? ... 34
¿QUÉ ES UN DENDRÍMERO? ... 38
¿QUÉ ES UN NANOGEL? ... 42
¿QUÉ ES UNA NANOEMULSIÓN? ... 45
APLICACIONES ... 49
¿CÓMO SE USAN LOS NANOCATALIZADORES PARA PRODUCIR COMBUSTIBLES FÓSILES LIMPIOS? ... 50
¿CÓMO PUEDE CONTRIBUIR LA NANOTECNOLOGÍA A LA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA LIMPIA? ... 54
¿QUÉ ES LA NANOFOTOCATÁLISIS Y PARA QUÉ NOS SIRVE? ... 57
¿CÓMO FUNCIONAN LAS PELÍCULAS ANTIRREFLECTORAS EN CÁMARAS FOTOGRÁFICAS Y BINOCULARES? ... 62
¿POR QUÉ UTILIZAR NANOPARTÍCULAS DE SILICIO PARA EL DESARROLLO DE NUEVOS DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS?... 69
¿CÓMO SE RELACIONAN LA NANOTECNOLOGÍA Y LA MEDICINA? ... 74
¿QUÉ ES UN BIOMARCADOR? ... 80
v
PRÓLOGO
Noboru Takeuchi Tan
En los últimos tiempos, las palabras nanociencia y nanotecnología se han incorporado al lenguaje cotidiano. Las encontramos en noticias sobre avances científicos en el tratamiento de enfermedades como el cáncer, en nuevos materiales que ofrecen una amplia gama de ventajas como el ser ultra resistentes y ligeros y hasta en artículos de belleza.
Aunque parezca sorprendente, el uso de los nanomateriales no es nuevo, por ejemplo, los artesanos que diseñaban los vitrales en la Edad Media descubrieron que al darle un tratamiento al oro podían obtener una variedad de colores, los cuales, hoy sabemos, se deben a la formación de
nanoestructuras. Más cercano a nuestra geografía, los antiguos pobladores de Mesoamérica utilizaban en sus murales el azul maya, un colorante artificial que ellos fabricaban, el cual, además de ser muy atractivo, ha demostrado ser muy resistente al paso del tiempo. Recientemente, se descubrió que esas cualidades se deben a que el azul maya está formado por una mezcla de índigo (el material usado para colorear de azul la mezclilla) con una arcilla, la cual tiene cavidades de tamaños nanoscópicos. Durante el procesamiento, las moléculas de índigo quedan atrapadas en dichas cavidades.
Lo que es nuevo, es la habilidad para medir, manipular y organizar la materia a escalas nanométricas. Esto es posible principalmente porque ya se cuenta con la tecnología y algunos aparatos como los microscopios electrónicos, con los cuales es posible no sólo ver los átomos y las moléculas, sino también manipularlos.
El tener la capacidad de diseñar casi cualquier estructura molecular que permitan las leyes físicas es tan trascendental que distintos sectores de la población, entre ellos los empresarios y los
científicos proclaman que estamos ante el nacimiento de una nueva revolución tecnológica, la cual impactará nuestro modo de vida en muchos aspectos. Es por eso que es necesaria una participación informada por parte de la sociedad y este texto sin duda será una valiosa aportación.
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entre la investigación, el desarrollo tecnológico y la información que permea hacia la comunidad acerca de los riegos y beneficios de interactuar con este tipo de materiales. El Centro de Nanociencias y Nanotecnología (CNyN) de la UNAM, líder nacional con reconocimiento internacional en investigación y educación en nanociencia y nanotecnología, entiende la importancia de vincularse con la sociedad y por eso incluye entre sus misiones difundir el conocimiento de las nanociencias para promover la cultura y con eso generar un mayor interés por la ciencia en general y las nanociencias en particular.
Con el propósito de establecer un contacto directo entre los lectores y los académicos y divulgar sus conocimientos, el CNyN compiló en este libro una variedad de preguntas y respuestas especialmente enfocadas en el trabajo que los investigadores están realizando en el Centro en relación con la materia a esas pequeñas escalas.
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INTRODUCCIÓN
El libro que aquí presentamos es una colección de textos cortos e ilustrados de divulgación acerca de diversos aspectos de las nanociencias. Está dirigido principalmente a estudiantes y público interesado en temas científicos y tecnológicos de actualidad. Su elaboración estuvo a cargo de investigadores del Centro de Nanociencias y Nanotecnología de la Universidad Nacional Autónoma de México (CNyN-UNAM) que se encuentra en Ensenada, Baja California. El CNyN-UNAM es un centro de investigación y enseñanza sobre materiales y fenómenos que ocurren a la escala nanométrica. Los autores del libro se propusieron describir fenómenos del campo de su especialidad y el tipo de trabajo que desarrollan, para acercar a los lectores interesados a estos temas de gran actualidad.
Hoy en día, no se necesita ser un especialista para saber que existen nanochips que hacen a las computadoras más veloces, sobre la existencia de materiales nanoestructurados que aumentan la resistencia y flexibilidad de otros materiales, sobre los LEDs o diodos emisores de luz que vemos en los semáforos de tráfico y en lámparas de uso diario, sobre nanocatalizadores que contribuyen a limpiar el medio ambiente y sobre cremas y cosméticos elaborados con nanopartículas que mejoran sus propiedades. También es conocido que en la medicina ha habido avances en la cura de
enfermedades tratadas con medicamentos nanoencapsulados, que el uso de nanotubos de carbón mejora las propiedades de los materiales y que, en el futuro, se podrá implementar la propiedad intrínseca del electrón llamada espín, para fabricar computadoras. El afán de este libro ha sido explicar algunos de estos avances de la nanotecnología en forma accesible.
Por otra parte, el entendimiento de los fenómenos a nivel teórico constituye un reto para la ciencia básica y resulta necesario para explicar las observaciones experimentales, enfocar los problemas conceptuales relevantes y orientar futuros experimentos. Además de los desarrollos en nanotecnología, los avances en las técnicas de fabricación de nanoestructuras han permitido la realización de nuevos experimentos que a su vez han revelado fenómenos físicos sorprendentes cuya comprensión es de importancia fundamental.
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El libro está organizado en tres secciones: Conceptos, Materiales y Aplicaciones, pero cada artículo se puede leer de forma independiente. El artículo inicial del libro se titula ¿Qué es lo nano? y contiene definiciones del mundo nano que permitirán una mejor comprensión de los demás artículos. Algunos autores sugieren lecturas adicionales y que al final se incluye un glosario con definiciones de términos especializados que complementa la lectura.
Ésta es una invitación a adentrarse en el fascinante mundo nano y esperamos que los temas aquí tratados despierten el interés de los lectores por conocerlo mejor. Los datos de los autores aparecen al final del libro para aquellos lectores que deseen consultar dudas o hacerles llegar comentarios.
Si la lectura de este libro despierta la curiosidad del lector, contesta algunas de sus preguntas y sirve como estímulo para conocer mejor el mundo nano, se habrá cumplido nuestro objetivo.
El comité editorial
Agradecimientos
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¿A QUÉ NOS REFERIMOS CON NANO?
Joel Antúnez García, Jesús Alberto Maytorena Córdova, Leonardo Morales de la Garza, María Isabel Pérez Montfort, Vitalii Petranovskii y Oscar Raymond Herrera
En las ciencias naturales y exactas es muy común el empleo de prefijos para situarnos en una escala espacial o temporal. Por ejemplo, usamos el prefijo kilo para referirnos a 1000 metros cuando decimos kilómetro, la estatura de una persona la citamos en metros y no en milímetros, y con el prefijo mili describimos el tamaño de un insecto que puede medir cerca de una milésima de un
metro o, en notación científica, 1 × 10-3 m. Un microbio se mide en micras que corresponde a 1 x 10 -6
m. De la misma manera, el prefijo nano se emplea para referirnos a la mil-millonésima parte, o 1 ×
10-9, de un metro: el nanómetro, o de un segundo: el nanosegundo. El mundo nano se refiere a sistemas y fenómenos que involucran esta escala.
Un nanosegundo pareciera un lapso muy corto de tiempo, pero puede ser muy largo si hablamos de fenómenos que ocurren a nivel atómico o molecular, como las transiciones electrónicas de un estado de energía a otro, que suceden en tiempos aún más cortos que los nanosegundos, en
femto (10-15) o en picosegundos (10-12), o sea entre 1 × 10-6 y 1 × 10-3 nanosegundos. Un ejemplo
mucho más familiar que ocurre en nanosegundos es el número de operaciones que puede llevar a cabo el procesador de una computadora de las que usamos diariamente en casa: es del orden de un billón de operaciones por segundo o 1000 operaciones en un nanosegundo. Otro ejemplo es que, como es muy conocido, la velocidad de la luz es de alrededor de 300,000 km/s; esto significa que en un nanosegundo la luz recorre casi 30 cm.
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Otro concepto importante en este campo de estudio es el de las nanopartículas las cuales son agrupaciones de átomos de uno o varios compuestos que miden varios nanómetros de diámetro. Las propiedades fisicoquímicas de estas partículas nanométricas, por ejemplo, su actividad catalítica y su interacción con la luz, dependen de su tamaño y de su geometría y, en general, difieren drásticamente de las propiedades que muestra el mismo material a escala macroscópica. Para explicar las propiedades de las nanopartículas se recurre principalmente a la mecánica cuántica.
A la escala nanométrica, las propiedades dependen no solo del tamaño de la nanopartícula sino también de la forma en la que están acomodados los átomos. Aun cuando dos nanopartículas están formadas por el mismo material y con el mismo número de átomos, si su estructura geométrica es diferente, sus propiedades serán distintas (Fig. 1).
Figura 1. Nanopartículas formadas por el mismo número de átomos con distinta estructura geométrica: a) icosaédrica y b) cuboctaédrica. El arreglo distinto de los átomos les da propiedades fisicoquímicas diferentes.
Por su parte, las estructuras nanométricas son aquellas que miden nanómetros en al menos una de sus dimensiones; las otras dimensiones pueden ser de mayor tamaño. Por ejemplo, los nanotubos de carbono tienen un diámetro de algunos nanómetros y pueden tener varias micras de longitud (Fig. 2).
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scanning electron microscope) que es un instrumento de alta precisión con el que se puede observar la morfología de los materiales a nivel micro y nanométrico. Otro, es el microscopio electrónico de trasmisión (TEM, del inglés transmission electron microscope) con el cual se puede observar la estructura de la materia a nivel atómico.
Como ejemplo de las capacidades de estos microscopios, en la figura 2 se muestran imágenes de nanotubos de carbono a diferentes escalas tomadas con estas dos técnicas de microscopía.
a
b
c
Figura 2. Nanotubos de carbono de capa multiple con distintas amplificaciones. a) Imagen de SEM que muestra nanotubos cuya longitud es de varias micras (la escala es de 2.5 micras); b) imagen de SEM que muestra en detalle los mismos nanotubos donde se aprecia un diámetro exterior menor a 100nm; c) imagen de TEM que muestra el diámetro interior menor a 10 nm de un nanotubo. Se observan las multicapas del nanotubo (la escala mostrada es de 5 nm). (Cortesía de Gabriel Alonso, CNyN)
Muchos autores consideran a Richard Feynman como el padre de la nanociencia y la
nanotecnología ya que en 1959 presentó una conferencia en el Instituto Tecnológico de California (Caltech), titulada “There's plenty of room at the bottom”, o “Hay mucho espacio en el fondo”. En
esta conferencia, planteó que las leyes de la física no impedían manipular la materia átomo por átomo y que, de hacerlo, existiría todo un universo de posibilidades tecnológicas.
Esta posibilidad se hizo realidad a partir de la invención del microscopio de efecto túnel (STM
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microscopio, en la figura 3, se muestra una imagen de STM de una capa de átomos de yodo sobre una superficie cristalina de oro.
Figura 3. Imagen de STM (5 nm x 5 nm) de una capa de átomos de yodo, puntos más brillantes, sobre una superficie cristalina de oro. La escala de la derecha indica la profunidad relativa en nm. (Cortesía de José Valenzuela, CNyN)
Las nanociencias utilizan primordialmente la mecánica cuántica para modelar, predecir y explicar propiedades de los materiales que se observan experimentalmente; por ejemplo, investigan bajo qué parámetros de temperatura y presión se pueden obtener nanomateriales de tamaño y
estructura controlada y qué propiedades físico-químicas exhiben. Es claro que la física y la química forman los bloques fundamentales de las nanociencias. Hoy en día estas disciplinas también incluyen a la medicina, a la biología y a la agronomía, entre otras, lo que señala su naturaleza multidisciplinaria.
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A su vez, la nanotecnología comprende la capacidad de construir y manipular objetos y dispositivos a nivel nanométrico. En la actualidad, hay muchos productos en el mercado que incluyen componentes obtenidos por medio de procesos nanotecnológicos; entre ellos podemos mencionar las cremas de protección solar con nanopartículas que absorben radiación ultravioleta, lámparas más potentes como los LEDs o diodos emisores de luz y circuitos integrados o nanochips. En la medicina se han hecho pruebas con nanopartículas que muestran gran efectividad en el combate de ciertos tipos de virus, de tumores y de cáncer. En el campo de la biología se han creado nuevos pesticidas que contienen nanopartículas que optimizan el tratamiento de aguas residuales.
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¿QUÉ SON LOS NANOCOMPUESTOS?
Oscar Raymond Herrera, Oscar Eugenio Jaime Acuña y Pamela Rubio Pereda
Es bien conocido que un compuesto químico es aquella sustancia constituida por la unión de dos o más elementos químicos que guardan cierta proporción, y se identifica mediante una fórmula química, por ejemplo, el agua (H2O) o el cloruro de sodio (NaCl). En cambio, un material compuesto, concepto que en el inglés corresponde a la palabra técnica “composite”, es un cuerpo sólido constituido por una mezcla de dos o más diferentes tipos de materiales (metálicos, cerámicas, vidrios, polímeros, entre otros). En un material compuesto se combinan las características estructurales y/o funcionales de cada uno de sus componentes, buscando la aparición de nuevas y mejores propiedades físico-químicas no presentes en cualquiera de los componentes por separado.
Una gran variedad de los materiales empleados en la industria moderna son compuestos que se fabrican en diferentes escalas en cuanto a las dimensiones de sus componentes. Un ejemplo clásico de un compuesto fabricado en la escala macroscópica es el concreto que es una mezcla de agua,
cemento, grava y arena. Cada uno de estos componentes desempeña una función y otorga ciertas propiedades al compuesto final que de ninguna manera pudieran obtenerse por los componentes
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Figura 2
En la tecnología se puede hablar de tres arquitecturas básicas que conforman a los compuestos, ilustradas en la figura 1 para compuestos de dos componentes. El primero se conoce como modelo particulado y el concreto es un ejemplo de material con esta arquitectura, el segundo como laminar, un ejemplo es el taraflex empleado en instalaciones deportivas, y el tercero es el columnar o de fibra, presente en la estructura de las llantas de automóviles con cuerdas de nylon, de
acero, o con una combinación de ambas.
En 1948, se inició el desarrollo de una nueva rama de la industria llamada tecnología planar
que, basada en el modelo laminar, fabricó el primer transistor bipolar de estado sólido a escala micrométrica. El modelo laminar fue el motor principal de la revolución que se dio en el siglo XX en la industria microelectrónica y ha tenido gran impacto en el progreso alcanzado hasta nuestros días en numerosas ramas industriales.
Nanocompuestos
Conociendo las bondades que ofrecen los materiales compuestos, el actual desarrollo de la nanotecnología se ha enfocado en el diseño y la fabricación de tales tipos de compuestos. En el ámbito de la investigación científica-tecnológica, actualmente se promueve en muchos países el desarrollo de nuevas estructuras, sistemas y dispositivos constituidos por partes de dimensiones nanométricas que designamos como nanocompuestos.
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capacidad actual de almacenamiento y transmisión de la información en el menor espacio posible, que permitan el desarrollo de sistemas inteligentes auto gobernables con menor consumo de energía, que generen nuevas fuentes de energía, o logren mayor control en el tratamiento de enfermedades, como ejemplos de la infinitud de aplicaciones de la nanotecnología al bienestar del ser humano.
Figura 3
Nuevos dispositivos transductores, que son elementos que convierten un tipo de energía en otra, por ejemplo, un transductor electromecánico transforma energía eléctrica en mecánica y vice
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la distribución de las cargas eléctricas, deforma elásticamente la matriz ferroeléctrica BTO, y ésta, a su vez, deforma al ferrimagnético CFO embebido, logrando cambiar su estado de magnetización. Con ello, se afecta el entorno magnético del nanocompuesto y los cambios pueden detectarse con espiras metálicas externas de dimensiones adecuadas. Tales nanocompuestos, entre otras muchas aplicaciones, pueden emplearse como detectores de campos magnéticos extremadamente pequeños, como los que generan sistemas biológicos minúsculos, por ejemplo, las células.
Nanocompuestos fotoactivos
Otros nanocompuestos que se desarrollan en el CNyN son los nanocompuestos fotoactivos
basados en la síntesis de nanopartículas de materiales semiconductores adheridos a la superficie interior y exterior de materiales mesoporosos. Los materiales mesoporosos tienen poros de tamaños intermedios, o meso, entre los nanoporos (~ 1 nm) y los microporos (~ 1 µm). El material que se utiliza en estas investigaciones se denomina zeolita. En la figura 3, se muestra la estructura de una
zeolita tipo mordenita (MOR) en la que se aprecia un canal en el centro que es característico de este material poroso y tiene 0.6 nm × 0.7 nm de diámetro.
Figura 3
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muy especialmente en la fotocatálisis, como se describe en la pregunta ¿QUÉ ES LA NANOFOTOCATÁLISIS Y PARA QUÉ NOS SIRVE?de este libro.
Figura 4
Para la obtención de los nanocompuestos fotoactivos, primero se sintetizan los polvos de mordenita empleando el método químico conocido como sol-gel. Los geles obtenidos de las soluciones precursoras se someten a presión y temperatura controladas mediante el uso de
autoclaves herméticamente cerradas. Una micrografía de uno de los polvos de las mordenitas sintetizadas, obtenida por microscopia electrónica de barrido y coloreada, se muestra en la figura 4. Se pueden apreciar los empaquetamientos de mordenitas en forma de discos ovalados. Las mordenitas que se muestran en la figura 4 se sintetizan insertando un átomo de un metal (por
ejemplo, Cd, Zn, Pb, Cu o Fe) en el lugar que ocupaba el átomo de sodio en la zeolita. Una vez intercalado el metal, el nanocompuesto se somete a un proceso de oxidación que modifica al metal. De esta manera se obtienen nanopartículas semiconductoras de modo controlado, homogéneamente dispersas y adheridas tanto a las cavidades internas de las mordenitas como a toda su superficie exterior. A esto se le llama un semiconductor soportado en mordenita.
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Figura 5
Finalmente, la figura 6 muestra, a la izquierda, una selección de polvos de nanocompuestos
sintetizados con nanopartículas semiconductoras de ZnxCdxS a diferentes concentraciones relativas de Zn y Cd; obsérvese la intensidad del amarillo que aumenta con el incremento de Cd en la composición. A la derecha, se muestra la variación de la absorción óptica de estos nanocompuestos en función de la longitud de onda y se compara con el comportamiento de los polvos puros micrométricos de ZnS y CdS, así como de polvos de mordenitas sódicas sin nanopartículas (Na-MOR). La gráfica muestra que los nanocompuestos fotoactivos sintetizados tienen la actividad óptica deseada y esto los proyecta como nanocompuestos con aplicaciones en el campo de la
fotocatálisis.
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¿QUÉ ES UN PUNTO CUÁNTICO?
Ernesto Cota Araiza
En 1959, el físico Leo Esaki, como parte de su tesis doctoral en la Universidad de Tokio sobre materiales semiconductores con impurezas, descubrió lo que se conoce como el diodo túnel, el primer dispositivo electrónico basado en efectos cuánticos. En 1973, Esaki recibió el Premio Nobel de Física por sus contribuciones acerca del fenómeno de tunelaje cuántico y por sus estudios sobre superredes y pozos cuánticos. Estos estudios abrieron el camino a la posibilidad de desarrollar sistemas en el laboratorio y estudiar fenómenos que hasta entonces sólo existían en los libros de texto de mecánica cuántica. En los años setentas, el desarrollo de técnicas como la litografía de haces electrónicos hizo posible el confinamiento de gases de electrones en materiales semiconductores en dos dimensiones (planos), una dimensión (alambres) y hasta cero dimensiones (puntos cuánticos). De esta manera, podemos definir un punto cuántico (PC) semiconductor, como una región en el material, de unas decenas de nanómetros, donde un determinado número de
electrones (que se puede reducir a uno) queda confinado en las tres direcciones espaciales. Este confinamiento hace que el espectro de niveles de energía que los electrones pueden ocupar sea
discreto, similar a lo que ocurre en un átomo, y las características de este espectro (espaciamiento entre niveles, por ejemplo) dependen del tamaño y la geometría del PC. Tenemos entonces un sistema con un espectro que se puede diseñar, de manera que, por ejemplo, las frecuencias de absorción o emisión ópticas serían controlables, con lo cual se abre la posibilidad de aplicaciones en diversas áreas que van desde la nanoelectrónica y las celdas solares hasta el diagnóstico y tratamiento de enfermedades.
Actualmente, en algunos laboratorios del mundo se usan técnicas litográficas para fabricar PC
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electrones y controlando el número de electrones que quedan confinados en cada PC. Raymond Ashoori (MIT, EUA) y Horst Störmer (Universidad de Columbia, EUA) han obtenido PC con un solo electrón y han demostrado la posibilidad de ir añadiendo electrones uno por uno. También es posible fabricar PC acoplados (molécula artificial) y estudiar el acoplamiento de los estados de ambos PC (Leo Kouwenhoven, Universidad de Delft, Holanda).
En los años ochentas, se desarrollaron métodos para producir suspensiones coloidales de PC por precipitación de materiales semiconductores en solución. Estos PC coloidales,cuyos tamaños se pueden controlar con mucha precisión, tienen propiedades ópticas únicas que permiten su utilización como sensores de luz, con diversas aplicaciones en cámaras digitales, pantallas y celdas solares, entre otras. Actualmente, se están estudiando aplicaciones muy importantes en el área de diagnóstico y tratamiento de enfermedades. Por ejemplo, en el caso del cáncer, se está considerando la posibilidad de inyectar el medicamento depositado en el interior de un PC, directamente al tumor, como una alternativa a la quimioterapia actual. El PC estaría revestido de moléculas que son sensibles a enzimas que se producen en la zona afectada (por ejemplo, por tumores cancerosos, pancreatitis u otras enfermedades), lo cual permite que el PC se ubique en esa zona y el medicamento sea liberado y actúe con mayor eficiencia. En el área de las neurociencias se usan PC coloidales para visualizar y medir eventos moleculares, así como PC semiconductores fluorescentes
cuyas propiedades pueden ser controladas a través de su tamaño y composición.
Similarmente, en las celdas solares, el uso de los PC promete aumentar su eficiencia, aprovechando sus propiedades de absorber y emitir radiación en forma preferencial y controlable y la facilidad para convertir esta energía en electricidad.
Otra área de interés de aplicación de los PC es en la nanoelectrónica y particularmente en espintrónica, en donde la atención se enfoca en el espín de los electrones en el punto cuántico. En particular, el autor ha participado en proyectos de investigación en esta área, en donde hemos propuesto un arreglo de dos PC acoplados, tales que en presencia de un campo magnético y de un voltaje que cambia periódicamente con el tiempo, se demuestra que el sistema realiza bombeo de electrones y actúa como filtro de espines.
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aplicaciones de este sistema como componentes básicos (bits cuánticos) para almacenamiento y procesamiento de información en el régimen cuántico.
PC1 PC2
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FERROELECTRICIDAD: ¿TIENE EFECTO EL TAMAÑO?
Alejandro Durán, María de la Paz Cruz, Jesús María Siqueiros
Los materiales están compuestos de átomos y moléculas y difieren en su comportamiento físico dependiendo de sus arreglos atómicos y de su escala de tamaños. La relación entre la estructura atómica de los materiales y sus propiedades físicas se estudia en el campo de la ciencia de materiales. Sin embargo, se ha demostrado que esta relación es enteramente diferente cuando la escala del material es muy reducida. En este contexto, recientemente ha emergido el estudio de las propiedades cristalofísicas de materiales a escala nanométrica. Este tipo de estudios ha sido posible, en gran parte, debido al desarrollo de tecnologías para la fabricación, la síntesis, observación, manipulación, ensamblaje y caracterización de materiales nanométricos. La nanociencia y la nanotecnología comprenden el estudio tanto teórico como experimental de los fenómenos físicos y químicos a escala nanométrica (1-100 nm) y la manipulación de los materiales a esta escala para posibles aplicaciones tecnológicas.
Para tener una idea de qué tan pequeño es un nanómetro, consideremos, por ejemplo, el diámetro del ion de oxígeno que es de 2.8 Å. Como 1 nm equivale a 10 Å, quiere decir que sólo
requeriríamos de aproximadamente 3.6 iones de oxígeno alineados para alcanzar una longitud de 1 nm. Con 36 iones de oxígeno alineados tendríamos una longitud de 10 nm y con 360 iones, una de 100 nm, con lo que nos encontraríamos ya en el límite de la escala nanométrica.
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importancia y se manifiestan otros, menos conocidos, debido a que, en esta escala, la superficie y los procesos cuánticos tienen mayor preponderancia. Estas propiedades inesperadas ocurren como resultado del confinamiento de las capas electrónicas de los átomos que conforman el material. En los últimos años, la creciente carrera hacia la miniaturización a escala nanométrica de los dispositivos ferroeléctricos, ha motivado a los investigadores de este campo a discutir y comprender la presencia o ausencia de la ferrolectricidad a nivel de unas cuantas celdas cristalinas y las implicaciones que esto tendrá para nuevas aplicaciones tecnológicas.
Empezaremos por definir a un material ferroeléctrico como aquél que experimenta una transición de fase, de una fase centrosimétrica a alta temperatura en la que se comporta como un dieléctrico ordinario, a una fase de más baja temperatura, no-centrosimétrica, en la que presenta una polarización eléctrica espontánea cuya dirección puede ser conmutada por medio de un campo eléctrico externo. La aparición de la polarización involucra, en la mayoría de los casos, la distorsión de la celda unitaria. Este hecho implica que la polarización y la deformación elástica de la celda unitaria están acopladas. La figura 1 muestra las dos características físicas que distinguen a un material ferroeléctrico. Observamos un pico en la curva de permitividad en función de la temperatura que denota el valor de la temperatura crítica (Tc) a la cual ocurre la transición del estado ferroeléctrico de baja temperatura al estado paraeléctrico de alta temperatura.
Lo que ocurre a nivel microestructural en el ejemplo ilustrado es un cambio de una estructura cúbica (centrosimétrica) a una tetragonal (no-centrosimétrica) como consecuencia del desplazamiento a lo largo de alguna dirección cristalográfica del ion ubicado en el centro de la celda cúbica, y que es ocasionado por el cambio en la temperatura. Con la finalidad de minimizar la energía asociada a la deformación elástica de la superficie del cristal, éste nuevo ordenamiento estructural conduce a la formación de dominios ferroeléctricos a nivel microestructural. Así, cada dominio, definido como una región del material donde todos los dipolos eléctricos están orientados en el mismo sentido, se representa por un vector de polarización. Cuando aplicamos un campo eléctrico, la respuesta de la estructura de dominios del material es la encargada de producir la curva de la polarización (histéresis en la curva insertada a la izquierda en la figura 1).
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alternativa para estudiar estos fenómenos a escala nanométrica. Las investigaciones se han enfocado al desarrollo de sensores y a la tecnología de almacenamiento de datos. Una de las técnicas utilizadas para producir películas ultrafinas en el laboratorio, es el crecimiento de películas por ablación por láser pulsado (PLD, del inglés pulsed laser deposition), ya que las capas producidas así son de alta calidad. El proceso es relativamente rápido y no es necesario emplear mucho material. Otras técnicas como la erosión iónica (sputtering) y el depósito de vapores químicos (CVD, del inglés chemical vapor deposition) también se emplean con este propósito.
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550
0 3000 6000 9000 12000 15000 18000 21000 24000
Temperatura (
oC)
PZT
EstadoFerroeléctrico
Estado
Paraeléctrico
T
cPolarización (μC/cm2)
Campo eléctrico
(kV/cm)
1
0
Polarización (μC/cm2)
Campo eléctrico
(kV/cm)
+Emax
-Emax
-Ec +Ec
1 2 +Pr -Pr 12000 15000 18000
P
e
rm
it
iv
id
a
d
(
ε
)
Ps19
Es importante seleccionar cuidadosamente las condiciones experimentales para cada una de las técnicas, ya que éstas determinan el control del crecimiento de la película a espesores nanométricos. Algunos materiales ferroeléctricos como el BaTiO3 (titanato de bario), Pb(Ti1-xZrx)O3 (circonato-titanato de plomo) y el BiFeO3 (ferrato de bismuto) se han crecido a escalas nanométricas por medio de PLD con excelentes resultados.
Por otra parte, la microscopía de piezofuerza (PFM, del inglés piezoelectric force microscopy) es la herramienta óptima para observar y medir el fenómeno ferroeléctrico en películas de espesores ultrafinos.
Figura 2. Lazos de histéresis ferroeléctrica de películas de BiFeO3 con espesores de a) 15 nm, b) 8 nm, c) 4 nm y d) 2 nm.
En la figura 2 se muestran las curvas de histéresis ferroeléctrica en películas de BiFeO3 con espesores de 15, 8, 4 y 2 nanómetros. Se observa que la señal ferroeléctrica (lazo de histéresis) persiste muy bien entre los 15 y los 8 nm. Pero cuando el espesor de la película disminuye a 4 nm el lazo de histéresis se reduce y, a 2 nm, empieza a ser difuso, marcando el espesor crítico hasta el cual
-3 -2 -1 0 1
-1.0 -0.5 0.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0
-2 -1 0 1
20
persiste el fenómeno ferroeléctrico. Como hemos mencionado anteriormente, la formación de dominios es el mecanismo por el cual el cristal minimiza la energía superficial asociada a la deformación elástica ocasionada por el desplazamiento del catión central de la estructura. De esta manera, en una película ultrafina, las condiciones energéticas para la presencia y/o ausencia de la ferroelectricidad están determinadas por el tamaño del dominio (w), el espesor de la pared de
dominio (γ) y por el espesor del depósito sobre el sustrato (d), tal como se observa en la figura 3.
d
γγγγ
w
Pared de dominio Dominio
Substrato
Figura 3. Película delgada sobre un substrato, en donde se muestran dominios de 180 o y sus parámetros característicos: ancho de los dominios (w), espesor de la pared de dominio (γ), y el espesor de la película (d).
Los resultados experimentales de la Figura 2 concuerdan con resultados experimentales en películas nanométricas de diferentes materiales ferroeléctricos. En estos trabajos se mostró que el
espesor de la pared de dominios (γ) de aproximadamente 2 nm, es el mismo para espesores de
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cristal puede ser más grande que la energía necesaria para que ocurra el ordenamiento ferroeléctrico, lo cual lleva a la desaparición de la ferroelectricidad.
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¿QUÉ HACE LA LUZ EN ESPACIOS DE TAMAÑO NANOMÉTERICO?
Jesús Alberto Maytorena Córdoba, Catalina López Bastidas, Roberto Machorro Mejía
En realidad esta es una pregunta amplia, en la que cabe una gran variedad de fenómenos para los que se han acuñado varios términos con el fin de clasificarlos y ubicarlos en un contexto: nano-óptica, electrodinámica de campo cercano, nano-fotónica, nano-plasmónica, entre otros. Estos campos de estudio, en los que se busca comprender fenómenos ópticos a la escala nanométrica, constituyen actualmente nuevas áreas de activa investigación científica y tecnológica. De lo que se trata es de tener acceso a la interacción entre la luz y la materia en una escala de tamaño típicamente inferior a la longitud de onda de la luz, lo que, en el rango visible de ésta, implica dimensiones menores a unos pocos cientos de nanómetros. Pero, ¿por qué las cosas a esa escala habrían de ser diferentes a lo que sucede en la óptica clásica convencional?
La luz es una onda electromagnética consistente en campos eléctricos y magnéticos que oscilan rápidamente en el espacio y en el tiempo. Las variaciones de un campo eléctrico generan un
campo magnético cuyas variaciones generan de nuevo uno eléctrico que a su vez genera el magnético, y así sucesivamente, todo según leyes físicas precisas (leyes de Faraday y de
Ampère-Maxwell). La onda más sencilla así generada es la llamada onda plana monocromática, cuya oscilación periódica en el tiempo y en el espacio se caracteriza por una frecuencia y un vector de onda (inversamente proporcional a la longitud de onda), y cuyo vector de campo eléctrico vibra de manera perpendicular a la dirección de propagación (especificada por la dirección del vector de onda). Las ecuaciones matemáticas que gobiernan el campo electromagnético (las célebres
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o más ondas de luz, es igual a la suma de los campos de las ondas constitutivas individuales. Por ejemplo, cuando un rayo de luz incide sobre un medio, su campo eléctrico pone a oscilar a los electrones de cada átomo, y este movimiento de carga eléctrica es a su vez fuente de un campo electromagnético. Como resultado de la superposición de los campos producidos por todos los átomos, esta polarización del material genera en su interior una onda que se propaga a la velocidad de la luz en dicho medio, otra que cancela exactamente al campo incidente, y una tercera onda radiada hacia el exterior del material. Efectivamente, cuando un haz luminoso incide sobre un medio, decimos que parte de él se transmite y parte se refleja, como comprobamos diariamente, (y, aunque parezca que las ondas vienen de la superficie, ellas se generan en el interior).
La onda plana representa el ejemplo más natural y sencillo de la onda propagante, que se caracteriza por viajar hasta alcanzar distancias mucho mayores que la longitud de onda, propagándose libremente, separada ya de las cargas y corrientes que le dieron origen; esto es a lo que llamamos propiamente campo lejano o de radiación. Las ondas reflejadas y transmitidas mencionadas anteriormente, y el mundo todo de la óptica convencional y de lo que vemos con el ojo a nuestro alrededor, se basa en buena medida en la naturaleza ondulatoria propagante de la luz. Pero resulta que las ecuaciones de Maxwell predicen, en regiones próximas a superficies e interfaces, la existencia de otro tipo de solución, diferente a la onda plana. Este nuevo tipo de onda (o de luz) se
caracteriza por viajar sobre la superficie sin alejarse de ella, en el sentido de que su amplitud disminuye exponencialmente con la distancia perpendicular a la superficie, lo que revela su naturaleza localizada o no propagante. La escala espacial de este decaimiento de amplitud depende de la frecuencia y del tipo de material involucrado (metal, dieléctrico, semiconductor), y puede ir desde unas décimas de nanómetros hasta algo comparable a la longitud de onda. La existencia de estas ondas evanescentes o campo cercano constituye un elemento físico fundamental que permite transformar la luz en una forma localizada de energía o viceversa, que abre nuevas posibilidades en lo que se refiere a la interacción entre la luz y la materia. Esto sugiere, por ejemplo, que si se manipula la materia, se moldearía a su vez la magnitud de dicha interacción y, en última instancia, se estaría manipulando en algún grado tal luz confinada, lo que puede servir a diversos propósitos.
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inhomogeneidades, simetrías, etc. Para dar una idea de la clase de fenómenos que pueden ocurrir, mencionaremos tres ejemplos: (i) la superación del límite de difracción en microscopía óptica, (ii) los plasmones de superficie en metales nanoestructurados y (iii) la respuesta óptica de nanopartículas. Veamos cada uno de ellos.
(i) La existencia de ondas evanescentes ofrece una vía para superar el límite de resolución de la microscopía óptica convencional. Para ver como podría suceder esto, consideremos un elemento óptico sencillo, tal y como una lente con la que deseamos formar la imagen de un objeto. Sabemos que la imagen de un punto del objeto no es propiamente un punto, sino que se observa una manchita. Esto es así porque la lente sólo colecta inevitablemente ondas planas (provenientes del objeto) con vectores de onda en un intervalo restringido, es decir, la imagen se forma con ondas propagantes que viajan hasta el detector y cuyas direcciones de propagación no apuntan todas al mismo punto exactamente; el tamaño de la manchita queda determinado por la escala de variación espacial de las ondas y resulta comparable al de la longitud de onda, en vez de ser puntual. En un microscopio óptico, esto tiene como consecuencia que su resolución espacial esté limitada a estructuras espaciales no mucho menores que la longitud de onda; si se ilumina con luz de longitud de onda λ (en el rango visible por ejemplo, donde λ ~ 400-700 nm), sólo será posible la resolución de objetos de tamaño aproximadamente λ (esto se conoce como límite de difracción). Podemos ver
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se compara con la resolución atómica ( ≈ 1 Å) de un microscopio electrónico de tunelaje, el hecho de que la microscopía sea de naturaleza óptica, permite aprovechar las ventajas inherentes de la luz y combinarla con otro tipo de espectroscopias dando lugar a una poderosa técnica de observación submicroscópica
(ii) En una superficie metálica, las cargas libres (esto es, los electrones de conducción, desligados de los núcleos atómicos) pueden moverse de manera colectiva y en fase, oscilando en respuesta a la acción de un campo electromagnético. La interacción resonante entre la oscilación de las cargas superficiales y el campo de una onda luminosa constituye una onda confinada a dos dimensiones que se propaga a lo largo de la superficie del metal (Figura 1). Debido a la analogía entre la dinámica electrónica en un metal y el movimiento de partículas cargadas en un plasma, estas oscilaciones de densidad de carga reciben el nombre de oscilaciones de plasma o simplemente
plasmones de superficie. La naturaleza de esta onda es más complicada pues no es un puro campo óptico, sino que involucra la polarización del medio, en este caso el movimiento de los electrones libres; para enfatizar este carácter híbrido también se les llama polaritones de plasma. Las características físicas de los plasmones de superficie (energía, velocidad, longitudes de propagación y atenuación) dependen fuertemente del tipo de metal involucrado, de la frecuencia y de la geometría (interfaces, películas delgadas, guías de onda, nanopartículas). Por su naturaleza, los
plasmones son sensibles a las condiciones superficiales y permiten producir una alta concentración de luz en espacios de unos cuantos nanómetros, y es posible guiarlos, localizarlos, manipularlos, sin estar sujetos al límite de difracción. A pesar de que los electrones al moverse disipan energía en forma de calor, la capacidad técnica para fabricar estructuras metálicas pequeñas de todo tipo ha sugerido el uso de los plasmones de superficie para diseñar sensores moleculares, circuitos plasmónicos, técnicas microscópicas con nanoresolución, antenas ópticas, transmisión extraordinaria, entre muchas otras ideas y fenómenos nuevos. Se ha acuñado el término
nanoplasmónica, o simplemente plasmónica, para referirse, en general, al estudio de las propiedades ópticas de metales nanoestructurados.
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superficie/volumen aumenta. Desde hace tiempo se han establecido los fundamentos teóricos y realizado experimentos sobre la absorción y esparcimiento de luz por partículas pequeñas.
Figura 1. Plasmón de superficie en una interfaz plana entre un dieléctrico y un metal. El campo eléctrico (en verde) de esta ‘luz superficial’ se propaga sobre la interfaz (plano vertical), pero en la dirección perpendicular a ésta su amplitud decae de manera exponencial.
El interés en esta clase de fenómenos existe en muchas disciplinas científicas, por ejemplo en la física del estado sólido, en óptica, química, biología, astronomía, física atmosférica e ingeniería eléctrica. De nuevo, el desarrollo de técnicas para producir nanopartículas con el tamaño, forma y composición deseadas, ha hecho que estos sistemas, de manera individual o colectiva, tengan un papel relevante en una gran cantidad de desarrollos en nanotecnología. Cuando incide luz sobre una nanopartícula metálica, se induce en ésta una distribución inhomogénea oscilante de cargas cuyo movimiento se ve restringido por la superficie curveada. Bajo condiciones de resonancia entre la vibración de la onda incidente y el ir y venir de las cargas, se establece una oscilación de plasma que conduce a una notable amplificación y localización del campo electromagnético en la vecindad de la superficie (Figura 2). A diferencia de los plasmones de una superficie plana, que se propagan a lo largo de ésta, los plasmones de superficie de una nanopartícula están enteramente confinados en
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la forma, el tamaño o el medio en que se encuentra la nanopartícula. Esto se refleja en el espectro de emisión o de absorción, es decir en el color de la nanopartícula. Otras nanoestructuras con plasmones localizados son los nanocascarones, las inclusiones dieléctricas en estructuras metálicas, o arreglos de nanopartículas. Entre las aplicaciones que se han vislumbrado están las nanoantenas ópticas, fototerapia térmica, superlentes, amplificación de plasmón por emisión estimulada de radiación (el spaser , la versión nanoplasmónica del láser), por mencionar sólo algunas.
Figura 2. Plasmón de superficie en una nanopartícula metálica. A la izquierda se representa el desplazamiento de los electrones causado por un campo eléctrico oscilante. Se producen cargas superficiales negativas (electrones) y positivas (déficit de electrones), cuyo movimiento resonante constituye una oscilación de plasma. A la derecha se presenta la intensidad del campo eléctrico del plasmón, el halo rojo-amarillo corresponde a magnitud máxima y muestra la localización espacial en la superficie.
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¿QUÉ ES UN NANOREACTOR?
Viridiana Evangelista, Brenda Acosta, Andrey Simakov
La palabra reactor nos remite frecuentemente a imágenes de reactores nucleares. Sin embargo, existen muchos tipos distintos de reactores, además de los nucleares. El cuerpo humano, por ejemplo, es un reactor ya que con el simple hecho de respirar, se desencadenan en su interior una serie de reacciones químicas. Esto nos lleva a una definición sencilla de lo que es un reactor: independientemente de su forma, material de construcción o tamaño, un reactor es un lugar en el que se llevan a cabo reacciones químicas. Los reactores cumplen funciones en ámbitos muy distintos: en la industria de la transformación, en la mayoría de los laboratorios, en los hogares y en el interior de
los organismos vivos. En la figura 1 se ilustran algunos ejemplos de reactores en orden decreciente de tamaño.
Figura 1. Ejemplos de reactores de diferentes tamaños: A) reactor industrial (25 m), B) reactor de laboratorio (0.02 m) y C) reactor de un organismo vivo (enzima de 0.0000003 m).
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nanoreactores, por ser tan pequeños, pueden ser consecuencia del auto-ensamblaje espontáneo de moléculas, como las micelas o las vesículas, o pueden producirse a partir de sustancias naturales o sintéticas. Algunos ejemplos de nanoreactores son las zeolitas, los silicatos, los nanotubos o algunas estructuras más complejas como las que describiremos más adelante: los nanoreactores de núcleo-cápsula (del inglés core-shell).
Entre las aportaciones de las nanociencias que han maravillado al mundo se encuentran las múltiples formas que pueden adquirir las estructuras de dimensiones nanométricas (esferas, cubos, cilindros, estrellas), muchas de las cuales se han obtenido controlando estrictamente su proceso de síntesis. Hace menos de 20 años, se inició la preparación de un tipo de nanoestructuras llamadas nanoreactores de tipo núcleo-cápsula. La figura 2 A) ilustra en qué consiste este tipo de estructura mediante el ejemplo de un fruto de origen natural, el aguacate. El núcleo del aguacate, la semilla, es el elemento más importante del aguacate. La cápsula o sea la cáscara del aguacate, protege al núcleo, manteniéndolo aislado del exterior. Los nanoreactores con estructura de tipo núcleo-cápsula,
de igual manera, están formados por un núcleo alojado en un espacio vacío dentro de una cápsula porosa. En la figura 2 B) se presenta un nanoreactor y las partes que lo constituyen. Es importante
resaltar la diferencia en las dimensiones de ambos ejemplos, el aguacate es 100 millones de veces (10 cm = 100,000,000 nm) más grande que el nanoreactor. Este capítulo describe brevemente el origen, las aplicaciones, la clasificación y los métodos de síntesis de los nanoreactores núcleo-cápsula.
Figura 2. Representación de la estructura núcleo-cápsula: A) aguacate y B) nanoreactor.
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A través de múltiples investigaciones el hombre ha desarrollado nanoestructuras . que han evolucionado, pasando de sistemas que servían solo para almacenar ciertos compuestos químicos hasta sistemas encargados de la liberación controlada de fármacos, que es una de las aplicaciones de los nanoreactores núcleo-cápsula. En el área de investigación de la ingeniería biomédica se han hecho avances destacados en:
• Sistemas de transporte de fármacos (Figura 3).
• Sondas de sensores colorimétricos de ADN y proteínas.
• Detección y terapia térmica de tumores cancerígenos.
Figura 3. Esquema de la liberación de una solución con el transcurso del tiempo, usando un nanoreactor. Éste es el principio de la liberación controlada de fármacos.
En años recientes, el conocimiento acumulado sobre los nanorecatores núcleo-cápsula aunado a su estructura simple y definida ha motivado su aplicación en áreas como la catálisis. La catálisis es el proceso por el cual se acelera la velocidad de una reacción química en presencia de un
catalizador; en este caso, el núcleo del nanoreactor representa la parte activa del catalizador. El desempeño de los nanoreactores se ha enfocado en optimizar reacciones de química fina y ambiental.
Con base en la naturaleza de los componentes que constituyen tanto al núcleo como a la cápsula, los especialistas en el tema han clasificado a los nanoreactores núcleo-cápsula en tres grupos: i) inorgánicos, en los que el núcleo y la cápsula son inorgánicos; ii) poliméricos, en los que ambos componentes son polímeros; y iii) híbridos, cuando uno de sus componentes es inorgánico y el otro orgánico.
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elementos que forman el núcleo y la cápsula, que pueden generar interesantes propiedades catalíticas, térmicas, magnéticas y ópticas, por mencionar algunas.
El éxito de los nanoreactores inorgánicos y sus múltiples aplicaciones están ligados al método de síntesis. De manera general, las rutas para producir nanoreactores con estructura núcleo-cápsula son dos:de abajo hacia arriba (del inglés bottom-up), que es la que se utiliza con mayor frecuencia e implica la construcción de la nanoestructura comenzando por el núcleo, y de arriba hacia abajo (del inglés top-down), cuando se inicia con la cápsula. Los pasos de ambas rutas se resumen en las figuras 4 A) y B), respectivamente.
Figura 4. Rutas de síntesis de nanoreactores núcleo-cápsula: A) de abajo hacia arriba y B) de arriba hacia abajo.
El interés científico en los nanoreactores ha aumentado exponencialmente a nivel mundial a partir de 2006. Lo anterior es evidente no solo en los excelentes resultados que se han presentado en las distintas investigaciones, sino que además representa una ventana de oportunidad en múltiples
campos científicos. En suma, la investigación de estructuras avanzadas como los nanoreactores es un tema de vanguardia que va de la mano con la innovación tecnológica.
En México, un grupo de trabajo del Departamento de Nanocatálisis del Centro de Nanociencias y Nanotecnología (CNyN) de la UNAM está enfocado en el estudio de nanoreactores inorgánicos núcleo-cápsula. Entre lo más destacado del trabajo de este grupo está el diseño estratégico de una estación para sintetizar los nanoreactores a gran escala y a bajo costo. El equipo de investigadores, respaldados por años de experiencia en el campo de catálisis, cuenta con
A)
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¿QUÉ ES EL NANO-ORO?
Elena Smolentseva, Eunice Vargas y Andrey Simakov
¿Qué responderías si te preguntan qué es el oro? La mayor parte de la gente contestaría que es un metal relacionado con joyas, dinero, lingotes, monedas, mucho valor o nivel económico. Desde la antigüedad el oro ha sido un símbolo de poder y se ha relacionado con dioses, reyes e inmortalidad (Figura 1).
Figura 1. Ejemplos de objetos de oro [1].
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alambrado eléctrico de alta energía, para conexiones eléctricas en recubrimiento de tarjetas de memoria; en la industria cosmética se usa en forma de fibras (hilos) para la cirugía estética y, en la industria textil, como parte de bordados y adornos.
Pero ¿qué es el nano-oro? Es decir ¿qué son las nanopartículas de oro? El término nano-oro se refiere a partículas de oro tan pequeñas que su tamaño es de escala nanométrica. Las primeras nanopartículas de oro (NP-Au) fueron obtenidas por los artesanos romanos. Ellos sabían que al mezclar una sustancia llamada cloruro de oro con vidrio fundido se obtenía un vidrio de color rojo (Fig. 2). Esta técnica se usó para producir vidrio de un color tan atractivo que se eligió para fabricar objetos artísticos y para decorar las ventanas de algunas catedrales europeas. Sin embargo, estos artesanos no sabían que estaban empleando partículas de oro de tamaño nanométrico.
Figura 2. Solución acuosa de cloruro de oro (izquierda) [2] y copa de vidrio fundido en cuya fabricación se utilizó oro nanométrico (derecha) [3] © cambridge2000.com.
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destruyen las células en las que se encuentran); en la industria alimentaria, como colorante, entre otras [4]. Además, el oro de escala nanométrica cambia sus propiedades ópticas al absorber ciertos gases. Por esta razón, se usa en sensores para detectar la presencia de gases así como en máscaras anti-gas para evitar su inhalación.
Figura 3. Diversos colores que presentan las nanopartículas de oro en función de su tamaño [5]. Hace 20 años, se descubrió que el nano-oro puede ser muy eficiente como catalizador de
algunas reacciones químicas. Un catalizador es un compuesto que puede incrementar la velocidad de una reacción química.
Los nanocatalizadores de oro están formados por NP-Au colocadas en la superficie de un compuesto llamado soporte (Fig. 4) que generalmente es un óxido. Los nanocatalizadores de oro son activos en diversas reacciones, incluso en algunas que son importantes para la protección del medio ambiente. Por ejemplo, se usan para catalizar la oxidación del monóxido de carbono (CO), un gas venenoso producido por la combustión de la gasolina.
Debido a que la actividad de este tipo de catalizadores depende de la interacción química entre las NP-Au y el soporte, para que un nanocatalizador de oro sea exitoso las NP-Au deben tener un tamaño específico y estar altamente dispersas sobre el soporte adecuado. Para ello es indispensable un método de obtención del catalizador que cumpla adecuadamente con estas condiciones. Hay varios métodos para preparar catalizadores de oro a escala nanométrica, tales como el de impregnación húmeda, el de intercambio iónico, el de depósito-precipitación y el de depósito de vapores por medios físicos o químicos, entre otros.
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con otros catalizadores que sólo funcionan a temperaturas más elevadas. Por otro lado, los nanocatalizadores de oro son muy selectivos en las reacciones de química fina (producción especializada de productos químicos específicos) cuando se comparan con catalizadores basados en otros metales nobles de escala nanométrica, como el paladio, el platino y la plata.
Figura 4. Imágenes de TEM de: (A) una nanopartícula de oro vista con alta resolución; (B) NP-Au soportadas en cerio mesoporoso y (C) NP-Au soportadas en un nanotubo.
En el Centro de Nanociencias y Nanotecnología de la UNAM en Ensenada, B.C., se estudian los catalizadores de NP-Au soportadas en diferentes óxidos puros así como en óxidos mixtos. Se investigan técnicas para su preparación, su caracterización y la evaluación de estos nanocatalizadores en reacciones encaminadas a proteger el medio ambiente y en reacciones de química fina.
Lecturas adicionales
[1]. www.google.com.mx (imágenes de oro). [2]. http://en.wikipedia.org/wiki/Gold(III)_chloride.
[3]. http://www.cambridge2000.com/gallery/html/P70315712.html.
[4]. http://www.food.gov.uk/safereating/chemsafe/additivesbranch/enumberlist.
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¿QUÉ ES UN DENDRÍMERO?
Amelia Olivas Sarabia y Domingo Madrigal Peralta
Un dendrímero es una macromolécula polimérica muy versátil, generalmente de forma globular y con un diámetro de entre uno y más de diez nanómetros. El término dendrímero procede del griego dendron que significa árbol o rama y mero que significa segmento. Los dendrímeros se sintetizan químicamente y tienen una forma bien definida que en ocasiones es simétrica. El tamaño nanométrico les confiere propiedades físico-químicas similares a las de las biomoléculas. Contienen un conjunto de unidades con estructuras ramificadas tridimensionalmente, alta concentración de grupos funcionales en la periferia, y presentan huecos o cavidades en su interior. A medida que aumentan de tamaño, los dendrímeros se vuelven más rígidos.
Los dendrímeros han recibido gran atención en los últimos años debido a su posible utilización en aplicaciones tan variadas como la catálisis a nanoescala, su utilidad como sensores químicos,
micelas unimoleculares, su capacidad de imitación de la función de las enzimas, la encapsulación de
moléculas, el reconocimiento molecular, como agentes de diagnóstico y también como vehículos para el transporte de genes y fármacos.
En la actualidad, se han sintetizado dendrímeros en solución por copolimerización y por reacción en fase sólida y se han definido sus propiedades. El poliestireno y la sílice son los soportes
más frecuentemente usados en la síntesis de dendrímeros soportados en fase sólida.
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Figura 1. Micrografías de un dendrímero soportado en fase sólida visto por SEM (blanco y negro) y por AFM (color).
En la figura 2 se muestra un esquema de la estructura de un dendrímero. Los dendrímeros se sintetizan por etapas lo que permite injertar los grupos funcionales deseados en casi cualquier parte de su estructura, ya sea en el núcleo, en las ramificaciones o en la periferia. Estos grupos funcionales y su colocación se pueden seleccionar de tal forma que proporcionen las propiedades que se requieran para su aplicación en la ciencia de materiales, la catálisis o la biología.
La estructura dendrimérica está caracterizada por capasllamadas generaciones que se forman
a partir del punto donde surge una ramificación (punto focal). La definición exacta del término
generación ha sido objeto de controversia; generalmente, se acepta que las generaciones de un dendrímero corresponden al número de puntos focales (o puntos cascada) que aparecen desde el núcleo central hasta la superficie. Un dendrímero de quinta generación presenta por lo tanto cinco puntos focales entre el núcleo y la superficie. El núcleo normalmente se denomina generación cero
40 N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N
H2N
H2N NH2H
2N NH2 NH 2 NH2 NH2 NH2 NH2 NH2 NH2 NH2 NH2 NH2 NH2 NH2 NH2 NH2 NH2
H2N
H2N
H2N
H2N
H2N
H2N
H2N
H2N
H2N
H2N
H2N
H2N
G(0) G(1)
Figura. 2. Ejemplo de un dendrímero poliamina y de las partes que lo constituyen. Aquí, los nitrógenos de color azul son un punto focal. G(0) indica la generación cero y G(1) la generación 1.
Uno de los primeros dendrímeros que se sintetizaron fue la poliamidoamina (PAMAM) que contiene grupos amida y amina en su estructura. El núcleo de PAMAM puede ser un amonio o bien 1,2-etilendiamina. Actualmente, se investigan las propiedades de estos dendrímeros.
Existen dos caminos para la preparación de dendrímeros, la síntesis divergente y la síntesis convergente. En la ruta divergente, el dendrímero se sintetiza desde el núcleo como punto de inicio y se incorporan monómeros generación tras generación hasta la superficie. Sin embargo, el elevado número de reacciones que tiene que llevarse a cabo para formar una única molécula con muchos sitios equivalentes de reacción, requiere de transformaciones muy efectivas para evitar defectos. Por lo tanto, el rendimiento de la síntesis de dendrímeros por el método divergente será aproximadamente del 25%.
Por el contrario, la síntesis convergente comienza en la superficie y finaliza en el núcleo, donde los segmentos del dendrímero (o dendrones) se acoplan. En la aproximación convergente, solamente un pequeño número de sitios reactivos se funcionalizan en cada paso, dando lugar a un menor número de defectos, por lo que aumenta el rendimiento. Cada generación que se sintetiza se puede purificar. En los dendrímeros de gran generación esta tarea es difícil por la gran similitud entre los reactantes y el producto formado. Sin embargo, con una purificación apropiada en cada etapa, se pueden obtener, por la ruta convergente, dendrímeros sin defectos.
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cambio, un dendrímero contiene un número sustancialmente mayor de grupos funcionales en la superficie que una proteína.
Para poder utilizar un dendrímero en la biomedicina, éste debe cumplir varias condiciones de importancia crucial: no ser tóxico ni inmunogénico, debe poder atravesar barreras biológicas (barrera hematoencefálica, membranas celulares, intestino, pared vascular, etc.), ser capaz de dirigirse a receptores específicos, ser estable y permanecer en circulación el tiempo necesario para lograr el efecto clínico buscado. Es muy importante mencionar que se han preparado dendrímeros de generación 6-7 con dimensiones de seis a diez nanómetros de diámetro. Con este tamaño, los dendrímeros pueden fácilmente atravesar la membrana celular y llevar selectivamente algún fármaco hasta el punto preciso donde éste debe actuar.
En conclusión, los dendrímeros son un tipo de polímeros sintéticos con forma globular y con propiedades fisicoquímicas únicas entre los compuestos orgánicos. Actualmente, se perfilan como instrumentos con importantes aplicaciones nanobiológicas ya que responden en forma predecible en solución, pueden ser modificados ampliamente para portar múltiples ligandos con diferente actividad biológica y pueden ser fabricados con muy pocos defectos estructurales. Además, se pueden caracterizar por técnicas convencionales como espectrometría de masas, espectroscopía de infrarrojo o resonancia magnética nuclear (RMN). Por último, los dendrímeros abren la posibilidad
de posicionar en forma controlada nanopartículas metálicas con aplicaciones en nanotecnología. La Figura 3 muestra un ejemplo de la armonía y belleza de los dendrímeros.
Figura 3. Estructura esquemática del dendrímero soportado en fase sólida de la figura 1. O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O
OO O O
O O O O O O O O CH O OH OH OH OH OH OH HO OH OH OH
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¿QUÉ ES UN NANOGEL?
Amelia Olivas Sarabia, Eder Lugo Medina y José Manuel Cornejo Bravo
Los geles son un estado de la materia intermedio entre el sólido y el líquido y, en su mayoría, están formados por polímeros reticulados con bajo grado de entrecruzamiento que contienen un líquido absorbido. Este líquido puede ser agua, en cuyo caso se usa el término de hidrogel, o algún disolvente orgánico. La capacidad de absorción y el tipo de disolvente empleado dependen de las propiedades fisicoquímicas del polímero; así, si el material es hidrofílico tendrá la capacidad de absorber agua, mientras que si es hidrofóbico tendrá la capacidad de absorber disolventes no polares. A continuación se presentan un par de imágenes obtenidas mediante microscopia de fuerza atómica (AFM, del inglés atomic force microscopy), que muestran la distribución del tamaño de partícula, con un valor promedio de 470 nm, de un gel producido por polimerización a partir de la dispersión de un material sensible a la temperatura denominado N-isopropilacrilamida (NIPAAm).
Figura 1
Los geles preparados con partículas de dimensiones menores a 200 nm se llaman nanogeles. Algunos geles y nanogeles tienen la capacidad de cambiar de tamaño en respuesta a estímulos tales
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como la temperatura, la luz, el campo eléctrico o ciertos solutos como la glucosa. Estos materiales se llaman geles o nanogeles inteligentes y tienen aplicaciones como superabsorbentes, sistemas de liberación de fármacos, sensores y otras. Los nanogeles inteligentes que se utilizan como sensores ópticos pueden ser sensibles al pH y sirven para obtener imágenes intracelulares.
La respuesta de los nanogeles es mucho más rápida que la de los geles macroscópicos debido a que el coeficiente de difusión de la red polimérica es inversamente proporcional al cuadrado de sus dimensiones. Asimismo, en contraste con los geles, los microgeles y nanogeles pueden ser dispersados en agua, preservando una estructura altamente estable. Por lo tanto, tienen aplicación en muchos campos, incluyendo a la nanotecnología.
Los geles tienen ciertas propiedades físicas comunes con los tejidos vivos; entre ellas, una consistencia suave y elástica y baja tensión interfacial con el agua o con fluidos biológicos. Se ha encontrado que la naturaleza elástica de los geles hidratados minimiza la irritación de los tejidos que rodean un implante. La baja tensión interfacial entre la superficie del gel y los fluidos corporales minimiza la adsorción de proteínas y la adhesión celular, lo que reduce las posibilidades de una reacción inmune negativa.
Los microgeles y nanogeles híbridos que poseen grupos funcionales ópticamente activos inmovilizados en las redes del gel de un polímero, al combinar las propiedades de ambos, pueden
ofrecer posibilidades de cambios externos y de manipulación cuando se aplican como sensores y como agentes etiquetantes de la célula. Desde el informe del primer sensor basado en nanopartículas llamado PEBBLE (del inglés Photonic Explorer for Biomedical Use with Biologically Localized Embedding), nuevos materiales a nanoescala han atraído cada vez mayor atención y se ha extendido su aplicación a múltiples funciones.
