{"id":3818,"date":"2010-06-30T13:02:08","date_gmt":"2010-06-30T11:02:08","guid":{"rendered":"http:\/\/www.emiliosilveravazquez.com\/blog\/?p=3818"},"modified":"2010-06-30T13:03:04","modified_gmt":"2010-06-30T11:03:04","slug":"de-la-nanociencia-a-la-nanotecnologia-2%c2%aa-parte","status":"publish","type":"post","link":"http:\/\/www.emiliosilveravazquez.com\/blog\/2010\/06\/30\/de-la-nanociencia-a-la-nanotecnologia-2%c2%aa-parte\/","title":{"rendered":"De la Nanociencia a la Nanotecnolog\u00eda 2\u00aa parte"},"content":{"rendered":"

Nuevos materiales, nuevos procesos, nuevos dispositivos<\/strong><\/p>\n

En los \u00faltimos a\u00f1os se han desarrollado materiales que, debido a su estructura nanom\u00e9trica, presentan nuevas propiedades, y por tanto tienen aplicaciones en campos tan diversos como son la transmisi\u00f3n de informaci\u00f3n mediante luz, el almacenamiento de datos, la generaci\u00f3n y el transporte de energ\u00eda el\u00e9ctrica, la s\u00edntesis de catalizadores, la elaboraci\u00f3n de textiles m\u00e1s resistentes, o la implantaci\u00f3n de nuevos implantes \u00f3seos.<\/p>\n

El gran n\u00famero de nuevos materiales y dispositivos demostradores que se han desarrollado en estos a\u00f1os ha sido fruto, por un lado del desarrollo de sofisticadas t\u00e9cnicas de s\u00edntesis, caracterizaci\u00f3n y manipulaci\u00f3n que se han puesto a punto y, por otro, del gran avance en los m\u00e9todos de computaci\u00f3n en la nanoescala (t\u00e9cnicas ab-initio, din\u00e1mica molecular, etc.) que se han probado en las grandes instalaciones dedicadas al c\u00e1lculo cient\u00edfico de altas prestaciones. Es precisamente la combinaci\u00f3n de experimentos punteros con m\u00e9todos te\u00f3ricos precisos un elemento esencial para comprender un gran n\u00famero de procesos y mecanismos que operan en la nanoescala. En concreto, una de las aportaciones te\u00f3ricas m\u00e1s importantes al desarrollo de la Nanotecnolog\u00eda ha llegado de la mano de la Teor\u00eda de Funcionales de la Densidad (DFT, en sus siglas en ingl\u00e9s) por la que en 1998 Walter Kohn recibi\u00f3 el Premio Nobel en Qu\u00edmica, compartido\u00a0 con John A. Pople, \u201cpadre\u201d de la Qu\u00edmica Cu\u00e1ntica. Con respecto al desarrollo experimental, cabe resaltar el alto grado de desarrollo de las t\u00e9cnicas SPM para ver y manipular la materia a escala nanom\u00e9trica en multitud de ambientes diferentes (ultra alto vac\u00edo, humedad controlada, celdas catal\u00edticas, temperaturas variables,\u2026). Esta capacidad nos ha permitido dise\u00f1ar nuevos experimentos con los que comprender el comportamiento de nuevos materiales y dispositivos. Dado la gran variedad de materiales y sus\u00a0 aplicaciones, es imposible en un art\u00edculo presentar una visi\u00f3n completa de la situaci\u00f3n de la Nanotecnolog\u00eda, por lo que nos vamos a limitar a presentar algunos ejemplos que ilustran el estado actual de este campo.<\/p>\n

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Hacia la electr\u00f3nica molecular<\/strong><\/p>\n

Debido a su tama\u00f1o nanom\u00e9trico, las estructuras moleculares pueden poner de manifiesto nuevas propiedades electr\u00f3nicas. Sin embargo, la necesidad de poder producir estructuras nanom\u00e9tricas de forma masiva, tal y como requieren las aplicaciones industriales hace que la manipulaci\u00f3n individual de nano-objetos como las mol\u00e9culas pase a un segundo plano, requiri\u00e9ndose alternativas m\u00e1s \u00fatiles para incorporar la Nanotecnolog\u00eda a los procesos de fabricaci\u00f3n. Por esta raz\u00f3n, en los \u00faltimos a\u00f1os se est\u00e1n estudiando profusamente\u00a0 las condiciones de formaci\u00f3n y las propiedades de capas autoensambladas de diferentes mol\u00e9culas org\u00e1nicas sobre superficies. En estos casos la superficie no s\u00f3lo proporciona un soporte, sino que posee un papel activo en la formaci\u00f3n de diferentes patrones moleculares en dos dimensiones. As\u00ed, la posibilidad de generar sistemas autoensamblados de mol\u00e9culas con propiedades bien definidas y dirigidas hacia la realizaci\u00f3n de funciones concretas abre un camino para cambiar desde el imperante paradigma del silicio en la electr\u00f3nica hacia otro basado en la electr\u00f3nica molecular. Este nuevo paradigma ser\u00e1 mucho m\u00e1s rico por la gran diversidad de componentes moleculares que pueden entrar en juego. Entre los componentes prometedores para la Nanotecnolog\u00eda, que est\u00e1n relacionados con las mol\u00e9culas org\u00e1nicas, y que habr\u00e1 que tener en cuenta en el futuro de la microelectr\u00f3nica, estar\u00e1n los fullerenos, los nanotubos de carbono y el grafeno, de los que hablamos a continuaci\u00f3n.<\/p>\n

Los fullerenos o \u201cbucky-balls\u201d<\/strong><\/p>\n

Con este nombre se denomina al conjunto de distintas mol\u00e9culas cerradas sobre s\u00ed mismas con formulaci\u00f3n. El m\u00e1s conocido, por lo estable y abundante en naturaleza es el llamado Cn. El m\u00e1s conocido, por lo estable y abundante en la Naturaleza es el llamado C60<\/sub>, que est\u00e1 formado por 12 pent\u00e1gonos y 20 ex\u00e1gonos, dispuestos como en un bal\u00f3n de futbol. Las aplicaciones Nanotecnol\u00f3gicas que se pueden derivar del uso de esta mol\u00e9cula est\u00e1n todav\u00eda en fase de estudio y son muy variadas. Sin embargo, aunque actualmente no existen aplicaciones concretas ya se han sintetizado m\u00e1s de mil nuevas mol\u00e9culas basadas en fullereno y hay m\u00e1s de cien patentes internacionales registradas. El car\u00e1cter rectificador de los fullerenos les hace atractivos para su uso en electr\u00f3nica molecular.<\/p>\n

La formaci\u00f3n de este tipo de estructuras se produce m\u00e1s f\u00e1cilmente de lo que podemos imaginar, pues son uno de los principales integrantes de la carbonilla y se generan abundantemente en cualquier combusti\u00f3n. Sin embargo, a d\u00eda de hoy uno de los principales problemas para su utilizaci\u00f3n es el de conseguir una s\u00edntesis controlada de fullereno. Esto requiere complicadas t\u00e9cnicas, tales como la vaporizaci\u00f3n del grafito o la pirolisis l\u00e1ser<\/a>, que normalmente producen exclusivamente los fullerenos m\u00e1s estables. Recientemente se ha propuesto un nuevo m\u00e9todo para conseguirlo basado en principios \u201cnano\u201d. Se trata de partir de una mol\u00e9cula precursora sintetizada de forma tal que sea como un fullereno abierto, con los enlaces rotos saturados por hidr\u00f3geno. Esta mol\u00e9cula se puede plegar sobre s\u00ed misma mediante una transformaci\u00f3n topol\u00f3gica de manera que de lugar a un fullereno. Se trata de partir de una estructura plana (un recortable) para posteriormente ensamblar un objeto en tres dimensiones. Este plegado se consigue mediante un proceso des-hidrogenaci\u00f3n catalizada por una superficie. Una vez que la mol\u00e9cula plana ha perdido estos hidr\u00f3genos se cierran sobre s\u00ed misma de forma expont\u00e1nea formando un fullereno.<\/p>\n

Este proceso se ha podido seguir, entre otras t\u00e9cnicas, mediante im\u00e1genes de microscop\u00eda t\u00fanel in-situ. Los mecanismos existentes en el proceso se pueden entender gracias a los c\u00e1lculos ab-initio que apoyan la investigaci\u00f3n experimental. Esta combinaci\u00f3n pone de manifiesto como una mol\u00e9cula plana de carbono sin hidr\u00f3geno se pliega expont\u00e1neamente. La belleza de este nuevo m\u00e9todo de s\u00edntesis reside en que si se sintetizan mol\u00e9culas precursoras planas con diferentes topolog\u00edas se pueden conseguir mol\u00e9culas cerradas de diferentes formas, tama\u00f1os e incluso que contengan \u00e1tomos diferentes al Carbono. As\u00ed se ha sintetizado por primera vez la mol\u00e9cula C57<\/sub> N3 <\/sub>sobre una superficie.<\/p>\n

Nanotubos de Carbono<\/strong><\/p>\n

Si el descubrimiento del C60<\/sub> fue un hito importante para la Nanotecnolog\u00eda, el de los llamados Nanotubos de Carbono lo ha superado con creces. Los Nanotubos de Carbono, unas diez mil veces m\u00e1s finos que un cabello, presentan excelentes propiedades f\u00edsicas y su fabricaci\u00f3n resulta relativamente econ\u00f3mica. Un cable fabricado de Nanotubos de Carbono resultar\u00eda diez veces m\u00e1s ligero que uno de acero con el mismo di\u00e1metro pero ser\u00eda \u00a1cien veces m\u00e1s resistente! A estas impresionantes propiedades mec\u00e1nicas se le a\u00f1aden unas interesantes propiedades el\u00e9ctricas, puesto que pueden ser tanto conductores como aislantes, seg\u00fan la topolog\u00eda que presenten.<\/p>\n

Un Nanotubo de Carbono se obtiene mediante el plegado sobre s\u00ed mismo de un plano at\u00f3mico de grafito (enroll\u00e1ndolo). Seg\u00fan como se pliegue el plano graf\u00edtico se obtiene un Nanotubo que puede conducir la corriente el\u00e9ctrica, ser semiconductor o ser aislante. En el primer caso, los Nanotubos de Carbono son muy buenos conductores a temperatura ambiente, pudiendo transportar elevadas densidades de corriente. En el segundo presentan propiedades rectificadoras. Por otra parte, si inducimos defectos en la estructura podemos generar mol\u00e9culas semiconductoras y as\u00ed formar diodos o transistores. Es decir, tenemos todos los elementos en nuestras manos para construir nanocircuitos basados en Carbono.<\/p>\n

Grafeno<\/strong><\/p>\n

A un solo plano at\u00f3mico de grafito se le llama grafeno, y \u00e9ste, a diferencia del grafito, es dif\u00edcil de obtener. Recientemente, mediante c\u00e1lculos te\u00f3ricos, se han realizado predicciones acerca de las importantes propiedades electr\u00f3nicas que podr\u00eda tener este material. Entre ellas una alt\u00edsima movilidad electr\u00f3nica y una baja resistividad, de manera que estos planos at\u00f3micos podr\u00edan ser los futuros sustitutos del silicio en los dispositivos electr\u00f3nicos. Ahora bien, al d\u00eda de hoy, estas propuestas provienen esencialmente de c\u00e1lculos te\u00f3ricos y, por tanto, antes de que el grafeno pase a sustituir al silicio en la electr\u00f3nica del futuro, es necesario verificar las predicciones te\u00f3ricas en el laboratorio. Actualmente, \u00e9ste es un campo muy activo de investigaci\u00f3n, y muchos grupos est\u00e1n trabajando en la obtenci\u00f3n de capas de grafeno soportadas sobre diferentes materiales, como pol\u00edmeros o aislantes, para poder determinar sus propiedades el\u00e9ctricas y comprobar las predicciones te\u00f3ricas.<\/p>\n

El estudio de grafeno sobre metales de transici\u00f3n es un campo muy activo de investigaci\u00f3n ya que las capas de grafeno crecen de manera f\u00e1cil, muy controladas y con un bajo n\u00famero de defectos sobre estas superficies. Adem\u00e1s el grafeno sobre un substrato forma patrones conocidos como redes de Moir\u00e9, en las que la periodicidad at\u00f3mica de las dos redes cristalinas (substrato y grafeno), coincide cada dos-tres nm, dando lugar a deformaciones de la capa de grafeno, que se reflejan como prominencias en la imagen STM.<\/p>\n

Nanohilos<\/strong><\/p>\n

No s\u00f3lo las mol\u00e9culas, los Nanotubos o el grafeno son las apuestas para sustituir al silicio. Otros elementos como los Nanohilos fabricados a partir de materiales semiconductores o los Nanohilos met\u00e1licos tendr\u00e1n tambi\u00e9n cierto protagonismo. En concreto, los Nanohilos semiconductores presentan un gran potencial como transistores pero tambi\u00e9n presentan aplicaciones en campos como octoelectr\u00f3nica o en la fabricaci\u00f3n de censores biol\u00f3gicos. Por otro lado los Nanohilos met\u00e1licos, cuya s\u00edntesis controlada es m\u00e1s dif\u00edcil, poseen gran inter\u00e9s como interconectores. En el caso de los Nanohilos formados de materiales Ni, Co o Fe se puede aprovechar tambi\u00e9n su potencial comportamiento magnetorresisitivo para ser usados en dispositivos de almacenamiento magn\u00e9tico. Los Nanohilos met\u00e1licos son interesantes a su vez porque los efectos de tama\u00f1o inducen en ellos la aparici\u00f3n de transiciones de fase martens\u00edticas y la aparici\u00f3n de configuraciones no cristalinas.<\/p>\n

En el pr\u00f3ximo hablaremos de las Nanopart\u00edculas.<\/strong><\/p>\n

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