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Impacto de la nanotecnologíaen las distintas áreasdel conocimiento
Galo Soler-IlliaGalo Soler-IlliaCNEA-CAC-BsAsCNEA-CAC-BsAs
gsoler@cnea.gov.argsoler@cnea.gov.ar
Desarrollo de la presentación
• Qué es la nanotecnología• Qué es y cómo se ve un nanomaterial• Las propiedades únicas de los nanomateriales
• La nanotecnología ya está entre nosotros• Qué se hace en la Argentina y el mundo?• Ejemplo: grupo de Nanomateriales, CNEA• Discusión y conclusiones
Nanotecnología, el desafío del Siglo XXIG. Soler Illia, EUDEBA, 2010
Qué es la nanotecnología??
• Entender y controlar la materia, en la escala de 1 a 100 nm, en la cual hay fenómenos únicos que permiten nuevas aplicaciones.
• La Nanotecnología implica– Medir– Ver– Modelar– Manipular
Materia a la escala del nanometro (10-9 m, o sea 0,000000001 m)
• “Un Nanometro es un punto mágico en la escala dimensional. Las Nanoestructuras están en el medio de las moléculas más grandes, y los objetos más pequeños hechos por el hombre.
M. Roco, NSF, 2001
Humanos1m
Fuerzas
Nanomundo: 10-9 m = 1 nm
Peso Fricción
Atomos: dO-H ∼ 1 Å = 0,1 nm
Interacciones entre objetosFuerzas eléctrica, magnética y fuerzas de atracción cuántica
Enlace químicoPropiedades cuánticas
ATOMOS en vivo
INSERTAR ATOMOS DE PLATINO.avi
Tocar los átomosMicroscopía de efecto túnel
Imágenes de moléculas en directo
Microscopía de efecto túnel
Imagen de una molécula de pentacenoGross et al, Nature Methods, 2009
Distribución de cargas en una porfirinaGross et al, Nature Nanotechnology, 2012
5 nm
20 nm
2 nm
“un simple cambio en el tamaño de las partículas
[de oro] origina una variedad de colores”
M. Faraday. Bakerian Lecture, 1847
18471847
El nano-oro funde a menor T
• Punto de fusión del oro: 1063ºC• Al disminuir el tamaño, el oro funde a menor temperatura. • Efectos de superficie (tensión interfacial)
El desafío de Feynman
19471947
2007200719701970
Límites de la Miniaturización
Un transistor de un solo átomo!
Fuechsle et al. Nature Nanotechnology, 2012
MundoAtómico-
Molecular
“Mundo normal”
MundoNanométrico
log d
-10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1
PUNTOMAGICO
FRONTERA
NANOESCALA • Las propiedades dependen del
tamaño y la forma del objeto
• La relación superficie:volumenes enorme
• Se acentúa el carácter MOLECULAR de una función en un material
• Objetos nanométricos: tamaño comparable con objetos biológicos
Si
Si
Si
Si
FF
F F
S
Au M°-Tiol
5 nm
Aplicaciones● Nuevos productos de
manera “disruptiva” ● Competencia con productos
asentados● Aspectos ambientales/salud
● Innovaciones incrementales en todos los sectores de productos industriales de manera transversal
Nanomateriales Nano-intermediarios Productos “Nano”
nano-Materialessin procesar
Productos intermediarioscon característi-cas “nano”
Bienes connanotecnologíaincorporada
Nano-arcillasnanocompósitoarcilla-polímero
Chevrolet Impala 2004
NP, nanotubos, Qdots, fullerenos,materiales nanoporosos,...
recubrimientos, telas,chips, agentes de contraste, componentesópticos...
autos, vestimentas, aviones, computadoras,envases, remedios, electrodomésticos...
NanoherramientasEquipamiento fundamental
para ver, manipular y modelar en la nanoescala
Lux Research, 2005
Producción CientíficaPapers
2006
31%
38%
31%
Producción CientíficaPapers2000
32%
28%
41%
USA
Asia
Europa
Productos comercialesAgo 08
53%28%
14% 5%
Productos comercialesMarzo 06
61%20%
18% 2%
USA
Asia
Europa
Resto
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
1999 2001 2003 2005 2007
Año
nú
mer
od
ep
ap
ers
USA
China
Alemania
Nanotecnología, el desafío del Siglo XXIG. Soler Illia, EUDEBA, 2010
Aplicaciones reales
• De 200 en 2006 a casi 1300 productos en 2010
http://www.nanotechproject.org/inventories/consumer/
nano-Catálisis• Aceleración de reacciones
químicas sobre una superficie
• Más superficie, más rápido• N-Metales soportados sobre
óxidos• Purificación de gases de
escape (autos)• Desinfección
(heladeras, aire acondicionado)
Nanocompositos
• Material híbrido– Polímero + nanopartícula– Propiedades “a medida”
• Mecánicas• Opticas
• Químicas
Pintura antirrayado(Toyota 1980s)
Raqueta con nanoespecies(Babolat NTC,
Wilson nCode)
Pelotas con nanoarcillas
(Wilson)
Reviews aplicaciones de híbridosC. Sanchez et al J. Mater. Chem., 2005, 15, 3559-3592C. Sanchez et al Chem. Soc. Rev., 2011, 40, 696-753
Nanocompósitos arcilla-polímero
Propiedades mecánicas (Interface híbrida)Transparencia (NP)
Barrera a oxígeno u otros gases
Energía
Otras energías Renovables
• Celdas de combustible– Membranas (polímero o cerámico
nanoestructurado)– Electrodos (C nanoporoso)– Catalizadores (NP de Pt,
aleaciones)• Baterías
– Mayor potencia y densidad de carga
– Mejor ciclabilidad• Producción y almacenamiento
de H2
calor
ánodo cátodomembranaconductora
CH3OH H2O
e e
e
O2 (aire)CO2
H+
Fuente: NNI y EPA http://www.epa.gov/ncer
Medio Ambiente
Remediación ambiental
• NP Metálicas
• Alta reactividad• Agentes reductores• Inyección en suelos (As (V),
Cr(VI), RX, etc)
• Bajo costo
En Argentina: NanotekFe n-Fe Porous N-Fe
$ 0.5/kg $ 25/kg $ 50/kg
10m2/kg 25.000m2/kg 200.000m2/kg
20m2/$ 1000m2/$ 4000m2/$WX Zhang Lehigh University
Detoxificación industrial
• Nanotek Desarrollo Local
• Nano-metales• Nano-materiales y
procesado en el sitio (napa)
• Eliminación de As(V) y clorados de acuíferos
• Vínculos con academia (CINN)
http://www.nanoteksa.com/
Nano óxido y luz activanO2+ contaminante ⇒ CO2
Fotocatálisis
Adsorción de moléculas contaminantes en superficie seguida de foto-oxidación(Pilkington- vidrios autolimpiantes)
Fotocatálisis (TiO2)
M. A. Blesa; M. Litter (CNEA)S. A. Bilmes; R. J. Candal (FCEN, UBA)O. Alfano, A. Cassano (INTEC, CONICET)
hνh+
e-
O2
H2O
CO2
ORG
Reactor SOLWATERLos Pereyra, Tucumán
C. Navntoft, P. Araujo, M.I. Litter, M.C. Apella, D. Fernández, M.E. Puchulu, M. del V. Hidalgo and M.A. Blesa. J. Sol.
Energy Eng. 129, 127-134
Nano-TiO2/binder(PDMS)/sensibilizador
0,00
0,05
0,10
42
43
0 30 60 90 120 1500
2
4
6
8
log
(UFC
mL-1
)
Tiempo / min
TFF
/ n
M m
in-1 m
g-1
viability
Respiratoryactivity
Exposición al sol por 4h es suficiente para eliminar bacterias del agua
Proceso interesante para poblaciones pequeñas con poco acceso a energía
Salud
Diagnóstico
Nano-oro Hormona
Siguiendo procesos de transporte celular
Lidke, Jares-Erijman et al., Nature Biotechnol. 2004Lidke, Jares-Erijman et al., Nature Biotechnol. 2004
Sensores de virusintegrando top-down con bottom-up
• FET: la corriente está controlada por el potencial de la puerta (gate)• La distribución de cargas en la zona del gate puede modificarse
– Por inyección de electrones– Agregando una molécula cuyo plegamiento cambie la carga
• Anticuerpo-nanoalambre de Si: un sistema controlable
C. Lieber Group, Science, 2001C. Lieber Group, Science, 2001
++
++
+
+
+
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+
+
++
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+
+
++
+
+
Interdisciplinariedad
• Leyes en el límite de lo cuántico y lo macroscópico
• Influencia de la escala• Combinación de diversos
saberes
• Diseño, basado en la comprensión del comportamiento de la materia
Nano
Física Química
Biología
Ingeniería Medicina
Qué hacemos
Síntesis de Nanomateriales
Aplicaciones
– Medio Ambiente• Adsorción de iones• Fotocatálisis• Membranas selectivas
– Energía • Celdas solares• Celdas de Combustible
– Materiales Nucleares • Separación selectiva de
nucleidos• Nuevos combustibles
Química + AutoensambladoNanocavidades organizadas
Membranas, sensores, catalizadores…
MoldePeriódicoCreación de una
mesoestructurapor “fosilización”Eliminación del
Molde
Material Mesoporoso
•200-1000 m2/g
•Poros 2-50 nm
•Estructura periódica
•Tamaño único
•Superficie controlada
5 nm
Nano-arquitectos…
Angelome et al, Chem Mater 2006; Otal et al, Adv Mater 2006
50 nm
Araujo et al, ACS Appl Mater Interf 2010
Bellino et al, ACS Appl Mater Interf 2010, Small 2010
Fábricas moleculares
Edificios fotónicos
Fuertes et al Adv. Funct. Mater, 2007Fuertes, Míguez, GJAASI, WO 2008/034932/A1
Fuertes et al Adv. Funct. Mater, 2007Fuertes, Míguez, GJAASI, WO 2008/034932/A1
Dispositivos combinando bottom-up
con litografía
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_++
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_ +
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+
Permselective Transport
Ionic Barrier
(a)
(b)
pH > 5
pH < 5
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++
Permselective Transport
Ionic Barrier
(a)
(b)
pH > 5
pH < 5
Ph. D. Thesis G. Giménez(INTI: G. Ybarra; INIFTA: O. Azzaroni;
TUD: A. Brunsen)Premio INNOVAR 2011
Quiénes hacemos nano
A modo de conclusión
• Nanotecnología
– Posibilidad de producir, de ver y de manipular objetos en nanoescala
– Objeto-Tamaño-propiedades
– Miniaturización ↔ límites cuánticos
– Desarrollo• Incremental (mejora continua: cosméticos, pinturas,…)• Tecnologías de Ruptura (nanomedicina, nanoinformática)
– Manejo de N&N: Medio Ambiente y Salud• Nanotoxicología• Remediación vs. Contaminación del medio ambiente
– Manejo RESPONSABLE de N&N• Divulgación • Manejo de información vs. venta
Acciones en Micro y Nano Tecnologías
en Argentina
Fundación Argentina de Nanotecnología
MINCyT: Redes Estratégicas Nano
Centros Interdisciplinarios de N&N (CINN, Nodo Nanotec, INN-CNEA)
Inversiones en equipamiento
FONARSEC (2011) RECURSOS HUMANOS y TRANSFERENCIA A LA INDUSTRIA
Reuniones Nano
Efecto de las cooperaciones
2000
2006
M. Albornoz, R. Barrere, H. Charreau, CAICyT-CONICET, 2007
• Reflexiones finales
– Desarrollo en el mundo• Incremental vs. Ruptura• Inversiones• Regulaciones• Manejo Responsable
– Desarrollo en Argentina• Capital RRHH científico
(Nanociencia)
• Necesita ser transferido a industria– Inyectar RRHH en industria
– Emprendedores
• Instrumentos – Ágiles, simples y RAPIDOS!
–Desarrollo de NT requiere:
•Ingenieros •Emprendedores!!
•Oportunidad de negocios: Cultura e Intercambio con científicos
–La TECNOLOGIA no es “ciencia de mala calidad”
• Complejidad
• Tiempo
•Rédito• Inspiración de NT en problemas industriales(Whitesides, 2011)!!
Gracias !
Colaboraciones
S. A. Bilmes – D. Scherlis – F. Williams (UBA)
C. Sanchez D. Grosso. C. Boissière (Paris) – P. Innocenzi (Alghero) –V.
Kaucic (Ljubljana), H. Míguez (Sevilla) H. Amenitsch (Elettra)L. Liz-Marzán (Vigo)
O. Azzaroni, F. Requejo (La Plata) A. Fainstein - N. Tognalli – H. Troiani
(Bariloche)
$ - Funding - $
CNEA, CONICET, UBA, ANPCyT, Antorchas, MAE, IT/UNSAM, LNLS, PAE
ReNAMSI 22711, PAE CINN, FONARSEC, Rhein Chemie, Fundación
Bunge y Born