La nanotecnología es la manipulación controlada de átomos o

moléculas para obtener materiales con nuevas propiedades o

dispositivos de rendimiento superior.

500 millones de

transistores en el

chip !

Nanometro:

• Un mil millonesimo de metro:10-9m.

Algunos tamaños referenciales:

• Atomo de hidrogeno ~ 0.1 nm

Proteinas ~ 1-20 nm

Componentes de un chip ~ 180 nm

Diametro de un cabello ~ 10,000 nm

UNIDAD DE MEDIDA : NANOMETRO

La tabla periodica de los elemetos nos indica cuales son los

componentes de toda la materia. En nuestra vidad cotidiana

observamos objetos macroscopicos. Un gramo de sal tiene

aproximadamente 1022 atomos de sodio.

…..pero si lograsemos unir apenas unos 10 atomos de sodio……

….tendrian las mismas propiedades que 1g de sodio??

Escalas de objetos biológicos

¿CÓMO SE

FABRICAN LOS

NANOMATERIALES?

• Proceso versatil para hacer ceramicos y vidrios (polvo, peliculas,

fibras..variedad de formas). • Se inicia en una fase liquida “solucion” y acaba en fase solida “gel”. • Se parte de sales inorganicas de metales como alcoxidos (llamados

precursores); siguen etapas de hidrolisis y reaciones de polimerizacion hasta

tener una suspension coloidal (sol). • El siguiente paso es buscar una forma deseable

- Pelicula delgada por spin o dip coating

- Inyectando en molde • Secado/tratamiento termico, el gel se convierte en el producto final deseado • Aerogel: altamente poroso, material de baja densidad obtenido evaporando el

liquido de un gel bajo condiciones supercriticas.

Diagrama de un reactor por descarga plasmatica

• Electron – especie neutra

e + AB AB* + e Excitacion

e + AB A+ + B + 2e Ionizacion disociativa

e + AB A + B+ + 2e

e + AB A + B + e Disociacion

e + AB AB- Retencion

e + AB A- + B Retencion disociativa

e + AB A + B-

colision elastica

• Ion – especie neutra

A+ + A A + A+ Intercambio de carga simetrica

A+ + B A + B+ Intercambio de carga asimetrica

colision elastica

• En materiales con enlaces quimicos fuertes puede haber deslocalizacion de los

electrones de valencia. El grado de deslocalizacion puede variar con el tamaño del

sistema.

• La estructura tambien cambia con el tamaño.

• Los dos cambios anteriores pueden llevar a diferentes propiedades fisicas y

quimicas, dependientes del tamaño.

- Propiedades opticas

- Ancho de banda “Bandgap”

- Temperatura de fusion

- Calor especifico

- Reactividad superficial

- ?

• Tambien pueden obtenerse modificaciones en propiedades mecanicas relevantes

para solidos volumetricos.

- Ejemplo: aumento de la plasticidad.

• En un sentido clasico, el color es causado por la absorcion parcial

de luz por los electrones del material. El color percibido corresponde a

la parte complementaria (no absorbida). • La luz se refleja totalmente sobre una superficie metalica pulida

debido a la alta densidad de electrones que tiene el material. No se

observa color sino una reflexion especular. • Si las particulas metalicas se hacen muy pequeñas, absorben la luz y

por lo tanto se observan coloreadas.

Ejemplo: El oro fabricado como nanoparticulas aparece con

variados colores dependieno del tamaño. Lo mismo se observa en plata

y cobre.

Ecuacion de Schrödinger

• Se trata de encontrar las funciones de onda Y y sus

autovalores E que satisfacen la ecuacion deSchrödinger

Para diferentes tipo de energia potencial V(x).

Yn(x) Yn2(x)

Potencial tipo pozo infinito

F.Onda Probabilidad Energia

n = 2

n = 1

n = 3

La temperatura de fusion baja notablemente cuando

el tamaño de la particula decrece por debajo de 5 nm

Source: Nanoscale Materials in Chemistry, Wiley, 2001

Tem

per

atu

ra d

e F

usi

on

(oC

)

Radio de la particula (nm)

• Semiconductores tales como ZnO, CdS, y Si, cambian el tamaño

del ancho de banda cuando se reducen en tamaño

- Ancho de banda es la energia necesaria para promover un

electron de la banda de valencia a la de conduccion

- Cuando el ancho de banda esta en el espectro visible, la

reducion de tamaño implica un cambio de color.

• Para materiales magneticos tales como Fe, Co, Ni, Fe3O4, etc., las

propiedades magneticas son dependientes del tamaño.

- La fuerza coercitiva (o memoria magnetica) necesaria

para invertir el campo magnetico dentro de la particula

es dependiente del tamaño.

- La magnitud de la magnetizacion puede ser dependiente

del tamaño.

• Materiales nanocristalinos

• Nanoparticulas

• Nanocapsulas

• Materiales nanoporosos

• Nanofibras

• Nanohilos

• Fullerenes

• Nanotubos

• Nanoespiras

• Nanocintas

• Dendrimeros

• Electronica molecular

• Puntos cuanticos

• NEMS, Nanofluidos

Microscopias

• Microscopia Optica

• Microscopia Electronica

- Transmission

- Barrido

• Microscopias por sonda de barrido

- Efecto Tunel

- Fuerza Atomica

NOTE: This talk has been put together from material available

in books, various websites, and from data obtained by NASA

nanotech group. I have given acknowledgements where ever

possible.

MICROSCOPIO DE FUERZA

ATOMICA

M. de Fuerza Atomica

Mica: digital instruments; Grating: www.eng.yale.edu

NTC es una estructura tubular de carbon con diamtros de hasta 1 nm

y longitudes desde algunos nm hasta varios micrometros.

Los NTC pueden ser considerados como laminas de grafeno

enrolladas en forma de tubo.

NTC exhiben excelentes propiedades

mecanicas: Modulo de Young de 1 Tera Pascal,

dureza del diamante, y resistencia a la tension ~

200 GPa.

NTC puede tener comportamiento metalico o

semiconductor dependiendo de la quiralidad.

• En los 90s se crecieron CNT por ablacion con laser (Rice

Univ.); descarga por arco de carbon (NEC, Japan) - 90s.

SWCNT, alta pureza

• CVD es ideal para creimiento

controlado (electronica, sensores)

- Tecnica bien conocida en

microelectronica

- Alimentacion con

hidrocarburos

- Crecimiento necesita

catalizador (transition metal)

- Tubos multipared 500-800°C.

- Numerosos parametros

influyen el crecimiento NTC

• Es la mas fuerte y flexible estructura molecular

con enlace covalente C-C. Esta formada por una red

exagonal.

• Modulo de Young sobre 1TPa vs 70GPa para Al, y

700 GPa para fibras de Carbono.

• Relacion tension /peso 500 veces mayor que para

Al; mejora similar respecto al acero y Ti; superior en

un orden de magnitud sobre grafito/epoxy.

• Resistencia a la traccion 10% mayor que la de

cualquier material.

• Conductividad termica ~ 3000 W/mK en la

direccion axial y menores valores en la direccin

radial.

• Conductividad electrica seis ordenes de magnitud mayor que el

cobre.

• Comportamiento metalico o semiconductor dependiendo de la

quiralidad.

- Ancho de banda ‘sintonizable’.

- Propiedades electronicas pueden ser manipuladas por

campos magneticos externos o por deformacion mecanica.

• Capacidad de portar altas densidades de

corriente

• Excelente emisor de campo; pequeño radio

de curvatura de la punta lo hace ideal para

emision de campo

• Puede ser funcionalizado

- Mascara de 400 mesh (rejilla TEM grid); 20 nm Al/

10 nm Fe; nanotubes crecidos por 10 minutes

Crecido usando etileno a 750o C

• Efecto de cambiar la potenciacapacitiva

de a) 20, b) 30, c) 40, y d) 50 W

• Transformacion de NTs to filaments occurs

at 40-50 W

• A > 50 W, siempre filamentos

a

d c b

Condiciones: 3 Torr, 100 W pot. inductiva, 800° C, 20 sccm metano + 80 sccm H2, 10

nm Fe con 10 nm Al.

Condiciones: 70 W potencia capacitiva del

sustrato

• Efecto de cambiar potencia inductiva a) 0, b)

50, c) 100 y d) 200 W

• Hay poca influencia en cambiar lapotencia

inductiva

a

d c b

APLICACIONES

EN MEDICINA

Deteccion de mutacion de DNA

Deteccion de biomarcador de proteinas

Deteccion de DNA mutante

Deteccion de biomarcador de proteinas

Deteccion de genes

Secuestro de blancos especificos

Liberacion controlada de farmacos

Agentes de contraste de imagen

Mejora la elaboracion de farmacos

poco solubles Nanocristales

Dendrimeros

Nanotubos de

carbon

Cantilevers

MODALIDAD APLICACIONES POTENCIALES

NANOINSTRUMENTOS MEDICOS

Molecula tridimensional de estructura arborescente

DENDRIMEROS

En enero de 2004, Starpharma inicio pruebas clínicas en humanos del producto

VivaGel(TM) para la prevención del VIH. Fue reconocido como uno de los cinco

principales logros de la nanotecnología en 2004 según en Informe de nanotecnología

de Forbes/Wolfe

Pueden portar el farmaco,

ubicar el blanco y liberarlo

controladamente

Nanoparticulas

Nanoesferas

Nanohilos

Puntos

cuanticos

Terapeutica multifuncional

Liberacion de farmacos en blancos

Contraste de imagen en MRI y U.S

Indicador de apoptosis, angiogenesis, etc

Ablacion termica de celulas tumorales

Imagen de tejido tumoral

Deteccion de proteinas dañadas

biomarcadas

Detecion de DNA mutante

Dteccion de genes

Deteccion de genes y proteinas en

ensayos celulares

Visualizacion de tumores

MODALIDAD APLICACIONES POTENCIALES

Nanopartículas

magnéticas

Captura del blanco Remocion

Campo magnetico

SEPARACION MAGNETICA

Deteccion del cancer In Vivo

Problemas con la tecnolgia actual

- La enfermedad es detectada cuando empieza la

metastasis

- Ningun metodo no-invasivo sabe si la droga actua hasta

despues de meses

- Dificil evaluar los factores de riesgo colaterales

Como ayuda la nanotecologia?

- Puntos cuanticos amplian la posibilidad de prueba de

nuevos farmacos.

- Nanoparticulas paramagneticas hacen posible

imagenes MRI de celulas cancerigenas en estados

iniciales de formacion.

- Nanoesferas ayudan a detectar mutaciones

Inyeccion del farmaco al flujo sanguineo

Fijacion sobre el tumor

Radiacion con U.Sonido y liberacion del farmaco

cells*LanzaGM, WicklineSA et al: Targeted antiproliferative drug delivery to vascular smooth muscle

cells with magnetic resonance imaging nanoparticle contrast agent: implications for rational therapy of

restenosis. Circulation2002; 106:2842-2847

• DNA es el portador de la informacion genética de las especies vivas

• La estructura de doble helice consiste de dos hebras que se enrollan alrededor de

un eje

- Cada hebra esta conformada por macromoleculas poliméricas de azucar

y fosfatos. Cada grupo de azucar se une a una de las cuatro bases

Guanina (G) Citosina (C)

Adenina (A) Timina (T)

• La secuencia con que se ordenan las bases constituye el código genético

• La doble hebra se conforma por la union de enlaces

de hidrogeno que se acoplan manteniendo la estructura

de doble helice.

- El acople quimico es tal que:

A solo se acopla con T

G solo se acopla con C

• Chips DNA tiene posiciones con muchas pequeñas hebras

“detectoras” de DNA con diferentes secuencias de bases

- Las moléculas “blanco” de DNA, extraidas de una célula, son

etiquetadas con un marcador fluorescente

- Los blancos de DNA se enlazarán sólo a aquellas hebras

detectoras que tienen el mismo código genético que las

detectoras • Se hace una lectura óptica • Hoy se estan ensayando lecturas electrónicas, causadas por la

modificación en la energía electrónica de las moléculas en

contacto con el sustrato • Estos chips son

producidos por tecnicas

de autoensamblaje

AVANCES EN

NANOTECNOLOGIAS

Celda para la obtención del Si poroso

Obtención del Silicio Poroso

Si-poroso iluminado con luz UV

El ataque electroquímico crea

nanoporos que modifican

la estructura de bandas del

Si produciendo luminiscencia

Lab. Catalisis y Medio Ambiente 2004

Materiales Avanzados

Microscopía de Fuerza

Atómica de Silicio Poroso

(A. Larosa)

Materiales Avanzados

La microscopía revela poros

de 5-8 m y nanopartículas es-

fericas de 20-50 nm en clusters.

La fotoluminisencia es conse-

cuencia del confinamiento

cuántico.

Se pueden hacer dispositivos de rápida

detección de bacterias patógenas o de

aplicación industrial.

Fabricando varias capas de Si poroso y

puestas en contacto con las bacterias se

obtiene diferente coloración lo cual permite

discriminar entre diferentes tipo de bacterias.

La mayoria de bacterias son Gram (+) o

Gram (-). Las Gram (+) son mas suceptible

antibióticos.

La rapidez de la detección acelera la

diagnostico y reduce los costos de análisis.

Materiales Avanzados

ARCILLAS: UN MEDICAMENTO DE

LA NATURALEZA

Capa octaédrica

Espacio interlaminar

Capa tetraédrica

Cationes intercambiables + n H2O

y O

Si, ocasionalmente Al

L

A

M

I

N

A Capa tetraédrica

ESTRUCTURA IDEAL DE

UNA ARCILLA ESMECTITA

OH Al, Fe, Mg

ADSORCIÓN EN ARCILLAS

Materiales Avanzados

La activación de la arcilla consiste en la

disolucion controlada de los componentes

metalicos de la estructura. Una vez activada

incrementa su capacidad de adsorber

compuestos contaminantes entre 20-50 veces.

Materiales Avanzados

(2005)

S D

B

n+ n+ O

Si - p

VD

S

VGS

ER

R R

Electrolito

0 20 40 60 80 100 120

25 A}

110 L/pulso

66 L/pulso

22 L/pulso

Respuesta del ISFET en Flujo Continuo

Señ

al IS

FE

T (

u.a

.)Tiempo (s)

20 40 60 80 100 120

50

100

150

200

250

300

r2 = 0.9981

Amplitud del Pulso vs. Volumen Inyectado

Señ

al IS

FE

T (

A

)

Volumen Inyectado (L)

50 mL/min

Biosensores (2005)

Diagrama de un ISFET

Fotografia de un ISFET

Caracterizacion electronica y

electroquimica del ISFET

Respuesta electrica del ISFET a cambios en el

electrolito

Monocapa de anticuerpos inmobilizados en la compuerta del ISFET.

El reconocimiento de un antígeno específico, producirá una polarización detectable por

el elemento transductor.

Selección racional del complejo antígeno-anticuerpo a ser probado en el ISFET

Diversos complejos antígeno-anticuerpo serán analizados en virtud de la relevancia

médica-biológica y de la factibilidad de ser utilizados en base a la capacidad de inducir

una polarización mínima detectable por el ISFET.

La interacción antígeno-anticuerpo será modelada a partir de una dinámica molecular

empleando una caja periódica de solvatación y el campo de fuerzas AMBER.

Se utilizará el software GROMACS para este propósito.

La estimación de la distribución de carga electrónica será calculada utilizando

algoritmos mecánico-cuánticos, utilizando el programa Gaussian03. (M. Zimic, UPCH)

43NSi Gap ISFET - - - - - -

43NSi

Biosensor selectivo para la detección de agentes patógenos