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

++

++

+

+

+

++

+

+

++

++

+

+

+

++

+

+

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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++

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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