INSTITUTO POLITECNICO NACIONALCENTRO DE INVESTIGACIÓN EN CIENCIA APLICADA Y TECNOLOGÍA AVANZADAASIGNATURA: TÉCNICAS DE FABRICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE NANOMATERIALESPROFR. EUGENIO RODRÍGUEZ GONZÁLEZ

INTRODUCCIÓN A LA NANOTECNOLOGÍA

El prefijo nano en la palabra nanotecnología significa una billonésima (1 x 10-9)

parte de lo que compone a la materia. Aunque la palabra nanotecnología es relativamente

nueva, la existencia de dispositivos funcionales y estructuras de dimensiones nanométricas

resulta lo contrario1. La nanotecnología es el campo dedicado al estudio de la estructura de

la materia con una dimensión menor a 100 nm. Esta es la forma estándar de clasificar lo

que pertenece al nano-mundo. Sin embargo, las propiedades relacionadas con tan pequeñas

dimensiones son más importantes que su tamaño, todo esto es debido a que las partículas

que son más pequeñas a su tamaño característico muestran una nueva química y física que

conducen a nuevas propiedades que dependen, precisamente, de su tamaño. Quizás

una de las razones más importantes es la relación superficie-volumen.2 La nanotecnología

resulta una alternativa para la reducción de costos a partir de la generación de materiales a

nano escala con un mayor desempeño3. Claramente, la nanotecnología trae muchas

oportunidades y desafíos que los investigadores sólo han comenzado a explorar. La

nanotecnología podría hacer de muchos productos más ligeros, más resistentes, amigables

con el medio ambiente y menos costosos.

MATERIALES NANOESTRUCTURADOS

Cuando las partículas poseen l06 átomos o menos, sus propiedades difieren de

aquellas en las que los mismos átomos se encuentran enlazados formando materia en bulto.

En primer lugar, es necesario definir qué se entiende por nanopartícula. Un nanómetro

corresponde a 10-9 m o 10 Å, así que las partículas que poseen un radio ≤ 1000 Å, pueden

ser consideradas nanopartículas. Lo que hace aún más interesante a las nanopartículas y las

dota de sus características únicas, es que su tamaño es menor al tamaño crítico

característico de muchos fenómenos físicos. Si los tamaños de las partículas poseen un

1 C. P. Poole Jr., F. J. Owens, “Introduction to Nanotechnology”, 2003, P. 1-5, ISBN 0471-07935-92 Chauhan et al., Op. Cit., 84-95.3 M. Endo, M. S. Strano , P. M. Ajayan, Potential Applications of Carbon Nanotubes, Topics Appl. Physics 111, 13–62 (2008).

MARÍA DE LOURDES GONZÁLEZ JUÁREZ

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menor tamaño a éste, es muy probable que presenten una nueva física o química4. En

algunos casos, los materiales nanoestructurados son incorporados formando parte de otro

material sólido, en una matriz o en disoluciones. Se pueden formar materiales

nanoestructurados desordenados a partir de materia de distinta composición y tamaño, o

ensamblar la de misma composición a manera de alcanzar estructuras perfectamente

ordenadas5.

Una característica importante de las nanoestructuras en su relación superficie-volumen.

Para entender este concepto, sírvase del siguiente ejemplo con matemática simple:

Considerando la figura 1, imagine que tiene un material X el cual posee la forma de un

cubo cuyo volumen es de 1 mm3. Como se sabe, la materia se encuentra compuesta por

átomos. Suponga que la distancia entre átomos es de 5 Å y son de forma esférica.

a) ¿Cuál es el volumen total de átomos en el material?b) ¿Cuál es el total de átomos sobre la superficie?c) ¿Cuál es la relación superficie-volumen? ¿Qué porcentaje representa del total del

material?d) Calcule utilizando un volumen de 1 µm3 y 5 nm3 a manera de comparación.

4 Poole et al., Op. Cit., p. 1-55 P. A. Serena, “La nanotecnología”, España, Editorial CSIC (2010) ISBN: 978-84-00-09269-9

MARÍA DE LOURDES GONZÁLEZ JUÁREZ

1 mm 5 Å

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Vtotal = volumen totalAsup.total = área de la superficie totalA/V = relación área-volumen

Mediante este ejercicio resulta notable el incremento del número de átomos sobre la superficie de cualquier material al disminuir su tamaño a escala nanométrica. Este fenómeno ocasiona que los átomos en la superficie del material presenten elevados niveles de energía, a su vez, la magnitud del campo eléctrico de la nube electrónica que los rodea se intensifica. Lo anterior explica un hecho muy común en el comportamieto de las nanopartículas: la coalescencia entre ellas. Dependiendo de su aplicación, para evitar este fenómeno, las nanopartículas son recubiertas por un material inerte (ej. SiO2). A este tipo de partículas se les conoce generalmente como “core-shell”.

MARÍA DE LOURDES GONZÁLEZ JUÁREZ

Volumen del cubo1 mm3 1 µm3 5 nm3

Vtotal 8x1018 átomos 80000 1000 átomosAsup.total 24 x1012 átomos 24x108 átomos 600 átomosA/V 3x10-6 3x10-4átomos 0.6% A/V 3x10-4 0.03 60