CURSO NANOTECNOLOGÍA

NANOTECNOLOGÍAPROGRAMA Módulo 0: Introducción a la nanociencia y la nanotecnología………………….Pág 1 1. Definición de Ciencia y Tecnologia 2. Introducción a la nanociencia y nanotecnología 3. Prehistoria de la nano 4. Importancia de los átomos de superficie 5. Partículas hechas de partículas 6. Bottom up vs top down Módulo 1: Microscopía…………………………………………………….…………….Pág 13 1. Introducción a la microscopía. 2. Conceptos básicos de las diferentes técnicas de microscopía 3. Microscopía electrónica de transmisión y barrido. Focused Ion Beam 4. Microscopías de campo cercano. Microscopía de efecto túnel y fuerza atómica 5. Dispersión de rayos X de bajos ángulos. Dispersión de neutrones de bajos ángulos 6. Introducción a la litografía. Nanolitografía. Manipulación de átomos aislados Módulo 2: Nanomateriales……………….………………………………….………….Pág 26 1. Nanopartículas. Aplicaciones actuales 2. Geometría del Carbono. Hibridización de Orbitales 3. Fullerenos y nanotubos de carbono 4. Grafito, Diamante y Grafeno. Estructuras de Resonancia. Aplicaciones 5. Nanopolímeros y nanocompuestos 6. Nanoarcillas y Nanocompuestos 7. Zeolitas, micelas, puntos cuánticos Módulo 3: Bionanotecnología………………...……………………………….……….Pág 66 1. Introducción a la bionanotecnología. Historia breve 2. Bionano en la salud 3. Nanotecnología aplicada a cosmética 4. Nanotecnología aplciada a alimentos 5. Bionano en energías renovables 6. Ingeniería de tejidos Módulo 4: Micro y Nanosistemas (MEMS y NEMS).………………………………….Pág 84 1. Introducción a los nanosistemas 2. Micro y nanosistemas. Proceso de diseño, cálculo y fabricación. Modelado virtual. Procesos de fabricación en nanotecnología, áreas de manufactura (salas limpias) 3. Aplicaciones actuales de los nanodispositivos. Lab on chip, drug delivery, nanosensores, acelerómetros 4. Perspectivas futuras. Energía. Medicina. Comunicaciones e informática Módulo 5: Nanoquímica………………………………..……………………………….Pág 99 1. Importancia de los átomos de superficie 2. Historia de la nanoquímica 3. Aplicaciones actuales de nanoquímica 4. Impacto social, económico y perspectivas Módulo 6: Nano aplicada en la industria…………………………………………..Pág 108 1. Remediación ambiental 2. Recubrimientos 3. Texti 4. Metalmecánica Módulo 7: Nanotecnología y Sociedad. ………………………………………...Pág 127 1. Riesgos potenciales de la nanotecnología en la salud 2. Impacto ambiental de la nanotecnología 3. Estado de la normalización técnica voluntaria nacional e internacional MÓDULO N° 0 MÓDULO N°0: INTRODUCCIÓN A LA NANOCIENCIA Y NANOTECNOLOGÍA 1- Definición de Ciencia y Tecnología El camino evidente a los fines de definir la diferencia entre ciencia y tecnología empieza tratando de definir una y otra. Para eso, tendríamos primero que encontrar las preguntas que nos lleven a encontrar esa diferencia: ¿Son distintas cosas ciencia y tecnología? ¿De qué se encarga cada una? ¿Cuál es el objetivo de cada una? La Tecnología es trata de resolver los problemas de las personas y de su entorno. La Ciencia trata de conocer y comprender la naturaleza y los fenómenos asociados a ella mediante métodos científicos para poder transformarla y modificarla. Existen por lo tanto dos campos: ciencia (indagación) y la tecnología (acción). Estas definiciones durante años han dividido al mundo de los científicos, ya que han considerado que la tarea de un científico es solamente desarrollar la ciencia y no la tecnología. Desde hace un tiempo atrás esta definición se está superponiendo, ya que utilizando los conocimientos científicos se puede realizar una tecnología de mayor nivel de innovación. Figura 1. Científico observando material en SEM Por otro lado, la ciencia y la tecnología se comunican de una manera diferente. La ciencia tiene como último paso obligado el compartir el conocimiento nuevo en forma de publicación científica, de forma que todo el mundo pueda tener acceso a ese conocimiento y pueda comprobar o refutar las ideas publicadas. La tecnología, en cambio, si bien parte de conocimientos básicos establecidos por la ciencia, intenta cristalizarlos en la fabricación de un dispositivo o producto o proceso concreto para cubrir una función concreta, y es esa relación entre necesidad y función lo que se convierte en objeto de intercambio, sin necesariamente la publicación de la lógica interna del dispositivo. En todo caso esta innovación se puede protegerse en una patente de invención. Entonces, si bien son dos elementos completamente distintos, la Ciencia y la Tecnología se entretejen, alimentándose la una a la otra. Por ejemplo, nuevos descubrimientos científicos son plasmados en forma de artefactos tecnológicos, que a su vez permiten la profundización de la exploración de la ciencia, lo que se constituye como materia prima para aún más avances tecnológicos La maduración de la ciencia en forma de tecnología a veces se da increíblemente rápido, de forma que crecen casi a la par, pero otras demora años, como nunca supo Reginal Fessenden, un inventor canadiense y que sobre el final de la década de 1890 se convirtió en el pionero en la transmisión de voz y música por medio de ondas electromagnéticas, de manera que es hasta él que suele trazarse el origen de la telefonía celular. P á g i n a 1 | 139 en lo vago de responder simplemente ‘la ciencia de lo muy pequeño’. pero nunca entender qué tan pequeño es lo “pequeño”. Figura 1. lo extenso. siempre nos atrajo y nos maravilló lo que no podemos entender. Coli observado utilizando microscopía electrónica Un nanómetro es la billonésima parte del metro.Introducción a la nanociencia y nanotecnología Pablo A. las proteínas. de nuevo estamos fuera de escala. el verdadero padre del iPod. Alvarez Como hombres. La palabra “nano” viene del griego enano y significa pequeño. Este campo les corresponde a los biólogos o los médicos. galaxias y nebulosas. Coli (la bacteria presente en la materia P á g i n a 2 | 139 . finalmente. La misma imposibilidad que tenemos de relacionarnos con una estrella la tenemos de relacionarnos con un átomo.MÓDULO N° 0 Otro ejemplo es el del físico Robert Williams Wood y sus experimentos de emisión de campo en el año 1897. E. o así era. las células. lo masivo. Lo nano La nanotecnología se apoderó del inconsciente colectivo en la forma más alquímica. bacterias y microorganismos? No. a la física de altas energías. Este es el dominio de los físicos de altas energías y los aceleradores de partículas. y la única constante es la otredad. Galaxias y nebulosas Lo enorme es tan fascinante como lo diminuto. pero ahora por encima. este campo le corresponde a la física cuántica. A modo comparativo un glóbulo rojo humano mide aproximadamente 10. la maravilla y el misterio del átomo aislado. los virus. una célula de E. lo leve de lo que no podemos tocar pero nos forma. hasta la llegada de la nanotecnología.000 nm. hasta lo mínimo. Figura 2. neutrones y electrones? No necesariamente. Desde estrellas. Lo ajeno en la escala. lo sutil. 2. ¿Hablamos entonces de células. las moléculas individuales y. Desde lo inabarcable. González / Javier Amalvy / Vera A. sin los cuales nunca habría sido posible el desarrollo de los primeros televisores de pantalla plana o de Jean Baptiste Fourier. ¿Estamos hablando de algo tan pequeño como un átomo? ¿Hablamos de los componentes fundamentales de la materia? Hablamos del equilibrio entre protones. Frecuentemente se mencionan términos tales como compuestos nanocristalinos. P á g i n a 3 | 139 . nanopartículas. En la Figura 3 se muestra la escala desde metros a nanómetros junto con cosas representativas de cada una de esas mediciones. nanovarillas.000 nm. Figura 3. aquéllos cuyas partículas discretas tienen un diámetro por debajo de los 100 nm en el caso que éstas sean esféricas. nanocompósitos. por ejemplo. Referirse sólo al tamaño para caracterizarlos conduciría a una visión incompleta y parcial de los nanomateriales ya que presentan propiedades inusuales. Los nanomateriales son materiales que deben sus propiedades a una organización interior en una escala nanométrica o en la nanoescala (ver capitulo Importancia de los átomos en la superficie). nanotecnología. nanoresortes y casi un listado infinito de palabras con el prefijo nano que involucra al nanómetro (1 nanómetro es la billonésima parte del metro). de circular por el cuerpo humano o de producir nanosoportes sobre los cuales se pueden conectar circuitos electrónicos. nanomateriales. químicas y biológicas de los materiales difieren de las correspondientes a átomos o moléculas y de la materia a granel. en general. nanotubos. muy diferentes a las que conocemos en normalmente en nuestra escala macroscópica o macroescala. en cambio. Escalas desde el Armstrong al micrón y materiales representativos de cada una de ellas. nanoestructuras. podemos pensar que es algo tan pequeño que es lo que crece la barba entre que un hombre termina de pasar la afeitadora por su cara y que pone esa misma afeitadora bajo la canilla del baño. cuando se refiere a nanotubos o nanohilos la dimensión mayor se considera de hasta 200 nm [European Comisión 2003]. un célula viral 100 nm y un ovillo o cadena enrollada de un polímero de 40 nm. A esta escala las propiedades físicas. capaces. Como materiales nanoparticulados se definen. Para pensar en un nanómetro.MÓDULO N° 0 fecal) 1. Estos términos están englobados en la nanotecnología y que se define. como la investigación y el desarrollo a escala nanométrica y se la relaciona con la fabricación de dispositivos miniaturizados. nanociencia. ADN. La National Nanotechnology Initiative Strategic Plan de los Estados Unidos de Norteamérica. sin embargo. donde tenemos solo una dimensión nanométrica.MÓDULO N° 0 Se comenzó a hablar de nanotecnología en los años ochenta.C. siglo IV A.). e iluminada desde su interior. los nanocables. Berry 2003]. Sin embargo. P á g i n a 4 | 139 . Un ejemplo muy conocido es el de la copa de vidrio de Licurgo (Roma. aproximadamente. Comprende la ciencia a nanoescala. pero aun así nos encontramos en presencia de objetos que corresponden al ámbito de las nanociencias. el término nanotecnología ha ido evolucionando y se ha llegado a definiciones bien establecidas. observada con luz reflejada aparece verde. nanobarras. donde fenómenos únicos permiten nuevas aplicaciones. es justamente el tamaño de esas partículas en suspensión. en los años cuarenta. ingeniería y tecnología. y sin cambiar la composición química del material. tales como punto de fusión. El análisis del vidrio permitió revelar que contenía partículas muy pequeñas (~70 nm) de plata y oro. hoy expuesta en el Museo Británico [Liz-Marzan 2004. podemos citar otros con bases intencionales: la fabricación de partículas de negro de humo y la obtención de dióxido de silicio “fumé”. Esta época marca quizás la iniciación real de la era nanotecnológica. viriones. modelado y manipulación de la materia en esa escala”. es posible controlar propiedades fundamentales de los materiales. Creando estructuras a la escala del nanómetro. nanotubos. incluyendo cambios del color. Por último. aparatos y sistemas que explotan esas nuevas propiedades. algunos nanomateriales eran ya empleados hace 2000 años (ver capitulo Prehistoria de la Nanotecnología). la luz transmitida a través del vidrio hace que se la vea roja. define nanotecnología como [NNI Strategic Plan 2007]: “Nanotecnología es el entendimiento y el control de la materia en dimensiones. ¿Que son las nanopartículas? Las nanopartículas son objetos que tienen escala nanométrica en los 3 ejes. poseen dos dimensiones por debajo de los 100 nm. medidas. Copa deLycurgus Además de este ejemplo de nanocompuesto obtenido de forma casual. incluye la obtención de imágenes. El estudio de las propiedades de los objetos y fenómenos a escala nanométrica se denomina en forma general como nanociencia. proteínas. lo que confiere al vidrio los diferentes colores. desde 1 a 100 nanómetros. Haciendo uso de este potencial es que se han desarrollado y se desarrollan productos de altas prestaciones no disponibles con tecnologías anteriores. En cambio. propiedades magnéticas. en una proporción molar de 14:1 y. Figura 4. capacidad de carga eléctrica. La copa cambia de color de acuerdo con la incidencia de la luz sobre la misma. existen las nanoláminas y los nanofilms. La I+D en nanotecnología está dirigida directamente al entendimiento y creación de materiales mejorados. Azul Maya Los pigmentos que se extraían de estas plantas son muy delicados. la lluvia o el viento los destruía con facilidad. se rodearon de membranas que las protegían formando precursores de las primeras protocélulas y así.Prehistoria de la nano . o inclusive desde antes. siglos después. que van a dejar interactuar la luz normalmente.Pablo A.MÓDULO N° 0 Otra forma de acotar lo nano puede ser funcional. Esa es la definición que consideraremos. resultando en un azul que es visible todavía hoy. la pintura duraba muchísimo más. P á g i n a 5 | 139 . Esta arcilla en particular contiene filosilicatos que forman estructuras nanométricas. pero van a protegerlos de la interacción con el ambiente. esa noción de que algo extraño estaba pasando. Existe registro histórico del uso de nanotecnología por parte de los mayas. pero ese descubrimiento. que solían mezclar pigmentos azules profundos que extraían de las hojas de añil y una forma de arcilla. Las primeras moléculas autorreplicativas de ARN eran verdaderas nanomáquinas que fabricaban copias de sí mismas. Esto quiere decir que la nano es más descubierta que inventada. Lo que los mayas descubrieron es que si antes de pintar mezclaban el pigmento con la arcilla. hasta nosotros. y una exposición ligera al sol. de nano en nano. fue primero nanotecnología y recién después nanociencia. ¿dónde está la nanotenología en mezclar plantas y barro? Figura 1. González Pensar que la nanotecnología empieza con el descubrimiento del grafeno es pensar que la microbiología empezó con la invención del microscopio inventado por Zacharias Janssen en 1590. Pero. químicas y ópticas particulares para su dimensión. La nano existe desde que existe la vida. Las moléculas que le dan color al pigmento son rodeadas por estas nanoestructuras. y tiene que ver con cómo la escala nanométrica presenta propiedades físicas. 3. Eventualmente. Ese mismo uso fue popular en la Edad Media. pero en este caso la hacía más fuerte. pero nos dejó en el acero de Damasco. el color.MÓDULO N° 0 Otro ejemplo es la Copa de Lycurgus. con el desarrollo del microscopio de efecto túnel que podría "ver" los átomos individuales comenzó la nanotecnología moderna. Profesor Norio Taniguchi acuñó el término nanotecnología. Galo Soler illia . que lograba espadas con hojas tan afiladas que podían cortar un pelo si se lo dejaba caer sobre el filo. la chapita se llena de óxido gracias a la interacción entre el hierro y el aire húmedo. y el Proyecto Manhattan del Siglo XVII fue llevado a cabo por herreros históricos como Assalud Ullah. más expuestos. hubo guerra. P á g i n a 6 | 139 .Prehistoria de la nano. que conseguían un brillo metálico en sus piezas gracias a la inclusión de nanopartículas de plata y cobre. verde opaca cuando es iluminada desde afuera pero que al ser iluminada desde adentro adquiere un tono rojizo.Importancia de los atomos en la superficie Las reacciones químicas entre dos sustancias pasan en la superficie de la sustancia. como la Copa de Lycurgus. El secreto de Ullah era el acero.  Video “Dr. No fue hasta 1981. por lo tanto. La nano no es inmune a una constante en la ciencia: a veces se hace primero que algo funcione y después (tal vez años y años después) se descubre cómo. Pero así como hubo arte. de la cual ya se habló en el capítulo 1. sino que había sido moldeado en forma de nanotubos de carbono gracias a ciclos de calor y frío y el agregado de diferentes catalizadores en el proceso de forja. Después de unos días. que tenía una cantidad de carbono anormalmente alta. pero eso no les impidió ser pioneros de la nanotenología. Normalmente el carbono arruinaría una espada. Otros pioneros fueron los ceramistas de Manises. Claro que poco entendían sobre la naturaleza de su arte. ¿Sabía Assalud algo de nanotecnología? Nada. pero si rascamos un poco.1. vemos que debajo del óxido tenemos todavía hierro.” https://www. usaron nanopartículas de oro y plata incluidas en vidrio para generar objetos casi mágicos. Esto se hace más evidente si pensamos en una chapita de hierro expuesta a un ambiente húmedo. y logrando que se modificara el tamaño y la estructura y. O sea que la reacción pasó primero para los átomos más externos. que los romanos en el Siglo IV a..C.youtube. técnica que aprendieron de los todavía más antiguos ceramistas musulmanes andaluces.com/watch?v=XgfDR_U7Y6w 4. ¿cuál era el secreto? el carbono no estaba de cualquier forma. donde los diferentes colores para las ventanas de las catedrales se obtenían calentando y enfriando el vidrio lleno de nanopartículas de oro y plata. MÓDULO N° 0 Para ponerlo en términos más generales. ¿Qué pasa si seguimos adelante con ese proceso? ¿Puede el cubo partirse más y más? Tabla 1. una superficie parecida a la de una cancha de fútbol. y entender la potencia que hay en hilar más fino. el volumen no cambió. y las reacciones suceden (ahora con menos sorpresa que antes de empezar a leer este texto) en la superficie. Ese cubo. pero que en total tienen exactamente el mismo volumen del original. gracias a la forma en la que le presentamos la misma partícula a su entorno. la superficie aumentó hasta 6000 m2. O sea que tenemos 6000 mm2 de superficie. pero. pero mejor. Entonces. Un cubito del tamaño de la primer falange de tu dedo índice. Un catalizador ayuda a ordenar las moléculas o átomos que forman parte de la reacción y optimizar el uso de la energía para que las cosas pasen con mayor facilidad. que es un elemento que participa de una reacción química acelerando el proceso pero no siendo parte ni de los productos ni de los reactivos. Imaginemos un cubo de cobre de 10 mm de lado. usar lo mismo. tiene 600 mm2 de superficie total. ¿cambió el área superficial? Ahora tenemos 1000 cubos de 6 mm2 de superficie cada uno. Acabamos de crear algo a partir de la nada. Pero. y qué tiene que ver esto de que los átomos importantes son los de afuera? La respuesta es un cubo. Ahora. como tiene 6 caras. P á g i n a 7 | 139 . siempre que queramos entender una reacción química vamos a tener que estar atentos a los átomos de superficie porque los de adentro están ‘protegidos’ o casi ‘aislados’. Lo único que hizo falta fue tomar lo que ya sabíamos de la materia y reorganizarla. ¿qué pasa si empezamos a partir ese cubo en cubos más chiquitos? Cuando tomamos cada lado y lo dividimos 10 veces en cada eje. Muchos de los catalizadores que usamos todos los días son metales. pasamos a tener 1000 cubitos más chicos. Cubo Rubik ¿Cómo se relaciona todo lo anterior? ¿Cómo hacemos más con lo mismo. muchas reacciones químicas necesitan de un catalizador. Figura 1. Número de cubos y aumento del área superficial Cuando llegamos a cubos de 1 nm de lado. tibias. los átomos que componen la superficie de un material no poseen las mismas propiedades físicas (dureza. capacidad catalítica). Figura 1. para qué nos sirve saber esto? Por qué es útil tener átomos ligeramente distintos? Normalmente. transparencia) que las del centro. punto de fusión). eléctricas (conductividad) y ópticas (color. protegidas por las del borde. químicas (reactividad. los átomos que determinan las propiedades del P á g i n a 8 | 139 . Pingüinos protegiéndose del frío . aún con frío.Área específica vs cantidad de cubos 5. y las del centro.(The Guardian) En cualquier partícula pasa exactamente lo mismo. De esta manera. a reunir. las cantidades de átomos que componen una partículas son tantos que la cantidad de átomos del borde es despreciable respecto de la cantidad de átomos que hay en el centro. a acercar hasta formar un grupo donde existirían dos clases marcadas de persona: las del borde. toda esa gente se empezaría a agolpar. pero. Si hiciera mucho frío. González Imaginemos un cuarto lleno de gente.Partículas hechas de partículas .Pablo A.MÓDULO N° 0 Figura 2. casi exclusivamente. no sólo en relación a su tamaño. volumen molar. cuando las propiedades intensivas de la materia. y una de intensivas: densidad. en estos materiales se observa una alta relación superficie/volumen que es mucho mayor que la que existe en materiales de la macro y la micro escala. Un gramo de agua pesa un gramo. al reducir su tamaño. aislantes se vuelven conductores (silicona).MÓDULO N° 0 material son. materiales estables se transforman en combustibles (aluminio). Ahora. etc. que no dependen de la cantidad de materia. las que entendíamos como intrínsecas. independientes de la cantidad de materia empiezan a doblarse y a romperse. P á g i n a 9 | 139 . materiales inertes que se transforman en catalizadores de reacciones químicas (platino y oro).0006% de los átomos totales. los centrales. ¿Van a ser las propiedades de estos dos materiales distintos o iguales? Ahí es cuando notamos el verdadero potencial de la nanociencia. características. El motivo es que. Luego. Existen muchos ejemplos. los materiales creados a escala nanométrica (los Nanomateriales) suponen una gran novedad respecto a los materiales tradicionales. y un kilo de agua pesa un kilo. Como dijimos anteriormente. materiales que cambian de color (Figura 2). Siempre nos enseñaron que la materia tenía dos tipos de propiedad: las extensivas. Hoy en día. materiales que a temperatura ambiente son habitualmente sólidos se vuelven líquidos (oro). que dependen de la cantidad de material. qué pasa si la partícula empieza a achicarse? Qué pasa si pasamos de un cubo de 107 átomos de lado. cuando se comparan con las de los mismos materiales a tamaños mayores. dando una relevancia mucho mayor a los fenómenos de superficie. su superficie no disminuye proporcionalmente. tales como sustancias opacas que se vuelven transparentes (cobre). aprendimos una lista de propiedades extensivas: peso. donde los átomos de superficie son 488 sobre un total de 1000. sino principalmente por sus características y propiedades. donde los átomos de superficie representan al 0. los materiales reducidos a la nanoescala pueden mostrar propiedades muy diferentes a las que exhiben en una macroescala. representando casi el 50%. El enorme interés que existe por estos materiales se relaciona justamente con las propiedades que los mismos presentan que son en general muy superiores y frecuentemente diferentes. capacidad calorífica. pero los dos se evaporan a los 100º C. volumen. conductividad. lo que da lugar a aplicaciones únicas. y las intensivas. de esa manera. y aparecen los materiales de escala nanométrica y sus particularidades. a tener un cubo de 10 átomos de lado. La piedad . top down Figura 1. De esta manera. y consiste en tomar un elemento grande e ir quitando partes con cuidado hasta acceder a ese objeto nanométrico que estamos intentando construir. romas. De esta manera. El problema de ser escultores a escalas tan sutiles es que las herramientas que utilizamos siempre se vuelven torpes. el movimiento de los electrones está muy limitado por las dimensiones del propio material. se vuelve increíblemente necesario repasar el juego de ojos y manos nanométricas que tuvimos que desarrollar para poder trabajar cómodamente en esta escala. 6. P á g i n a 10 | 139 .MÓDULO N° 0 Figura 1. En un nanomaterial. el enfoque de ir desde lo grande a lo nanométrico se conoce como enfoque ‘top-down’ (de arriba hacia abajo). Es por ello que mucha de la fascinación que produce la nanotecnología proviene de estos peculiares fenómenos cuánticos y de superficie que la materia exhibe en nanoescala.1499 Esa misma naturaleza mixta genera Existen dos grandes opciones a la hora de abordar la construcción de elementos nanométricos.Miguel Ángel . y necesitamos desarrollar cinceles con puntas increíblemente pequeñas. Acceder a esta escala nos plantea una pregunta básica: ¿cómo llegamos hasta ahí? La aproximación que reconocemos más instintivamente tiene que ver con el enfoque del escultor.Bottom up vs. Diluciones de nanopartículas de oro de distintos tamaños (y colores) Muchas de las propiedades de los materiales dependen de cómo se comporten los electrones que se mueven en su interior y de cómo estén ordenados los átomos en la materia. P á g i n a 11 | 139 .Centro Espacial Kennedy construído usando bloques Lego En lugar de tomar una gran cantidad de materia y esculpirla hasta hacerla nano. los hidratos de carbono complejos. las proteínas. mucho antes. todo biólogo orientado a desentrañar los mecanismos más básicos de la vida se encontró con que había sido un nanotecnólogo sin título. El ADN. refinarlos y. unos 4000 millones de años antes. en un área del conocimiento que se niega a ser compartimentalizada. pero una vez que los vemos. Este enfoque cuenta hoy con múltiples productos nanotecnológicos que no entendemos como tales. por sobre todas las cosas. como suele pasar. pero mucho. y hasta lenguajes. tanto técnicas como estrategias de resolución de problemas. entender que ninguno de los dos es absoluto sino que dependen el uno del otro son algunos de los desafíos pendientes para poder manipular de manera cada vez más eficiente el mundo de lo nano. Antes de que la Ley de Moore nos empujara a imaginar electrónica diminuta e imposible. Ese enfoque alternativo se basa en acceder a la escala nanométrica desde abajo. la biología molecular nos ofrece una opción radicalmente distinta para el acceso a la nanotecnología. Figura 2. Hoy la biología molecular permite generar estructuras muy complejas usando cadenas de ADN que se entrelazan específicamente y motores de escala nano que imitan las zonas activas de las proteínas responsables de movilizar sustancias dentro de la célula. podemos intentar construirla usando bloques simples. Desde las proteínas recombinantes que se usan para mejorar la eficiencia de los jabones en polvo a virus modificados genéticamente para ser usados en la salud. a medida que la palabra ‘nanotecnología’ ganaba momento de inercia cultural. Ingenieros. no podemos ignorar. las cápsides virales. la naturaleza desarrollaba un programa piloto de nanotecnología que nosotros después definimos como ‘vida’. desde vacunas hasta tratamientos de enfermedades congénitas. Conocer los dos enfoques. construyendo a partir de piezas simples elementos más complejos. un enfoque ‘bottom-up’. y ese objetivo solo puede ser alcanzado abrazando la naturaleza interdisciplinaria de este área gris entre lo macro y lo atómico. En algún momento en los últimos 30 o 40 años. biólogos y químicos necesitan aprender los unos de los otros.MÓDULO N° 0 La pregunta que se presenta ahora es si existe otra forma de aproximarse al problema y. físicos. de la misma manera que cada organismo vivo se ensambla a sí mismo. y una enorme cantidad de estructuras que nos componen a nosotros y a todo lo vivo se basan en el segundo enfoque potencial para acceder al mundo nano: la aproximación del albañil. la respuesta es tan enorme que se nos dificulta verla sin ayuda. youtube.” https://www.youtube.Fuerzas de la escala nanométrica.com/watch?v=flAHfLfjeys P á g i n a 12 | 139 .” https://www.youtube.youtube.bottom up y top down” https://www.com/watch?v=AgFFUejhRDI  Video “Dr.Bottom up y top down” https://www.Propiedades intensivas y extensivas. Federico Golmar . Galo Soler Illia .com/watch?v=nmo7qJzzDns  Video “Dr. Galo Soler illia . Galo Soler illia .com/watch?v=mVjtTrnMuYk  Video “Dr.MÓDULO N° 0  Video “Dr. Explorar el espacio fue un paso enorme. Bajás del módulo lunar. así que en algún momento tuvimos que empezar a usar otras formas de iluminar y amplificar lo invisible. y ser curioso implicó siempre abrir la caja de Pandora y tratar de mirar más allá de donde nuestros sentidos lo permiten. sentís la gravedad de ⅙ parte de la magnitud de la terrestre. Ya podíamos observar tejidos. La longitud de onda de la luz que podemos ver (entre 400 y 700 nm.Pablo A. González Lo más difícil de ir a la Luna es pagar el gas. Construir telescopios que nos permitieran acceso a estrellas lejanas y tiempos distantes cambió nuestra forma de ver el mundo. Observar la materia a escala atómica implica alcanzar la misma amplificación que requeriría leer esa factura desde la Luna. ¿era suficiente? No. nos hizo avanzar en nuestro dominio del entorno y nuestro conocimiento de nosotros mismos. te acomodás adentro del traje y te das cuenta que la factura quedó mitad abajo del felpudo de la puerta de tu casa. Hans y Zacarías Jensen empezaron una carrera por mirar cada vez más chico hacia finales del siglo XVI con la invención de los primeros microscopios compuestos. Figura 2. la doblaban. somos curiosos. Empezábamos a entender la intimidad de cómo se forman los materiales. y manipularla es enhebrar agujas con guantes de box. a menos que reimagines radicalmente las herramientas. pero desde ahí. aproximadamente) es enorme para objetos muy pequeños.Primeros microscopios Pensar en estos términos puede resultar tan absurdo que es gracioso. Esa misma curiosidad nos empujó cada vez más. y hacían que puntos invisibles empezaran a aparecer definidos.Flor observada con microscopía electrónica y coloreada digitalmente Estos primeros microscopios dependían de la luz que conocemos. mirar para adentro. El humano llegó hasta donde llegó en parte por ser curioso. y que necesitás abrirla y mirar la fecha de vencimiento.MÓDULO N° 1 MÓDULO N°1: MICROSCOPÍA 1 Introducción a la miscroscopía . células y hasta componentes subcelulares. una enorme forma de pasar a la historia por el trabajo de padre e hijo. o sea. hasta que la luz no fue suficiente. de la mano P á g i n a 13 | 139 . para abajo. pero saber que nos parece increíble es entender el desafío real de la nanotecnología. en la Tierra. enormes. Figura 1. pero. como nunca antes: visibles. así es que iluminar usando electrones supuso alcanzar la próxima frontera. objetos de un tamaño comparable al de esa luz. nunca es suficiente. somos humanos. De la misma manera. Existen dos tipos de microscopio electrónico. unido a esta púa existe un espejo increíblemente pequeño. en un MFA. Pero todavía no estábamos al nivel de resolución necesario para entender cómo se arma lo nano. con diferentes ángulos.MÓDULO N° 1 de E. y para ver esto necesitamos Microscopios de Campo Cercano. los de Transmisión y los de Barrido. con las profundas implicancias tecnológicas que todo esto significó. inventado en 1989 por G. Esta interacción puede ser de dos formas distintas. y un láser que le apunta a ese espejo. Contar con el dominio de esta nueva forma de iluminar lo invisible supuso llegar a ver estructuras 100 veces más pequeñas que las antes observables. que soluciona este problema ya que no mide paso de corriente sino que posee una estrategia diferente. y combinar ambos nos llevó a poder entender las estructuras más pequeñas que componen los seres vivos. P á g i n a 14 | 139 . A medida que la púa se desplaza por encima de la muestra. Los microscopios de Campo Cercano se parecen más al tacto que a la vista. Ruska y M. y para eso necesitábamos ir más abajo. pero que tienen la limitación de requerir que el material observado sea eléctricamente conductor. Un verdadero leer Braille sobre muestras increíblemente pequeñas. para los Microscopios de Efecto Túnel. ver cápsides virales y entender microelectrónica. La otra forma de Microscopio de Campo Cercano es el Microscopio de Fuerza Atómica (MFA). una puede ser eléctrica. y el láser rebota en diferentes direcciones. Otra vez la interdisciplina y el trabajo conjunto necesarios para acceder al mundo nano. Binning. el ángulo del espejo se va modificando. que son un enorme avance en la historia de la microscopía y utilizan efectos cuánticos que se desarrollan en la interacción entre la punta de la sonda y el material a observar. una interacción íntima entre las nubes electrónicas de los átomos que componen la punta de una púa parecida a la de un tocadiscos que se va desplazando por encima del material a observar y las nubes electrónicas de este material. Figura 3: Diferentes tipos de microscopía de sonda de barrido Recordemos esa púa de tocadiscos. Knoll. Toda esta información es reconstruida después gracias al uso de algoritmos complejos y computadoras. a principios de los años 30. Los microscopios electrónicos son capaces de resolver dos puntos cercanos de una manera significativamente mayor a los microscopios de luz visible debido a que la longitud de onda de los electrones es órdenes de magnitud menor a la de los fotones visibles. El primer microscopio electrónico de transmisión fue construído por Max Knoll y Ernst Ruska en 1931 y se basó en trabajos previos sobre la manipulación de los entonces llamados rayos catódicos (corrientes de electrones de electrones) usando campos magnéticos en tubos de vacío. De Broglie publicaba su hipótesis de que toda partícula podía ser entendida también como onda. Esta interacción es recogida por una pantalla fluorescente. accediendo de lleno a la escala nanométrica.1. Figura 1.Microscopio Electrónico de Transmisión Un microscopio electrónico de transmisión supone acceder a observar objetos miles de veces más pequeños que los observables por microscopía óptica.a) Microscopía Electrónica de Transmisión La microscopía electrónica de transmisión es una técnica donde un rayo de electrones atraviesa una muestra ultrafina interactuando con ella.MÓDULO N° 1 2 Conceptos básicos de las diferentes técnicas de microscopía 2. Empezar a percibir los electrones como onda permitía pensar en utilizar las longitudes de onda P á g i n a 15 | 139 . Al mismo tiempo que se desarrollaban técnicas de manipulación de corrientes de electrones. una capa de material fotosensible o un sensor que convierte la imagen en tiempo real a una forma que puede ser observada a través de un monitor. a veces utilizando la información obtenida de la interacción de los datos provenientes de más de un detector para cada punto de la muestra. cobre o platino. En el caso de la microscopía electrónica de barrido. molibdeno. aunque el grosor va a depender del tipo de microscopía de transmisión y del voltaje al que se trabaje. Un microscopio óptico de transmisión funciona gracias a una fuente de emisión. P á g i n a 16 | 139 . grafito u otro material eléctricamente conductor. Los MEB pueden alcanzar amplificaciones de hasta 500.b) Microscopía Electrónica de Barrido Así como el microscopio electrónico de transmisión permite mirar a través de muestras con un detalle nunca antes logrado. tungsteno. Las muestras para microscopía de barrido suelen estarcompletamente deshidratadas. ya que las mismas van a observarse en cámaras de alto vacío. Para lograr que los electrones se desplacen en el espacio sin desviarse al chocar contra moléculas de gas. iridio. Los electrones. ahora enfocados y desplazándose sin problemas por el vacío. Una vez lograda esta emisión de electrones. el microscopio electrónico de barrido nos permite observar con precisión parecida la estructura tridimensional que dibuja la superficie del material a observar. los electrones llegan a la muestra desde un emisor parecido al de microscopía de transmisión.000 veces y las imágenes obtenidas suelen colorearse. pero en lugar de atravesar la muestra. alcanzando cerca de 100 nm de espesor. platino. que puede ser un filamento de tungsteno o hexaborato de lantano que son estimulados usando fuentes de alto voltaje (100 . interaccionan con el material a observar que ha sido tratado con un recubrimiento de oro. lo que logra agregar todavía más información en una sola imagen. la microscopía electrónica de transmisión necesita de un sistema de vacío que llega a vacíos de entre 10^-4 y 10^-7 Pa. llegan hasta la muestra que se encuentra dispuesta en grillas de oro. para esto suelen ser fijadas de manera previa en soluciones de glutaraldehído o formaldehído y tratadas luego con tetróxido de osmio.300 kV) para que liberen electrones dentro de un espacio cerrado con alto vacío. Las resoluciones alcanzables por microscopía electrónica de transmisión han ido progresando con el tiempo hasta alcanzar hoy resoluciones que pueden llegar cerca de los 50 pm. 2. Esto es es necesario no solo para lograr que los electrones viajen sin desviarse por colisionar con moléculas de gas sino también para permitir que se genere una diferencia de voltaje entre el cátodo y la tierra sin generar arco.MÓDULO N° 1 significativamente más pequeñas como herramienta para superar las resoluciones alcanzadas por los microscopios ópticos. de unos 3 mm de diámetro y 100 um de ancho sobre las que se disponen cortes de material realizados en ultramicrotomía. se utilizan lentes magnéticas para modificar el haz de electrones y enfocarlo sobre la muestra.1. Esta interacción tan precisa y delicada es posible gracias al uso de elementos P á g i n a 17 | 139 . Comparación entre microscopía óptica.com/watch?v=1pN-uOqyqL8 2. Video microscopía de barrido https://www.youtube. electrónica de transmisión y electrónica de barrido. Uno de los desarrollos más novedosos en microscopía fue el de la microscopía de sonda de barrido (o SPM por Scanning Probe Microscopy) que se basa en la generación de una imagen por la interacción directa de una sonda física con la superficie de un material. la lógica misma de bombardear una muestra con ondas y tratar de recoger la información que se desprende de la interacción de las mismas con nuestro objeto a observar tiene un límite.MÓDULO N° 1 La interacción del haz de electrones con la superficie genera la emisión de electrones secundarios que son detectados ya no del lado opuesto al emisor sino en varias posiciones alrededor de la muestra. Figura 2.c) Microscopía de Fuerza Atómica Cuando queremos adentrarnos todavía más en la estructura de la materia.1. Puede observarse cómo los detectores se encuentran dispuestos del lado del emisor para recoger los electrones secundarios que nacen de la interacción del haz original con la muestra. La observación por microscopía electrónica de barrido permite hacer un mapa de la topografía del material a observar y genera imágenes que. Figura 3. y se hace necesario el desarrollo de estrategias completamente diferentes. Microscopio óptico de barrido. si bien no permiten un detalle sobre las estructuras internas. logra una gran definición de la superficie de la muestra y complementa la observación por microscopía de transmisión. Punta de una sonda de AFM Todas las técnicas de microscopía de sonda de barrido tienen en común el hecho de requerir que las puntas de las sondas sean extremadamente finas. Figura 4. siendo atraído o rechazado por la superficie del mismo y logrando así un relevamiento topográfico de la superficie sobre la que se desplaza. llegando inclusive al nivel de estar constituidas por un solo átomo. Figura 5. Diagrama del diseño básico de un microscopio de fuerza atómica P á g i n a 18 | 139 . También puede usarse una lógica inversa y medir qué fuerzas son requeridas para mantener la luz del láser en una posición fija. de manera que las desviaciones que la muestra genera al interactuar con la sonda se convierten en desviaciones de diferentes ángulos sobre el haz de luz incidente.MÓDULO N° 1 piezoeléctricos que se desplazan con precisión a nivel atómico gracias al uso de estimulación electrónica. es así que lo que se interpreta para reconstruir la imagen son las fuerzas eléctricas que deben ser generadas sobre la sonda para mantenerla a una distancia constante de la muestra. Este átomo es desplazado sobre la superficie del material a observar. Estas desviaciones son recogidas por un fotodiodo e interpretadas computacionalmente para reconstruir una imagen de la superficie del material estudiado. Para detectar los movimientos de la punta de la sonda se dirige un láser sobre ella. Yf (May 2006). microscopy.PMID 16628204.doi:10.MÓDULO N° 1 Sea cual sea la estrategia utilizada para reconstruir una imagen.1002/sca. Dufrêne.org. Perspectives – Life through a Lens". 15 Hinterdorfer. translation by T Mulvey. P. McMullan. Por otro lado. P á g i n a 19 | 139 . "Introduction to Electron Microscopy". "A Brief History of the Microscopy Society of America". p. ISBN 3-7776-0364-3. Figura 1: Punta o sonda de un microscopio de fuerza atómica (AFM) En la imagen podemos ver la punta o sonda de un microscopio de fuerza atómica (AFM). The Early Development of Electron Lenses and Electron Microscopy. la estrategia básica de la microscopía de fuerza atómica tiene un elemento constante en común que es que la imagen se reconstruye por una interacción directa con la muestra y no por un bombardeo con ondas de diferente longitud. pero esta limitación ya está siendo atacada por técnicas que utilizan múltiples sondas para recoger más información en simultáneo. la microscopía de fuerza atómica también posee desventajas.2 Microscopía de campo cercano Las técnicas de microscopía de campos cercano SPM (del inglés Scanning Probe Microscopy) consisten en aproximar un objeto muy agudo.Desplazando la punta sobre la superficie (en inglés scanning) se obtiene un mapa de esta interacción y por lo tanto una imagen de la muestra en estudio. 2. La microscopía de fuerza atómica posee ventajas distintivas sobre otras microscopías. "The Nobel Prize in Physics 1986. (2006). 2. Libertades como estas permiten observar cosas imposibles por microscopía electrónica. "Scanning electron microscopy 1928–1965". nobelprize. doi:10. FEI Company. punta o sonda (traducción de probe del inglés) a una superficie que se quiera visualizar y/o medir la interacción entre la punta y la superficie. el microscopio de efecto túnel STM (Scanning Tunnelling Microscope) mide la corriente eléctrica que aparece entre punta y muestra cuando aplicamos una diferencia de potencial entre ambas. la misma interactúa con la superficie que se desea evaluar o medir.d)Referencias Ernst Ruska.Nature Methods 3 (5): 347– 55. ISSN 1548-7091. D. como ser la baja cobertura de área que logra cubrir (aproximadamente 150 x 150 micrometros). siendo una de las principales el hecho de que no requiere ningún tipo de pretratamiento de la muestra ni ambientes de alto vacío.4950170309.1.org.1038/nmeth871. En función de la interacción que se utilice tenemos los diversos microscopios que abarcan esta técnica. Así. "Detection and localization of single molecular recognition events using atomic force microscopy". como ser macromoléculas biológicas en solución y hasta organismos vivos. Scanning 17 (3): 175. El microscopio de fuerzas magnéticas MFM (Microscopio de Fuerza Magnética) es una variante del AFM donde se mide la interacción magnética. El microscopio óptico de campo cercano SNOM (Microscopio Óptico de Campo Cercano) mide la luz evanescente reflejada o trasmitida por la muestra. Figura 2: A la izquierda vemos el microscopio de efecto túnel desarrollado en INTI junto con la empresa Magiclick. por otro lado. a la derecha la imagen obtenida de átomos de carbono por la técnica STM. esta técnica proporciona alta resolución. llegando incluso a hacer visibles los átomos de las superficies que observamos.MÓDULO N° 1 El microscopio de fuerzas AFM (Microscopía de Fuerza Atómica) mide las fuerzas de la interacción que haya entre punta y muestra cuando se encuentran próximas. A la derecha las primeras imágenes de átomos observadas en Latinoamérica con el STM del INTI. presentado internacionalmente en 1987 como “Battery Operated STM”. Se observan 8 átomos de carbono (en grafito) en la parte inferior. Todos estos estos parámetros de interacción decaen rápidamente con la distancia. por esta razón la distancia entre punta y muestra en estos microscopios sea del orden o inferior al nanómetro (1 nanómetro es la millonésima parte de 1 metros) y es lo que hace que estas técnicas sean tan delicadas y sensibles a pequeñas vibraciones y ruidos. En las imágenes vemos a la izquierda un equipo desarrollado en el año 1987 por el INTI y la empresa Magiclick. Desde la invención del microscopio de efecto túnel (STM) en 1982 por Binning y Rohrer (investigadores que comparten el premio Nóbel de Física de 1986 por dicha invención) esta técnica y en general las técnicas que conforman la microscopía de campo P á g i n a 20 | 139 . Los neutrones aportados por el reactor nuclear salen por un tubo colimador. Esta dependencia exponencial hace que la técnica STM tenga una alta sensibilidad. Para que ocurra una corriente túnel tanto la muestra como la punta han de ser conductores o semiconductores. dos de las técnicas utilizadas para analizar las características de una estructura son la de tiempo de vuelo y la del monocromador de cristal. Es cuestión de controlar adecuadamente el voltaje de operación de un tubo de rayos X para obtener la longitud de onda deseada. AFM.mincyt. la punta se va acercando a unos 10 Å de la muestra. poliméricas. La imagen obtenida corresponde a la densidad electrónica de los estados de la superficie. la comunidad de investigación dedicada a esta técnica.youtube. Los neutrones son generados por un reactor nuclear. SNOM.MÓDULO N° 1 cercano (SPM: STM. ha superado con creces en menos de 20 años a las comunidades de otras técnicas microscópicas. superconductores.gob. Esta técnica se puede utilizar en modo de altura o corriente constante. clúster magnéticos. o viceversa según el signo del voltaje aplicado. además el MinCyT y CICyT han desarrollado una plataforma virtual de búsqueda y reserva de turnos de microscopios.3 Dispersión de rayos X de bajos ángulos Similar a la radiación de radiación X. Esta técnica es complementaria a la microscopía electrónica y puede ser aplicada a gran variedad de materiales. La corriente túnel es una función que varía de modo exponencial con la distancia. También se debe destacar que las técnicas de campo cercano han logrado imponerse debido a su menor costo y simplicidad de uso y mantenimiento. Otras de las ventajas de esta técnica es la posibilidad de de ensayar muestras industriales en tiempo real. a través de la dispersión de neutrones de bajo ángulo se evalúan moléculas biológicas.ar/ Microscopía de efecto túnel y fuerza atómica Microscopia de Efecto Túnel (STM): esta técnica utiliza una punta muy aguda y conductora. superficies e interfaces. De esta P á g i n a 21 | 139 . o que emplea esta técnica como herramienta base. Así. pudiéndose obtener imágenes con resoluciones cercanas al Ansgtrom (1x10e-10 m). “túnel”. Para este último caso. En nuestro país se dispone de un número considerable de estos microscopios. Química y Biología. cuyo link es: http://www. que cuentan con muchos más años de desarrollo. Estas técnicas requieren la determinación de la longitud de onda de los neutrones que van a incidir sobre la muestra que se va a analizar. - VIDEO: https://www. luego se aplica una diferencia de potencial entre la punta y la muestra que se está relevando. MFM) han obtenido una relevancia creciente en las diversas áreas de investigación de Física. Dispersión de neutrones de bajos ángulos Esta es una técnica muy interesante para el estudio de estructuras de 1 a 10 nm. estructuras de metales y cerámicos.com/watch?v=_8YlFxk2qp4 2. se puede lograr un haz de una sola longitud de onda por medio de técnicas relativamente sencillas.microscopia. los electrones de la muestra fluyen hacia la punta. se puede encontrar el patrón de difracción que produce la estructura de la muestra. colocando un conjunto de detectores en distintos ángulos. Asimismo. Figura 1: Esquema de un generador de neutrones En el esquema de la Figura 1 podemos ver un generador de neutrones a la izquierda.html P á g i n a 22 | 139 . En nuestro país la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) posee grupos de investigación en esta área del conocimiento y reactores que generan neutrones en los centros de Ezeiza CAE y Bariloche CAB. ya sea repitiendo el experimento con un solo detector o haciendo las mediciones simultáneamente.cnea.MÓDULO N° 1 manera se obtiene un haz de partículas que se mueven todas prácticamente en la misma dirección. la energía del haz incidente es conocida para un ángulo de incidencia fijo. se puede determinar el cambio de energía que indujo la muestra sobre los neutrones. las partículas interaccionan con los núcleos. de esta forma su energía cambia. Los neutrones se difractan. este haz incide sobre la muestra este haz se dispersa al variar su energía impactando sobre los detectores. En este haz colimado se mueven partículas con mucha energía. no geométricas. de la estructura.cab. a través de diseño de un filtro o monocromador se obtiene un haz de neutrones con la misma energía. y como se conoce la energía de los neutrones incidentes sobre la muestra. http://www2. cambian su dirección. con esta información se pueden determinar otras propiedades dinámicas. Con los datos de las intensidades de los neutrones dispersados en distintos ángulos y con diferentes cambios de energía. es posible determinar las características geométricas o estáticas de la estructura. después de pasar a través del segundo filtro se obtiene un haz de neutrones de igual energía. En consecuencia. Midiendo los diferentes tiempos que tardan los neutrones en llegar al detector.ar/~nyr/linea1. las partículas se dirigen por un tubo colimador al primer filtro donde se produce una separación según el nivel de energía. Los neutrones incide sobre la muestra. Esta técnica mide el tiempo de vuelo de los neutrones luego de incidir sobre la muestra. Es posible seguir este mismo procedimiento para diferentes ángulos de dispersión. si se colocan detectores a distintos ángulos se puede determinar a varios valores de ángulo. dependiendo de la estructura de la muestra. Esto se hace para un ángulo de dispersión fijo. midiendo el tiempo que tardan los neutrones en llegar a los detectores se puede calcular su energía. esto se aprecia a través de detectores colocados a una cierta distancia de la muestra.gov. se puede saber cuántos neutrones de cada energía llegan al detector. la resina protege algunas áreas de la máscara y otras quedan expuestas. Por ejemplo. La nanolitografía es la rama de la nanotecnología que estudia la aplicación o fabricación de materiales de escala nanométrica con por lo menos una dimensión de tamaños que van desde un átomo individual a los 100 nm y constituye el principal método de fabricación para circuitos integrados y sistemas nanoelectromecánicos (NEMS). Las máscaras ópticas se fabrican en vidrio al que se le aplica una capa de Cr. un proceso que supone la impresión de patrones en películas finas sobre un sustrato. luego esta es revelada y finalmente se realiza un ataque ácido. luego se coloca una capa de resina fotosensible. “Quantum optical litography” que anunció una resolución de 2 nanometros de línea. Manipulación de átomos aislados.ar/noticia. De esta manera. Esta tecnología utiliza máscaras ópticas para definir patrones. la máscara se interpone entre el generador de luz y el sustrato. Este proceso es sumamente preciso pero tiene como desventaja requerir que los procesos sean llevados a cabo en salas limpias. es capaz de producir patrones nanométricos con el uso de longitudes de onda muy cortas. En ese punto. puede ser sustituida por una técnica de la litografía de próxima generación. Esta técnica requerirá el uso en inmersión en líquido y una serie de tecnologías de mejora de resolución. con un laser se dibujan los patrones sobre la resina. La nanolitografía óptica usa luz para transferir un patrón geométrico usando una máscara e iluminando un sustrato fotosensible. de esta forma.MÓDULO N° 1 También se está desarrollando un proyecto binacional con Brasil de un reactor multipropósito RA-10. quedando definida la máscara óptica. de esta forma la solución de ataque come el cromo donde no es protegido por la resina. La litografía óptica ha sido la técnica patrón predominante en la fabricación de semiconductores.cnea. El proceso básico de la fotonanolitografía incluye varios pasos secuenciales ( Figura 1): P á g i n a 23 | 139 . La fotolitografía comparte ciertos aspectos fundamentales de la fotografía. combinando una serie de tratamientos químicos se logra imprimir un patrón de dimensiones de nanoescala. donde un patrón es creado exponiendo a la luz una superficie fotosensible. Nanolitografía. se verifica el espesor e integridad de esta capa.gov. http://www. La mayoría de los expertos cree que las técnicas de litografía óptica tradicional no será rentable por debajo de 22 nanometros. parte del sustrato es afectado por el paso de la luz a través de la máscara y otras partes del sustrato son protegidas.php?id_noticia=569 3 Introducción a la litografía. Dentro de las diferentes formas de nanolitografía se destaca la fotonanolitografía. Este proceso básico de nanolitografía posee múltiples técnicas derivadas que poseen características particulares. Nanolitografía de fuerza atómica: Utiliza un microscopio de fuerza atómica ya no como un elemento de observación sino como generador del patrón a imprimir gracias a la posibilidad de oxidar localmente un área determinada. 7. entre las cuelas vale la pena mencionar: Litografía de rayos X: Esta técnica puede extender la resolución óptica a 15 nanometros mediante el uso de las longitudes de onda corta de 1 nanometro para la iluminación.youtube.5 a 2. Doble patrón: Se utiliza imprimiendo por segunda vez sobre patrones ya trabajados y es utilizada masivamente en la producción de los microprocesadores de 32 nm.5 micrómetros de grosor y una uniformidad de entre 5 y 10 nm. generando que las zonas no protegidas por la máscara reaccionen con la misma (existen sustancias que son exactamente al revés y la zona iluminada es la que se fija. 4. 5. 8.MÓDULO N° 1 1. Revelado: Se utiliza una solución reveladora para limpiar el material que gracias a la incidencia de la luz ahora es soluble y puede ser removida con precisión. Mascara: Se aplica la máscara que va a proteger y generar el patrón a imprimir. La extensión del método se basa en “Near Field rayos X” (Rayos X de campo cercano) de difracción de Fresnel. 2.com/watch?v=1bxf9QRVesQ P á g i n a 24 | 139 . Limpieza: Se limpia la capa de material fotosensible. Preparación: El sustrato se calienta a una temperatura tal que elimine cualquier rastro de humedad y se lo expone a un promotor de la adhesión (suele usarse bis (trimetilsilil)l amina (CH3)3Si]2NH). dejando el patrón impreso en el sustrato. El método es simple ya que no requiere lentes. 6. pero el principio es exactamente el mismo). Etching: El material fotosensible puede ahora actuar como protección para trabajar sobre el sustrato de haciendo que un líquido (wet etching) o un plasma (dry etching) remuevan la primer capa del sustrato (normalmente un óxido) con extrema precisión. Limpieza: donde cualquier contaminación orgánica o inorgánica que pudiera encontrarse sobre el sustrato se remueve usando soluciones con peróxido de hidrógeno. 3. Aplicación de material fotosensible: Se aplica en láminas de 0. Luz: Se expone el material fotosensible a la luz. La técnica se desarrolló para el procesamiento de pequeñas series. - VIDEO: https://www. Rev. Martinez.youtube. R.com/watch?v=3clXrkJNRt8 Dr. 35 (1): 29– 38. RV. doi: 10. Luego se desprende el sustrato del polímero y queda sobre este la geometría replicada. su costo es menor y podría ser más efectiva en casos de pequeñas series o para el uso en laboratorios de investigación. La técnica más común es la litografía de haz de electrones de escritura directa. en hormo. Se utiliza una matriz digital de microespejo para manipular directamente la luz reflejada sin la necesidad de una máscara. litografía de réplicas o copias Litografía por nanoimpresión (Nanoimprint Lithography) son técnicas para realizar replicas y copias de estructuras nanométricas.com/watch?v=q9YUon8V2Io P á g i n a 25 | 139 . Se parte de una muestra que se desea copiar.MÓDULO N° 1 Técnicas de escritura directa o técnicas sin máscara Figura 2: Nanolitografía del número pi escrito con 20 decimales en código binario gracias a la nanolitografía de fuerza atómica. donde el rendimiento de la herramienta no es una preocupación. Soc.youtube. reciben el nombre de “maskless”.youtube.1039/b501599p. la misma puede ser biológica o no. J (2005). Litografía de partícula neutra utiliza un haz de partículas neutras energéticas para la transferencia de patrón sobre una superficie. pero mejora con cada nueva generación de la tecnología.com/watch?v=bvgITKqYpuY Nano imprinting. luego se produce el curado de la resina. tales como iones o litografías de electrones de proyección. Litografía de haz de electrones.youtube. Nanoimprinting - VIDEO: https://www. se fija la estructura a replicar al sustrato. La litografía por haz de iones utiliza un haz enfocado para la transferencia de un patrón a una superficie. "Nano-chemistry and scanning probe nanolithographies". . se aplica una resina sobre el sustrato. Estas formas de fabricación utilizadas en nanotecnología no necesitan máscaras ópticas para definir los patrones sobre los sustratos. también se utilizan para generar patrones de muy alta resolución. Su rendimiento es bajo. un haz de electrones usado como un “lápiz” produce el patrón. PMID16365640.VIDEO: https://www. Litografía por partículas cargadas. y el “papel” más utilizado es el polímero PMMA.com/watch?v=dh3Kw680uXc VIDEO: https://www. Chem. Garcia. Martinez. Federico Golmar – Nanolitografia - VIDEO: https://www. uno de los polímeros mas usados es el PMMA. TABLA 1 APLICACIÓN TIPO DE NANOPARTÍCULAS POTENCIA/ENERGÍA Células solares sensibilizadas por colorante Almacenamiento de Hidrógeno TiO 2 es el más empleado. o. Sonoquímica y Fotoquímica. CNTs y NPs en CNTs para pilas de combustible Catalizadores ambientales TiO 2. debido a una extensa variedad de potenciales aplicaciones. en las a partir de átomos individuales en solución se van formando ensambles cuyos tamaños son controlables con precisión. de acuerdo a los métodos utilizados: mediante métodos químicos. mediante métodos físicos tales como: Termólisis. que implican la reducción o precipitación de metales en presencia de agentes estabilizantes. ZnO y Au Nanopartículas híbridas metálicas Mejora de los materiales para ánodo y cátodo Nanoarcillas. zirconio) y metales (Pt. electrónicos y ópticos. En la Tabla 1 se muestran algunas de las aplicaciones más significativas de las nanopartículas. Pd y Ru) SALUD/MEDICINA Promotores de crecimiento óseo Hidroxiapatita (HAp) cerámica Los protectores solares ZnO y TiO 2 Apósitos para heridas antibacterianos Ag Fungicidas Nanopartículas Cu 2O Biolabeling y detección Nanopartículas de plata y coloides de oro Agentes de contraste de MRI Óxidos de hierro ultrapequeños: Fe 3O 4y Fe 2O 3 P á g i n a 26 | 139 . Entre los campos más prometedores están los campos biomédicos. Aplicaciones actualues. y las llamadas “técnicas ascendentes” (bottom-up). En la actualidad el estudio de las nanopartículas es un área de intensa investigación científica. La síntesis de nanopartículas se lleva a cabo a partir de dos técnicas totalmente opuestas: las llamadas “técnicas descendentes” (top-down). cerio Catalizadores para automoción NPs cerámicas óxidos metálicos (cerio. el conjunto de técnicas a utilizar puede dividirse en dos. Rh. en las que se va reduciendo el tamaño de las partículas hasta alcanzar una escala nanométrica. Por otro lado.MÓDULO N° 2 MÓDULO N°2: NANOMATERIALES 1 Nanopartículas. MÓDULO N° 2 INGENIERÍA Herramientas de cortar trozos ZrO 2 y Al 2O3, cerámicos no-óxidos (WC, TaC, TlC) y Co sensores químicos Diversas nanopartículas válidas, depende de la aplicación Resistentes al desgaste / recubrimientosresistentes a la abrasión Nanopartículas de alumina y Y-Zr 2O 3 Nanoarcilla polímero reforzado con composites Organoarcillas (sepiolita, laponita y smectita). Silicagels y POSS Pigmentos Pb, Zn, Mg y Ag. Otras NPs metálicas incluyendo ViO, AlO, CdO y otras Tintas: conductores, magnéticos, etc (utilizando polvos de metal) Buenos conductores como la plata. Mejora estructural y física de polímeros y materiales compuestos Nanoarcillas, nanooxidos y nanohidroxidos de metals. Montmorillonita modificada orgánicamente, TiO 2, Y 2O 3 o SiO 2. UTENSILIOS DE CONSUMO Barrera de embalaje utilizando silicatos Nanoarcillas, en particular bentonita y kaolinita Vidrio autolimpiable TiO 2 MEDIO AMBIENTE Tratamientos de agua (foto-catálisis) Cerámicas óxidos metálicos, TiO 2 ELECTRÓNICA Nanoescala partículas magnéticas para la alta Fe solo o en combinación con otros metales densidad de almacenamiento de datos (o no metales), CoPt o FePt Circuitos electrónicos Plata, cobre y nanopartículas de Al Ferro-líquido (utilizando materiales magnéticos) Fe (posiblemente recubiertas con una capa de carbono), Co, FeCo y Fe 3O 4 Opto electrónica, dispositivos tales como interruptores. Gd 2O 3 o Y 2O 3 dopados con Eu, Tb, Er, Ce Química mecánica planarización – CMP Alumina, silica y cerio P á g i n a 27 | 139 MÓDULO N° 2 2 Geometría del Carbono. Hibridización de Orbitales. Hace siglos que el hombre se define por los materiales que usa. Edades enteras se definieron en función de los materiales dominantes, y así existió la Edad de Piedra, la de Cobre, Bronce, Hierro, con materiales que se alternaban cada vez más rápido, hasta llegar al Acero, el Aluminio, el Plástico y los diferentes polímeros que utilizamos hoy. Los materiales que usamos se superan todos los días, y empezamos a pedirles cada vez más, hasta solo sorprendernos cuando aparece uno realmente disruptivo, y la historia de esta sorpresa empieza con un solo elemento: carbono. El Carbono representa apenas cerca del 1% de la materia conocida en el Universo, y cerca del 0.3% de la corteza terrestre, pero aún así, algo más del 18% de la masa de un organismo vivo, al punto que exista la Química Orgánica, dedicada exclusivamente a aprender las formas en las que se pueden tejer estructuras carbonadas. Pero ¿por qué será tan importante el Carbono? Los gases nobles son llamados así por su reticencia a combinarse con otros elementos, el carbono es exactamente así, pero al revés. El carbono posee 4 electrones en su última órbita (y 2 en una más cercana al núcleo), y eso le permite establecer 4 uniones covalentes con otros átomos, convirtiéndolo en el núcleo de una increíble cantidad de geometrías diferentes que pueden generar desde gases como el metano hasta el corazón de una estructura tan compleja como la de la molécula de ADN en la que guardamos nuestra información genética. Esta plasticidad tiene que ver con la posibilidad que tiene el carbono de generar varios tipos distintos de de orbitales moleculares híbridos, o sea, que pueden adquirir diferentes formas en el espacio. Formas lineales, formas triangulares planas y formas tetrahédricas, y esto se debe a que los 4 electrones de la última capa pueden estar contenidos en orbitales moleculares que tienen diferentes formas, por un lado, un orbital esférico que se denomina ‘s’, y por otro, tres orbitales p que se ordenan como los ejes x, y y z que conocemos para definir las 3 dimensiones del espacio. Lo importante es que estos diferentes orbitales pueden combinarse y formar otros que nacen de la combinación de varios de los anteriores, y eso nos permite conectar átomos de carbonos como jugando con pelotitas de telgopor y palitos para generar estructuras que, si bien están hechas de exactamente los mismo átomos, son ligeramente distintas, y cuando hablamos de ‘ligeras diferencias’, hablamos de la sutil distancia que hay entre el grafito de un lápiz (una unión de átomos de carbono de hibridación sp2, trigonal plana) con un diamante (los mismos átomos de carbono pero en unidos de forma tetrahédica con hibridación sp3. La red tridimensional tetraédrica perfectamente regular que forma el diamante le da su dureza y le permite a la luz atravesarlo con facilidad, pero hay un material aún más sorprendente y es el grafeno. Tan sorprendente que podría definir nuestra era como la Edad del Grafeno. P á g i n a 28 | 139 MÓDULO N° 2 Cuando los átomos de carbono se encuentran con hibridación sp2 (la que tiene a cada átomo adyacente en la punta de un triángulo) podemos conectar 6 átomos en un hexágono perfectamente regular. Si juntamos muchos, se forma una especie de panal de abejas, pero eso incluye solamente 3 enlaces químicos covalentes (o sea 6 electrones), así que existe un par de electrones que queda libre, compartido entre todos los enlaces del hexágono. Si a este hexágono le ponemos otro al lado, y otro, ahora vamos a tener muchos pares de electrones compartidos, flotando deslocalizadamente entre todos los enlaces. Ese compartir electrones le va a dar a este compuesto una dureza extrema, algo así como 200 veces la del acero, pero al mismo tiempo le va a permitir que transmita la electricidad de una manera increíblemente eficiente, gracias a la facilidad con la que fluyen los electrones entre todos esos enlaces compartidos. Figura 1. Adaptado de Books / Cole 2006 Al mismo tiempo, esta lámina que generamos, este panal de abejas o alambre de gallinero, puede enrollarse sobre sí mismo, creando los nanotubos de carbono, o pueden formar esferas parecidas a pelotas de fútbol que se llaman fullerenos. Sea cual se su forma, lo más interesante de estos compuestos es pensar que sus propiedades especiales no vienen de los átomos que las constituyen, sino de las geometrías que ellos dibujan en el espacio, volviendo una y otra vez sobre esa idea de que en la era de la nanotecnología, el tamaño y la forma de las moléculas es lo que determina sus propiedades. Figura 2. Nanotubos de carbono P á g i n a 29 | 139 También se puede considerar como un hidrocarburo aromático policíclico infinitamente grande. Boehm. El grafeno puede enrollarse y dar un nanotubo de carbono. produce propiedades especiales. Esta observación debe ser recordada cuando se estudian nanoparticulas de grafeno. una capa de grafeno puede ser conectada con simples alambres de cobre ya que posee dos dimensiones macroscópicas. En esencia son las capas que constituyen el material natural grafito. las hojas de grafeno forman una con un espaciado interplanar de 0. Esta característica permite que existan en el grafeno unas cuasiparticulas predichas teóricamente por Dirac. Novoselov por sus importantes experimentos con grafeno. dependa de la dirección en que se mide.000 capas tendrían el espesor de un cabello humano. Aunque inicialmente se llamó grafeno a una sola capa. Del punto de vista práctico. Si se puede aislar en vacío una capa de grafeno que tenga dimensiones macroscópicas (e.142 nanómetros.MÓDULO N° 2 3 Fullerenos y nanotubos de carbono. El renovado interés en el grafeno viene de sus especiales propiedades electrónicas. Figura 1. 300. En 2010 se otorgó el premio Nobel de Fisica a A. La longitud del enlace carbono-carbono en el grafeno es de unos 0.1 Grafeno El grafeno es una forma alotrópica de carbono. Novoselov. 1 x 1 cm). ya que los bordes de la lámina son altamente reactivos porque los electrones de enlace no pueden estar libres y existirán enlaces C-H o C-O.35 nm (distancia 1/1000000 menor). cuya estructura son hojas planas de átomos de carbono con configuración sp2 que están densamente empaquetados en una red cristalina de nido de abeja. esto es que una propiedad. 3. Esto es.335 nm. Semejante nivel anisotropía. 183 (2007) © Nature Publishing Group. un fullerene y apilarse para obtener grafito. los electrones podrán moverse en dos dimensiones (en el plano de la capa) a distancias de centímetros pero no se moverán en la dirección perpendicular al plano más que 0. las capas de grafeno cumplen con las reglas de Huckel. Geim y K. de dos capas (DLG) y de pocas capas (FLG) para menos de 10 capas. llamadas fermiones de P á g i n a 30 | 139 . Referencia: A. Nature Materials 6. que describió láminas de carbono de una sola capa en 1962. posteriormente se distingue entre grafeno de una capa (SLG). El termino grafeno fue acuñado como una combinación de grafito y el sufijo-eno por H-P. En el grafito. Esto implica que ca. Geim and K. mientras muchos objetos de la nanotecnología (incluyendo los nanotubos de carbono) poseen propiedades electrónicas de gran interés pero no pueden ser conectados fácilmente. Sin embargo solo con grafeno pueden fabricarse barreras continuas de al menos micrones. El grafeno. La fina capa de moléculas absorbe las moléculas gaseosas e introduce un cambio local en la resistencia eléctrica del grafeno. Por otra parte. nitrógeno). La oxidación o reducción genera materiales aislantes ya que se interrumpe la conjugación extendida por formación de carbonos sp3. Esto puede ser una ventaja ya que se pueden dibujar circuitos en zonas conductoras (grafeno) aislados de otros pasos conductores por zonas aislantes (ej. Todo su volumen se expone al entorno. Sacaron capas de grafeno del grafito y lo transfieren sobre SiO2 depositado sobre una oblea de silicio. Sin embargo. FLG) poseen propiedades mecánicas y como materiales que los hacen únicos. El termino grafeno término apareció por primera vez en 1987 para describir a una sola hoja de grafito como uno de los componentes de los compuestos de intercalación de grafito (GIC). El grafeno puede ser dopado reemplazando algunos átomos por otros elementos (ej. Esta propiedad no es particular del grafeno. ya que la poseen los nanotubos y los fulerenos. grafano). oxidado a oxido de grafeno (grafeno con grupos funcionales oxigenados) o reducido a grafano (grafeno con átomos de hidrogeno unidos a los carbonos). El avance clave en la ciencia de grafeno se produjo cuando Andre Geim y Kostya Novoselov (U. Por ello. al igual que los nanotubos de carbono. Existen diferencias entre los tipos de grafeno ya que el de una capa (SLG) mostrara el máximo de propiedades bidimensionales mientras el de pocas capas (FLG) mostrara confinamiento cuántico tanto en el plano como en la dirección perpendicular. UK) lograron extraer láminas de grafeno de un solo átomo de espesor desde HOPG (Highly Ordered Pyrolytic Graphite) usando cinta adhesiva (2004). el grafeno tiene ningún enlace fuera de su pared y solo puede interactuar por las nubes pi de los anillos. La fabricación de grafeno por Geim y Novoselov probó que esto era erróneo. La sensibilidad de los sensores de grafeno puede ser dramáticamente mejorada por adsorción de moléculas o polímeros. La utilidad del grafeno para fabricar barrera de gases o vapor depende del hecho que las moléculas no pueden atravesar las nubes electrónicas de los anillos aromáticos. Durante mucho tiempo se supuso que materiales conductores bidimensionales no eran estables. El de dos capas (DLG) muestra propiedades más similares a una capa pero con una propiedad especial debida a la conexión electrónica entre las dos capas.MÓDULO N° 2 Dirac (fermiones por Enrico Fermi y de Dirac por Paul Dirac). En este material se observó el efecto Hall cuántico anómalo que se esperaba. en teoría. P á g i n a 31 | 139 . es un material sensor excelente debido a su estructura 2D. las moléculas gaseosas no pueden ser fácilmente adsorbidas en la superficie de grafeno. se ha observado que SLG y sus parientes (oxido de grafeno. El SiO2 es un buen aislador eléctrico que interactúa débilmente con el grafeno. esto lo hace muy eficiente para detectar moléculas adsorbidas. DLG. proporcionando capas de grafeno sin carga. el hecho que en el plano sean relativamente grandes impide que ingresen a las células fácilmente disminuyendo drásticamente su toxicidad. La gran resistencia mecánica (200 veces mayor que el acero) deriva del hecho que para fracturar una pieza de grafeno hay que romper enlaces C-C mientras que el acero deforma sin romper enlaces. Manchester. Además de sus propiedades electrónicas. Ambos son objetos nanotecnológicos ya que tienen una dimensión (el espesor de la capa) de menos de 1 nm. Sumado a su transparencia. mayor que el de grafito (0. transistores de efecto de campo y sensores. plásticos y cucarachas. el grupo de James Tour en la Universidad de Rice (Texas. Por último. Estos altos valores que el grafeno es una capa muy fuerte y rígida en la dirección perpendicular al plano. un grupo en Corea a fabricado parlantes piezoeléctricos transparentes haciendo un sándwich de dos capas de grafeno con una capa intermedia de PVDF (un polímero piezoelectrico). podría extraerse energía de un flujo de agua en pequeña escala. Ya que la cantidad de electrones es grafeno es pequeña comparada con el área. El método original. el flujo de especies en frente del grafeno puede arrastrar los electrones. Estos métodos producen SLG pero el material tendrá defectos ya que es muy difícil reconstituir la red bidimensional perfecta o evitar la presencia de grupos funcionales en los bordes de las placas. con una resistencia a la tracción de 130 GPa. al adherir el grafeno a células es posible medir cambios dimensionales en estas debidos a moléculas en el medio externo. no es práctico para producción en cantidad ya que solo se pueden fabricar algunos centímetros cuadrados por operación. el grafeno puede ser usado como electrodo transparente de P á g i n a 32 | 139 . También puede fabricarse por CVD como los nanotubos.MÓDULO N° 2 Las mediciones mecánicas han demostrado que el grafeno tiene una resistencia a la rotura de 200 veces mayor que el acero. las nanoparticulas de grafeno o oxido de grafeno pueden ser tomadas por células vivas. Se han construido diodos. Se requiere un control cuidadoso para evitar generar grupos químicos en las capas de grafito. que se estabilizan por adsorción de surfactantes o polímeros. Por otra parte. También se ha propuesto el uso de ultrasonido para separar las capas. Recientemente. separándolas. De hecho. se midió una constante de resorte de suspensión en el rango de 5. De esta manera se fuerzan iones y solución entre las capas de grafito. Es posible transformar el óxido de grafeno en grafeno por calentamiento en vacío o por iluminación con láser. der grafito.1 N / m. debido a su pequeño espesor (< 1 nm). las principales aplicaciones de los nanotubos son electrónicas.13 TPa). Se han propuesto métodos fisicoquímicos como la intercalación química o electroquímica de iones. separación de monocapas con una cinta adhesiva. Se ha observado que escurriendo agua sobre una pieza de SLG se produce una diferencia de potencial De esta manera. Por un lado se ha mostrado que la presencia de grafeno influencia positivamente el crecimiento y la diferenciación de células. Utilizando un microscopio de fuerza atómica (AFM). La gran superficie y baja toxicidad del grafeno ha motivado el uso del material en aplicaciones biológicas. permite fabricar sensores de presión y resonadores. USA) fabrico SLG por pirolisis (1050 oC) en atmosfera de H2/Ar de materiales comunes: galletitas. Por otro lado. Por otra parte. se han propuesto métodos químicos como la reducción de óxido de grafeno o el corte longitudinal de un nanotubo de carbono. por reducción u oxidación. Como con los nanotubos. El grafeno puede fabricarse por distintos métodos. El área de las placas de grafeno puede ir de centímetros cuadrados para aplicaciones electrónicas hasta algunos nanómetros cuadrados para nanografeno. E módulo de Young fue de 1 TPa. los grupos epóxido. Por otra parte. el nanotubo más corto no contiene cascos de fullereno sino solo el cilindro de anillos y es el cicloparafenileno que. el óxido de grafeno es dispersable en agua. fue sintetizado por primera vez en 2009. Iijiama y col. LEDs y celdas solares. reportado en el año 1991 por Iijima. alcohol y carboxílico que están presentes en el óxido de grafeno permiten funcionalizar el grafeno por reacciones químicas comunes. Figura 1. Estas cargas deben ser compensadas por iones de carga negativa (aniones) que se intercalan entre las capas y separan mecánicamente. El óxido de grafeno contendrá grupos con oxígeno en los bordes de las capas y en defectos en las superficies de estas. de manera simultánea e independiente. Representación de un nanotubo de carbono. en ingles single wall nanotubes). junto a Bethune y col. se obtendrá una familia de cilindros de diferente largo cerrados con casquetes de C60. siendo un material semiconductor.MÓDULO N° 2 electrocromicos. P á g i n a 33 | 139 . Además. el grafeno ha demostrado ser más útil que los nanotubos de carbono debido a su fácil manipulación dado que posee dos dimensiones no nanometricas. Oxido de grafeno La oxidación fuerte del grafito produce el llamado oxido de grafeno (muchas veces confundido con este). Sin embargo los primeros nanotubos de carbono observados fueron los de pared multiple (MWNT.2 Nanotubos de carbono En principio si a un fullereno como el C70 se le agregan nuevos anillos formados por ciclos de 6 carbonos. Dos años después. 3. En estas aplicaciones. Primeras imágenes TEM observados de MWNT. La primera evidencia moderna de su existencia fue en 1991 cuando Iijima tomo la primera imagen de un nanotubo de carbono de paredes múltiples usando un microscopio de transmisión electrónica (TEM). es posible crear cargas positivas netas en las capas por oxidación. en inglés: multi-walled nanotubes). sorprendentemente. Además. Esto se debe a que la oxidación crea defectos en las capas de grafeno que molestan la interacción entre capas. Figura 2. Estos materiales son los nanotubos de carbono de pared simple (SWNT. Ya que estos grupos son polares y pueden formar puente hidrogeno con el agua. observaron un nanotubo de carbono de pared simple. Si el nanotubo fuera un cabello. la relación de aspecto (largo/diámetro) es de 133 millones a 1. Un SWNT puede ser imaginado como una hoja rectangular de grafeno (uno d elos planos del grafito) enrollada como un tubo. tal como aquellos que contienen grupos terminales hidroxilos o carbonilos ácidos. etanol) o sólidos (grafito. Estos grupos funcionales también son necesarios para proveer sitios para integrarlos covalentemente a estructuras poliméricas orgánicas o inorgánicas. como así también dispositivos de tamaño nanométrico con costos aceptables [30-33]. Por ejemplo para aplicaciones médicas y biológicas. se produce crecimiento de nanotubos. acetileno). en tubos zig-zag donde los enlaces C-C descansan paralelos al eje del nanotubo. Formula de cicloparafenileno El nanotubo más largo tiene 18. en varias aplicaciones.MÓDULO N° 2 Figura 3. siendo la mayor de cualquier objeto conocido. Cuando ambos se calientan a una temperatura adecuada y en ausencia de oxigeno. Los nanotubos no están usualmente aislados sino formando haces unidos por interacciones débiles (Van de Waals). carbón de leña). Los diámetros de los NTC son muy pequeños (menores a 0. Futuros progresos en la electrónica estarán determinados por el descubrimiento de circuitos integrados más productivos y compactos. Los catalizadores son nanoparticulas de P á g i n a 34 | 139 . su longitud seria de más de 2 km. Para tomar ventaja de la estructura tubular de los NTC. Fabricación La fabricación de nanotubos de carbono depende de una fuente de átomos de carbono y un catalizador. Nanotubo de carbono tipo zig-zag (arriba). los nanotubos deben ser químicamente derivatizados con sustituyentes hidrofílicos. particularmente en la ingeniería de materiales multifuncionales.7 nm) y es por tal motivo que éstos pueden ser utilizados como prototipos de cables cuánticos cilíndricos huecos [29]. Por eso se dice que el nanotubo es quiral. los NTC necesitan ser derivatizados con grupos funcionales orgánicos [34]. Los NTC también pueden ser dispuestos como una monocapa o una multicapa de fullerenos concéntricos.5 cm de largo (185 millones de nanómetros). Una forma de progresar en la manufacturación de la electrónica. se basa en ir disminuyendo de tamaño los circuitos mediante el mejoramiento de la litografía y de técnicas de procesamiento para la miniaturización de semiconductores. Las fuentes de carbono pueden ser gases (metano. compuestos orgánicos volátiles (ej. Existen tres formas de enrollar esta hoja produciendo SWNT altamente simétricos. mientras en un tubo de brazo de silla los enlaces son perpendiculares al eje (esquema). etileno. En el caso que no haya cintas de anillos aromáticos paralelos al eje del nanotubo sino que se presente una espiral puede tener sentido de giro a la derecha o a la izquierda. Figura 4. brazo de silla (medio) o quiral (abajo). Síntesis de nanotubos de carbono Obviamente es muy posible que la síntesis produzca defectos en forma de codos en el tubo. El mecanismo de crecimiento fue elucidado acabadamente por el Dr. es posible crecer nanotubos en forma de alfombra sobre una superficie cubierta de nanoparticulas: P á g i n a 35 | 139 . Co. un físico argentino especialista en microscopia de transmisión electrónica que trabaja en el Laboratorio de luz Sincrotón de Campinas (Brasil). Estos compuestos son atacados por más átomos de carbono que se forman por descomposición de la fuente de carbono y se forman las cintas de anillos de seis átomos en forma de tubo sobre la nanoparticula. sino que son como: Figura 6. Por eso los nanotubos reales no son cilindros perfectos.MÓDULO N° 2 metales (Fe. Nanotubos de carbono Ya que los nanotubos crecen desde la nanoparticula metálica. Ni) o sus compuestos (ej. Es una síntesis química a alta temperatura. La adicción de mas carbono hace que el nanotubo siga creciendo. Estos últimos se descomponen para dar nanoparticulas. Daniel Ugarte. La nanoparticula metálica disuelve el carbono formando carburos. ferroceno). Figura 5. microondas. Mientras una pared es bastante inerte. Las partículas del catalizador pueden permanecer en las puntas de los nanotubos en crecimiento o permanecer en la base de los nanotubos dependiendo de adherencia entre las partículas del catalizador y el sustrato. perpendiculares al sustrato). es necesario separar los nanotubos entre si. CVD”) usa un precursor liquido o gaseoso que mezcla con un gas inerte y se hace fluir sobre una superficie caliente (700 oC) donde hay nanoparticulas metalicas (Co. Fe). etc. un láser de alta potencia que es absorbido por un sólido. un láser pulsado vaporiza un blanco de grafito en un reactor de alta temperatura lleno de un gas inerte. Si se uasa carbono ouro como blanco se producen fullerenos. La primera implica realizar reacciones químicas en la pared del nanotubo. Ni) se crean nanotubos de carbono. Ya que muchas propiedades de los nanotubos dependen de tenerlos en forma aislada. La primera fabricación moderna de nanotubos fue por descarga entre electrodos de grafito. Mediante el ajuste de la geometría del reactor es posible sintetizar nanotubos de carbono alineados verticalmente (es decir. ii) adsorber polimeros en las paredes. Los diámetros de los nanotubos que crecen están relacionados con el tamaño de las nanopartículas de metal. Se han desarrollado dos estrategias: i) incorporar grupos funcionales a la pared.MÓDULO N° 2 Figura 7.En el proceso de ablación por láser. Los campos eléctricos tienden a escapar por las puntas (por eso la forma del pararrayo). Si se aplica un plasma eléctrico en el horno se produce una deposicion asistida por plasma (PECVD)y el crecimiento de nanotubos seguirá la dirección del campo eléctrico. Se aplica la misma idea que en los fulerenos. con pocos defectos estructurales. La diferencia es que todos P á g i n a 36 | 139 . Los nanotubos se forman en las superficies más frías del reactor donde se condensa el carbono. El rendimiento de este método es de hasta 30% en peso y se produce tanto en los nanotubos de una o varias paredes con una longitud de hasta 50 micrómetros. radiofrecuencia. plasma. se usan en pantallas de plasma y en emisores de electrones de microscopios electrónicos. utilizando una corriente de 100 amperios Durante este proceso. Nanotubos de carbono El método de calentamiento puede ser un horno. Ya que los nanotubos son las puntas moleculares mas agudas. El método tiene un rendimiento del 70% y el diámetro de los nanotubos es determinado por la temperatura de reacción. Ni. mientras que usando carbono mezclado con metales (Co. La deposición química desde vapor (“chemical vapor deposition. Las nanopartículas de metal también pueden ser producidas desde una molécula en el gas (ferroceno) o por reducción de óxidos. Esta morfología es de interés para sistemas de emisión de electrones. tales como las pantallas de plasma. el carbono contenido en la sublima electrodo negativo debido a las altas temperaturas de descarga. la pared del nanotubo esta tensionada fuera del plano por la forma de tubo. Por eso. Además. en los casquetes de los extremos o los defectos de los nanotubos (esquema Figura 8). Entre los RFC de mejores propiedades están los reforzados con fibras de carbon. cuando se usa un solo nanotubo o si se consigue unir los nanotubos por un pegamento que transmita la fuerza. el costo es razonable. Se han medido resistencias a la tracción de 100 GPa. Un cable de 1 mm de diámetro podría levantar 10. Defectos de los nanotubos La desventaja de funcionalizar covalentemente las paredes es que se perturba la estructura electrónica del nanotubo. En este ultimo.35 Kg/l contras 7. Esto implica que un cable de hasta 25000 km se sostendrá a si mismo. Por ello se ha propuesto para usarlo en un elevador espacial. como los reforzados con fibras de carbono sino que pueden P á g i n a 37 | 139 . Sin embargo. los nanotubos están simplemente contiguos y pueden deslizarse entre ellos. Ya que los nanotubos de carbono tienen baja densidad (1.MÓDULO N° 2 los anillos son aromáticos. la reactividad será mayor: Figura 8. esto es un ascensor que ascienda hasta la estratosfera usando el mismo mecanismo que el de un edificio.000 kg. La otra estrategia implica adsorber polímeros sobre los nanotubos: Figura 9. Es equivalente a comparar la resistencia mecánica de un palillo individual y a la de un cilindro lleno de muchos palillos que pueden deslizarse entre si. La vinculación de muchos nanotubos se realiza a través de los llamados materiales compuestos reforzados con fibras (RFC). Propiedades Los nanotubos de carbono son los materiales más fuertes en cuanto a resistencia a la tracción y módulo elástico. La razón es que la red de uniones covalentes resiste hasta la ruptura mientras en un metal los átomos se deslizan entre si y el material se deforma. los materiales no son negros. Por otra parte.8 para el acero) la resistencia especifica es 300 veces mayor que la del acero. En el primer caso se han usado nanotubos como puntas del microscopio de fuerza atómica (AFM) y como nanoagujas para fijar o manipular células. Los nanotubos de carbono son las fibras más pequeñas posibles y mas resistentes que las fibras de carbono. estas son las propiedades de un nanotubo individual. Ya se venden plásticos reforzados con nanotubos de carbono para aplicaciones especiales. Absorción de polímeros En este caso se perturba menos la estructura electrónica del nanotubo. Ya que la cantidad de nanotubos que se incorpora puede ser tan pequeña como 1%. las propiedades mecánicas son importantes en la escala nanometrica. no las de un alambre de micrómetros de diámetro fabricado con millones de nanotubos. Por un lado los nanotubos no solo contienen carbono ya que se fabrican usando catalizadores metálicos (Fe. se ha reportado toxicidad y mutagenicidad causada por nanotubos de carbono. Con estos plásticos se ha construido completamente un bote no tripulado de 16 m de eslora. Se ha postulado el uso de nanotubos de carbono en terapia fototérmica de tumores. el organismo se ilumina con luz láser continua de 800 nm. El sensor de glucosa usa un electrodo recubierto con una enzima (glucosa oxidasa) y un mediador redox. El electrodo sensor se usa solo una vez. gran área y pueden ser depositados por técnicas de pintado. mientras un nanotubo de pared simple cerrado solo tiene enlaces C=C. Actualmente se usa una tinta de microparticulas de carbón pero los nanotubos tendrían mayor área y mejor conductividad. los nanotubos pueden usarse como material conductor del electrodo en las celdas de combustible para vehículos. De hecho. Por otra parte. Esto es de gran interés en aplicaciones como pantallas de teléfonos celulares o vidrios plásticos de vehículos. Ni) que quedan dentro de ellos y son toxicos. Mientras los fullerenos no son tóxicos. El alcoholimetro funciona como una celda de combustible en la cual el etanol en el aliento se oxida y da una corriente. En este caso los nanotubos ingresan al organismo y son incorporados por las células tumorales ya que han sido modificados con moléculas que activan receptores específicos. Los nanotubos absorben la luz y se calientan. Los atomos de carbono en los bordes no pueden mantener un orbital sin enlazar y se unen a otros atomos. Esto produce grupos químicos. Mientras el electrodo activo son nanoparticulas de Pt-Ru. Por otra parte. controlando estos factores es posible eliminar la toxicidad. que reduce el mediador y este reacciona en el electrodo dando una señal eléctrica. Su alta conductividad y pequeño tamaño permite usarlos como electrodos transparentes. los nanotubos abiertos contienen bordes de la pared tipo grafeno. En ambos casos el problema es que el nanotubo queda dentro del organismo. se ha demostrado que un depósito de nanotubos de carbono incrementa el crecimiento de las células óseas (osteoblastos) permitiendo la reparación de huesos por crecimiento promovido del hueso propio. el soporte es carbón. Co. Por una parte poseen buena conductividad. De hecho.MÓDULO N° 2 ser transparentes. Su gran área les permite ser usado en supercapacitores electroquímicos. usualemente oxigeno e hidrogeno. En un método alternativo. Los nanotubos son excelentes conductores de la electricidad y pueden construirse películas transparentes para usar como electrodos de LCDs. La glucosa presente en sangre se oxida por la enzima. se ha propuesto su uso en dos sensores electroquímicos de uso habitual hoy en día: el sensor de glucosa para diabéticos y el alcoholimetro. Las posibles fuentes de esta agresividad son varias. Los MWNT y SWNT conductores son excelentes materiales de electrodo para aplicaciones electroquímicas. como carbonilos (>C=O) o carboxilos (COOH) que son reactivos con las biomoleculas y por tanto tóxicos o cancerigenos. se usa una laser pulsado de alta potencia que calienta el nanotubo durante unos tiempos muy cortos (10 ns) evaporando el agua circundante al nanotubo y produciendo una nanoexplosion que destruye la célula. produciendo la muerte de la célula tumoral. para ser usado por la marina de estados unidos. P á g i n a 38 | 139 . Sin embrago. Una vez dentro de la célula. el Piraña. El uso de MWNT mejoraría las prestaciones. como el grafito. P á g i n a 39 | 139 .MÓDULO N° 2 Nanotubos de carbono con multipared Figura 10.6 micrones de diámetro. los cables podrían ser de 0. que tiene solo 500 nm de diámetro (300 veces más pequeño que un cabello). Esta formado por 60 átomos de carbono (C60). que están en situados en anillos hexagonales (tipo benceno) y pentagonales (tipo ciclopentadieno) y en el que ninguno de los pentágonos que lo componen comparten un borde. si los pentágonos tienen una arista en común. Sin embargo solo está formada por carbono haciéndola una molécula no polar y altamente estable. pueden calentarse hasta 2800 oC en vacio podría haberse fabricado la lámpara incandescente más brillante. Nanotubo con multipared La interacción entre nanotubos concéntricos entre sí es muy débil por lo cual es posible rotar el tubo interno casi sin rozamiento. 3. Por otro lado. La gran anisotropía de la conductividad térmica los hace perfectos como calentadores locales. La conductividad térmica de un SWNT a lo largo es 10 veces mayor que el cobre y a lo ancho es similar a la del vidrio. tolueno). Nanotubos de pared simple Los nanotubos de pared simple pueden ser semiconductores o conductores dependiendo de su configuración. La densidad de corriente que puede circular es de 1000 millones de amperios por centímetro cuadrado. Las grandes densidades de corriente de los modernos chips de computadora han superado las capacidades de los metales. los conductores pueden usarse como cables únicos. Sin embargo. El fullereno más conocido es el buckminsterfullereno. Ya que los nanotubos. diodos) con un solo nanotubo. la estructura estará desestabilizada. Esta propiedad ha sido usada para construir el motor eléctrico más pequeño del mundo. esto es tiene un peso molecular de solo 720 g/mol (apenas el doble que una molécula de colesterol) y es soluble en solventes comunes (ej. No es probable que veamos cables para casas de SWNT. ya se están probando como vías de circuitos integrados. Los SWNT pueden transportar la corriente sin sufrir efectos eléctricos o térmicos. Si es posible aislar el tipo semiconductor pueden construirse dispositivos electrónicos (transistores. Esto implica que si construyéramos los cables de una casa para la corriente de norma (10 A) con nanotubos. 5000 veces más finos que los actuales.3 Fullerenos Los fullerenos son la forma de carbono más molecular que existe ya que el fullereno mas estable tiene la formula C60. si no fuera que están prohibidas. Es por ello que pueden ser calentados por luz laser en un punto y el calor se transmite rápidamente a todo el nanotubo. constituido por 20 hexágonos y 12 pentágonos.MÓDULO N° 2 Figura 1. En el caso del carbono. con un átomo de carbono en cada una de las esquinas de los hexágonos y un enlace a lo largo de cada arista. Sean O'Brien. El icosaedro regular era uno de los sólidos platónicos. Como podemos comprobar experimentalmente (ver capitulo 1). de la Universidad de Rice. no tiene pentágonos adyacentes y el que existe en la realidad. ya que puede construirse truncando con pentágonos un icosaedro regular. Es una imagen pintada en el libro del pintor matemático Piero della Francesca (1420-1492). C70. pero sólo uno de ellos. esta puede ser construida con formas de al menos 3 vértices. incluso por Arquímedes. En 1985. En 2010 la NASA anunció que finalmente se descubrieron fullerenos en el espacio. C84. Kroto . el buckminsterfullereno. Heath. en el hollín vela normal. C76. debe tener exactamente 12 pentágonos. hecho de 20 triángulos equilateros. Esta forma simétrica ya era conocida en la antigüedad. C60 y otros fulerenos fueron más tarde notó que ocurren fuera del laboratorio (por ejemplo. diseño de este arquitecto para una estabilidad mecánica máxima. se producen en la naturaleza por combustión o descargas de rayos en la atmósfera. Figura 2. Harold Kroto. cinco cuerpos poliedros convexos cuyas caras son polígonos regulares iguales y en cuyos vértices se unen el mismo número de caras. Al usar la P á g i n a 40 | 139 . y poco después descubrieron otros fullerenos. en forma de C60. El dibujo más antiguo de esta “pelota de fútbol” ha sido encontrado en la biblioteca del Vaticano. Robert Curl y Richard Smalley. la repulsión entre las nubes electrónicas de los enlaces hace que solo los ciclos de 5 y 6 atomos sean estables. Hay 1812 posibles estructuras de fullerenos C60. Curl y Smalley fueron galardonados con el Premio Nobel 1996 de Química por su papel en el descubrimiento de esta clase de moléculas. Sobre la base del teorema de Euler se puede mostrar que una superficie esférica. El nombre de buckminsterfullereno viene de Richard Buckminster Fuller ya que la forma de la molécula es similar a la de la cúpula geodésica. Formula estructural del bucminsterfullereno (C60) La estructura de C60 es la de una figura geométrica truncada y se asemeja a un domo geodésico o una pelota de futbol. descubrieron el C60. Pequeñas cantidades de los fullerenos. Sin embargo. Construcción de un C60 por truncado de un icosaedro regular. James R. que la llamaba icosaedro truncado. con fecha de 1480. la estructura mostrada en 1 no es la única posible. construida de pentágonos y hexágonos. El método usual para producir fullerenos es usar un arco eléctrico entre dos electrodos de grafito en una atmósfera inerte (Ar. Figura 3. He). Bochvar) hizo el análisis químico-cuántico de la estabilidad de la C60 y calculo la estructura electrónica de la molécula. previamente habían existido propuestas de la existencia de las moléculas. los picos discretos. Los astrónomos creen que los fullerenos son creados en las capas exteriores de una estrella. los fullerenos fueron sintetizados tratando de explicar una señal de radioastronomía que parecía corresponder a un agregado (“cluster”) de átomos de carbono. Después de su descubrimiento y caracterización se observo que los fullerenos están naturalmente presentes en substancias tan simples como el hollín de una vela. Su densidad es de 1. como nuestro sol.MÓDULO N° 2 visión infrarroja sensible del telescopio Spitzer. El plasma formado produce un residuo carbonos que contienen varios fullerenos que se pueden aislar. El método se aplica industrialmente en Japón. Estructura de fullerenos diferentes al C60. un grupo de científicos de la URSS (Prof. antes de su descubrimiento. En 1973. Este hecho impidió su patentamiento y solo puede patentarse los métodos de fabricación o las aplicaciones. Osawa (Toyohashi University of Technology. ademas del C60. La señal permanece aun sin explicar. tolueno) es posible extraer los fullerenos del residuo carbonoso (que contiene carbono amorfo y nanotubos). siendo la más baja de las formas alotrópicas estables del carbono (diámetro molecular = 0.72 g/cm3. correspondiendo a las moléculas con la masa exacta de sesenta o setenta o más átomos de carbono En una típica situación en ciencia.7 nm) Existen otros fullerenos. los investigadores han confirmado la presencia de C60 y C70 en la nebulosa planetaria Tc1. P á g i n a 41 | 139 . Posteriormente se pueden separar por cromatografía e identificarlos por su señal característica en espectrometría de masa. Japon) en 1970. Se ha observado que la combustión de benceno con deficiencia de oxígeno produce C60 y C70. La existencia de C60 fue predicha por E. Ya que el C60 es soluble en solventes comunes (ej. y posteriormente son expulsados al espacio después de la explosión de las mismas. En la espectrometría de masas. Como es común en ciencia. Se encontró que la intercalación de los átomos de metal alcalino en forma sólida C60 lleva a un comportamiento metálico. La estructura mas estable del carbono sp2 es la del grafito.28 grados). Una solución de C60 eluye rápidamente y se puede purificar 10 g/h. se reveló que el potasio dopado con C60 se convierte en superconductor a 18 K. la molécula se vuelve más estable. En un sistema conjugado lineal (ej. Mientras las láminas de grafeno del grafito son planas. el C60 no lo es (como molécula aunque contiene anillos aromáticos). Su longitud de enlace promedio es de 0. que es plano.14 nm. bajo la presión. Este era la temperatura de transición más alta de un superconductor molecular.71 nm. P á g i n a 42 | 139 . Los fulerenos son estables pero pueden ser funcionalizados químicamente.1 nm mientras la distancia entre núcleos es de 0. Por otra parte. la temperatura de transición superconductora más alta es de 33 K para Cs2RbC60. se ha informado superconductividad a 38 K se en Cs3C60. Esto es importante porque el C60 no da reacciones de típicas de aromáticos (ej.2-diclorobenceno. Por el contrario. ya que no cumple la regla de Huckel. A presion ambiente. En el C60. El C60 interactua poco con las paredes debido a su forma esférica. las secciones de pared del fullerenos son curvadas por el efecto de los anillos pentagonales Los fulerenos pueden atrapar iones o moléculas pequeñas en su interior. La reacción característica de los fullerenos es la adición electrofílica a enlaces 6. mientras los fullerenos mas grandes interactúan mas debido a sus paredes grafiticas mas grandes. se produce una tensión que puede ser relajada por reacción de adición (convierte sp2 en sp3). lo cual reduce la tensión mediante el cambio de ángulo en el carbono sp2 (120 grados) a sp3 (109. como solo reaccionan uno o pocos enlaces. explica que el C60 no sea carcinogénico como la mayor parte de los compuestos aromáticos. Al doblar los anillos para formar la esfera C60. si se colocan dos electrones mas se forma el dianion (C60-2) aromático. y por lo tanto. pero los fullerenos superiores quedan adsorbidos. poliacetileno) esto modificaría mucho las propiedades electrónicas porque los electrones no pueden saltar un enlace sp3. Mientras el grafito es aromático. En 1991. El C70 se puede eluir posteriormente pasando 1. benceno) sino de adición como los alquenos. Esta disminución en los ángulos de enlace disminuye la tensión cuando se cierra la esfera o el tubo. Los enlaces del anillo 6:6 (entre dos hexágonos) pueden ser considerados "dobles enlaces" y son más cortos que las uniones 6:05 (entre un hexágono y un pentágono).MÓDULO N° 2 Purificacion El método mas efectivo de purificación consiste en pasar la solución de fullerenos en tolueno a través de una columna rellena con carbón activado. La molécula de C60 tiene dos longitudes de enlace. pueden ingresar en los poros del carbón activado. Recientemente.6-doble. Propiedades El diámetro de van der Waals del C60 es de unos 1. Ya que los fullerenos son pequeños. la estructura electrónica cambia poco ya que los electrones pueden moverse alrededor del enlace (enlaces en rojo en la figura). Estos últimos compuestos. su característica de dienofilo proviene de su carácter no aromatico. son solubles en agua. que actúa como dienofilo. Reacción de Bingel. Los fullerenos pueden ser parcialmente hidrogenados (ej. llamados fulleroles. Estos se forman durante la fabricación de los fullerenos.MÓDULO N° 2 Figura 4. También dan reacciones típicas de aromáticos. C60(OH)15). Figura 6. Esta es una típica reacción usada para funcionalziar fullereno e implica la adición de un carbanion para formar un enlace ciclopropano. Ejemplo de reacción de Diels-Alder para modificar fullerenos Otros átomos pueden quedar atrapados dentro de los fullerenos para formar compuestos de inclusión conocida como fullerenos endoedrales. Reacción de un reactivo de Grignard con C60. Figura 5. P á g i n a 43 | 139 . como la reacción de Friedel-Crafts. Ejemplo de reacción de Bingel para modificar fullerenos Reacción de Diels-Alder Implica la cicloadicion de un dieno sobre el fullereno. C60H18) u oxidados (ej. De hecho se han encontrado gases nobles atrapados dentro de fullerenos fabricados por el impacto de un meteorito en el periodo Permico y el patrón de isótopos de estos gases permitió precisar la fecha del impacto. Ya que no tiene grupos polares. dando un complejo donor-aceptor. electrón) muestran comportamiento de onda o de partícula dependiendo del experimento. Zeilinger en Viena (Austria) mostró que haces de C60 sufren interferencia mostrando carácter de onda. compuestos químicos que contienen un donor de electrones y un aceptor. Aunque se han propuesto muchas aplicaciones de los fullerenos. a manera de un clatrato.MÓDULO N° 2 Por otro lado es posible abrir huecos en la esfera para ingresar moléculas o iones en el interior: Figura 7. en 2006. la solubilidad de C60 en una solución de benceno muestra el máximo de alrededor de 313 K. Ya que pueden aceptar electrones para formar aniones. La cristalización de la solución de benceno a temperaturas inferiores a los máximos resultados en la formación de sólidos solvatados con cuatro moléculas de benceno C60 · 4C6H6. unidos por un puente: P á g i n a 44 | 139 . Su forma esférica y estabilidad en vació permitió probar la dualidad quántica onda-partícula con un objeto masivo. Las partículas elementales (ej. Se ha observado. Considerando la fotoactividad de los fullerenos. que los fullerenos como el C60 pueden inducir un estrés oxidante en los cerebros de los peces róbalo. una de las más promisorias involucra su naturaleza molecular. Por ejemplo. Fullerenos abierto por reacciones con la pared. las moléculas de agua están interconectadas entre si por una red tridimensional de enlaces de hidrógeno. En 1999 el grupo de A. Además. inducción de moralidad delDaphnia Magna (un diminuto crustáceo usualmente utilizado por su sensibilidad en estudios toxicológicos) cuando son expuestos al fullereno C60. Helio). pueden formar parte de las llamadas diadas. en 2004. Posteriormente se ha probado que el mismo comportamiento lo muestran átomos (ej. De esta manera la concentración máxima de С60 en forma de fullereno hidratado es de 4 mg/mL. También se ha detectado. Por un lado es posible determinar la masa de un electrón como partícula y al mismo tiempo sufre efectos típicos de la óptica como difracción e interferencia. éstos se tornan potencialmente tóxicos sobre todo si se toma en cuenta que son materiales lipofílicos que tienden a ser almacenados por los organismos en zonas de tejidos grasos. apenas mayor que del C60 solo en tolueno. Este es el objeto más grande que haya mostrado tal comportamiento. La solubilidad del C60 en algunos solventes muestra un comportamiento inusual debido a la existencia de fases clatrato. El fullereno hidratado C60(H2O)24 es un complejo estable e hidrofilico que consta de una molécula de С60 rodeado de 24 moléculas de agua donde el par electrónico del oxigeno apunta hacia las nubes pi de los anillos del fullereno. El C60 tiene un diagrama de orbitales con el LUMO vacio: Figura 9. Por lo tanto. El potencial para aceptar un electrón es de solo -0. TiO2) y hacerlos sensibles a la luz visible. En el grupo de L. Si). Federico Golmar Nanotubos https://www. la porfirina absorbe luz y se produce una separación de cargas. La ventaja es que cambiando la química de la porfirina (por ejemplo el metal Me o el grupo unido R).  VIDEO: Dra.com/watch?v=REB5DOXvNus P á g i n a 45 | 139 . tales como celdas solares y diodos emisores de luz (LEDS). Otero y F. análoga a la que ocurre en un semiconductor inorgánico (ej. Fungo (UNRC. Argentina) se han usado estos colorantes para sensibilizar semiconductores baratos (ej. Diagrama de bandas del C60. es posible cambiar el color de absorción o emisión.MÓDULO N° 2 Figura 8. Esto no puede hacerse fácilmente con los semiconductores inorgánicos. Río Cuarto.youtube.19 V vs NHE. Formula estructural de una diada porfirina-fullereno para aplicaciones fotoelectronicas. estos colorantes pueden usarse para propósitos equivalentes que los semiconductores orgánicos. Cuando se ilumina la diada. Las diferentes escalas se muestran en la Figura 1. dos o tres de sus dimensiones externas en la nanoescala.MÓDULO N° 2 4 Introducción al concepto de Nanomateriales Importancia de la geometría y el tamaño Los Nanomateriales son materiales con características morfológicas más pequeñas que un micrómetro en al menos una dimensión. Nanofibra: nano-objeto con dos dimensiones externas similares en la nanoescala y la tercera de dimensión mucho mayor. la nanoescala queda comprendida entre la microescala (1 micrómetro) y la escala atómica/molecular (alrededor de 0.2 nanómetros). P á g i n a 46 | 139 . El enorme interés que existe por estos materiales se relaciona justamente con las propiedades que los mismos presentan que son en general muy superiores y frecuentemente diferentes. Figura 1. no sólo en relación a su tamaño. A pesar de que no existe consenso sobre el tamaño mínimo o máximo de un nanomaterial. la mayor parte de los autores restringen su tamaño de 1 a 100 nm. sino principalmente por sus características y propiedades. Escalas desde el Armstrong al micrón y materiales representativos de cada una de ellas En esta escala se pueden definir diversos tipos de materiales:     Nano-objeto: material con una. Nanoplato: nano-objeto con una sola dimensión externa en la nanoescala. Nanopartícula: nano-objeto con sus tres dimensiones externas en la nanoescala. los materiales creados a escala nanométrica (los Nanomateriales) suponen una gran novedad respecto a los materiales tradicionales. El prefijo ‘nano’ se refiere a las dimensiones del material: un nanómetro (nm) es la millonésima parte de un milímetro (mm). Hoy en día. Es decir. Como dijimos anteriormente.youtube. Galo Soler illia – Nanomateriales https://www. lo que da lugar a aplicaciones únicas.  VIDEO: Dr. Es por ello que mucha de la fascinación que produce la nanotecnología proviene de estos peculiares fenómenos cuánticos y de superficie que la materia exhibe en nanoescala. tales como sustancias opacas que se vuelven transparentes (cobre). dando una relevancia mucho mayor a los fenómenos de superficie. al reducir su tamaño.MÓDULO N° 2 cuando se comparan con las de los mismos materiales a tamaños mayores. materiales que a temperatura ambiente son habitualmente sólidos se vuelven líquidos (oro). el movimiento de los electrones está muy limitado por las dimensiones del propio material. los materiales reducidos a la nanoescala pueden mostrar propiedades muy diferentes a las que exhiben en una macroescala. Existen muchos ejemplos. Figura 2: Diluciones de nanopartículas de oro de distintos tamaños (y colores) Muchas de las propiedades de los materiales dependen de cómo se comporten los electrones que se mueven en su interior y de cómo estén ordenados los átomos en la materia. materiales inertes que se transforman en catalizadores de reacciones químicas (platino y oro). materiales que cambian de color (oro: Figura 2) materiales estables se transforman en combustibles (aluminio). en estos materiales se observa una alta relación superficie/volumen que es mucho mayor que la que existe en materiales de la macro y la micro escala. En un nanomaterial. Luego. su superficie no disminuye proporcionalmente. El motivo es que. aislantes se vuelven conductores (silicona).com/watch?v=wki5X9wy0m0 P á g i n a 47 | 139 . Es considerado un material con propiedades físicas extremas. forman capas unidas por fuerzas de van der Waals (distancia entre capas: 3. Estructuras de resonancia.35 Å). respectivamente. Aplicaciones Existen dos formas alotrópicas del carbono bien diferenciadas: el diamante y el grafito. térmicas y mecánicas que distinguen al grafeno lo convierten en un candidato muy prometedor para una amplia gama de aplicaciones en nanociencia y nanotecnología. Las propiedades eléctricas y mecánicas de estos materiales dependen de la estructura y del tipo de enlace entre los átomos de carbono. mayor que cualquier sólido cristalino. El grafeno es una lámina con estructura bidimensional de átomos de carbono. La membrana tiene la estructura de un panal de abejas extendida y es la componente más sencilla entre los alótropos del carbono. es muy estable debido a las fuerzas de cohesión entre los átomos en una configuración atómica hexagonal. exhiben alta estabilidad y calidad cristalina. compuestas con átomos unidos por enlaces que resultan de la hibridización de orbitales sp3 y sp2.MÓDULO N° 2 5 Estructuras de resonancia del grafito. el grafeno tiene alta resistencia a la tracción (200 veces superior que el acero) y posee una constante elástica muy grande. En el grafito la estructura es trigonal y los átomos de carbono conforman una red covalente bidimensional (2D). Grafito. Las propiedades electrónicas. La superficie de un átomo de espesor altamente uniforme. Es un material muy P á g i n a 48 | 139 . Ambas son fases estructuralmente diferentes. conteniendo la configuración tetraédrica espacial dada por los cuatro orbitales híbridos sp3 (longitud de enlace C-C: 1. diamante y grafeno plano. mecánicas y eléctricas. Debido a los enlaces covalentes entre átomos de carbono. diamante y grafeno plano. Estructuras hexagonales de átomos de carbono tipo “panal de abeja” (longitud de enlace C-C: 1. debido a la hibridización sp2. siendo flexible ante su deformación. Estas láminas pueden ser apiladas conformando el grafito 3D. obtenida a partir de los planos atómicos individuales del grafito.54 Å).41 Å). conformando un continuo extendido a escala macroscópica. pueden ser enrolladas para formar los nanotubos de carbono 1D y pueden ser envueltos para constituir fulerenos 0D. las cuales son de gran interés en estudios teóricos y en el laboratorio. disponibles para formar un enlace pi con otros átomos. A pesar de que estas láminas tienen un átomo de espesor y no poseen protección del medio ambiente. ópticamente opaco y químicamente activo. Su conductividad eléctrica es elevada en la dirección paralela al plano hexagonal a través de la movilidad de los electrones p deslocalizados. el tipo de enlaces y su estructura le proporcionan dureza extrema y alta densidad de átomos. La estructura del diamante proviene de una red covalente tridimensional (3D). La conjugación de orbitales pi de largo alcance en el grafeno le proporciona extraordinarias propiedades térmicas. El grafito es un material blando. Además. el grafeno absorbe muy poca intensidad de luz blanca. las estructuras de estas moléculas pueden ser muy diferentes: lineales. copolímeros (al azar. protectoras de la corrosión. Generalmente estas moléculas gigantes están formadas por cadenas de carbono. siendo útil en la fabricación de dispositivos eléctricos flexibles y transparentes. y también pueden diferir en el arreglo de su composición química: homopolímeros. F. Ed. Plantenberg. A su vez. con propiedades antimicrobianas. Las propiedades particulares que exhibe el grafeno como material en nanodimensiones han incentivado la investigación de diferentes metodologías de síntesis. las películas de grafeno pueden ser utilizadas como membranas inertes e hidrofóbicas. con modificaciones de P. alternados.MÓDULO N° 2 liviano que se comporta como unsemiconductor de gap variable. polímeros injertados. Förster and T. por la extraordinaria alta movilidad de sus transportadores de carga a temperatura ambiente. Ref: S. las siliconas (la cadena principal está formada por uniones -Si-O-Si-). ramificadas. supercondensadores de grafeno. 41 (5).).. etc. en bloques). Figura 1. apto para su empleo en dispositivos electrónicos (almacenamiento de energía. 688–714 (2002). sintéticos o naturales. etc. aunque otros elementos pueden participar de estas estructuras y existen excepciones como por ej. Angewandte Chemie Int. redes. para obtener el control de calidad del material nanodimensionado. que resultan de la unión química de muchos monómeros (unidad estructural). Britt (2005). Con un espesor tan pequeño. El autoensamble de estructuras P á g i n a 49 | 139 . dendríticas. etc. acompañada del análisis de las propiedades físicas y químicas del grafeno. 6 Nanopolímeros y nanocompuestos Los polímeros son compuestos de alto peso molecular. Diferentes morfologías obtenidas a partir del autoensamble de copolímeros en bloques. de si la separación ocurre a partir del polímero puro o en solución. los polímeros forman el patrón o molde que permitirá a un dado material alcanzar la topología buscada. etc. en la formulación de materiales inteligentes (que responden en forma autónoma a cambios externos) para aplicaciones como sensores.. las estructuras evolucionan desde la escala molecular hacia las mesoestructuras. usados por ejemplo en la fabricación de circuitos electrónicos. electrohilado.: S. White et al. (a) Electrohilado de nanofibras de quitosano a partir de una solución ácida concentrada y agregado de una baja concentración de polióxido de etileno (PEO). Figura 3. esto puede dar lugar al ordenamiento (autoensamble) de los bloques en una rica variedad de estructuras que dependen de los tamaños relativos de los bloques. los polímeros semicristalinos. Ejemplo de nanoestructuración a través del procesamiento. etc. nanolitografía. El agente dentro de las vesículas llena el eventual crack y polimeriza. En otros casos. la estructura molecular del polímero permite que este se autoensamble en estructuras nanométricas o submicrométricasordenadas.MÓDULO N° 2 corresponde al proceso "bottom-up". síntesis de precursores en la formulación de cerámicos porosos. actuadores. como deposición en capas. Ref. Se han utilizado estas estructuras poliméricas en la fabricación de cápsulas para la liberación controlada de drogas. Figura 2. o materiales autocurables. R. se puede ordenar /controlar la morfología de algunos polímeros mediante la selección y control del procesamiento adecuado. como es el caso de los copolímeros en bloques. En muchos casos. o en capas delgadas o sobre una superficie. Nature 409. (b) Patrón polimérico nanoestructurado usando plasma de oxígeno y utilizado para obtener un arreglo regular de nanopuntos ferromagnéticos. los híbridos orgánico -inorgánicos. Esquema de un termorrígido con inclusión de microcápsulas en un termorrígido y proceso de auto-reparación. 794-797 (2001) Además del auto-ensamblado. impresión de circuitos electrónicos. Por ejemplo. El patrón polimérico es un ejemplo de nanoestructuras P á g i n a 50 | 139 . cuando los segmentos que forman un copolímero en bloques son mutuamente incompatibles. MÓDULO N° 2 "top-down"; la nanoestructura se obtiene a partir del ataque controlado de un material macroscópico. Ref.: Xia, Guodong et al, Nanotechnology, 21(48), 5 (2010). Nanocompuestos Los compuestos poliméricos tradicionales están formados por una fase polimérica (matriz), una fase discontinua (cargas particuladas o fibras) y la región donde ambas fases se contactan y que está influenciada por las interacciones que se dan entre ellas (interfase); la superficie de contacto es la interfaz o intecara. A través de la interfase se transmiten los esfuerzos desde la matriz polimérica a las partículas/fibras por lo que la buena dispersión de las mismas, y la adhesión entre ellas y el polímero, son fundamentales para determinar las propiedades del compuesto. Cuando la fase dispersa está formada por nanopartículas (plaquetas, láminas, esferoides, etc.) o nanofibras se obtienen nanocompuestos. En estos casos existe una muy alta área de contacto con la matriz polimérica y un efecto de confinamiento de las cadenas poliméricas que se encuentran mayoritariamente en la región de la interfase, por lo que las propiedades del polímero en el compuesto pueden diferir de las medidas en el polímero puro. Esto sumado a que las propiedades de las nanopartículas son diferentes a las de los macromateriales debido a su tamaño, permite alcanzar propiedades mejoradas, nuevas o diferentes a las de las fases consideradas separadamente. Por otro lado, la gran área por unidad de volumen de las nanopartículas/fibras conspira contra una buena dispersión, que es condición básica para obtener un verdadero nanocompuesto. Cuando existe un alto grado de agregación, los materiales se comportan como loscompuestos tradicionales. Algunos materiales nanocompuestos tienen ya larga historia. Este es el caso, por ejemplo, de las gomas vulcanizadas utilizadas en los neumáticos, que se cargan con negro de humo (agregados fractales submicrométricos/micrométricos de partículas grafíticas esferoidales del orden de los nanometros). Las propiedades de flujo y procesabilidad de las gomas cargadas y las propiedades mecánicas, la resistencia al desgarro y al desgaste luego de su vulcanización, resultan muy afectadas por la presencia de estos nanorefuerzos. Un efecto similar se observa en las gomas de silicona cargadas con sílica pirogénica, utilizadas en la fabricación de tubos y sellos de gran flexibilidad a bajas y altas temperaturas. Figura 4. Aplicaciones de gomas de silicona cargadas con sílica pirogénica. En la microscopía electrónica de transmisión (TEM) se puede ver la estructura fractal que forman las nanopartículas. Ref.: Xiao-Jun Wu et al. Soft Matter, 8, 10457-10463 (2012). P á g i n a 51 | 139 MÓDULO N° 2 Las nanoarcillas, que consisten en silicatos o aluminosilicatos con hidroxilos superficiales asociados a diferentes cationes, tienen estructuras deláminas del orden de 1 nm de espesor, apiladas en capas de varios cientos de micrones. Usadas en estas condiciones se obtienen microcompuestos, pero si se delaminan (exfoliación) se pueden fabricar nanocompuestos. Normalmente, las nanoarcillas se modifican químicamente para facilitar su exfoliación y mejorar su dispersión en polímeros no-polares, como las poliolefinas, obteniéndose por lo general, nanocompuestos con diferente grado de exfoliación. Las mejoras más destacables se detectan en la resistencia a la degradación térmica y en las propiedades de barrera al paso de vapores y gases. ¿? Figura 5. Imágenes obtenidas por TEM de compuestos de nanoarcillas (montmorillonita modificada) en poli(tereftalato de etileno) (PET). En la imagen (a) puede verse el espaciado entre capas de los apilamientos de nanoarcilla y en la imagen (b) puede verse que el nanocompuesto tiene estructuras exfoliadas (láminas aisladas) y otras que permanecen apiladas. Ref.: A. Greco, et al., (2011) http://www.4spepro.org/view.php?source=003641-2011-05-30 Se ha trabajado también con nanotubos de carbono (NTC) incorporados en matrices poliméricas termoplásticas (ej.: polimetilmetacrilato, polipropileno) y termorrígidas como las resinas epoxi. Gracias a las excelentes propiedades mecánicas de los NTC, esto ha resultado en el aumento del módulo y, en algunos casos también, de la tenacidad (termoplásticos) de los materiales; incorporándose además propiedades funcionales específicas, como la conductividad eléctrica. Estos cambios pueden ser notables con el agregado de muy pequeñas cantidades de NTC (menos del 1 % en peso). Resultados análogos se han informado para la incorporación de grafeno. Figura 6. Imagen TEM de nanotubos de carbono "multiwall". Papel con nanotubos de carbono usado en la fabricación de una batería. Raqueta fabricada con un nanocompuesto de grafeno. (http://www.ineffableisland.com/2010/06/lockheed-martin-discloses-carbon.html http://www.nsf.gov/news/news_images.jsp?cntn_id=109868&org=NSF http://www.cientifica.com/graphene-this-years-secret-weapon-for-maria-sharapovaand-novak-djokovic/). También se han considerado otras nanopartículas que incoporan nuevas funcionalidades al nanocompuesto, por ejemplo nanopartículas de plata permiten formular revestimientos. películas, etc., con propiedades biocidas, o de conducción P á g i n a 52 | 139 MÓDULO N° 2 eléctrica. Nanopartículas de magnetita se usaron para formular nanocompuestos paramagnéticos, utilizados en la fabricación de sensores, o actuadores, que responden en forma autónoma (materiales inteligentes) frente a la aplicación de un campo magnético. ¿? Figura 7. Respuesta de memoria de forma activada por el calentamiento del material cuando se lo somete a un campo magnético oscilante: el lazo (forma transitoria) se desenrolla para recuperar una forma recta (forma permanente). Puig, J. et al., Journal of Physical Chemistry C, 116, 13421 (2012). La biomasa no sólo es fuente renovable de polímeros y precursores para distintas síntesis poliméricas, sino que también ofrece la oportunidad de obtener nanoelementos para el refuezo de compuestos, como nanocristales de almidón, de quitina y de celulosa. Por ejemplo, se han utilizado diferentes tipos de nanocelulosa (microfibrilar, nanocristales o celulosa bacteriana) como refuerzo de distintos polímeros, frecuentemente aquellos solubles o dispersables en agua (ej.: almidón, latex) y otros como poliuretanos o biopolímeros como el poli(ácido láctico). Estos materiales tienen aplicaciones como soporte tisular, displays flexibles, y en especial se los ha considerado en la fabricación de"packaging" biodegradable. Figura 8. La imagen AFM muestra nanocristales de celulosa. Las fotos corresponden a nanocompuestos con nanocelulosa bacteriana y la luminiscencia de un OLED obtenido a partir de ellos. Ref.: Eichhorn et al., Journal of Materials Science, 45 (1), 1-33, (2010). Como en el caso de los compuestos tradicionales, se hace necesario modificar superficialmente los nanorefuerzos, o alternativamente usar agentes de acople (compatibilizadores), para mejorar su dispersión en matrices poliméricas. Por ejemplo, la oxidación de las superficies de NTC ha permitido mejorar su compatibilidad con biomoléculas, lo que tiene enormes implicaciones en el desarrollo de biomateriales y biomedicina (obviamente se necesitan realizar estudios de sus efectos estructurales y funcionales sobre el material tisular, que confirmen o limiten su uso en cada aplicación considerada).  VIDEO: Dr. Galo Soler illia - Nanocatalizadores. https://www.youtube.com/watch?v=hrLzhCfTZ9I P á g i n a 53 | 139 Los filosilicatos reciben esta denominación por su forma laminar o en forma de hojas y se caracterizan por ser blandos. que a su vez pueden pertenecer al tipo 1:1 (caolines y serpentinas) o al tipo 2:1 (esmectitas y micas). 7. pero existen dos razones que hacen a las arcillas esmectíticas (y en especial a la montmorillonita).37 con una de sus dimensiones dentro de la escala nanométrica. sean los materiales de elección para el diseño de nanocompuestos poliméricos: i) la versatilidad de su química de intercalación. si las láminas no están bien separadas. La unidad básica en los silicatos es el tetraedro y los oxígenos dispuestos en las cuatro direcciones de valencia del silicio. de peso específico bajo y por su habilidad para delaminarse (exfoliación). este procedimiento que se utiliza desde el inicio de la aplicación de los elastómeros es aún hoy poco comprendido. Strunz. el sistema que se obtiene es simplemente el correspondiente a un filler. En general todas las familias de elementos sólidos laminares comparten estos atributos. Así en la evolución de los rellenos sólidos se pasa de los llamados “filler” cuyos tamaños de partícula se encuentran en el orden de los micrómetros (10-6 m) hasta los hoy llamados “nanofiller” cuyo tamaño. por lo menos en una dirección se encuentra en el orden de los manómetros (10-9m). Las láminas de exfoliación pueden ser flexibles e incluso elásticas y sus elementos laminares tienen una alta relación de aspecto.1 Nanocompuestos Polímero – Arcilla Un aspecto de capital importancia para la aplicación de elastómeros a procesos tecnológicos es el uso de materiales de relleno (filler) a fin de obtener las propiedades adecuadas a diferentes usos. de acuerdo a la cantidad de capas tetraédricas por las que estén formados.2 Estructura y propiedades de las arcillas De acuerdo a la clasificación químico-estructural de H.MÓDULO N° 2 7 Nanoarcillas y Nanocompuestos 7. ii) su bajo costo debido a que son abundantes en la naturaleza y a que no requieren complejos procesos de purificación. Estos tetraedros se unen entre si para originar los distintos tipos estructurales de los silicatos que se dividen en 9 subclases. Cuando se obtiene un nanocompuesto una carga del orden del 3 a 5 % en peso es suficiente para obtener importantes modificaciones en las propiedades del polímero. Contrariamente. P á g i n a 54 | 139 . Dentro de estas subclases se encuentran los filosilicatos. los minerales se dividen en 10 clases dentro de las cuales se encuentran los silicatos. Las cargas típicas para obtener modificaciones importantes en ciertas propiedades son del orden del 60% en peso. y esto invariablemente va en detrimento de las propiedades de resistencia mecánica y dureza del material. Cada lámina tiene 1nm de espesor y puede considerarse a su vez como un polímero inorgánico sólido compuesto por una repetición de monómeros de Al2Si4O10(OH)2. lubricantes. La cantidad de iones intercambiables recibe el nombre de capacidad de intercambio catiónico (CIC). ya que en condiciones adecuadas estas arcillas pueden ser delaminadas de manera que se obtienen materiales poliméricos con rellenos de espesor nanométrico que muestran importantes mejoras con bajas cantidades de carga inorgánica. Estas arcillas también han demostrado ser muy eficaces en la eliminación de sustancias antropogénicas del medio ambiente y en el tratamiento de aguas residuales. generalmente se expresa en mEq/100g arcilla .4 Condiciones de preparación Se realiza el intercambio catiónico de la arcilla sódica con iones de una sal de amonio cuaternaria siguiendo el procedimiento de la Fig.MÓDULO N° 2 Como se observa en la figura 2 esta arcilla tiene iones intercambiables que son los que proporcionan versatilidad a estos materiales.HDTMA+ + Na+ Cl- Figura 1. 1. ya que pueden ser intercambiados para proporcionar un medio organofílico alrededor de las láminas. 7. MMT.3 Preparación de arcillas organofílicas La compatibilización con la matriz orgánica se puede hacer mediante el intercambio con iones alquil amonio. alquil sulfonio o alquil fosfonio.> MMT. la más usada es cloruro de hexadeciltrimetilamonio HDTMA-Cl. Pero en los últimos años su estudio ha crecido. Los iones de amonio son muy usados para modificar la montmorillonita por su bajo costo y facilidad de obtención. Está es una técnica muy común que permite convertir el material hidrofílico en organofílico. pomadas y cosméticos). P á g i n a 55 | 139 . Procedimiento y disposición de los iones alquilamonio en los espacios interlaminares. De acuerdo a la sustancia que se utilizada como surfactante las organoarcillas se emplean como espesantes o gelificantes (ej. 7.Na + HDTMA+ +Cl- --------.: pinturas. MÓDULO N° 2 P á g i n a 56 | 139 . modificado o no puede dar tres tipos de nanocompuestos PLS. Figs.MÓDULO N° 2 7. Representación en 3D de la montmorillonita y tipos de nanocompuestos P á g i n a 57 | 139 . Dependiendo de la fuerza de la interacción interfacial entre el polímero y la matriz un silicato laminar.2 y 5. Un pequeño porcentaje de silicatos laminado dispersado adecuadamente a través de una matriz polimérica crea una elevada superficie de interacción entre polímero y la matriz. 5.3. Figura 1. comparado con los filler convencionales.5 Tipos de nanocompuestos En general los silicatos laminares están constituidos por láminas de 1nm y una relación de aspecto elevada (10 – 1000). 2010 The Mineralogical Society. (d) HM-PMPhS.489. (2010) 45. DOI: 10.4. (b) HM.045.MÓDULO N° 2 Figura 2. Clay Minerals. P á g i n a 58 | 139 . (c) HM-PDMS. 489–502.1180/claymin. Imágenes TEM de HDPE modificadas con (a) MNa.2010. 1956a y 1956b. La estructura tiene una relación de oxígeno a metal de 2. unas análogas a las naturales y otras totalmente nuevas. micelas.MÓDULO N° 2 8 Zeolitas. La mayor parte de los progresos en la síntesis de zeolitas se han llevado a cabo en el siglo XX como consecuencia del desarrollo de nuevas técnicas de caracterización. Estas zeolitas presentan un marcado carácter hidrófobo. por lo que se les denominó zeolitas (del griego “zeo” hervir y “lithos” piedra). Posteriormente. 1968 y Barrer. 1973). gran afinidad por los compuestos orgánicos y una gran estabilidad térmica. analcita y natrolita (Pauling. 1756) observó que ciertos minerales. el descubrimiento de zeolitas naturales data de 1756. superior a 10. numerosos científicos y técnicos han dedicado especial atención a un grupo de aluminosilicatos cristalinos. Por todo ello también se les llamaron tamices moleculares (Mc Bain. atraídos por las potenciales aplicaciones industriales de las zeolitas. comenzaron a trabajar en su síntesis. 1972). 1977). Estructura de las zeolitas. En 1948. m y n son números enteros correspondientes a la celdilla unidad y Me es un catión metálico de valencia n (Breck. ZSM-34 (Rubin. Pronto se observó que estos minerales eran capaces de intercambiar sus iones metálicos en disoluciones acuosas y que. con tetraedros de composición neta [SiO2] y [AlO2] y una carga negativa P á g i n a 59 | 139 . 1930. que empezaron a producirse industrialmente (Breck. 1978). 1930). En los años setenta se prepararon zeolitas con una elevada relación silicio/aluminio.21 (Plank. conocidos por el nombre de zeolitas. podían adsorber selectivamente distintos compuestos. 8. 1969). Taylor. cuando el geólogo A. Milton. en 1930 la aplicación de la difracción de rayos X permitió la determinación de la estructura cristalina de las zeolitas naturales. Así. puntos cuánticos. 1938) y dio a conocer la síntesis de la mordenita (Barrer. 1967). Generalidades Las zeolitas son aluminosilicatos cristalinos de fórmula general: Donde el término entre corchetes es cristalográficamente la celdilla unidad y x . sintetizándose un gran número de ellas diez años después. Como resultado. Barrer comenzó a estudiar las propiedades adsorbentes de las zeolitas naturales (Barrer. Su estudio se inició con la síntesis de la zeolita Beta por la compañía Mobil Oil (Wadlinger. Aunque la difusión de las zeolitas ha tenido lugar en los últimos cuarenta años. al ser calentados fundían y hervían al mismo tiempo. 1959).1 Zeolitas Durante las últimas décadas. 1932).y. se han obtenido un gran número de trabajos y patentes sobre la preparación de diferentes tipos de zeolitas y sobre catalizadores basados en ellas. como la estilbita. ZSM. ZSM-11 (Chu. así como toda una serie de aplicaciones industriales de gran interés. 1944). Milton y colaboradores. obteniéndose posteriormente numerosas estructuras nuevas: ZSM-5 (Argauer. 1988). como las zeolitas denominadas 4A y X. estructura y propiedades. etc. que van desde un simple proceso de secado a complicadas reacciones catalíticas (Chen. llevando a cabo una labor investigadora muy amplia sobre su síntesis. Cronstedt (Cronstedt. una vez anhidros. y que están conectados entre sí por medio de aberturas o poros de dimensiones constantes. En este proceso. Cada átomo de aluminio que sustituye isomórficamente a uno de silicio proporciona una carga negativa. Figura 1. con los átomos de silicio o aluminio en el centro (átomos T). Unidades estructurales secundarias P á g i n a 60 | 139 . Finalmente. La estructura consiste en una red tridimensional de tetraedros SiO4 y AlO4-. Unidad estructural primaria Figura 2. fstos poliedros se unen formando las estructuras terciarias más o menos complejas (Figura 16). así como la relación silicio/aluminio originan los distintos tipos de zeolitas (Figura 17). Estos tetraedros (unidad fundamental) se enlazan por sus átomos de oxígeno originando estructuras poliédricas (poliedros simples) que constituyen las estructuras secundarias (Figura 15). la cual se neutraliza con las cargas positivas que aportan los cationes. donde se alojan cationes y moléculas de agua.MÓDULO N° 2 igual al número de átomos de aluminio en posiciones estructurales. Las diferentes formas de coordinación de los tetraedros. se van formando cavidades o canales de distinto tamaño. y los oxígenos (O) en los vértices (Figura 14). las zeolitas que componen) Figura 4. Ejemplo de un proceso de formación de la estructura de una zeolita. P á g i n a 61 | 139 .MÓDULO N° 2 Figura 3. Unidades estructurales terciarias (Debajo de cada una. En las Figuras 18 y 19 se reporta la obtención de materiales micro y mesoporosos a partir de un silicoaluminato natural (perlita) por tratamiento hidrotérmico y la selección adecuada de la relación Si/Al por agregado de fuentes exógenas de estos elementos y el acondicionamiento para orientar una estructura determinada.NANO MERCOSUR 2013-Nanotecnología para la Competitividad Industrial-12 al 13 / 11 . formas y conectividad se logran mediante el uso de moléculas anfifílicas que actúan como agentes directores de estructura. En la síntesis de topologías tipo MFI. a través de diferentes métodos espectroscópicos. la formación de olígomeros de sílice con tamaños específicos. y FAU como nanopartículas en forma coloidal confirman este mecanismo. En el caso de la ZSM-5. Preparación de catalizadores y tamices moleculares a partir de perlita expandida Figura 5. Ejemplos del proceso de formación de estructuras zeolita con y son agente director de estructura. 78 P á g i n a 62 | 139 . mesoporora se agrega como director de estructura bromuro de cetiltrimetilamonio. BEA. La información reportada para la preparación de numerosas topologías de zeolitas tales como MTW.“Desarrollo de Nanocompuestos para Usos Tecnológicos” – INIQUI (UNSA-CONICET) –pag. La formación de láminas y estructuras columnares ha sido reportada en la síntesis de faujasitas hexagonales. formando finalmente los cristales. sugieren que los nanocluster pueden agregarse en grandes unidades.MÓDULO N° 2 La detección de aglomerados nanométricos discretos en el gel de síntesis de zeolita. 2 Micelas Se denomina micela al conjunto de moléculas que constituye una de las fases de los coloides. como las grasas. Ilustración de los procesos experimentales de obtención de zeolitas con y sin agente director de estructura. las moléculas anfifílicas se pueden organizar como micelas inversas. 8. P á g i n a 63 | 139 . En otro tipo de medios. Es el mecanismo por el cual el jabón solubiliza las moléculas insolubles en agua.MÓDULO N° 2 Figura 6. En disoluciones acuosas las moléculas anfifílicas forman micelas en las que los grupos polares están en la superficie y las partes apolares quedan inmersas en el interior de la micela en una disposición que elimina los contactos desfavorables entre el agua y las zonas hidrófobas y permite la solvatación de los grupos de las cadenas polares. al elegir un material determinado y un cierto tamaño. el color de la misma.MÓDULO N° 2 Figura 7: Esquema de micelas La formación de micelas es un proceso cooperativo. los investigadores pueden sintonizar con precisión la longitud de onda de la luz emitida y. Las bicapas. son la base estructural de las membranas biológicas. Son nanopartículas semiconductoras que cuando se exponen a la luz. Así. El valor de la CMC depende del tipo de molécula. y así moléculas con regiones hidrófobas largas tienen valores de CMC más bajos de las características de la disolución (fuerza iónica) y de la temperatura. se vuelven fluorescentes cuando resultan excitados por los fotones o electrones. en consecuencia. por encima del cual casi todo el anfífilico adicional se agrega para formar micelas. las disoluciones acuosas de anfífilos no forman micelas hasta que su concentración no sobrepasa un valor. mientras que una bicapa lipídica puede tener dimensiones macroscópicas de hasta 1 mm. normalmente de diámetro menor que 20 nm. el ensamblaje de pocas moléculas no puede proteger las colas hidrófobas del contacto con el agua. En el párrafo precedente se usa como molécula anfifílica al ión cetiltrimetilamonio como director de estructura para la obtención de zeolitas micro y mesoporosas. emiten claramente colores diferentes dependiendo de su tamaño. en consecuencia. P á g i n a 64 | 139 . 3 Puntos cuánticos Un punto cuántico es una estructura cristalina a nanoescala que puede transformar la luz. la concentración micelar crítica (CMC). concretamente de su balance lipofilica/hidrofilica. con proteínas asociadas. Una micela es una estructura limitada. tales como Seleniuro de Cadmio. hidrocarburos) o estructuras sólidas como las zeolitas o compuestos de carbono (fullerenos y nanotubos).. de los electrones de la banda de conducción. Esas estructuras son los puntos cuánticos. como pirámides o montañas. Fosfuro de Indio. excitones (pares de enlaces de electrones de conducción de banda y huecos de banda de valencia). Los puntos cuánticos están hechos de una variedad de diferentes componentes.MÓDULO N° 2 Figura 8. los puntos cuánticos pueden tener el aspecto de una simple pastilla plana. etc. los cuales se encuentran en medios líquidos (agua. Los puntos cuánticos son aplicados en distintos campos:      Aplicaciones biomédicas Dispositivos ópticos Detección remota de incendios Cámaras de visión nocturna Detección y medida de gases contaminantes P á g i n a 65 | 139 . En el mundo macroscópico. o estar disueltos en un líquido. Arseniuro de Indio. con técnicas que manipulan la materia a escalas de nanómetros. A esas dimensiones el material se convierte en una matriz sobre la que han crecido estructuras. formadas por unos pocos cientos o miles de átomos. los huecos de la banda de valencia. Intensidad de energía vs longitud de onda Generalmente constituyen una nanoestructura semiconductora que confina el movimiento. en las tres direcciones espaciales. Nadie sospecharía que esa sustancia ha sido elaborada en el laboratorio partiendo de unos pocos átomos. Por lo general. Este fenómeno puede emplearse en terapéutica y en vacunación. El propósito de esta tecnología es diseñar nano-objetos. Estos fenómenos pueden aplicarse a la ingeniería de tejidos y en medicina regenerativa. la farmacocinética.MÓDULO N° 3 MÓDULO N°3: BIONANOTECNOLOGÍA 1 Nanotecnología aplicada al campo de la Salud: Nanomedicina La Nanotecnología irrumpió en la comunidad científica hace más de 50 años. con fines terapéuticos. Esta estrategia permite proteger P á g i n a 66 | 139 . como relativos a sus modalidades de interacción con el medio ambiente biológico. en terapéutica y profilaxis los nano-objetos son biodegradables y son aplicados por distintas rutas. dos (nanotubo) o tres (nanopartícula) dimensiones en la nano-escala de tamaño. profilácticos y detecnología médica (que incluye ingeniería de tejidos y diagnostico). La aplicación de la Nanotecnología a la resolución de problemas médicos se conoce como Nanomedicina y comprende el empleo de nano-objetos diseñados ad-hoc para operar en la interfase entre el tamaño atómico y el celular. La nano-escala posee un límite inferior de 1 nm (excluye a los átomos) y un límite superior difuso que oscila entre los 200 y 300 nm. estudiar sus propiedades estructurales y luego aplicarlos con múltiples fines. como una promesa capaz de resolver retos ingenieriles inabordables para la materia macro o microestructurada. No es posible identificar un único tipo de nano-objeto igualmente útil para todos los propósitos. la aplicación más importante de la Nanotecnología en salud es la pertinente al campo terapéutico conocida comonanotecnología farmacéutica. a diferencia de lo que sucede con la materia organizada en la macro o microescala. Los nano-objetos son aquellos objetos que poseen una (nanoplato). A partir de allí. La mayoría de las estrategias terapéuticas están basadas en la incorporación de un principio activo (PA) a un determinado nano-objeto. las célulaspueden entablar delicadas y profundas interacciones con la materia nanoestructurada (materia cuya arquitectura se construye con nanoobjetos). consiguiendo que las células enfermas reciban una gran descarga de PA y disminuyendo el acceso del PA sobre las células sanas. Por volumen de ventas y patentes. forma y naturaleza estructural. biodistribución y tráfico intracelular del PA se independiza de su estructura química y pasa a depender de la naturaleza estructural del nano-objeto. ¿Cómo funcionan las nanomedicinas terapéuticas? Las nanomedicinas terapéuticas pueden transportar PA hasta los tejidos patológicos. Los nano-objetos son reconocidos y capturados por células. migración y diferenciación. aquellos que se emplean in vitro o ex vivo (como en la mayoría de las técnicas diagnósticas) no siempre pueden administrarse a un ser vivo. alterando su ritmo de división. En ese ámbito de tamaño. donde recorren un camino intracelular determinado de acuerdo a su tamaño. Además. ocurren nuevos fenómenos asociados al tamaño del nanoobjeto. Asimismo. tanto de naturaleza cuántica. los nano-objetos son cubiertos con un polímero hidrofílico como el polietilenglicol de peso molecular 2000 (PEG2000). aunque unas 100 veces menor que un glóbulo rojo) no pueden difundir a través del endotelio vascular/capa de músculo liso /membrana basal. Claramente es la arquitectura vascular la responsable directa de la biodistribución de nano-objetos inyectados endovenosamente. como los capilares pulmonares (entre 2 y 23 nm de diámetro). el “targeting” o acumulación selectiva de nano-objetos en sitios patológicos. Asimismo durante casi toda su trayectoria. como los tumores sólidos (que constituyen cerca del 85% de los canceres humanos) y también en inflamaciones. obedece a sencillas leyes físicas.6 litros por minuto. por ejemplo. ni penetrar los poros de la vasculatura (<6 nm en vénulas post capilares). ¿cómo se consigue tal selectividad?. proceso conocido como opsonizacion. y no de la estructura química del PA. Tales sitios están presentes en ciertas patologías. Desde allí retornan al corazón. Su viaje por sangre venosa continúa hacia los capilares alveolares pulmonares donde se vuelcan a la sangre arterial. La magnitud de su acceso a los órganos dependerá del volumen de flujo que accede a cada uno. Los nano-objetos estabilizados estéricamente pueden permanecer en circulación por largo tiempo sin ser fagocitados. desde cuyo ventrículo derecho -en humanosson bombeadas a los pulmones a un flujo de 5. bazo (con anchos sinusoides (5-8 µm) en la vasculatura de pulpa roja. los nano-objetos que pierdan su estabilidad coloidal en circulación y se agregan. Sin embargo.MÓDULO N° 3 tejidos sensibles de la toxicidad de drogas citostáticas. Los nano-objetos se acumulan selectivamente en los sitios patológicos Las nanomedicinas terapéuticas son diferentes tipos de nano-objetos que transportan PA. y de su captura por parte de macrófagos. los tumores sólidos comienzan a estimular P á g i n a 67 | 139 . La evasión temporal de la fagocitosis es el primer paso para que los nano-objetos puedan acceder a tejidos diferentes al hígado. además de diluirse y ser arrastrados en el turbulento flujo vascular. A partir de un tamaño mínimo. medula ósea. para ser bombeadas en la sangre arterial a cada uno de los órganos corporales. Sin embargo. dependerá de sus características estructurales. Más aun. los nano-objetos permanecen confinados al compartimiento vascular. los nano-objetos son inmediatamente cubiertos por proteínas plasmáticas. los nanoobjetos ingresan directamente al corazón. Una vez inyectados endovenosamente. pueden ocluir redes vasculares particularmente angostas. son los únicos donde los nano-objetos pueden extravasar hacia los intersticios tisulares. El viaje que recorrerán los nano-objetos una vez en sangre. Para minimizar estos efectos. Los órganos con vasculatura fenestrada como el hígado. bazo o medula ósea. para dejar pasar glóbulos rojos senescentes) y en menor medida. La opsonización es responsable de la agregación (perdida de estabilidad coloidal) de los nano-objetos. Una vez en la sangre. Nano-objetos de unos 100 nm de diámetro (unas 10 veces mayor que el diámetro hidrodinámico de una proteína plasmática como la albúmina. Los nano-objetos estéricamente estabilizados tienen mayores posibilidades de escapar de circulación (extravasar) en sitios con elevada permeabilidad vascular. de unas decenas de angstroms de espesor (“estabilización estérica”). Si bien la nanotecnología aplicada a la cosmética ha crecido en forma paralela a los desarrollos con fines terapéuticos. P á g i n a 68 | 139 . Estas y otras empresas cosméticas han seguido desarrollando innovaciones con base nanotecnológica. sobre todo aquellos con elevado grado de malignidad. 137 fueron clasificados como cosméticos y otros 33. mediante la ingenierizacion adecuada de la estructura de nano-objetos. Este reto se abordará controlando no solo el camino recorrido hasta los sitios enfermos. La existencia de efecto EPR por lo tanto. y existen más de 100 en fases clínicas II y III. como se desprende del número creciente de patentes hallado en las últimas décadas. sino el tráfico intracelular de los nano-objetos dentro de las células blanco. Así por ejemplo. de los 1015 productos nanotecnológicos registrados. que salió al mercado casi en simultáneo con los Niosomes Lancome de L’Oreal. es conocido como efecto de incremento de permeabilidad y retención (enhanced permeability and retention (EPR) effect) o efecto EPR. que probablemente ingresen al mercado farmacéutico en los próximos 5 años. 2. Marisa Fernandez . El efecto EPR es incompleto en infecciones.MÓDULO N° 3 su propia vascularización. aunqueno se ha logrado una mayor eficacia. Otro indicador está dado por el número de productos registrados.  VIDEO: Dra. es necesaria para que las nanomedicinas puedan acumularse selectivamente en sitios determinados.Liposomas Drug Delivery: https://www.com/watch?v=cG4kBerFkMc 2 Nanotecnología aplicada a cosmética. donde el drenaje linfático permanece intacto. Este fenómeno observado en ciertos tumores sólidos. En la actualidad hay más de 20 nanomedicinas aprobadas por la FDA en uso clínico. La resultante vasculatura anómala asociada a un drenaje linfático defectuoso.1 Introducción La industria cosmética fue una de las primeras en implementar principios nanotecnológicos en el desarrollo de nuevos productos. El gran desafío de los próximos años será conseguir tratamientos más eficientes y de mayor efectividad.youtube. subclasificados como protectores solares (1). Esta ha sido una descripción simplificada de los mecanismos responsables del funcionamiento de las nanomedicinas terapeuticas. En 2009. Dior lanzó el primer gel anti-ageing a base de liposomas comercializado como Capture®. Mediante este mecanismo. los menores tiempos y requisitos para el registro de productos cosméticos han acelerado su acceso al mercado respecto a los productos nanotecnológicos de aplicación farmacéutica. se ha conseguido disminuir sustancialmente la toxicidad de tratamientos oncológicos. por ejemplo. son responsables de la acumulación y retención sitio especifica de los nano-objetos extravasados. ya en 1987 la compañía C. y la acumulación de nano-objetos sitio especifica es menos importante. En maquinaria para producción. generalmente asociados a estructuras autoensamblables. superficies autolimpiantes y piezas de baja fricción. los métodos topdown requieren en elevado aporte de energía para vencer fuerza cohesivas y reducir los tamaños de estructuras macro P á g i n a 69 | 139 . se han desarrollado NPs de aplicación cosmética con tamaños en el orden de los cientos de nanómetros. que se consideran nanotecnológicos siempre que presenten propiedades diferenciales asociadas a su tamaño. las NPs pueden ser vesículas con un interior acuoso como los liposomas.2 Clasificaciones La nanotecnología se emplea en la actualidad en tres áreas de la cadena de valor cosmética: las formulaciones. Algunos ejemplos del uso en packaging son los recubrimientos antibacterianos. En efecto. Pero estas aplicaciones se comparten con otros sectores con lo cual se focalizará en la nanotecnología aplicada a formulaciones. del mismo modo que en aplicaciones terapéuticas. preparadas a partir de biopolímeros o polímeros sintéticos ó (c) híbridas. Las nanopartículas (NPs) utilizadas para cosmética pueden ser (a) inorgánicas. materiales barreras contra aire y humedad e identificadores de radio-frecuencia. se emplean materiales antiadherentes. Figura 1. pueden encontrarse métodos top-down. o bottom-up. el tamaño de un nano-objeto puede ser superior a los 100 nm establecidos como límite en otros ámbitos. Diferentes estructuras de nanocápsulas y micelas Cabe destacar que en aplicaciones cosméticas. matriciales con la sustancia activa distribuida homogéneamente en la NP. generalmente a base de superficies nanoestructuradas. En cuanto a su producción. (b) orgánicas. En función de su estructura. Figura 2: Ejemplos de métodos para producción de NPs (esquema basado en Mihranyan et ak 2012) En general. ya sea de óxidos metálicos o compuestas por metales. en los cuales se parte de materiales macroscópicos que se llevan a tamaños nanométricos. el packaging y el equipamiento de producción. La Figura 2muestra ejemplos de los métodos top-down y bottom-up más utilizados por la industria cosmética. o bien cápsulas conteniendo el activo en un núcleo central (core-shell) o en varios núcleos como las denominadas multinucleares o multi-core (Figura 1).MÓDULO N° 3 2. Las características morfológicas determinarán la distribución del activo en la NP y por lo tanto su mecanismo y perfil de liberación. como en otras aplicaciones. Pero sin duda. consiste en el depósito consecutivo de nanocapas de polielectrolitos de carga opuesta. como por ejemplo las NPs de cinc o titanio. ya que se trata en general de estructuras que se ensamblan espontáneamente. El método de layer-by-layer. por ejemplo en la obtención de liposomas se parte de estructuras lipídicas autoensamblables (bottom-up) que luego se procesan por homogeneización para llegar a un tamaño deseado (top-down). la mayoría de las aplicaciones están relacionadas con su empleo como vehículos de ingredientes activos. activos. Como auxiliares de formulación. los métodos sol-gel se conocen desde hace muchos años como técnicas para obtener óxidos metálicos por vía húmeda. aplicaciones IOPE®. Inovita®. aumentar la permeación hacia capas más profundas de la piel. Las nanopartículas (NPs) involucradas en las formulaciones cosméticas pueden funcionar como (a) ingrediente activo. activos. surfactantes no iónicos Future Perfect Skin Gel®. entre otros. Como ingredientes activos algunos tipos de NPs pueden ofrecer protección UV. (b) vehículo o carrier del activo o (c) auxiliar de la formulación. conteniendo etanol) Nanominox®. antioxidantes. Niosomes®. como por ejemplo las NPs de óxidos metálicos y los nanocristales. variando los parámetros que controlan el proceso. 2. así como mejorar las propiedades ópticas de los productos. Efect du Soleil®.MÓDULO N° 3 o microscópicas. estabilizar moléculas lábiles a factores ambientales e incluso controlar su liberación (2). Por el contrario. ambos métodos top-down y bottom-up pueden combinarse para obtener sistemas estables. Olivenöl®. En la práctica. filtros UV. nanoemulsiones. SURMER® capilares P á g i n a 70 | 139 . Lyphazome®. Nactosomes®. Symphatic 2000®. Nanopearl®. desarrollado en los últimos años. (liposomas). Swiss Cellular®. Sin embargo también se emplean para disminuir la toxicidad del activo. como otorgar transparencia o color. pueden funcionar como espesantes en base a sus propiedades reológicas. Nanosistema Vesículas lipídicas NPs lipídicas sólidas Nanomaterial Acción Productos Fosfolípidos Vehiculización de Capture®. Noicellex® Mezclas de lípidos Vehiculización de Lipopearl®. como vitaminas.3 Aplicaciones La formulación de productos cosméticos empleando nanovehículos tiene como objetivo principal mejorar la eficacia de la acción específica respecto a los productos convencionales. Algunos ejemplos de NPs obtenidas por estos métodos son las emulsiones y las NPs lipídicas. Por el contrario. para reducir su dosis. Revitalift®. sustancias anti-acné o anti-ageing. etosomas (liposomas Aquasome LA®. Anti-aeging (niosomas). pero han sido adaptados para la producción de nanoestructuras. Algunos ejemplos de productos comercializados pueden encontrarse en la Tabla 1. los métodos bottom-up requieren aportes de energía moderados. Eusolex UV Pearls® Fulerenos. Esto se logra por disminución del tamaño de partícula del activo como es el caso de los nanocristales. Por otro lado. Sin embargo se han observado aumentos significativos (2-3 veces) en la permeación de sustancias hidrofílicas encapsuladas en liposomas o niosomas (4). como por ejemplo ópticas y antibacterianas. vehiculización de activos LEOREX®.6). que no son biodegradables y suelen tener tamaños inferiores a los 100 nm. Hydra activos Flash bronzer® NPs de Óxidos de cinc (Zn). inorgánicos (Al) Face Brushes®. empleándose como correctores faciales para disimular las arrugas. la seguridad de este tipo de NPs.MÓDULO N° 3 NPs de Poliaminoácidos. En algunos casos se aprovecha la capacidad de NPs de metales nobles como oro. Protectores UV. óxidos titanio (Ti) y aluminio correctores faciales Sunforgettable®. Un ejemplo de esto es el uso dérmico del antioxidante y antiinflamatorio hesperetina en forma de nanosuspensiones que mejoran la penetración del activo (7. Soltan®. explicándose por el efecto oclusivo de estos nanosistemas (5. muy probablemente por el aumento de la hidratación de la piel. ácido Cuidado de la piel Biopolímeros hialurónico Nanocápsulas Polímeros sintéticos Collamin®. Sin embargo. Vehiculización de Primordiale Intense®. ZinClear-IM®. Sircuit® Tabla 1: ejemplos de nanosistemas comercializados en cosmética Se ha descripto que el mecanismo de liberación de los activos mayoritario es el de difusión pasiva. También se incluyen desde hace años NPs de óxido de cinc o titanio en formulaciones de filtros solares. Rénergie®. Au. micas Protectores UV. Este efecto de aumento de permeación también se ha observado por aplicación tópica de NPs lipídicas. Chantecaille Nano Gold Energizing Cream®. cuidado capilar GNS Nanogist®. ya sea metálicas o NPs de óxidos metálicos. Radical Sponge®. Platinum Silver Nanocolloid Milky Essence®. 8). y no así el transporte mediado por los nanovehículos (3). After Glow Brush®. Powermoist®. las NPs de plata se emplean en jabones antibacterianos y cremas anti-acné por sus propiedades antibacterianas. Otra estrategia nanotecnológica para aumentar la permeación es aumentar la velocidad de disolución del activo para alcanzar una mayor concentración de los activos poco solubles en el sitio de aplicación. Se han empleado principalmente por algunas propiedades singulares. incrementando así la difusión. merecen un tratamiento especial. fulerosomas Compuestos de carbono Inhibición de radicales libres Zelens®. plata o platino para dispersar la luz y retener la transparencia. es un asunto de interés general. la seguridad en el trabajo y el medio P á g i n a 71 | 139 . Nanoarcillas Silicatos. ya que podría tener un impacto negativo sobre la salud. Las formulaciones cosméticas basadas en partículas inorgánicas. Alusion® NP metálicas Ag. Pt Antibacterianos. . & Garti. 7. manteniendo la capacidad de filtrar la radiación UV y la transparencia de las formulaciones. 2005. Wiechers. L.H. R. & Guy. 8. Por ejemplo. Por tratarse de aplicaciones cuya importancia no es vital. 2. Pharmazie 69(3):173-182.. Ferraz. con lo cual podrían atravesar barreras anatómicas como la piel (9). Int J Pharm 371(1-2):182–189. editor.H. 5. Müller. Al Shaal. Adv Colloid Interface Sci 123:369-385. C. Wissing. A. Mihranyan.Transdermal drug delivery: penetration enhancement techniques. Delivery system handbook for personal care and cosmetic products.. que llevan a la formación de radicales libres. 2. Müller. Wu. Mishra P. (2009) Applications of nanoparticles in topical drug delivery and in cosmetics.11). R. M. Mishra P. In: Rosen MR. Norwich. X. con lo cual se requerirán de investigaciones sistemáticas que permitan asegurar los efectos beneficiosos y la baja toxicidad de estos nuevos productos cosméticos basados en la nanotecnología. N. R. 6. Optimizing skin delivery of active ingredients from emulsions. J Drug Del Sci Tech 19(6):371-384. 2.. sin embargo no se han realizado estudios sobre piel lastimada o dañada por el sol. se han observado en experimentos in vitro efectos fotocatalíticos de las NPs de óxidos metálicos. 409–436.M. las partículas deben ser muy pequeñas (< 20 nm). Keck. Strømme.M. Para minimizar este efecto.. R. tinturas para cabello a base de nanoestructuras de carbono con propiedades protectoras. (2005). S.4 Conclusiones Se espera que en los próximos años la nanotecnología aplicada a la cosmética sea uno de los sectores en mayor expansión.R. Keck. Kogan. Int J Pharm 254(1):65-68.. Progr Mat Sci 57:875–910. 3. 4. L.. Benson. ni tampoco estudios de toxicidad crónica sobre todo el espectro de nanoestructuras no biodegradables empleadas en cosmética. siempre que se trate de productos seguros.5 Referencias 1.W. Al Shaal. (2012) Current status and future prospects of nanotechnology in cosmetics. C.A..MÓDULO N° 3 ambiente.H. no se han encontrado aún evidencias de que estas NPs penetren a través de la piel humana (10. y nuevas cremas anti-ageing con NPs de polímeros que favorezcan la permeación de los activos.H. Müller. (2006) Microemulsion as transdermal drug delivery vehicles.. p.R. Curr Drug Deliv 2(1):23-33. H.. P á g i n a 72 | 139 . el margen de riesgo aceptable para la salud o medio ambiente será mínimo. Estos nuevos productos probablemente incluirán formulaciones para protección UV que además de atenuar la radiación remuevan los radicales libres generados. J. N. (2003) Cosmetic applications for solid lipid nanoparticles (SLN). más eficaces que los convencionales y que reciban la aceptación por parte de los consumidores. (2014) Nanosuspensions of hesperetin: preparation and characterization. NY: William Andrew Inc. A pesar de estos datos. A. (2009) Production and characterization of Hesperetin nanosuspensions for dermal delivery.A. productos para cuidado dental con NPs de flúor y otros materiales que promuevan la remineralización. M. Riviere. Ellis. Estructuras soportes o andamios (scaffolds en inglés) que imitan la matriz extracelular (ECM. 3 Ingenieria en tejidos La ingeniería de tejidos y órganos o también llamada medicina regenerativa es una rama de la biomedicina. A. de forma conjunta o separada. polímeros naturales o sintéticos y de compuestos formados por combinación de ellos.and zinc oxide-based sunscreens. En el caso de las prótesis que reemplazan parte de un órgano tiene que ser permanente. por sus siglas en inglés. Monteiro-Riviere. Stotland. reproduciendo los mecanismos intervinientes en la renovación celular del organismo. El objetivo de esta disciplina es la reparación de tejidos. Moléculas o grupos bioactivos (compuestos químicos que tienen un efecto o causan una reacción en el tejido vivo). N. mientras que en otros casos puede tener una duración limitada al tiempo necesario para realizar su función. 2. A partir de células aisladas del organismo. de tres elementos:    Cultivo de células.D. no generar rechazo ni daños. es decir. a la medicina. Ser compatibles con el organismo. aesthetics and potential. M. (2009) Interaction of nanomaterials with skin: aspects of absorption and biodistribution. J Am Acad Dermatol 61(4):685– 92. Andamios Uno de los puntos claves en la regeneración de órganos es el de desarrollar estructuras 3D que actúen como vehículo para transportar células y moléculas a lugares concretos del organismo. Luego del crecimiento celular se procede al implante.I. se realiza un cultivo empleando un soporte o andamio y agregando moléculas activas. (2009) The safety of nanosized particles in titanium dioxide. Tener una determinada vida media para desarrollar su tarea. J. Extra Cellular Matrix) del tejido. Nanotoxicology 3(3):188–193. Estos soportes se construyen con materiales distintos en función de la estructura del órgano o tejido donde se vayan a implantar. Los materiales más empleados son los polímeros por las características y versatilidad de los mismos. La ingeniería de tejidos se basa en el uso. 11. (2010) One-to-one comparison of sunscreen efficacy. cerámicos. Se pueden fabricar implantes (o estructuras) de diferentes materiales como metales.. Esta duración puede ser más o menos larga. P á g i n a 73 | 139 . Newman.. 10. Es necesario que esas estructuras cumplan con varios requisitos como: 1.. Nat Nanotechnol 5:271-274.E. que actúan enviando señales químicas (factores de crecimiento celular por ejemplo).MÓDULO N° 3 9. Barnard. a la ciencia de los materiales como a la informática. J.A. a la química. relativamente nueva que involucra tanto a la biología. En el área de tejido vascular también se presentan características nanoestructurales debido a la presencia de colágeno y elastina en la EMC. Existen diversas teorías sobre el mecanismo pero básicamente la mayor rugosidad. como el autoensamblado de moléculas. para inhibir trombosis e inflamaciones severas. la litografía. También en el área de tejido nervioso la nanotecnología puede ayudar a reparar nervios dañados. que permite un mayor anclaje. Los materiales nanoestructurados presentan por lo tanto una mejor biocompatibilidad. contribuye a esta situación favorable. Esa matriz posee características funcionales que permiten un mejor crecimiento celular. P á g i n a 74 | 139 . Esto se debe a las características únicas de los nanomateriales y en particular de las propiedades superficiales (topografía. Esta nanoestructura autoensamblada de la ECM en el hueso afecta favorablemente la adhesión. Se especula que la nano-rugosidad y por ende el incremento de la superficie. Es interesante notar que el hueso natural es un material compuesto formado por aproximadamente 30% de una matriz y 70% de un mineral rígido de tamaño nanométrico. es responsable de la mejor regeneración ósea en nanomateriales. proliferación y diferenciación de las células. La matriz consiste de colágeno y de otros compuestos orgánicos y la fase mineral está formada por cristales nanométricos de hidroxiapatita en forma de placas depositadas alrededor de las fibras proteicas (formadas por proteínas). la matriz extracelular tiene dimensiones características de una nanoestructura. El gran impacto que tiene la nanotecnología en la ingeniería de tejidos se debe a que la matriz extracelular (ECM) es una red nanofibrilar (fibras con diámetros con tamaños nanométricos) compuesta de biomacromoléculas (moléculas con acción sobre los tejidos vivos) que rodean y soportan las células que crecen para formar el tejido. por lo que el uso de stents nanoestructurados podría aumentar la probabilidad de endotelización. y los nanomateriales prometen ser útiles para mejorar funciones de las células vasculares y específicamente las endoteliales y células musculares lisas. Desde el punto de vista estructural. mojabilidad y energía superficial) debido al significativo incremento del área superficial comparada con los materiales convencionales. que en este caso van de los 50 a 500 nm. también usados en otras áreas de la nanotecnología. Uno de los eventuales problemas en el uso de stents vasculares es el crecimiento excesivo de células musculares lisas comparado con el de células endoteliales. propiedades de suma importancia en tejidos nerviosos.MÓDULO N° 3 3. la segregación de polímeros en nanofases. el ataque químico selectivo y el electrohilado entre otros. En el campo de la ingeniería de tejidos se aplican varios métodos de fabricación. Aportar las prestaciones necesarias para realizar correctamente la función a la que van a ser destinados. naturaleza química. Los nanocompuestos formados por nanofibras y nanotubos de carbono (tubos con diámetros en escala nanométrica) permiten desarrollar andamios con citocompatibilidad y conductividad excepcionales. mejores propiedades mecánicas y eléctricas que los materiales convencionales. Marisa Fernandez . y/o toxicidad tanto durante la elaboración como durante la implantación. la química.com/watch?v=LtmDq3ceZpc 4 Bionano en energías renovables 4. tanto por la capacidad de producir nanoestructuras similares a los tejidos naturales como usar nanopartículas para liberación de fármacos. [1] P á g i n a 75 | 139 . Se ha comprobado que el aumento de la rugosidad (y por ende la superficie expuesta) juega un papel importante en los fenómenos de adhesión. o inversamente. el de cultivar células del paciente en andamios en un reactor y luego implantarlo en paciente junto con factores de crecimiento. deformación. utiliza materiales y sistemas biológicos y bioquímicos existentes en la naturaleza para fabricar nuevos dispositivos en diversas aplicaciones . esta forma tiene problemas de eficiencia. Las propiedades de los materiales desarrollados y las aplicaciones estudiadas en bionanociencia incluyen propiedades mecánicas (Ej. propiedades electroquimicas (potenciales redox. Una forma más efectiva sería desarrollar materiales inteligentes capaces de enviar señales para estimular el crecimiento celular. pero aún estamos lejos de alcanzar ese objetivo. Por ejemplo principios bioquímicos que se utilizan para comprender las propiedades de los materiales de los sistemas biológicos son centrales en bionanotecnología porque esos mismos principios pueden ser utilizados para crear nuevas tecnologías. Cabe preguntarse cuál es la respuesta de la célula a la nanoestructura. Perspectivas futuras La ingeniería de tejidos ha mostrado un gran interés en aplicar la nanotecnología. Se ha estudiado el efecto de la nanoestructura sobre la orientación de la célula y esto permitiría controlar el crecimiento celular. La nanotecnología es una herramienta poderosa en el camino de crear esos materiales inteligentes. la nanobiotecnología es una rama de la nanotecnología que desarrolla nuevos materiales para su utilización en aplicaciones biológicas y/o bioquímicas. conductividad.Ingenieria de Tejidos: https://www. Un aspecto que aún queda por dilucidar y está en discusión es la seguridad de esos nanomateriales en medicina regenerativa. especialmente la bionanotecnología es un campo multidisciplinarioque abarca una amplia y diversa áreas de estudio tales como la ingeniería. Las estrategias en medicina regenerativa tienen hoy un enfoque convencional. adhesión. La mayor parte de los conceptos científicos en bionanotecnologías se derivan de otros campos. También se ha reportado cambios en la bioactividad y en la morfología celular. Se requieren estudios de inocuidad. Como en otras áreas de la nanotecnología. nanobiotecnología y nanobiología son términos que se refieren a la intersección de la nanotecnología y la biología. la física. la genética y la biología. Sin embargo.  VIDEO: Dra. Por lo tanto.MÓDULO N° 3 Respuesta celular a la nanoestructura.1 Fotosíntesis Artificial Bionanotecnología.. el colapso).youtube. químicos. de alta área superficial. y también en lo que concierne a la comprensión de los procesos fotosintéticos naturales. ya que dentro de algunos años la producción mundial de petróleo convencional empezará a disminuir al haber alcanzado su límite de producción. Una tecnología de desarrollo reciente que imita algunos aspectos físicos. Se han realizado progresos muy significativos en esta área de estudio. absorción de luz. tales como la solar. la nanobiotecnología posee un posibilidades enorme para producir avances de la ciencia médica . estabilidad térmica). De hecho. es menos común o natural asociar la bionanotecnología con el desarrollo de fuentes de energía que utilicen recursos renovables y no sean perjudiciales con el medio ambiente. fotoquímica). Una estrategia a nivel mundial es diversificar progresivamente la producción de energía con el uso de tecnologías que tomen provecho de diversas fuentes de energías renovables. En este marco. Este es un problema al cual la Argentina no es ajena. Este tipo de [3] [4] [5] [6][7] P á g i n a 76 | 139 .MÓDULO N° 3 reacciones electroquímicas). propiedades biológicas (Ej. propiedades ópticos (Ej. Un procesos natural que ha servido de inspiración para el desarrollo de tecnologías de conversión de energía solar es la fotosíntesis. Al presente el mundo se encuentra en un periodo de crisis energética. propiedades catalíticas del tipo enzimática).. y recientemente se ha manifestado con una abrupta disminución de sus reservas de petróleo convencional. desde mucho tiempo atrás. Actualmente el crecimiento poblacional y su consecuente actividad han aumentado la demanda de productos y de energía. las estructuras nanométricas tales como nanopartículas. luminiscencia.. nanohilos. biocompatibilidad. [2] Las utilización de la energía solar respecto de otras formas de energías es conveniente debido su amplia disponibilidad. nanotubos. Por lo tanto. Es sorprendente observar que la fotosíntesis es capaz de generar estados de separación de cargas a partir la absorción de luz solar con una eficacia unitaria. generando un fuerte impacto en la huella ecológica de la humanidad. La información provista ha sido utilizada en el diseño de sistemas fotosintéticos biomiméticos . el desarrollo de sistemas de conversión de energía de alta eficiencia y bajo impacto ambiental es un área crítica en el avance tecnológico actual del país. El funcionamiento de este tipo de celdas solares se basa en la separación de los procesos de absorción de luz y el transporte de carga en diferentes materiales: la luz se absorbe por los colorantes moleculares adsorbidos en una capa de un óxido de metal nanoestructurado y mesoporoso. interacción con células. eólica y energía hidráulica. La fotosíntesis artificial ha impulsado. A pesar de estos avances en el entendimiento de los procesos fisicoquímicos y estructurales de la fotosíntesis recién con advenimiento de la nanociencia el hombre fue capaz de tener las herramientas necesarias para imitar algunas nanoestructuras utilizadas en la naturaleza. estructurales del aparato fotosintético son las celdas solares de sensibilización espectral (Dye Sensitized Solar Cells. Actualmente se conoce la arquitectura usada en los centros de reacción fotosintéticos bacteriales en el almacenamiento y conversión de luz en energía química . procesos que puede ser asociado al proceso básico que debe realizar un dispositivo de conversión de energía solar. propiedades térmicas (Ej. Mientras tanto la demanda mundial no deja de aumentar. nanofibras desarrollados en el área de la bionanotecnología debido a su naturaleza "bio" es común asociar directamente su utilización en aplicaciones en el campo de la medicina y alimentación. DSSC) . los primeros estudios sobre la fotoquímica. Sin embargo. M. transfiere un electrón a la banda de conducción del óxido que difunde hacia el colector. H.V.. El estado excitado del colorante.G.. Por otra parte la sensibilización espectral (h2) hace posible la generación de fotocorriente (paso 1) mediante la irradiación del sistema con luz de menor energía que el “band gap” del semiconductor.. 14. Tyagi.G. Hossain. El colorante oxidado se regenera por un dador de electrones que se encuentra en una solución electrolítica. Pranke. 10:31. S.. Da Costa. Z. P. Martins. V. Tyagia.V. Figura 1: Diagrama de energía para el mecanismo de sensibilización espectral de un semiconductor nanoestructurado. Kaushika. D. lo cual le permite obtener un mayor números de centros de reacción por unidad de área (Ver Figura 1). M.A. V. El proceso total es regenerativo y no hay ningún cambio químico neto. 2012. 1383.MÓDULO N° 3 electrodos de alta superficie activa formados a partir de nanopartículas de oxido de titanio (TiO2) de ~50 Å de diámetro promedio imita a la estructura rugosa de la membrana tilacoide del centro fotosintético natural. Afroz. De Morais...2 Referencias [] Biological applications of nanobiotechnology. Energ. 2012. [2] [] Advancement in solar photovoltaic/thermal (PV/T) hybrid collector technology. J. Journal of Nanobiotechnology. difunde al contraelectrodo del dispositivo para ser reducido. resultante del proceso de absorción de la luz. Sust. 2014 1007-17.Rev. S. pero éste puede ser suprimido parcialmente con la presencia de un reductor de sacrificio (paso 3). [1] [] Prospects and applications of nanobiotechnology: A medical perspective. 1-8. 4. [3] P á g i n a 77 | 139 . La eficiencia de inyección de cargas es disminuida por el proceso de recombinación (paso 2).. Renew. Fakruddin.K.C. Steffens. que a su vez.. Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 16. Los principales procesos se muestran en la Figura 1 y son: la excitación directa (h1) del semiconductor genera el par hueco-electrón capaz de producir una fotocorriente anódica (paso 5) al inyectar un hueco en una cupla redox adecuada (paso 4). hasta propiedades como la biodisponibilidad. 44.. Miki K. Gust D. se hizo posible primero observar los materiales a escala atómica y. Leandro Socolovsky . [5] []Solar energy conversion by dye-sensitized photovoltaic cells. Moore A. permitieran observar a esa escala. lananotecnología tiene su antecedente más remoto en un discurso pronunciado en diciembre de 1959 por el físico Richard Feynman. después. Aplicación en celdas solares de sensibilización espectral. que está determinado por longitudes de onda demasiado grandes para estos tamaños.. manipular átomos individuales. ganador del Premio Nobel. A. que. [4] [] An Artificial Photosynthetic Antenna-Reaction Center Complex. [7]  VIDEO: Dr. a escala nanométrica (desde 5 a 50 ó 100 átomos) en los alimentos o en sustancias en contacto con ellos. 1999. S.MÓDULO N° 3 [] X-ray structure analysis of a membrane protein complex. Al igual que en los otros materiales. Deisenhofer J.2013.1 Introducción a la Nanotecnología en el Área de Alimentos Considerado por la comunidad científica internacional como uno de los más "innovadores y ambiciosos" proyectos de la ciencia moderna. NanoGe J. Desde el color. Liddell P. pueden P á g i n a 78 | 139 . 6841. J. 1984. etc.. 1. Johnson T. Ener. la potenciación de sabor.. M.com/watch?v=vpPtm5WlyUM 5 Nanotecnología aplciada a alimentos 5. Sust. Inorganic Chem. Kuciauskas D. [6] [] Recientes avances en la generación de colorantes orgánicos multidentados. Lindsey J.. 385. ocurren cambios que pueden ser sumamente sorprendentes. 121. Chem. Am. 180. Lin S.Oxidos de hierro https://www. J. y ha abierto nuevas áreas de la ciencia y la ingeniería a nivel atómico y molecular. 1-7.. Weghorn S. Es así que en los años 80 con la aparición de la Microscopía Túnel de Barrido (STM) o de Fuerza Atómica (AFM).. Electron density map at 3 A resolution and a model of the chromophores of the photosynthetic reaction center from Rhodopseudomonas viridis. E. El desarrollo de estas técnicas ha sido sin duda el evento más importante en el campo de la ciencia de superficies en los últimos tiempos. Soc. Grätzel. A. Huber R. Mol.youtube. Fungo F. J. Moore T.. y Otero L.. 2005. Macor L. Michel H. L. a esa escala. quien estableció las bases de un nuevo campo científico. particularmente las microscópicas. 8604. Biol. Epp O. Hubo que esperar varios años para que el avance en las técnicas experimentales.. como TiO2 que actúa como secuestrante de O2. se podría distinguir entre aquellos materiales nanoestructurados que están en contacto con ellos. ZnO. vital para la vida humana y componente habitual de un gran número de alimentos. y los ingredientes o alimentos propiamente dichos. Nanoesferas de almidón como adhesivos en envases de hamburguesas. Algunas aplicaciones están en sus estadíos iniciales de desarrollo y otras ya han llegado al mercado. Es necesario entonces pensar en una nueva regla para medir las estructuras. Escala de tamaños desde macro a nanómetros. En cuanto a las aplicaciones en el área de alimentos. Figura 1. P á g i n a 79 | 139 . como Nanosonda de Sílice para detección de Salmonella Nanocerámicas que inhiben la polimerización de aceites en fritura profunda. Esta nueva escala que hace pocos años parecía de ciencia-ficción. y otras que pronto se podrán utilizar. etc. que permite más rápido sellado. Nanomateriales activos incorporados. Nanomateriales no metálicos Nanoplaquetas de silicato en films para empaque. desde las más simples a los conglomerados. Estructuras complejas a nanoescala. utensilios de cocina. a través de la manipulación de los átomos. con menor temperatura de fusión. En la Figura 1 se aprecia el tamaño de la molécula de glucoca. clusters o arreglos de fibras.MÓDULO N° 3 comportarse de modo muy diferente al que estamos acostumbrados a observar en el mundo macroscópico. mejora las propiedades de barrera al O2 y el brillo. usado como agente anti radiaciones UV. y antifúngico. ha permitido desarrollos y aplicaciones que ya han llegado al mercado. heladeras. por ejemplo:      Nanopartículas metálicas (Ag) usadas como antimicrobianos en bolsas para alimentos frescos. recipientes tipo tupper. Esta tecnología abre la posibilidad de creación de materiales a medida. Esquema de uso de nanotecnología en agroalimentos P á g i n a 80 | 139 . Y en cuanto a ingredientes. antioxidantes o aceites saludables a través de la nanoencapsulación. Mejora de la disponibilidad de nutrientes.MÓDULO N° 3  Películas comestibles elaboradas con ingredientes de canela o aceite de orégano con actividad antimicrobiana. Sin embargo. En la Tabla 1 se muestran algunas de las aplicaciones que están en uso o en desarrollo. en los que el diseño del producto compensa la pérdida de cremosidad debido a la reducción de grasas Nanoemulsiones de diferente naturaleza que incluyen por ejemplo colorantes. relacionadas con el área agroalimentaria: Tabla 1. como vitaminas. por ejemplo la molienda seca del trigo entero. que potencian el color. La homogeneización es también un mecanismo “top down”. que permitiría la separación de la proteína zeína. y en este caso es bien conocido el proceso industrial que usa presión para la reducción de glóbulos de grasa. aún se carece de apropiado equipamiento a nanoescala. En la bibliografía también se muestra el uso de láser y vaporización seguida de enfriamiento. Un ejemplo de mecanismo usado para producir nanomateriales es la molienda mecánica. podrían citarse     Batidos de chocolate nanoparticulados que mejoran la incorporación de nutrientes de la formulación Helados reducidos en grasa. El efecto antioxidante del té verde puede incrementarse con una reducción de tamaño. La manufactura o elaboración de los nanomateriales alimentarios podría realizarse tanto con el método “top down” como con el “bottom up”. Todos estos desafíos deberán necesariamente involucrar un trabajo multidisciplinario con conocimientos de Química. se muestran en la bibliografía internacional. Bioquímica. Esto no significa que los alimentos sean atómicamente modificados o producidos por nanomáquinas". producción. Aunque la definición parece ser artificialmente estrecha con esta exclusión. Nanoforum. elaboración o envasado de los alimentos. se verá reflejado en ineludibles modelos de colaboración interdisciplinaria en campos como la llamada nanomedicina. El impacto en la vida moderna. dice en un reciente informe sobre la nanotecnología en la agricultura y la Alimentación que un alimento es nanoalimento cuando "se utilizan herramientas o técnicas de la nanotecnología durante el cultivo. todavía proporciona una buena idea de cuántos alimentos serán nanoalimentos en el futuro. La nanotecnología y el conocimiento de los procesos P á g i n a 81 | 139 . Biología Molecular y Física. la nanorobótica. la nanobiología. Ingeniería Electrónica y otras tantas ciencias. que un número cada vez más creciente de investigaciones relacionadas con la aplicación de la nanotecnología. integrado por un grupo de investigadores europeos. Fisiología.MÓDULO N° 3 Cabe destacar. Yen GC. 2006. 56 (18):8231–8247. 2008. Food Hydrocolloids. 2008. Available from: http://nano. químicos y físicos a nivel molecular. Nanotechnology: its impact on food safety. Wu SH. van Ruth SM. Huang Q. J Environ Health. 2nd ed. Given P. 38(4): 902–912. J Food Sci. 2009. Nanotechnology and Applications in Food Safety. 18(5):269–280. Gramdorf S. 2009. de Azeredo HMC. se convertirán en una de las revoluciones científicas más importantes para la humanidad. FAO/WHO. 60(3):30–36. Williams TG. Nanotechnology in food products: Workshop Summary. 2007. Sanguansri P. Hentschel A. 1999. Chaudhry Q. 2009. Avena-Bustillos RD. Trends Food Sci Technol. Yu HL.au Gharsallaoui A. Huang QR. Luykx M. Nanocomposite edible films from mango puree reinforced with cellulose nanofibers. Roudaut G. Graveland-Bikkerand JF. IOM (Institute of Medicine). Micro/Nano Encapsulation of Active Food Ingredients. J Agric Food Chem.40(9):1107–1121. 17(5):196–203. et al. Chapter 22. Bayer AG – research – Nanotechnology – Plastics – Polyamides. Azeredo HC. 2009. 2009 Augustin MA. Mattoso LH. FoEA Nanotechnology Project. Peters JB. Mc Hugh TH. Potential benefits of micro and nano technology for the food industry: does size matter? New Food Mag. Kurz T. 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Adv Food Nutr Res. Applications and implications of nanotechnologies for the food sector. Food Technol. Nanostructured Materials in the Food Industry. 5. Chen H. Saurel R. 2009. Microstructural Principles of Food Processing and Engineering. Available from: http://www. Food Addit Contam. Elsevier. Peters RJB. Nanoemulsions. P Colonna. Lyons K. 2008.com/umichnanobio. Vinaixa M. Epub online: 2009 Nov10. Mozafari MR. Camacho-Díaz BH.com Ottaway PB. Takhistov P. Weiss J. 5(2):22–44. Morris VJ.27:82–89. Antimicrobial activity of glucose oxidase. 2009:411–424. G BarbosaCanovas eds.vitamincity. 21:936–942. Luykx DM. Morris VJ. A review of analytical methods for the identification and characterization of nano delivery systems in food. Park HM. Vartiainen J.85(2):253–261. Analytical nanotechnology for food analysis. W Spiess. Livney YD. Centre for Biologic Nanotechnology. The NovaSOL® Technology.azonano. The World of Food Science: Food Nanotechnology 2008. McClements DJ. 2005. Decker EA. 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Nanosistema para medicina El nanosistema de la Figura 1 incluye además de un fármaco. mejorados y adaptados a sus aplicaciones visión de abajo hacia arriba (Bottom-up) o mirando los nanosistemas desde el dispositivo.MÓDULO N° 4 MÓDULO N°4: MICRO Y NANOSISTEMAS (MEMS Y NEMS) 1 Introducción a los nanosistemas 1. sistemas nano electromecánicos (Top-down).anales. los sensores y los detectores. enfermedades neurodegenerativas y cardiovasculares.ranf. la óptica.com/ojs/2011/04/09. Actualmente se trabaja en la integración de estas dos áreas. la biomedicina. como lo son. un agente fotosensible. el reciclado de basura. 1. un agente magnético y agentes de contraste para permitir tanto la orientación selectiva como el diagnóstico y la monitorización de la terapia.1 Introducción Esta área del conocimiento se dedica a investigar y desarrollar micro y nanosistemas que trabajan dentro de los campos de la energía. logrando mejorar su selectividad y eficacia. Dentro de esta área se potencia el desarrollo de nanosistemas efectivos para enfermedades de difícil curación y de elevada incidencia. Según el enfoque que se tome de los nanosistemas nos podemos referir a sistemas integrados por nanomateriales funcionalizados. que tallan selectivamente distintas partes del sustrato o agregan nuevas capas estructurales para formar los dispositivos mecánicos y electromecánicos. Los dispositivos y sistemas micro/nano electromecánicos son inherentemente más pequeños. la operatividad en bajo consumo de energía. En tanto los componentes electrónicos se fabrican utilizando la tecnología de circuitos integrados (IC). fabricación por lote. sensores. y la integración con la electrónica. los componentes micro/nano mecánicos son fabricados usando procesos de micromecanizado compatibles. lo que lleva a beneficios potenciales de una amplia gama de campos de la medicina a la biotecnología. actuadores y electrónica en un sustrato común. debido a las ventajas del tamaño. Esta rama de la nanotecnología permite incrementar la funcionalidad de equipos debido a sus ventajas comparativas. Se espera que la tecnología NEMS tenga grandes oportunidades en el futuro. livianos y rápidos que sus contrapartes macroscópicas. por ejemplo. Este impulso ha sido dado a través de la miniaturización. tamaño reducido. preservando al mismo tiempo alta capacidad de respuesta mecánica. reuniendo la nanoelectrónica basada en silicio con la tecnología micro/nano mecanizado posibilitando la realización de sistemas completos e integrados. Los NEMS prometen revolucionar todas las ramas de la producción. bajo consumo. bajo costo. también son más precisos. P á g i n a 85 | 139 . CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). sensores y actuadores). Los sistemas nano electromecánicos (NEMS) permiten explorar el campo mecánico en la escala nanométrica. Los sistemas Nano electromecánicos están avanzando y se suman al uso cotidiano integrándose a gran variedad de productos. también cabe destacar que la oferta de esta tecnología aumenta y permite la creación de nuevas categorías y subproductos. la fabricación por lotes.3 Sistemas Micro/Nanoelectromecánicos (Micro/Nanoelectromechanical Systems. En este régimen de tamaño. alta funcionalidad y bajo peso. proporcionando la interfaz necesaria entre la potencia computacional disponible y el mundo físico a través de las capacidades de percepción y control de dispositivos micro/nano (por ejemplo. es posible alcanzar frecuencias fundamentales extremadamente altas. bajo peso. Estos dispositivos se están convirtiendo en un diferenciador de productos en numerosos mercados. esta tecnología permitirá el desarrollo de productos inteligentes. Esta combinación de atributos se traduce directamente en una alta sensibilidad de la fuerza. y en muchos casos.MÓDULO N° 4 1. MEMS / NEMS) Los sistemas Micro/Nano electromecánicos (MEMS NEMS por sus siglas en inglés) se forman de la integración de elementos mecánicos. Bipolares o BICMOS. sensores ópticos. obturadores ópticos. Este programa computacional permite un mejor P á g i n a 86 | 139 . También existen herramientas computacionales capaces de proponer resultados sobre procesos de micro/nanofabricación a través de las misma se obtienen maquetas electrónicas de los dispositivos diseñados. Los algoritmos de cálculo utilizados son el método cinético de Montecarlo (KMC) y el método de Autómata Celular (CA). cálculo y fabricación. También se suman a los dispositivos antes mencionados espejo de torsión. se pueden definir diferentes sustratos y sus respectivas orientaciones cristalográficas según los índices de Miller. Estos dispositivos se han convertido cada vez más importante en el desarrollo redes. Federico Golmar . Proceso de diseño.  VIDEO: Dr. dispositivos de micro/nano espejos. Simuladores de Procesos de Fabricación Aces (software libre): Este software realiza la simulación de los procesos de comido químico en inmersión en líquido (wet-etch). interruptores y reflectores de cubos nanomaquinados (Nano Corner Cube Reflectors). telecomunicaciones y sistemas ópticos.1 Software de Cálculo y Simulación Los diferentes procesos realizados para obtener micro y nanodispositivos se llevan adelante a través de software de cálculo y simulación que entregan aproximaciones numéricas utilizando maquetas virtuales. escáneres. Luego de realizado el proceso de diseño y simulación del nanodispositivo la manufactura de los mismos se lleva a cabo en salas limpias (llamadas en inglés clean room). láseres. Estas herramientas permiten realizar cálculo numérico sobre modelos llamados “multifísica” que pueden entregar soluciones a varios fenómenos físicos en el mismo modelo. posee la capacidad de trabajar con varias máscaras a la vez superponiendo pasos de fabricación. Procesos de fabricación en nanotecnología. pantallas y sistemas de proyección. áreas de manufactura (salas limpias) 2.Micro y nanosistemas https://www.MÓDULO N° 4 Uno de los dispositivos nanotecnológicos que más ha avanzado en los últimos años son los nanoópticos (NOEMS Nano Optics Mechanical Systems).youtube. Las aplicaciones potenciales incluyen nanosistemas de almacenamiento óptico de datos.com/watch?v=v9cabeeMnDY 2 Micro y nanosistemas. Modelado virtual. linear.com/designtools/software/ Klayout: programa libre utilizado para visualización de máscaras ópticas en formatos gds. La malla es el conjunto de nodos en los que se divide un sólido.edu/KOH. Gerber PCB. http://www.MÓDULO N° 4 entendimiento de los procesos de grabado aplicados en microsistemas. simulando cada paso como si se realizara en una sala limpia de construcción de microsistemas. movilidad iónica y lentes electrostáticas y magnéticas para sistemas ópticos. también permite diseñar la máscara óptica que se utilizará junto con el proceso de fabricación para construir un modelo virtual del microdispositivo.org/gmsh/ Simion 8: Este paquete de cálculo se utiliza para modelar la trayectoria de partículas cargadas que se mueven en campos eléctricos o magnéticos. se obtienen aproximaciones numéricas y semi-empíricas de los procesos de fabricación realizados para construir el modelo virtual. http://geuz. http://www. dxf. El software se aplica al diseño de equipos de espectrómetro de masas. posee una interfase que admite diseños CAD.arnesenfamily. además se contempla la relación con los nodos vecinos.php?id=byu:projects:ecen_550_mems:1kohetchingpr ep http://cleanroom. gds2.klayout. de esta forma permite diseñar un dispositivo siguiendo las reglas de producción de las mencionadas fábricas (foundries en inglés).exe.simulación de modelos multifísica: este programa permite modelar en forma rápida dispositivos que incluyen varios fenómenos físicos al mismo tiempo o interrelacionados. de esta forma el usuario puede agregar y relacionar estas ecuaciones con fenómenos diversos físicos.net/doku. http://wiki. además cuenta con infinidad de tutoriales que están incluidos en el paquete de software sobre los que se puede trabajar adaptándolo a las necesidades del usuario.parts/aces_b2. Además posee una amplia biblioteca con los procesos estándar utilizados por las fábricas de microfabricación más renombradas. luego se realiza el modelado de las señales obtenidas del dispositivo (software libre). posibilitando si se deseara la producción masiva del diseño. CIF. además permite realizar el posprocesado de los datos calculados con software de elementos finitos (software libre).byu. Coventorware 2008-2010: La herramienta “Designer” permite modelar microsistemas desde el proceso de fabricación. una extensa biblioteca de materiales. LTspice: es un simulador de circuitos electrónicos que permite armar en forma fácil y sencilla a través de los componentes discretos un circuito como si se tratara de plaqueta de pruebas (protoboard). P á g i n a 87 | 139 . videos y manuales. utiliza un mayador automático propio.de/ Comsol Multiphisics. Aquí se puede descargar el software Aces. Simuladores de Cálculo numérico Gmsh Mesh Generator: Este es un programa que permite generar volúmenes mallados para utilizar en software de cálculo por elementos finitos a partir de modelos virtuales obtenidos de programas de diseño (CAD). OASIS. Además permite utilizar el software como un programa de cálculo de ecuaciones diferenciales. permite cargarle a las partículas condiciones iniciales. de vacío y los gases utilizados por los diferentes equipos.fi/english Figura 1. La sala limpia es la herramienta mas importante en la fabricación de microsistemas. dentro de ella se pueden tener habitaciones con distinta calidad de aire. Federal Standard 209. http://www. británica o la americana. Figura 1. Simulación numérica realizada con el software Elmer multiphysics(software libre) a través del método de los elementos finitos sobre un actuador térmico. además existen otras normas como la BS 5295. Los dispositivos en nanotecnología se construyen dentro de áreas llamadas salas limpias (clean room en inglés). También se controlan otros parámetros como temperatura. una área de deposición de películas delgadas. Coventorware 2008/2010: la herramienta “Analizer” realiza cálculo numérico de modelos multifísica.csc. allí se aprecian los lugares P á g i n a 88 | 139 . normalmente constan de una área defotolitografía.MÓDULO N° 4 Elmer Multiphysics CSC: Esta es una herramienta de simulación de ecuaciones diferenciales parciales que incluye modelos de fluido dinámica. una área de ataque químico y una área de limpieza de sustratos. En estas imágenes vemos una sala limpia.2 Área de fabricación en micro y nanotecnología (salas limpias). humedad y presión. mecánica estructural electrostática calor y acústica que a su vez son calculados por el método de elementos finitos (software libre). agua desionizada. 2. el programa cuenta con gran número de tutoriales de ejemplos resueltos y manuales descriptivos para resolver las problemáticas presentadas. estos son espacios físicos en los cual la concentración de partículas en el aire es medida y controlada. También suele contar con áreas de microscopía y de caracterización de componentes. bajo norma ISO 14644-1. lineas de nitrógeno. además consta de los servicios necesarios como. es un espacio físico donde se encuentran los equipos de micro y nanofabricación. com/ TowerJazz: http://www. que puede tener una capa superficial de unos cientos de nanómetros de metal. En este link se puede apreciar cual es el proceso de preparación para ingresar a la sala limpia: https://www. Actualmente existe la posibilidad de realizar el diseño y simulación del nanodispositivo y enviarlo para su construir a nanofábricas situadas en el exterior y luego de realizados son enviados por vía postal. sobre un sustrato.edu.com/ IMTMEMS: http://www.com/watch?v=ggG_smKxEBI Figura 2. los operarios están ataviados con la vestimenta adecuada para proteger al aire de la sala de las partículas de polvo. El laboratorio “Microlab” es una área limpia de medición y caracterización construida en el campus Miguelete de la UNSAM (http://www. aplicado por procesos de deposición. a fin de cumplir las normas vigentes. los usuarios de este servicio de fabricación envían vía web los archivos CAD donde detallan la geometría deseada.ar/escuelas/ciencia/microlab/galeria. existen una gran cantidad de ofertas de procesos de fabricación aquí se detallan las empresas mas conocidas: Memscap: http://www. Luego se realizan procesos de limpieza P á g i n a 89 | 139 . diseñado en una máscara óptica. óxido o nitruro.com/ MOSIS: http://www.unsam.com/ Otro detalle importante es el aire ambiental de la sala limpia. PVD (Physical Vapor Deposition) o CVD (Chemical Vapor Deposition). el objetivo a lograr es evitar que los dispositivos fabricados sean dañados por las partículas de polvo presentes en el aire.MÓDULO N° 4 de trabajo.imtmems. la cantidad de partículas y su tamaño reciben rigurosas verificaciones. este es filtrado y controlado meticulosamente.jazzsemi.youtube. a la izquierda la zona de fotolitografìa y a la derecha la zona de fabricación.mosis.htm) Técnica de Fotolitografía Este proceso de fabricación logra transferir un patrón. En este caso los diseños físicos deben adaptarse a los procesos de fabricación establecidos por la fábrica.memscap. Los operarios reciben vestimenta adecuada para evitar que el polvo que despiden entre en contacto con el aire del laboratorio. La máscara posee zonas opacas y zonas transparentes.MÓDULO N° 4 superficial al sustrato para eliminar cualquier resto de suciedad o humedad. mayor la resolución que se puede alcanzar. https://www. Actualmente se utilizan principalmente los láseres de KrF (fluoruro de kriptón). esta máquina aplica la resina sobre el sustrato y al mismo tiempo se aplica un giro (aproximadamente 2000 rpm). luego de este proceso se aprecia visualmente el patrón de la máscara transferido sobre la oblea. de ser negativa. esta máscara está realizada en vidrio y el patrón en cromo.com/watch?v=9x3Lh1ZfggM Deposición de capas: Técnica de Pulverización catódica (Sputtering o PVD): Este proceso de fabricación es conocido bajo su nombre en inglés Sputtering o PVD (Physical Vapour Deposition).youtube. posteriormente se coloca la oblea en un recipiente donde se la sumerge en un revelador. con longitudes de onda más cortas. que es lo que se conoce como Ultravioleta profundo (Deep UV o DUV en inglés). Cuanto más corta la longitud de onda. en el proceso de sputtering las capas obtenidas presentan mayor uniformidad. Aquí adjunto un video explicativo del proceso de fotolitografía filmando en las instalaciones de la Universidad de Cornel (Cornell Nanoscale Facility). Luego se coloca la máscara sobre la oblea y se irradia con luz ultra violeta. para el caso de que la resina sea positiva. La posición y distancia entre la oblea y la máscara caracterizan el proceso de fotolitografía. y posteriormente empezaron a utilizarse lámparas del tipo láser. después se coloca la oblea en el alineador de máscaras. previamente se colocó una máscara óptica con el patrón que se desea transferir. así se completa el proceso de fotolitografía quedando la oblea lista para el proceso siguiente. con la longitud de onda de 248 nm y ArF. P á g i n a 90 | 139 . con una longitud de onda de 193nm. al hacer pasar la luz a través de la máscara las zonas trasparentes logran que la resina fotosensible sea irradiada cortando las cadena de la resina. es una deposición física en fase vapor. luego se somete a la oblea a un recocido térmico durante algunos minutos. La altura de la capa depende de la resina y de las revoluciones por minuto que se apliquen con el spinner. por lo que siempre se han buscado fuentes de luz (lámparas o láseres) con menor longitud de onda. generalmente ácido clorhídrico o ácido nítrico. su composición es distinta y la luz ultravioleta logra polimerización logrando su cohesión en los lugares donde incide la luz UV. Después se vuelve a calentar la oblea para mejorar la estabilidad de la resina. Inicialmente se utilizaron lámparas de mercurio (Hg). La luz que se utiliza tiene una longitud de onda en la zona ultravioleta (UV) del espectro. el equipo utilizado recibe el nombre de spinner. A diferencia de la evaporación. a continuación se aplica una capa de resinas fotosensibles. el material depositado generalmente es menor y permite mejor control sobre el espesor del depósito respecto del método de evaporación (CVD). esta técnica junto con la evaporación (CVD) son los mas usado para depositar capas funcionales (metálicas u óxidos) sobre sustratos. existen gran variedad de técnicas para modificar las propiedades del plasma. los átomos no están en equilibrio termodinámico. el uso de corrientes alternas de radio frecuencia. la energía. primero se genera un plasma a partir de moléculas de argón las cuales bombardean un material de aporte. Esta técnica posibilita buen control del espesor de la capa depositada. este sale despedido y se deposita sobre el substrato generando una capa delgada. los átomos usados como blanco y la energía de enlace del sólido. Este diagrama describe la técnica PVD. por esto tienden a condensarse y volver a su estado sólido al impactar con cualquier superficie. El material vaporizado se deposita sobre la oblea en capas muy delgadas. uso de campos magnéticos y la aplicación de un potencial de volatilización.MÓDULO N° 4 Figura 3. Estos iones se obtienen de un plasma. P á g i n a 91 | 139 . Podemos apreciar las operaciones realizadas para deponer capas en un equipo de Sputtering (PVD) que se encuentra en CNEA-CAC En este proceso de fabricación el material sólido usado como blanco es arrancado a través del bombardeo con iones energéticos. Este proceso es causado por el intercambio de momento entre los iones y los átomos del material debido a las colisiones entre ambos. Figura 4. Los factores que más influyen en este proceso de fabricación son. Entre estas variantes se puede nombrar. la masa de los iones incidentes. con el objetivo de aumentar su densidad y así mejorar las condiciones de volatilización. Técnica de fresado: Ataque químico: Comido por inmersión en un líquido de ataque (wet-etch): este proceso consiste en la eliminación selectiva de material.com/watch?v=Ukvs6Rct4w8 Deposición de Química de Vapor CVD: Esta técnica denominada CVD (de sus siglas en inglés Chemical Vapor Deposition) es un proceso físico-químico para depositar capas delgadas de diversos materiales. en lugar de un agujero con paredes curvas como ser ́ el caso de un comido anisótropo en el que las velocidades de ataque son iguales en todas las direcciones.7º. P á g i n a 92 | 139 . se debe elegir cuidadosamente el material usado como máscara para lograr una alta tasa de ataque entre la máscara y el sustrato a ser atacado. otras se presentan aptas para ser atacadas. Figura 5. Por lo tanto. Esto se conoce como grabado anisótropo y uno de los ejemplos más comunes es el grabado del silicio en KOH (hidróxido de potasio). como es el caso del silicio monocristalino.MÓDULO N° 4 Aquí tenemos un link donde se puede apreciar el armado del equipo y su funcionamiento. esta técnica es utilizada para depositar capas metálicas micrométricas o superiores. En un proceso típico de CVD el sustrato es expuesto a uno o más precursores en fase gaseosa. que se ionizan dando lugar a la formación del plasma sobre la superficie del sustrato originando las reacciones químicas necesarias para producir el depósito deseado. grabando un agujero rectangular en un plano 100 una oblea de silicio resulta en un grabado de ranuras en forma de pirámide con paredes en ángulo de 54. algunas áreas del mismo son protegidas por una máscara (que ha sido transferida al sustrato). se coloca el sustrato dentro de un recipiente junto con un líquido capaz de disolverlo. Ciertos materiales presentan diferente velocidad de ataque según su orientación cristalográfica. el material depuesto es cobre. En la imagen se ve una cuba de electrodeposición. Técnicas de deposición de capas gruesas: Electrodeposición: Una de las técnicas utilizadas para fabricar capas metálicas de espesores del orden de micrómetro o superior es la electrodeposición (también llamado electroplateado). Los elementos no intervinientes en la formación del recubrimiento son eliminados por el sistema de bombeo. donde los planos cristalinos 111 del Silicio se graban aproximadamente 100 veces más lento que otros planos (orientaciones cristalográficas).youtube. https://www. las profundidades de grabado son de cientos de micrómetros y se alcanzan con paredes casi verticales. Figura 6. con esta combinación se pueden lograr paredes verticales rectas o curvas. parte química del proceso de RIE. logrando el grabado del mismo. La primera modificación consiste en tres pasos (herramienta UNAXIS). Los iones son acelerados y interactúan con la superficie del material formando otros gases. La tecnología más conocida se llama proceso Bosch. mientras que la segunda variación tiene dos pasos (ASE utilizado en la herramienta de STB). el que es protegido por una máscara. La fuente de radio frecuencia pulsada (RF) genera los iones a partir de gas en es reactor. modificando este equilibrio se puede lograr procesos más isotrópicos (parte química) o más anisotrópicos (parte física). donde se forman iones. los cuales bombardean toda la superficie del sustrato. donde la combinación de gases diferentes se alterna en el reactor. este proceso se basa en equilibrar el grabado químico y físico. este proceso tiene además una parte física similar al proceso de Sputtering. En la primera P á g i n a 93 | 139 . si los iones poseen muy alta energía pueden impactar fuera del material a ser grabado sin reaccionar químicamente. Esquema de funcionamiento del equipo en el cual se genera un plasma desde el gas de aporte y una fuente de radio frecuencia (RF) acelera los iones del plasma hasta el sustrato. Actualmente hay dos variaciones de la DRIE. DRIE (RIE profundo) es una subclase del anterior: En este proceso.MÓDULO N° 4 Grabado por plasma (Dry etch): en este caso el comido se realiza en un plasma. Uno de los ejemplos que se puede citar es el ataque por iones reactivos RIE (Reactive Ion Etching en inglés) el sustrato se coloca dentro de un reactor en el que se introducen varios gases. En esta imagen se esquematiza en detalle como se produce el ataque con iones liberados del plasma permitiendo grabar la superficie del sustrato no protegidas por la máscara que fuera transferida sobre el sustrato. y las tasas de grabado son 3 . El polímero se utiliza para detener el ataque anisotrópico sobre las paredes verticales. P á g i n a 94 | 139 .com/watch?v=PbF-hD5jnr0 Equipo de maquinado y deposición de capas.4 veces más altas que el grabado líquido de inmersión. el grabado se alcanzar relaciones de aspecto de 50 a 1. Como resultado de ello. Este equipamiento trabaja con un haz de iones de alta energía focalizados (aprox. FIB (Focousing Ion Bean). El proceso puede ser utilizado fácilmente para grabar completamente a través de un sustrato de silicio.MÓDULO N° 4 variante el ciclo de procesado comienza con un grabado isotrópico con SF 6. En ambos casos el C4 F8 crea un polímero sobre la superficie del sustrato y el (SF6 y O2) graba el sustrato. Aquí tenemos un link en el que se aprecia un proceso de fotolitografía y de ataque por plasma y químico.youtube. 5 manómetros) esto produce un comido de las muestras que puede ser usado para realizar diseños geométricos también permite realizar deposición de capas por el método de PVD (pulverización anódica). La segunda modificación combina los pasos 1) y 3). Figura 7. https://www. luego se utiliza C4 F8 como pasivante y finalmente SF6 ataque anisotrópico para limpieza de la superficie. cambiando por tanto las propiedades físicas de éste último. Los iones penetran fuertemente la superficie del material.youtube. con una energía situada entre 50 a 200 KeV. Hoy en día también se usa aunque de forma diferente. La implantación de iones es utilizada en la fabricación de dispositivos semiconductores y en el revestimiento de algunos metales. A la izquierda una foto del FIB instalado en la sede del INTI en San Martín y a la derecha vemos el símbolo de la institución fabricado en platino por el mismo equipo. y por otra un cambio estructural. que se lleva a cabo a baja temperatura (<100 °C) en una cámara de vacío. así como en diversas aplicaciones orientadas a la investigación en ciencia de materiales. puesto que la estructura cristalina del objetivo puede ser dañada o incluso destruida. modifica la estructura del material a una profundidad de una fracción de un micrón. Con ello se consigue un perfil en la concentración de dopantes que disminuye proporcionalmente. ya que pueden ser de un elemento distinto al que lo compone. Los iones provocan. por una parte cambios químicos en el objetivo. P á g i n a 95 | 139 . La implantación de iones es un proceso propio de la ingeniería de materiales por el cual los iones de un material pueden ser implantados en otro sólido. Implantador de iones: La implantación iónica consiste en bombardear iones seleccionados en una cámara de vacío (<10-4 mbar) sobre la superficie de un material. Consiste en la inserción de átomos dopantes dentro del semiconductor debido a la alta temperatura a que éste es sometido. El proceso de plasma frío. Era una técnica muy empleada en los años 1970 para definir el tipo (N o P) de un semiconductor. Aquí tenemos un link del proceso de fabricación de microelectrónica incluyendo implantación iónica https://www.com/watch?v=35jWSQXku74 Hornos de difusión Difusión en estado sólido: En la fabricación actúa circuitos integrados uno de los procesos es la difusión. y a continuación se detienen y pierden su energía mediante colisiones y acomodándose en la estructura cristalina del sustrato.MÓDULO N° 4 Figura 8. sin necesidad de añadir una capa adicional (no se trata de un proceso de revestimiento). muchas veces reemplazan a equipos multianálisis por nanodispositivos de aplicaciones específicas. La temperatura del horno es de 800 a 1200ºC para el Si (Silicio) y de 600 a 1000ºC para el Gas (Arseniuro de galio). el cual contiene las impurezas. La difusión en estado sólido puede ser clasificada en. acelerómetros. En los últimos años han aparecido los primeros sistemas de “drug delivery” de administración oral algunos de ellos incluyen monitoreo del paciente. Las tecnologías “lab on a chip” desplazan a grandes equipos. El uso de este tipo de dispositivos se ha diversificado en los últimos tiempos. http://www. http://medimetrics.MÓDULO N° 4 El proceso consiste en introducir las obleas de semiconductor en un horno y dejar pasar a través de ellas un gas.  VIDEO: Dr.edu/newsroom/research/2010/100831ZiaiePatches. Laboratorios en un chip: Estos dispositivos permiten análisis rápidos con pequeñas cantidades de muestra. Liberación controlada de medicamentos: Esta tecnología utiliza microelectrónica para suministrar compuestos farmacéuticos en el tracto gastrointestinal o la vagina de los seres humanos y los animales.youtube. sistemas de liberación controlada de medicamentos “drug delivery” y sensores.html P á g i n a 96 | 139 .com/watch?v=iSUS4dxmHI4 3 Aplicaciones actuales de los nanodispositivos. se deposita la cantidad final de impurezas en la superficie de la oblea y desde ahí se difunden. Ofrece ventajas notables sobre medicina tradicional. sus principales aplicaciones son: laboratorios en un chip “lab on a chip”.com/watch?v=y10TuDJzgKg  VIDEO: Dr. se mantiene constante la concentración de impurezas en la superficie del semiconductor y desde ahí son difundidas al interior.Sala limpia https://www. nanosensores.purdue. que presentó un parche con microagujas que controla el suministro de medicamentos. o por concentración constante total. drug delivery. B (Boro) para semiconductores tipo P.youtube. concentración constante en superficie. un ejemplo es la capsula inteligente “IntelliCap” de la empresa Medimetrics. Las impurezas que se emplean para dopar Si (Silicio) son. Federico Golmar – Nanosensores https://www. combinando fluídica. mecánica y técnicas de manufactura.com/Electronic-Drug-Delivery También existen algunos desarrollos como los propuestos por la universidad de Purdue. Federico Golmar . P (Fósforo) y As (Arsénico) para crear semiconductores tipo N. electrónica. Lab on chip. el transporte. De esta forma modifiquen la realidad cotidiana de las personas.MÓDULO N° 4 Figura 1. desarrollos actuales plantean colocar entre dos electrodos películas nanométricas de compuestos orgánicos. Energía.youtube. switches ópticos. Comunicaciones e informática. Federico Golmar – Nanoelectronica https://www. (Universidad de Purdue foto / Birck Centro de Nanotecnología) Nanosensores: estos pueden clasificarse según su campo de aplicación en. las comunicaciones y los sistemas informáticos entre otros.com/watch?v=fKX_XKwN7Xo 3 Perspectivas futuras. acelerómetros. narices electrónicas. Entre las aplicaciones que permitirían lograrlo se cuentan el uso masivo de las tecnologías LED. químicos. los alimentos. Al igual que el resto de nanotecnología el campo de los nanosensores tiene carácter transversal y las áreas estancas no existen. la medicina.  VIDEO: Dr. La nanotecnología futura se presenta desarrollándose en todo el espectro cotidiano como lo son. giróscopos y filtros. ópticos. almacenar y transferir energía en forma más segura y eficiente. Medicina. También se trabaja actualmente en mejorar la eficiencia de las celdas combustibles con la incorporación de nanotecnología mediante catalizadores molecularmente formulados otro de los tópicos en los que también se trabaja es en la acumulación de energía a través de materiales nanoporosos. Estudiante de doctorado de Purdue Charilaos Mousoulis demuestra una bomba prototipo de parches de liberación de fármacos que podrían utilizar las matrices de microagujas para ofrecer una gama más amplia de medicamentos que ahora es posible con parches convencionales. las energías. El desafío más importante con el que se encuentra esta área del conocimiento es convertir los desarrollos científicos de los últimos años en productos tecnológicos que lleguen al mercado de consumo. biosensores y aplicaciones electrónicas. Refiriéndonos específicamente a los nanodispositivos estos se denominan. P á g i n a 97 | 139 . electroquímicos. Energía: este punto es sumamente importante en el desarrollo futuro y se apunta a generar. sensores de masa. los materiales. cada una de las nanomáquinas está conformada por más de un campo del conocimiento e implica gran especialización para resolver los problemas tecnológicos planteados. estos dispositivos utilizarían el 10% de la energía que actualmente consumen los sistemas incandescentes para generar iluminación. mx/archivos/ingresos/meneses/trabajo_final_dr_ meneses. http://grafeno.asp?id=7113 Medicina: los sistemas NEMS se aplican cada vez más en estas área un ejemplo de esto son los parches adhesivos electrónicos para el monitoreo de la salud. es resistente. materiales compuestos. Sus propiedades conductoras permiten suponer que los transistores de grafeno serán más rápidos que los del silicio. Su condición de casi transparente apunta a la producción de mejores pantallas táctiles.youtube. http://www.google. actualmente se trabaja en a este material a sensores. Federico Golmar – Perspectivas https://www. El grafeno es un conductor de la electricidad mejor que el cobre. Además ofrece oportunidades de investigación básica. computadoras y monitores. es un material capaz de convertirse en monitor y un procesador.MÓDULO N° 4 http://academiadeingenieriademexico. baterías.com/  VIDEO: Dr.com/watch?v=dxhoLxRYsRU También se han presentado patentes de dispositivos médicos de aplicación quirúrgica. http://www.youtube. delgado y puede ser el reemplazo del silicio. la propuesta contempla almacenar información del paciente y el seguimiento a través de sistemas radio frecuencia (RFID). este material permite el estudio de fenómenos de la mecánica cuántica.suelosolar.ar/patents/US8753344 Comunicaciones e informática: Grafeno aplicado a dispositivos.pdf También se cuentan entre las futuras aplicaciones del área de energía al grafeno para fabricación de celdas fotovoltaicas. pantallas de dispositivos eléctricos. https://www.com.com/watch?v=v3TTwGwqEdw P á g i n a 98 | 139 .es/newsolares/newsol. teléfonos inteligentes. con lo que se obtendrán computadoras más eficientes y veloces. Se dice que Demócrito inventó a Leucipo como su maestro para ganar prestigio y para que respaldasen su teoría. Melos.370 a. indivisibles. Niega la génesis y la corrupción. al igual que Demócrito. . Nacido en Abdera. John Dalton: En 1808 expuso la teoría atómica en la que se basa la ciencia física moderna. Demuestra que la materia se compone de partículas indivisibles llamadasátomos. Elea o en Clazomene (se desconoce con certeza). s. En 1857 Michael Faraday también hizo importantes descubrimientos acerca de los coloides. como por ejemplo las supramoléculas y nanopartículas. como por el vacío. Particularmente. De su vida se sabe muy poco. afirma que existe tanto el ser como el no-ser: el primero está representado por los átomos y el segundo por el vacío. Fís. Fue maestro de Demócrito de Abdera y a ellos dos se les atribuye la fundación del atomismo mecanicista. 4). ya que se suponía que Leucipo era un gran físico. C. tal vez en respuesta a Parménides. Evolución del modelo atómico La nano-química se ocupa de la fabricación y modificación de sistemas químicos. Mileto. de formas variadas y siempre en movimiento. Leucipo (s. que el alma está formada por átomos más esféricos que los componentes de las demás cosas. Así.MÓDULO N° 5 MÓDULO N°5: NANOQUÍMICA 1 Historia de la nanoquímica. Estos tienen su fundamento en unidades químicamente activas a escala nanométrica. siendo imprescindible para que exista movimiento. Permite la elaboración de máquinas moleculares artificiales. C.. C. También ideó una escala de símbolos químicos. preparó soluciones estables de oro coloidal reduciendo el cloruro de oro con fósforo (el oro metálico se divide homogéneamente en partículas de tamaños que van de uno a cien billonésimas partes de un metro y dichas partículas son permanentemente suspendidas en la solución). P á g i n a 99 | 139 .V a. postula. que serán luego reemplazadas por la escala de Berzelius. formas de cambio que eran aceptadas casi por la unanimidad entre los filósofos presocráticos. los átomos (ἄτομοι.). lo que no puede ser dividido). 28. según el cual la realidad está formada tanto por partículas infinitas. «que existe no menos que el ser» (Simpl. que por las leyes del nanomundo desencadenan efectos especiales y muy a menudo novedosas.) (450 a. que dispersaban la luz. La dorsal está conformada por escamas que poseen un solo monocristal fotónico que cubre la superficie de cada escama mientras que en la parte ventral en cada una hay muchos pequeños cristales fotónicos. p. al cual se presta gran atención en la actualidad. aparecía como una trayectoria blanca. a) y ventral (Fig. Científicos húngaros [1]. Real Sociedad de Londres. Estos colores no se deben a la presencia de pigmentos sino a la dispersión de la luz en la superficie de las escamas de las alas de la mariposa.1 Aplicaciones actuales de nanoquímica La naturaleza nos ofrece innumerables ejemplos de cómo el micromundo (en última instancia la estructura y propiedades de los átomos. Otro ejemplo. que en su combinación dan el verde mate. Faraday también estudió algunas de sus propiedades ópticas. con unas pocas orientaciones. 159 En realidad se trata del primer nanomaterial creado. en la figura c se muestra un ejemplar viejo blanqueada. 2 Aplicaciones actuales de nanoquímica. que son sintetizadas en los seres P á g i n a 100 | 139 . Luego se demostró que este hecho era una característica de los sistemas coloidales.b) un color azul metálico y un verde mate respectivamente. Así por ejemplo. ya explicada en la Introducción. De esta manera la dispersión de la luz por estos cristales ocurre de tal manera que en la parte dorsal se observa una coloración azul con reflejos metálicos y en la parte ventral hay diferentes colores dispersados. Esto sugiere que en materiales transparentes uno pudiera alcanzar efectos similares sin la necesidad de emplear pigmentos y alcanzar una coloración determinada reemplazando los pigmentos con estructuras desordenadas.MÓDULO N° 5 "Fenómenos conocidos parecían indicar que una mera variación en el tamaño de las partículas (oro) dio lugar a una variedad de colores resultantes" M. determinan las manifestaciones de la materia en el macromundo. 145 a 181. 147 1847. Observó que un haz de luz al pasar a través del sol de oro. Phil. metales y materiales fibrosos como los textiles y el papel. moléculas. Faraday. 2. agregados atómicos y agregados moleculares). esto era causado por las partículas de oro. diferente en la parte ventral y dorsal. Trans. La mariposa brasileña cyanophrys remus presenta dos coloraciones diferentes en su parte dorsal (Fig. lo tenemos en las biomacromoléculas como las proteínas. cosa que sería muy útil para la coloración de plásticos. encontraron que esto está relacionado con el grado de orden y desorden de la geometría de las escamas de la superficie de las alas de la mariposa. vol. Una muestra de la antigüedad en el uso de la nanoquímica es la Copa de Licurgo. P á g i n a 101 | 139 . la computación. plantillas moleculares y reconocimento a nivel de la molécula individual. Los avances en cada uno de ellos son impresionantes. De más importancia se consideran la ingeniería de nanobiosistemas. Se conoce varios caminos.MÓDULO N° 5 vivos una parte a la vez. que llevan a la ingeniería molecular. y la mecanosíntesis por manipulación física de átomos y moléculas individuales. estamos entrando al fascinante mundo de la nanotecnología. la Biología y la Bioquímica comienzan a desvanecerse y entran en este manejo de la materia al nivel nanométrico. la síntesis química de supramoléculas. que fomentan un proceso de autoorganización de estructuras pequeñas a grandes. El principio de autoorganización y autoensamblaje es en el momento la única nano-herramienta y probablemente la única y viable para conformar estructuras grandes. tiene que conocer las leyes de la naturaleza en detalle. en las cadenas de polipéptidos. llámese nanoquímica.. En contraste. la definición de Nanotecnología. Muchos consideran que esta es la Química de frontera del siglo XXI. Esta es una rama de investigación en pleno desarrollo. llegando a crear moléculas que hacen cosas. considerando otros autores que esta Química de nuestro siglo bien pudiera denominarse Ingeniería Molecular y si las asociaciones entre moléculas se realizan sobre superficies sólidas entonces más bien estamos ante procesos de Arquitectura Molecular.UU. mezclando grandes cantidades de reactivos. la electrónica y otras disciplinas de la Ingeniería. nanobiotecnología o como se quiera y al desarrollo de ingeniosas estrategias para crear moléculas grandes con propiedades complejas y exactamente especificadas. muchos procesos sintéticos industriales se llevan a cabo en solventes orgánicos. En el momento en que las fronteras entre la Física. en macromoléculas para la computación cuántica y para la realización de operaciones electrónicas. un término ya usado para caracterizar configuraciones de proteínas. con distribuciones exactas de los monómeros (los aminoácidos). El ejemplo más espectacular es lo que llamamos ‘vida’: Semillas o embriones adoptan en el paso de un cierto corto tiempo la forma de un clavel o de un gato. según la Iniciativa Nacional en Nanotecnología de la Fundación Nacional de la Ciencia de los EE. Eso es autoorganización en acción. Entre los aspectos bioquímicos relevantes de estos procesos y de la organización molecular resultante se incluyen interacciones no covalentes (supramoleculares). Para que el hombre pueda lograr algo semejante. lo que constituye. pensando solamente en la biocomputadora en base a la molécula ADN. donde fenómenos únicos para esa dimensión permiten nuevas aplicaciones. la Química. trate de imitar lo que se encuentra en la naturaleza y se halla aventurado a “comprender y controlar la materia a dimensiones que se encuentran en el rango de 1 a 100 nanómetros. No es de extrañar entonces que el hombre en su afán de hacer cada vez dispositivos y productos más eficaces. como por ejemplo las supramoléculas y nanopartículas. que por las leyes del nanomundo desencadenan efectos especiales y muy a menudo novedosas. La química supramolecular. Estos tienen su fundamento en unidades químicamente activas a escala nanométrica. La más famosa probablemente es el ADN. Las interacciones débiles en supramoléculas implican comúnmente su generación espontánea por auto-organización más bien que por uniones secuenciales.2 Nano-Química La química supramolecular. La más famosa probablemente es el ADN. Permite la elaboración de máquinas moleculares artificiales. La nano-química se ocupa de la fabricación y modificación de sistemas químicos. la síntesis y el estudio de estructuras moleculares unidas por uniones no covalentes. Las estructuras de éste tipo son presentes en la naturaleza. se ocupa del diseño. P á g i n a 102 | 139 . M. la síntesis y el estudio de estructuras moleculares unidas por uniones no covalentes. M. Las interacciones débiles en supramoléculas implican comúnmente su generación espontánea por auto-organización más bien que por uniones secuenciales. Las estructuras de éste tipo son presentes en la naturaleza. Lehn en 1978. término introducido por J. Lehn en 1978. término introducido por J.MÓDULO N° 5 2. se ocupa del diseño. Nanobiotecnología es la rama emergente de oportunidades científicotecnológicas. que fusiona biosistemas con nanofabricación en beneficio de los dos. Ha surgido como una rama de investigación multidisciplinario y de veloz desenvolvimiento con innovaciones revolucionarias en muchas áreas de ciencia y tecnología.3 Nano BioTecnología La Nanobiotecnología es uno de los campos más fascinantes y pretenciosos a nivel mundial. P á g i n a 103 | 139 .MÓDULO N° 5 2. La naturaleza es la maestra sobresaliente en procesos de autoensamblaje.MÓDULO N° 5 Nanobiotecnología combina la ingeniería a nanoescala con la biología para manipular sistemas vivos o para fabricar materiales de inspiración biológica a nivel molecular.nanoarchitecture. o bien. Nanobiotecnología implica la habilidad de manipular materia en su nivel atómico. resultan tecnologías de fabricación radicalmente distintas a las conocidas.news. (www. y por tanto pueden ser manipuladas por el hombre. www. que al introducir estos procesos del mundo biológico en materiales y dispositivos.cornell. presentes en la naturaleza. El número de bionanodispositivos propuesto hasta hoy día ya es enorme. Las proteínas.net) Neuronas sobre una estructura en Silicio http://www.rcsb. Tiene el potencial de poner las nanotecnologías de microfabricación al trabajo de estudiar y manipular sistemas biológicos. operan como máquinas moleculares programadas para la manipulación de átomos individuales.org). de auto-diagnóstico y de auto-saneamiento. El destacado ejemplo de la auto-replicación del ‘patrón vida biológica’ conocemos en la genética. Moléculas biológicas complejas (www. en las máquinas moleculares genéticas. Su estructura física y su funcionalidad específica son conocidas.edu P á g i n a 104 | 139 . por ejemplo. creen que los cambios serán más radicales que los vistos hasta ahora en la historia de la tecnología. el cerebro y la mente. de la economía del futuro. Las estrellas serán colonizadas por sucesores del homo sapiens actual. analizar exclusivamente las industrias convencionales que van a ser afectadas por ellas. será una nueva especie de base humana. ha transformado en su “beneficio”.1 Impacto social. sin ningún otro alcance. con el hombre mismo como objetivo a cambiar y a mejorar. ha manipulado y consumido los recursos disponibles en ese mundo. los menos. biotecnología. 3. la limitada capacidad de cálculo y de memoria de su cerebro y muchas otras deficiencias de su entorno y de él mismo. Lo que hay detrás de dichas tecnologías es mucho más importante: se trata de que el hombre puede crear la vida. como se sabe. similares a las ya ocurridas en diversas épocas de la historia de la humanidad. heredera de lo que somos hoy. por insólito y complejo que eso pueda parecer hoy. pueden ser la base. Lo permitirán. mediante el uso de la tecnología. Para conseguirlo. dicho sea entre comillas. los más. o algo radicalmente distinto Independientemente de qué industrias puedan P á g i n a 105 | 139 . las tecnologías que forman parte de la convergencia NBIC. el cual. la infotecnología y lacognotecnología. y una manifiesta simplificación. El hombre. ha vencido las distancias. económico y perspectivas. Algunos autores. Ahora está a las puertas de transformar y manipular su propio cuerpo y su propio cerebro. Otros autores. al menos en parte. manipularla y transformarla. necesitará mejorar su cuerpo y su mente. es decir. económico y perspectivas En esta parte analizamos el entramado teconológico e industrial de la Nanotecnología. la comunicación. nuevas formas de hacer las cosas y quizás nuevas economías. tienen calado y potencial suficiente como para cambiar profundamente lo que somos los hombres y lo que son nuestra economía y nuestra sociedad. Parece por lo dicho hasta ahora que los cambios tecnológicos en marcha alrededor de la infotecnolgía. nanotecnología y cognotecnología. la biotecnología. como se viene diciendo. en efecto. ven esas tecnologías como algo gradual en nuestro mundo que aportarán nuevos productos y servicios. mucho más de lo que ha hecho hasta ahora.MÓDULO N° 5 3 Impacto social. la nanotecnología. el mundo natural en el que habita. El transhumanismo y el hombre post-humano como posibilidades de evolución del hombre son asimismo elementos fuertemente relacionados con las tecnologías del conocimiento. Supone una significativa cortedad de miras la interpretación de que dichas tecnologías son como otras anteriores. en los avances de todo tipo relacionados con la cognotecnología. Lo hacemos de una forma resumida y sólo para destacar que las tecnologías que forman parte de la Convergencia NBIC. según la interpretación utilizada. La capacidad que está adquiriendo el hombre de actuar sobre sí mismo es uno de los temas que constituyen el contexto en el que la cognotecnología se desarrollará. Da la impresión de que el hombre no tendrá más remedio que explorar el mundo exterior a nuestro planeta y seguramente colonizarlo. necesaria para la realización de nuevas clases de aplicaciones en tecnologías tan diversas como la electrónica. almacenaje de datos. Las tecnologías para la microelectrónica del año 2020 se están ideando desde ahora. y penetra casi todas las ramas tecnológicas del quehacer humano. Si todas las materias van a poder ser transformadas. en la Química Supramolecular y la Biología Molecular respecto a los tamaños característicos de los sistemas del estudio con relación al eje de tiempo en años enseña. y la tecnología de la microestructuración en la Física de Estado Sólido durante las últimas décadas han llevado a dimensiones de pocos nanómetros. la computación. comunes en la investigación con potencial aplicativo de las tres grandes disciplinas Biología. orgánica y gris. salud. El descubrimiento de la molécula ADN y la genética en la Biología. telecomunicación. El desarrollo de la Física de Estado Sólido. Esto implica lograr de posicionar cada átomo en el lugar correcto. Electrónica. Tecnologías de la Información. sobre lo cual. Química. Informática y Comunicación. hay multitud de trabajos en los países más avanzados. La nanotecnología es una ciencia interdisciplinaria como ninguna conocida anteriormente. que el mundo puede casi comenzar desde cero de nuevo. transmisión y almacenaje de energía. que es consistente con las leyes en detalles moleculares de la física. basándose en la unidad de la naturaleza (materia) y se dé la integración de la tecnología en el nivel de la nanoescala (escala de 10-9 m o sea una mil millonésima de un metro) en una convergencia sinérgica de la Biotecnología. Nanotecnología. lo que necesita ser estudiado y pensado es lo que hay verdaderamente detrás de la capacidad que está adquiriendo el hombre de manipular las materias. como se ha dicho anteriormente. sin dejar de mencionar las Ciencias Económicas y del Medio Ambiente. Las fronteras entre disciplinas clásicas del saber se hacen borrosas y desembocan en participaciones y contribuciones multidisciplinarias principalmente entre Biología. y por cierto. Mecánica y Ciencias de diferentes Ingenierías. se unifique la ciencia. seguridad nacional y por fin al medio ambiente. Ciencias del Conocimiento. Medicina y Farmacéutica.MÓDULO N° 5 verse afectadas. que estas tres grandes disciplinas se están encontrando y uniendo en un solo rango de pocos nanómetros. infraestructura civil. a un nivel compatible con aspectos económicos. La nanotecnología molecular comprende un cambio revolucionario en lugar de un cambio evolutivo de la conformación de estructuras pequeñas y sistemas complejos debido a su aproximación intrínseca de manipular en forma controlada átomos y moléculas. Los temas clave de la investigación científica apuntan a la necesidad de desarrollar técnicas para el ensamblaje de nanoestructurasatravesando órdenes de magnitud y dimensiones.2 La nanotecnología y sus interrelaciones Se espera que en la primera década del siglo XXI. la verdad es. de eficiencia y precisión. Los elementos de P á g i n a 106 | 139 . como indican algunos autores. 3. inorgánica. transportación. Química y Física de Estado Sólido. la fabricación controlada de moléculas y supramoléculas en la Química. Hasta una nueva Génesis es posible. Física. y de esta manera realizar prácticamente cualquier estructura. generación. la Nano-Óptica. la medición a nivel atómico de estructuras en las tres dimensiones. sus propiedades y su composición química. técnicas de nanolitografía. síntesis de subsistemas mediado por mecanismos biológicos. “La Física del Futuro”. a la cuarta de dichas tecnologías. que constituirá la base de nuestro sustento en un futuro no muy lejano. y la Nano-Medicina. métodos nuevos de computación. la Física descubre y aplica las ‘patentes’ de la naturaleza.MÓDULO N° 5 esta estrategia incluyen el desarrollo de nuevas tecnologías de autoensamblaje. la Nano-Biotecnología. La Biología es proveedor de los planos de construcción para máquinas diminutas. todo un mundo de actividades científicas e industriales que pueden formar una nueva industria. utiliza la Convergencia NBIC como unos de los ejes de evolución de nuestro mundo y se refiere a los desarrollas posibles de las tecnologías que en dicha convergencia se incluyen. En el esquema anterior hacemos énfasis en unas de las ramas más impactantes con efectos y desarrollos actuales de la nanotecnología. la Nano-Electrónica a escala molecular (Nanotrónica). la NanoAnalítica. que leo en la actualidad. uno de los cuales es Michio Kaku (1). la Nano-Química y los Nano-Materiales. una nueva economía o algo todavía por denominar. pero sabemos que su potencial desarrollo futuro está muy unido a los potenciales desarrollos de las otras tres. P á g i n a 107 | 139 . La inminencia de ese mundo viene siendo anunciada por muchos investigadores y autores. entre otros mas. Nos referimos. incluyendo métodos de medición en tiempo real para el monitoreo del ensamblaje a escala nanométrica. En su último libro. particularmente. Ambos se encuentran en la Nanobiotecnología. Incluimos aspectos de la Nanofabricación. En resumen. la geología. suspensiones y emulsiones de nanohierro y partículas bimetálicas. tecnologías de memoria y almacenamiento. P á g i n a 108 | 139 . En este sentido es necesario balancear la eficacia de mitigación de contaminantes con consideraciones acerca de los impactos ecológicos. tanto para nanotecnologías actualmente en el mercado como para alternativas en etapa de estudio académico. El desarrollo de innovaciones en esta área va desde el diseño de nanosensores para la detección temprana de potenciales problemas hasta la remediación de sitios contaminados. etc. como por ejemplo hierro – paladio. Esta última área es la que ha mostrado el mayor crecimiento en años recientes. es importante comprender la ciencia que sustenta las aplicaciones. Este texto se focaliza en el segundo tipo de aplicaciones con una revisión de procesos ya maduros que permiten entender no solo la tecnología sino también las implicaciones ambientales. la nanotecnología también se emplea en aplicaciones ambientales con dos objetivos: prevenir la contaminación (ex ante) y tratar sitios afectados cuando el impacto ambiental ya ha tenido lugar (ex post).MÓDULO N° 6 MÓDULO N°6: NANO APLICADA A LA INDUSTRIA 1 Remediación ambiental 1. energía. de seguridad y de salubridad. Para evaluar el futuro y comprender el potencial de este campo emergente de la nanotecnología. La más exitosa de las nanopartículas usadas con este propósito hasta el momento (y que ya ha alcanzado madurez comercial) es el nanohierro en diversas formas: nanohierro cerovalente. Environmental Protection Agency (1) había detectado más de quince ensayos de remediación a escala de campo que involucraban nanopartículas de hierro. con aplicaciones que han salido del laboratorio para implementarse en el terreno. se presenta una introducción al tema y una síntesis de casos de usos de la nanotecnología en remediación.. biotecnología y cuidado de la salud generan la mayoría de productos que contienen nanomateriales. presentan situaciones complejas y variables. un estudio encargado por la U. además de numerosos estudios a nivel de investigación y desarrollo para tratamiento de aguas de desechos y sitios contaminados. incluyendo la ingeniería de procesos. Aunque el espacio disponible no permite una revisión exhaustiva de los fundamentos químicos y las prácticas ingenieriles.1 Introducción Aunque los sectores industriales que incluyen semiconductores. La mayoría de los sitios impactados. nanohierro core – shell (el interior de cada nanopartícula es hierro cerovalente y el mismo presenta una cáscara externa de magnetita). tecnologías ópticas y fotónicas. El rol de la nanotecnología es cada vez más evidente en todas las áreas de actividad humana. resaltando así el carácter transdisciplinario que presentan las soluciones de nanotecnología aplicada a escala real. Hace ya diez años.S. la química. por lo cual el trabajo de remediación requiere del aporte de diversas especialidades además de la nanotecnología. incluyendo el ámbito de la prevención y remediación de impactos ambientales negativos. como el hierro cerovalente. eficientes técnicamente y competitivas económicamente. incluyendo algunos compuestos recalcitrantes respecto de las remediaciones biológicas. esta técnica de mitigación pasiva in situ resulta muchos menos costosa en términos operativos que los tratamientos ex situ y es menos susceptible de provocar eventuales diseminaciones de contaminantes. por sus elevadas áreas superficiales. con soluciones innovadoras. El trabajo realizado incluyó la generación de un mapa de isocontaminación inicial del edificio afectado. para mitigación de impactos ambientales negativos cuya complejidad inhibe la aplicación de tecnologías convencionales. la evaluación de isocontaminación residual luego de cada aplicación hasta verificar el cumplimiento de límites fijados en el criteri guía “Decontamination standard for concrete” y la aplicación de una barrera reactiva a base de nanoFeº y polímero. tratarlo y volver a recolocarlo en el sitio. A diferencia de los sistemas convencionales basados en extraer material contaminado.2 Aplicaciones maduras Nanohierro como reactivo A fines del siglo XX. Estas barreras han sido utilizadas para mitigar diversos tipos de contaminantes. comenzaron a recibir atención por parte de la comunidad académica por su potencial para el tratamiento de un rango considerable de contaminantes en aguas de desecho y en napas contaminadas. se mencionan las dificultades para distribuir el producto a profundidades muy grandes (lo que suele limitar las aplicaciones a plumas contaminadas de unos 15 m de profundidad). Entre las limitaciones de esta tecnología. reactividades y flexibilidad permiten la mitigación in situ de compuestos orgánicos persistentes como los organoclorados. los pesticidas. la necesidad de una buena caracterización de la morfología y tamaño de la pluma contaminada para evitar la lixiviación de contaminantes por fuera de la barrera reactiva y el decrecimiento de la reactividad del nanohierro incorporado al terreno luego de un lapso. el tratamiento de la matriz sólida (hormigón) con una suspensión de nanohierro cerovalente. La remediación se basa en nanopartículas de hierro metálico (nanoFeº) para mitigar. P á g i n a 109 | 139 .MÓDULO N° 6 1. En un trabajo reciente (2) se presenta el primer caso de escalado a nivel industrial en América Latina de una nanotecnología que la literatura previa detalla solo a través de ensayos a nivel laboratorio y piloto. A partir de una extensión conceptual del uso de nanopartículas de hierro en barreras reactivas permeables que se ha descrito. los compuestos aromáticos nitrados. La forma más usual de empleo ha sido la de generación de barreras reactivas permeables diseñadas para interceptar y remediar plumas de contaminación subsuperficiales. la capacidad de reducción química de nanopartículas metálicas. Las nanopartículas. los efectos de una explosión de transformadores con bifenilos policlorados (PCBs) en una Central Hidroeléctrica de un país vecino. se ha sustentado en Argentina el desarrollo de tecnologías de nueva generación para la remedición ambiental. e inclusive metales pesados como el cromo hexavalente. los bifenilos policlorados. por debajo de los valores máximos admisibles por la US Environmental Protection Agency. ya que el mismo tenderá a formar precipitados (hidróxidos y carbonatos) dependiendo de las características químicas del sitio. como los hidrocarburos clorados. para prevenir eventuales migraciones hacia la superficie de residuales no declorados. MÓDULO N° 6 El interés particular del caso reside en la efectiva remediación de hormigón estructural contaminado con PCBs mediante decloración con nanopartículas de hierro. se encuentran por debajo de lo requerido tanto en las “Normas de Calidad de los Desagües Cloacales” que se aplican en CABA y provincia de Buenos Aires. escalando una tecnología que previamente solo había sido implementada a escala experimental en medios porosos naturales. Ha recibido la denominación nanocatox® para reflejar el mecanismo de oxidación nanocatalizada y se puede aplicar indistintamente como ISCO u OSCO (In Situ Nanocatalysed Chemical Oxidation u On Site Nanocatalysed Chemical Oxidation). La fundamentación teórica del tratamiento on site. En la primera fase. Nanohierro como catalizador Un empleo alternativo de la alta reactividad del nanohierro en remediación ambiental de suelos y napas contaminados con hidrocarburos y/o metales. en la cual los fenómenos controlantes. que incluye terminales hidrófobos e hidrofílicos. Esta reacción es exotérmica y conduce a la mineralización completa de los compuestos orgánicos. se aceleran. El empleo de nanohierro de producción local constituyó además la primera exportación de nanotecnología aplicada que se efectiviza desde Argentina. como suelos. fue desarrollado localmente. sin remover el suelo contaminado). Es importante destacar que este desarrollo ha recibido el Primer Premio internacional al mejor trabajo original presentado en el 6° Congreso Internacional de AIDIS y que los fundamentos de la alternativa in situ han sido publicados (3). se estructura en base a la división conceptual del tratamiento nanotecnológico en dos fases de manera de maximizar la extracción de contaminantes de la matriz sólida para tenerlos disponible en una matriz líquida. Esto permite lograr lapsos totales de tratamiento significativamente inferiores a los demandados por un trabajo in situ (es decir. Respecto de la destrucción de hidrocarburos en la segunda fase. De acuerdo a los datos analíticos obtenidos en las pruebas de implementación de la tecnología. capaz de reaccionar de manera no selectiva con una cantidad de compuestos orgánicos. de lixiviados y del agua efluente de los procesos de tratamiento. la estructura combinada de la funcionalización de las nanopartículas. En presencia del nanoFe° como catalizador. permite pasar tanto los elementos polares (sales metálicas) como no polares (hidrocarburos) desde las partículas sólidas de suelo al medio líquido en que se desarrolla la segunda fase de destrucción de orgánicos e inmovilización / inertización de metales. la optimización del proceso oxidativo nanocatalizado se basa en lo siguiente. como la difusión de especies químicas y la homogeneidad de la temperatura. La eficacia y eficiencia del tratamiento se han evaluado mediante el análisis de muestras de suelo tratado. por su parte. el peróxido de hidrógeno genera radicales hidroxilo libres (•OH) que actúan como una especie oxidante mucho más fuerte que el oxígeno. P á g i n a 110 | 139 . los valores de metales e hidrocarburos remanentes post tratamiento. como de las normas holandesas que constituyen un criterio globalmente aceptado. puede representarse mediante la siguiente secuencia de reacciones: Generación de radicales hidroxilo: Mineralización de hidrocarburos: Resolviendo esta ecuación genérica para hidrocarburos específicos es posible obtener la demanda teórica o estequiométrica de reactivo. nos basamos en experiencias como las que hemos publicado (4) sobre la tecnología del nZVI (nano zero valent iron) aplicadas a la remediación de contaminantes inorgánicos y.MÓDULO N° 6 El modelo teórico que se postula y que hemos validado experimentalmente. además de la destrucción oxidativa de contaminantes orgánica. lo que maximiza el área de contacto interfacial entre contaminantes y removedor. metales pesados y metaloides tóxicos como el arsénico. Las principales ventajas de la tecnología nZVI incluyen el bajo costo relativo. En la segunda fase. reacciones secundarias con minerales presentes en el terreno. El que denominamos mecanismo de interés (por ser el que actúa de manera directa e intensa. El mecanismo básico de reacción en este caso tiene dos P á g i n a 111 | 139 . se puede contar con un punto de partida cuantitativo para diseñar inicialmente las primeras etapas de remediación. De esta manera.). A manera de ejemplo. es que existe un mecanismo base de interés (la mineralización de hidrocarburos a las formas finales de CO2 y H2O y la regeneración del efecto catalítico) que compite con mecanismos que no son de interés directo (consumos adicionales de peróxido debido a su interacción con la biota. etc. se presentan los consumos globales teóricos para la mineralización completa de un par de hidrocarburos usuales: A partir de los resultados experimentales de descontaminación lograda mediante la previsión teórica y teniendo en cuenta que en el suelo tienen lugar además reacciones competitivas que consumen peróxido adicional. El principio básico de la eficiencia de las nanopartículas de hierro cerovalente para esta función reside en la altísima relación superficie / volumen (hasta 400 m2/g según el tamaño promedio de partícula). también tiene lugar la remoción de metales. se va ajustando empíricamente en campo la dosificación de reactivos hasta conseguir la mitigación deseada. especialmente. produciendo rápidamente una significativa descontaminación). la simplicidad operativa y la escalabilidad. Para esto. estimando la composición de cada hidrocarburo a descontaminar. aunque contribuyen a mejorar las condiciones del sitio a mediano plazo (mitigación natural de eventuales remanentes) al favorecer la nutrición y proliferación bacteriana de los microorganismos originalmente presentes en el suelo. 1. Santa Fe. Argentina. Arsenic (V) removal with nanoparticulate zerovalent iron: effect of UV light and humic acids. tal como ocurre en los empleos farmacológicos y cosméticos. En el marco del desarrollo sostenible. es importante destacar que nanocatox® es un proceso ambientalmente amigable. que en caso de un eventual exceso de dosificación produciría su descomposición en agua y oxígeno. Congreso internacional de metalurgia y materiales SAM-CONAMET/IBEROMAT/MATERIA 2014. 2007. Gerardo D. Salomone. 39-50 4. López. en que las técnicas tradicionales para manejar impactos ambientales. López. Nº 3-4. Levy. E. como se ha detallado por ejemplo para el caso de la oxidación mediante agua oxigenada nanocatalizada con hierro. Vanesa. Farías. que se miden en años). Catalysis Today. Morgada. enfrentan límites de aplicación (por ejemplo para compuestos recalcitrantes y no biodegradables) y costos crecientes (la indisponibilidad de los sitios durante lapsos prolongados. además de los que ya han alcanzado escala de aplicación real. Horacio. Gerardo Daniel. Tobías. May 2009. Watlington. 143. ISSN 0328-2937. la nanotecnología permite diseñar una variedad de procesos emergentes. Ingeniería Sanitaria y Ambiental. Remediación nanocatalizada de suelos con hidrocarburos. que es el cuarto elemento más abundante en la corteza terrestre y el peróxido de hidrógeno (H2O2). en plazos relativamente muy cortos y con efectos colaterales indeseables prácticamente nulos.. Elsevier. Inicialmente el metal es adsorbido sobre la superficie de las nanopartículas y seguidamente tienen lugar procesos de óxido reducción generando por un lado óxidos de hierro que encapsulan físicamente los metales a remover (inmovilización) y simultáneamente reduciendo al estado metálico los compuestos indeseados. Litter. ya que los dos reactivos utilizados son el hierro... Gerardo. Gisela. Nanohierro cerovalente para remediación in situ de compuestos organoclorados recalcitrantes: estudio de caso. p. USEPA. Silvia S. Emerging Nanotechnologies for Site Remediation and Wastewater Treatment. por lo que pierden solubilidad (inertización). para vencer esas barreras en el caso de situaciones complejas de contaminación. p 261-268 P á g i n a 112 | 139 .4 Referencias 1. N° 93. Ivana K. Vol. ISSN 09205861. Katherine.MÓDULO N° 6 etapas. M. como la fito y la bioremediación. López. Marta I. octubre 2014 3. 1. Pagano.3 Conclusiones En el contexto actual. August 2005 2. etc. mientras que los últimos se refieren a nanopartículas dispersadas. Los nanomateriales pueden ser materiales nanoestructurados y nanofásicos. P á g i n a 113 | 139 . químicas y biológicas de los materiales en la nanoescala difieren de las correspondientes a átomos o moléculas y de la materia a granel. o nanoparticulados. La incorporación de partículas micrométricas en matrices poliméricas como refuerzo es una práctica muy antigua. Hay muchos ejemplos de nanocompuestos poliméricos tanto en la bibliografía abierta como en patentes. La introducción de nanopartículas como aditivos en sistemas poliméricos ha resultado en nanocompuestos poliméricos que exhiben características multifuncionales y altas prestaciones cuando se los compara con materiales poliméricos con cargas o refuerzos tradicionales. La definición de materiales nanocompuestos se ha ampliado significativamente para abarcar una extensa variedad de sistemas. aglomerados o fases. Goodrich introdujo el uso de negro de carbón para aumentar la durabilidad de los neumáticos. como la claridad óptica (por el tamaño reducido). Un nanocompuesto polimérico consiste en forma general de un material polimérico y de otro material que puede ser también un polímero y que tiene al menos una dimensión en el rango de la nanoescala (nanopartículas. nanofases. una mejora de las propiedades mecánicas y un aumento de la resistencia al rayado. El tipo general de materiales orgánicos/inorgánicos de nanocompuestos es un área de investigación de rápido crecimiento. También se producen mejoras en las propiedades de barrera ya que aumenta la resistencia a la difusión de gases y de productos químicos. Desde el punto de vista de los recubrimientos. El uso de nanopartículas si bien es más reciente también se emplea hace bastante tiempo. los nanocompuestos presentan ventajas y propiedades interesantes. Historia Como se mencionó en la Seccion Introducción a la Nanociencia y Nanotecnología las propiedades físicas. resistencia al fuego. Los nanomateriales pueden ser subdivididos en nanopartículas. El término nanocompuesto es usado para enfatizar la escala nanométrica en el sistema. estabilidad térmica. Por ejemplo el uso de nanopartículas de carbono en neumáticos data de 1910 cuando B. Los nanocompuestospoliméricos presentan en general propiedades mejoradas en diversos aspectos tales como las propiedades mecánicas. y otras. el campo de las nanopartículas es tal vez uno de los más intensamente investigados. De los diferentes nanomateriales. nanocapas y nanocompuestos. Las propiedades de los materiales nanocompuestos dependen no solo de las propiedades de sus patrones individuales sino también de su morfología y de sus características interfaciales.). nanohilos. hechos a partir de distintos componentes y trabajados a escala nanométrica.F. Los primeros se refieren a materiales conformados por granos.1 Introducción. con tamaños en el rango del nanómetro.MÓDULO N° 6 2 Recubrimientos 2. la capacidad debarrera a gases. magnetismo. propiedades mecánicas Óxido de hierro: estabilidad al UV /luz. en la terminación en automotores. Esta capacidad catalítica se emplea para la remoción rápida de VOCs y se han desarrollado pinturas capaces de purificar el aire. Las de dióxido de titanio. Esto implica que una fotorreacción química puede realizarse simplemente con la luz visible de una lámpara fluorescente. se describirán los obtenidos por incorporación de nanopartículas. MMT) Nanofibras de carbono (CNFs) Nanotubos de carbono Nanosílice (N-sílice o sílice) Nanoóxido de aluminio (Al2O3) Nanoóxido de titanio (TiO2) Las nanoarcillas son las nanopartículas más ampliamente investigadas en diferentes matrices poliméricas con un espectro amplio de aplicaciones. Comparativamente las micropartículas de dióxido de titanio tienen un efecto fotocatalítico y absorben el 5 % del espectro solar. A continuación se mencionan los principales nanomateriales y el efecto o impacto que provocan sobre ciertas propiedades de los materiales. 2. Óxido de Indio/antimonio estaño: antiestático. Óxido de cobre: antimicrobiano. Los recubrimientos resistentes al rayado son ventajosos para proteger pisos de madera. Dióxido de silicio: propiedades mecánicas Óxido de cerio: estabilidad al UV /luz. Dependiendo de la aplicación.        Óxido de Aluminio: propiedades mecánicas Óxido de Zinc y dióxido de titanio: estabilidad al UV /luz – antimicrobiano.2 Situación actual. para vidrios de seguridad y proteger displays electrónicos. Como se mencionó existen diversos nanomateriales o nanopartículas. Aplicando esta nanopintura en edificios se puede reducir la contaminación ambiental y este concepto ha sido P á g i n a 114 | 139 . Luego se discutirán otros casos donde se emplean la nanoestructura para conferirle al recubrimiento propiedades especiales. lo que significa aproximadamente un 50% del espectro solar. Las más importantes son:       Arcillas orgánicas (montmorillonitas. tienen gran capacidad de absorber radiación UV. hay que determinar qué tipo es el adecuado para lograr el efecto deseado. Siendo las nanopartículas los nanomateriales poliméricos. absorción de infrarrojo (calor). mientras que las nanopartículas de TiO2 pueden absorber hasta 530 nm de longitud de onda. Hay un importante número de nanopartículas comerciales que pueden emplearse para elaborar nanocompuestos poliméricos y recubrimientos.MÓDULO N° 6 Un recubrimiento puede considerarse un caso particular de nanocompuesto polimérico. eliminándose al caer la gota de las hojas. Esto permite una mayor retención de brillo y colores más brillantes. Analizando la razón de esta propiedad se encontró que la misma tiene una superficie repelente de la suciedad. La empresa Sto Corporation comercializa una pintura con el nombre Lotusan© que imita a la hoja de la planta lotus. Este tema ha sido muy desarrollado en los últimos años y hoy disponemos de un listado de proveedores de nanorellenos. que pueden asesorarnos que tipo de nanorelleno es necesario para una dada aplicación y en un sistema polimérico específico. El mecanismo de esta pintura reside en que el contaminante en contacto con las nanopartículas de TiO2 y al exponerse a la radiación UV se descomponen y los productos de descomposición de los contaminantes (orgánicos e inorgánicos) se lavan por efecto de la lluvia. en películas en envasado de alimentos. la repelencia al agua y al polvo. Empleando microscopía se determinó que la superficie está formada por protuberancias que disminuyen el área de contacto entre una partícula y la superficie. Por ejemplo las empresas BASF y Clariant ofrecen arcillas órgano-modificadas para mejorar el efecto barrera en películas y envases tanto de nylon 6 como de polipropileno. comparadas con la dureza del diamante (96±5 GPa). si bien es una de las prácticas más empleadas y directa. La empresa CeramiClear emplea una nanosílice que polimeriza en la superficie y la empresa ProGloss utiliza un sistema de dos componentes (2K). P á g i n a 115 | 139 . a base de un barniz isocianato en el que se polimeriza un derivado acrílico. En este último caso se producen sistemas multicapas en la escala de nanómetros de nanocompuestos formados por nitruros de metales de transición. se emplea como cargas desde 0. aumentando la resistencia al rayado y al chipping (astillado del recubrimiento por pequeñas piedras). Las nanopartículas de alúmina y sílice pueden reforzar el recubrimiento o matriz. Pintura con efecto lotus La incorporación de nanopartículas. La gota es obligada a rodar y en ese proceso las partículas de suciedad se adhieren a la superficie de la gota. no es la única forma de emplear la nanotecnología en recubrimientos. Recubrimientos de alta dureza La nanotecnología permite el desarrollo de nuevos recubrimientos duros y “superduros” con durezas superiores a los 40 GPa. La pintura que imita este comportamiento se aplica como una capa extremadamente fina que le confiere a la superficie una hidrofobicidad similar a la de la hoja del lotus. Por otro lado se determinó que estas protuberancias son muy hidrofóbicas y una gota de agua no puede mojar la superficie.5 % a 10 % en peso según el sistema para formular pantallas solares. En recubrimientos se emplea específicamente en barnices (recubrimientos no pigmentados) para la protección de la madera. Por esta razón hay una disminución del área de contacto entre el líquido y la superficie y la pintura permanece limpia durante mayor tiempo. textiles y cosméticos.MÓDULO N° 6 empleado en China. Esta absorción de radiación UV por parte de las nanopartículas de TiO2. La hoja de esta planta tiene la particularidad de estar siempre limpia. Y no hay que dejar de lado los aspectos de caracterización para verificar si se cumplen las mejoras y por supuesto tener presente el balance costo/performance.youtube. Sin embargo en la formulación de recubrimientos empleando nanotecnología y en particular nanopartículas. hay cuestiones que hay que responder o tener en cuenta. recubrimientos metálicos o de aleaciones nanoestructurados de alta dureza. películas moleculares para lubricación. ¿cómo afecta la dispersión y la demanda de dispersante? ¿Qué efectos surgen sobre la ecología durante la elaboración y aplicación de los recubrimientos?.1 Introducción La industria textil se caracteriza por la búsqueda constante de nuevos mercados.com/watch?v=nwQIkFrsStg 3 Textil 3. esto puede llevar a un costo excesivo difícil de trasladar al producto final. Las nanopartículas son en general materias primas bastante más onerosas que las micropartículas. Si bien el efecto deseado puede logarse con un bajo porcentaje de incorporación. salvo que la prestación lo justifique.3 Perspectiva Las perspectivas en el campo de películas y recubrimientos protectores.  VIDEO: Dr. Javier Amalvy – Recubrimientos https://www. Por ejemplo. Las innovaciones incluyen el desarrollo P á g i n a 116 | 139 . son innuse estudian películas moleculares y multicapas “diseñadas a medida” para la protección de metales y aleaciones en medios agresivos. ductilidad y protección a la corrosión y se pone énfasis en la caracterización de los recubrimientos metálicos utilizados por la industria y su optimización desde el punto de vista de propiedades barrera. 2. A pesar de que numerosos estudios de prospectiva predecían importantes avances por la aplicación de la nanotecnología en áreas como la medicina y la electrónica. Estos recubrimientos aplicados sobre plástico son potencialmente útiles en el desarrollo de paneles solares más eficientes.MÓDULO N° 6 Recubrimientos conductores El grafeno es un nanomaterial formado por láminas de dos dimensiones constituidas por hexágonos de átomos de carbono formando una red similar a un panal de abejas. cuyo espesor es de un átomo. la industria textil ha sido y continúa siendo una de las que más rápidamente ha adoptado la nanotecnología en sus procesos y productos. Este material es muy resistente y buen conductor tanto térmico como eléctrico y se pueden producir recubrimientos que aumentan de forma significativa la transmisión del calor. brillo y textura. Los textiles inteligentes. textiles para aplicaciones militares (Militarytech). Una de las áreas textiles que se verá fuertemente impactada por la nanotecnología es la de los textiles técnicos.2 Innovación en algunas categorías textiles El desarrollo de nuevos productos empleando nanotecnología tiene dos objetivos principales: 1. aumentar la flexibilidad. textiles para construcción (Buildtech). frecuencia cardiaca. textiles industriales por ejemplo para filtrado y otras operaciones (Indutech). materiales con funciones autolimpiantes y reparadoras. Desarrollar textiles inteligentes con características o funciones absolutamente novedosas. Se prevé un crecimiento acelerado en segmentos cuyo mercado efectivo no es muy sensible al costo. P á g i n a 117 | 139 . sin priorizar su apariencia o estética. Sin embargo. Incluso se prevé el desarrollo de textiles multifuncionales.MÓDULO N° 6 de productos para satisfacer demandas de los consumidores así como mejoras en los procesos. geotextiles (Geotech). mejorar la solidez de un color. textiles medicinales con liberación controlada de principios activos. principalmente para mejorar la performance de los textiles o agregar nuevas funcionalidades. e incluso textiles anti-stress. Algunos productos ya existentes incluyen prendas con sensores para bebés. higiene y productos médicos (Medtech). 2. temperatura corporal). aquellos para vestimenta industrial (Clothtech). producir cambios de color según la iluminación. conocidos como Smart textiles. para la industria automotriz (Mobiltech). entre otras categorías. entre otras. es en el desarrollo de nuevos productos donde se ve el mayor potencial de las aplicaciones nanotecnológicas. materiales que sean capaces de detectar cambios en el organismo y almacenarlos. textiles para amoblamiento y hogar (Hometech). producir fibras sintéticas con propiedades de las naturales. crear materiales resistentes a la suciedad. como por ejemplo resistencia al fuego y al agua. entre otras. Estos textiles solo comprenden una porción minoritaria del mercado textil. como por ejemplo la incorporación de protección UV. En la actualidad es un hecho que los consumidores prefieren textiles de alta performance. materiales de packaging (Packtech). especialmente para aplicaciones deportivas. con el objeto de reducir costos. 3. como por ejemplo textiles con paneles solares para almacenamiento de energía. Estos comprenden una gran variedad de materiales desarrollados por sus propiedades técnicas y su performance. Mejorar la funcionalidad o performance de aplicaciones ya existentes. deportivos e inteligentes. para monitorear pacientes (medidores de presión. Los textiles técnicos pueden ser agrotextiles (Agrotech). que combinen distintas funciones. al agua y a las arrugas. sin embargo se prevé que su mercado aumente un 40% en la década 2010-2020. protección UV y protección ante temperaturas extremas. ofrecen nuevas funciones mediante la integración de la tecnología en las fibras. aumentar la capacidad de producción o mejorar la calidad. como por ejemplo textiles técnicos. de protección (Protech). el chorro puede colectarse como nanofibras o micropartículas. mientras que también aumenta la temperatura de alteración por calor y las propiedades de barrera al agua. nylon y polietileno. compuestas por distintos tipos de aluminosilicatos hidratados. Estas nanopartículas poseen resistencia al calor. Fibras obtenidas por electrospinning La incorporación de nanoobjetos a fibras sintéticas o nanofibras como cargas ha dado origen a las denominadas fibras compuestas nanoestructuradas. las propiedades mecánicas del material mejoran entre un 40 y un 120%. anti-UV y anticorrosivas. Otras cargas comunes son las nanoarcillas. que podrían ser aprovechadas para mejorar funcionalidades de distintos tipos de textiles técnicos. La función de estas nanocargas es aumentar la resistencia mecánica y mejorar propiedades físicas como aumentar la conductividad o reducir la estática. Por lo tanto las fibras compuestas enriquecidas con nanoarcillas resultarán retardantes de llama. Según las condiciones. eléctrica y química combinados con un efecto de pantalla UV. Además.MÓDULO N° 6 3. Si bien la producción a escala industrial aún no está difundida.3 Aplicaciones de la nanotecnología en la cadena de valor textil La nanotecnología puede aplicarse en las distintas etapas de la cadena de valor textil. Sólo por el agregado de un 5% de nanoarcillas. pueden incorporar agentes funcionales y aumentar la resistencia a la abrasión y desgaste del material. Este método ha sido empleado a escala laboratorio para obtener nanofibras de distintos materiales con tamaños entre los 100 y 400 nm (Figura 1). se espera su desarrollo en base a sus propiedades únicas relacionadas con el aumento de superficie. La nanotecnología en la fabricación de fibras tiene dos aproximaciones: la obtención de nanofibras o bien el agregado de nanoobjetos a las fibras convencionales. Figura 1. Se ha observado además que mejoran los procesos P á g i n a 118 | 139 . al distribuirse homogéneamente en las matrices poliméricas. Estos nanoobjetos presentan una elevada resistencia química y conductividad eléctrica y se han empleado en porcentajes del 5 al 20% en fibras de poliéster. Entre las nanocargas más empleadas se encuentran las nanopartículas de carbón. desde la fabricación de fibras hasta los procesos de acabado. Las nanofibras pueden obtenerse mediante un proceso de electrohilado (electrospinning) durante el cual una solución polimérica es eyectada como un chorro hacia un colector debido a la aplicación de una diferencia de potencial entre el inyector y el colector. Otro tipo de nanocarga con numerosas aplicaciones son las nanopartículas metálicas o de óxidos metálicos. probablemente por formación de sitios de unión para los colorantes. obteniéndose recubrimientos funcionales de alta performance. conductividad eléctrica y absorción UV. Textiles con protección UV: el agregado de nanopartículas de ZnO durante el proceso de acabado textil ha demostrado una mayor eficacia para la protección contra la radiación UV y mayor estabilidad respecto de los compuestos orgánicos empleados habitualmente. se han desarrollado aplicaciones textiles que incluyen materiales conductores y de almacenamiento de energía. sin mencionar los aspectos toxicológicos y medioambientales. siendo compatibles con los colorantes más comunes. se han desarrollado recubrimientos a base de nanopartículas del polímero catiónico quitosano. especialmente para aplicaciones militares. por ejemplo las de polipropileno. y MgO presentan propiedades fotocatalíticas que promueven la degradación de compuestos orgánicos. Este efecto se ha visto incluso en aquellas fibras conocidas como noteñibles. Por otro lado. Al2O3. Como alternativa biocompatible. P á g i n a 119 | 139 . o bien durante el proceso de acabado textil. Se ha demostrado que nanopartículas de TiO2. Textiles antimicrobianos: se han desarrollado polvos a base de nanopartículas de Ag y otros óxidos metálicos que se aplican junto conrecubrimientos de resinas poliméricas. Además proveen al textil de un efecto blanqueador sin el agregado de otras sustancias. se ha comprobado la actividad antibacteriana de las nanopartículas de Ag. con una resistencia mecánica muy superior a los alambres de acero. El mayor desafío consiste en evitar la aglomeración de las nanopartículas aplicadas. Se ha observado la formación de una nanocapa que además de aumentar la incorporación de los colorantes entre el 100 y el 200% proporciona un acabado antibacteriano. que pueden ser incorporadas a textiles durante el proceso de hilado o electrohilado. fotooxidantes respecto a especies químicas y biológicas. Por lo tanto las investigaciones se han centrado en obtener textiles autodecontaminantes y protectores de la radiación. A raíz de la relevancia de las investigaciones sobre las propiedades de los nanotubos de carbono (CNT). Esto ha dado origen a nuevas áreas como “nanoacabados”(nanofinishing) o “nanorecubrimientos” (nanocoatings).MÓDULO N° 6 de tinción de las fibras. ZnO. así como autoesterilizantes para aplicaciones sanitarias. La ventaja de esta aproximación es que la aplicación de la nanotecnología puede realizarse sobre materiales textiles ya hilados y empleando equipamiento convencional a escala industrial. La nanotecnología también tiene un fuerte impacto en los procesos de acabado textil. A continuación se describen las aplicaciones más relevantes. MÓDULO N° 6 Textiles autolimpiantes (self-cleaning): existen diferentes alternativas para lograr acabados nanoestructurados que proporcionan el conocido como “efecto loto”, mediante el cual los materiales textiles resultan repelentes al agua y a la suciedad. En efecto, cuando los textiles tratados son expuestos al agua, la suciedad es eliminada fácilmente ya que las gotas de agua arrastran las partículas de suciedad cuyo tamaño es mucho mayor que la nanoestructura superficial del textil (Fig.7.3.2). Esta estrategia se desarrolló a raíz de investigaciones sobre la nanoestructura de la superficie de las hojas de algunos vegetales que son impermeables al agua, área que se conoce como biomimética. Micro/nanoencapsulación: se trata de la aplicación de nuevas funcionalidades mediante el acabado con micro/nanocápsulas conteniendo agentes funcionales. Entre las más relevantes se encuentran los textiles repelentes a insectos y los textiles medicinales, en particular aquellos conteniendo nanosistemas de liberación de fármacos. También existen productos en el mercado termocrómicos y fotocrómicos que cambian de color como respuesta a la temperatura o la luz; textiles conocidos como de “cambio de fase” con sustancias micro o nanoencapsuladas que cambian de estado a determinadas temperaturas, proporcionando al usuario la sensación de frío o calor según la necesidad, y cosmetotextiles, como por ejemplo los anticelulíticos. Las suspensiones de micro/nanocápsulas conteniendo el agente activo se pueden aplicar por métodos convencionales de tintorería (Fig. 3), e incluso pueden ser fijadas covalentemente a las fibras según la composición del material de pared de las cápsulas. Otra posibilidad es la obtención de textiles cuya funcionalidad puede ser recargada. Esta aproximación consiste en aplicar a los textiles oligosacáridos cíclicos denominados ciclodextrinas, que pueden ser unidos covalentemente a tejidos de algodón o bien electrostáticamente a materiales sintéticos, resultando el tratamiento resistente al uso doméstico. Una vez obtenido el textil tratado, las sustancias aplicadas sobre el material forman nanocomplejos con las ciclodextrinas, lo cual modula su liberación en el tiempo. P á g i n a 120 | 139 MÓDULO N° 6 3.4 Bibliografía recomendada Smart Textiles and Nanotechnologies: applications, technologies and markets (Científica Ltd. 2013). Patra J.K. & Gouda S. (2013) Application of nanotechnology in textile engineering: an overview. Journal of Engineering and Technology Research 5(5):104-111. Kathirvelu S., D’Souza L., and Dhurai B. (2008) Nanotechnology applications in textiles. Indian Journal of Science and Technology 1(5):1-10. Wong Y.W., Yuen C.W., Leung M.Y., Ku S.K., and Lam H.L. (2006) Selected applications of nanotechnology in textiles. AUTEX Research Journal 6(1):1-8. Miró Specos M.M., García J.J., Tornesello J., Marino P., Della Vecchia M., Defain Tesoriero M.V., Hermida (2010) Microencapsulated citronella oil for mosquito repellent finishing of cotton textiles. Transactions of the Royal Society of Tropical Medicine and Hygiene 104(10):653-658. Caracciolo P., Buffa F., Thomas V., Vohra Y. and Abraham G. (2011) Biodegradable polyurethanes: Comparative study of electrospun scaffolds and films. Journal of Applied Polymer Science 121(6):3292–3299. P á g i n a 121 | 139 MÓDULO N° 6 4 Metalmecánica 4.1 Metalmecánica La Metalurgia de los Nanomateriales Aleaciones metálicas conteniendo nano-estructuras y/o nano-partículas son utilizadas desde hace muchísimos años, antes de que surgieran las palabras nanociencias y nanotecnologías. El avance del conocimiento científico durante el siglo XX permitió el desarrollo de técnicas de caracterización de materiales que permitió comprender su estructura, su formación y su modificación, como los mecanismos responsables de las propiedades de los materiales. Desde la segunda mitad del siglo XX se comienza a desarrollar los conceptos del control de la estructura de los materiales a escala nanométrica, lo cual conlleva al desarrollo de una serie de modernas tecnologías que permiten la elaboración racional de nuevos materiales metálicos nanoestructurados (aleaciones y compuestos), [1]. Los Aceros En años recientes M. Reibold y col. [2] comunicaron el hallazgo de nano-alambres de cementita (Fe3C) y de nanotubos de carbono en una espada medieval de acero de damasco. La existencia de nanoestructuras metálicas en estas espadas no es sorprendente dado que varios autores con anterioridad informaron la existencia de nanopartículas en la estructura del acero de damasco que justifica sus excelentes propiedades mecánicas [3]. No obstante, la observación de nanotubos de carbono, si bien posiblemente a niveles de impureza, podría explicar mejor sus superiores propiedades mecánicas. En la literatura se reconoce el inicio de la producción del acero de damasco desde aproximadamente el siglo IV a.C. mediante un proceso surgido en la India que empleaba un horno de viento y biomasa con mineral de hierro. Este proceso era similar al empleado en España mediante la llamada Forja Catalana, con el que se fabricaba el acero para las espadas en la edad media [4]. Es de observar que dichos desarrollos se focalizaban sólo en la relación entre el proceso (obtención del acero, trabajado mecánico, tratamientos térmicos) y las propiedades del material. En la era moderna, en la que existe un conocimiento extenso sobre la materia y se cuenta con técnicas de caracterización de materiales diversas que alcanzan la resolución atómica, es posible relacionar el proceso con la estructura del material (a nivel de ordenamiento atómico) y de esta con las propiedades. De tal modo que se pueden diseñar y producir materiales, con propiedades superiores y ajustables a los requerimientos, como los aceros denominados de ultra alto carbono (UHC: 1-2%C), que tienen un estructura de partículas de cementita esferoidal de unos 100 nm dispersas en una matriz de ferrita (α-Fe) con granos de ∼ 500 nm con una combinación de propiedades únicas tales como alta resistencia mecánica, ductilidad y superplasticidad, pudiéndose éstas modificarse mediante procesos termo-mecánicos adecuados [5]. Otro desarrollo moderno en aceros con control de la estructura a escala nanométrica es el de los aceros nano-bainíticos con una estructura conformada por finas placas de ferrita (20-40 nm) embebidas en una matriz de austenita (γ-Fe) enriquecida de carbono, P á g i n a 122 | 139 No pudiendo observar cambios en la estructura mediante la observación en un microscopio óptico. Esta reducción de tamaño de las fases presentes en la estructura se ha convertido en un objetivo de la “metalurgia de los nanomateriales”. desde hace un siglo. además de retener una mayor fracción de soluto en el Aluminio que permite incrementar la fracción en volumen de precipitados nanométricos por tratamientos térmicos posteriores. mediante tratamientos isotérmicos a 475 °C se produce una fina dispersión de precipitados. más por razones de costos y de la economía global que por las propiedades obtenidas en los materiales desarrollados. No obstante. la experiencia y los conocimientos generados fueron de suma importancia para los desarrollos realizados a partir de la P á g i n a 123 | 139 . Estos desarrollos son liderados por el Prof. lo cual puede lograrse por ejemplo mediante la reducción del tamaño de grano y la presencia de pequeñas partículas en la estructura del material. Diferentes técnicas y conjuntos de procesos se han desarrollado para la elaboración de aleaciones nanoestructuradas. Las investigaciones y desarrollos realizados extensamente en la década del 70 y del 80 escasamente han alcanzado el mercado. las más utilizadas podrían agruparse en procesos de solidificación rápida. Con el desarrollo de la teoría de las dislocaciones (defecto lineal en la estructura. lo que facilitó la elaboración de estrategias de diseño de estructuras con mayor resistencia mecánica. en 1906 descubrió que una aleación de Al-Cu-Mg enfriada en agua desde alta temperatura incrementaba su dureza después de un tiempo a temperatura ambiente. Otro moderno desarrollo de gran impacto en aceros con precipitados nanométricos es el del acero maraging 1RK91 de Sandvik. Las Aleaciones de Aluminio En las aleaciones de Aluminio. fases intermetálicas y cuasicristalinas a escala nanométrica (<500 nm). Estos aceros fueron aplicados inicialmente en instrumentos de cirugía [7]. de deformación plástica severa y tratamientos termo-mecánicos. lo llamó “endurecimiento por envejecimiento”. H. al menos. que proveen al acero de una resistencia mecánica mayor a los 3000 MPa. Alfred Wilm. Los procesos de Solidificación Rápida aplicados en las aleaciones de Al son ampliamente utilizados para el desarrollo de nuevas aleaciones de Aluminio. ver [11]) los mecanismos de endurecimiento de las aleaciones fueron mejor comprendidos. Desde entonces las investigaciones desarrollaron un conocimiento profundo sobre el fenómeno de “envejecimiento” y desarrollaron aleaciones de Aluminio y tratamientos térmicos hoy bien conocidos para obtener una fina precipitación de nanopartículas (en general menores a 100 nm) en la estructura que aumenta considerablemente la resistencia de estas aleaciones [10]. partículas cuasicristalinas(*) de ∼1 nm. En este acero. la presencia de nanopartículas en la estructura de las aleaciones de aluminio son utilizadas para mejorar sus propiedades. similar a lo ocurrido en los aceros. Badeshia de la Universidad de Cambridge [6]. Estos permiten obtener granos de Al. que publicó recién en 1911 [9]. De tal modo que actualmente es sabido que la resistencia mecánica puede incrementarse por la obstrucción del movimiento de las dislocaciones.MÓDULO N° 6 alcanzado valores de resistencia mecánica de ∼2000 MPa manteniendo buena ductilidad y tenacidad. MÓDULO N° 6 década del 90. etc. los que deben ser luego consolidados por diferentes procesos a fin de obtener un producto o material para uso estructural. Considerando los resultados de la performance de la aleación de Al-30Si. lo que permite la adquisición del material base solidificado rápidamente para el desarrollo de aplicaciones. por ejemplo: mejoras en la resistencia a la corrosión y al desgaste. fue probada la performance de aplicación de una aleación nanoestructurada de Al-30Si producida por solidificación rápida. mayor rigidez y tenacidad. La aleación fue producida a escala industrial por la empresa RSP Bv y los pistones fueron forjados por la empresa Argentina IAPELS SA.14] y productos tales como: engranajes. no obstante su producto directo son cintas de micrones de espesor y polvo respectivamente. en la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Buenos Aires. Una mayor resistencia mecánica permite el desarrollo de productos de menor espesor y peso. Al respecto. menor coeficiente de dilatación y mayor resistencia mecánica. pero hay un gran número de empresas que emplean Atomización Gaseosa. partes de rieles de pesca. motores. recientemente. Figura 1. etc). la aplicación de esta nueva aleación nanoestructurada tendría un gran impacto en autos de alta gama o de competición. lo que es de gran interés en aplicaciones en sistemas dinámicos (máquinas. El mismo grupo de investigación junto con investigadores de la Universidad de Oxford desarrolló una aleación nanoestructurada de Aluminio (NQC) que posee una resistencia mecánica 5 veces mayor a 350°C que cualquier aleación comercial actual. en pistones de un motor de combustión interna (en la Figura 1 se muestra los pistones ensayados). en el Grupo de Materiales Avanzados. Pistones forjados de Aleación Nanoestructurada de Al-30Si. La variedad de aleaciones que pueden fabricarse por solidificación rápida permiten obtener aleaciones con una gran combinación de propiedades inusuales para las aleaciones comerciales actuales. P á g i n a 124 | 139 . Se obtuvo un aumento del torque y la potencia del motor de ∼10% y una reducción del consumo específico de combustible [15]. bates de baseball. Lo cual extiende las posibilidades de aplicación a alta temperatura de las aleaciones de Aluminio y abre el mercado de estas aleaciones a productos en los que se emplean aceros o aleaciones de Titanio. Inoue en Japón [12] guiaron el desarrollo de aplicaciones generadas por las corporaciones Daiwa e YKK. palos de golf. quienes produjeron un gran número de patentes [13. El enorme volumen de trabajo y desarrollos realizados por el Prof. Los procesos de solidificación rápida tales como “Melt Spinning” y “Atomización Gaseosa” son los más empleados para obtener aleaciones nanoestructuradas. A. Existen en el mercado algunas pocas empresas que producen material empleando la técnica de “Melt Spinning”. Levin. Meyer. (2013). las que pueden considerarse como un límite de orden dimensional inferior de los nanomateriales. (*) Los cuasicristales son fases de estructuras ordenadas pero no periódicas a diferencia del orden periódico de los cristales. Reibold. “On the Bulat-Damascus Steel Revisited”. Shechtman recibió el Premio Nobel de Química en 2011 por este descubrimiento. Second Edition. Sherby. Kochmann. aleaciones de Mg de uso estructural y para almacenamiento de hidrógeno. ASIN: B000GLHC22. A. 286 (16 November 2006) doi:10. Mejoras a estos procesos de elaboración de micro. lo cual mejoraría la resistencia mecánica y reduciría el tiempo de molienda.y nanocompuestos de matriz metálica se pueden obtener empleando aleaciones de Aluminio en polvo nanoestructurada. Editor: Florent Calvo. no obstante las mejoras relevantes en la combinación de propiedades otorgan a las aleaciones nanoestructuradas un potencial importante de aplicación en nichos de mercado específicos que requieren de alta tecnología para competir. “Materials: Carbon nanotubes in an ancient Damascus sabre”. previamente mencionada como NQC [16]. en general. Nature 444.2 Referencias [1] “Nanoalloys: From Fundamentals to Emergent Applications”. Esta no periodicidad les confiere una dureza extrema por lo cual hace de estas fases de sumo interés en su aplicación como refuerzo. N.1038/444286a. P. Paufler. W. 4. Pätzke & D. ISBN-13: 978-0123944016 [2] M. Un desarrollo en este sentido fue recientemente patentado empleando la aleación nanoestructurada. P á g i n a 125 | 139 . o en donde pueden sustituir aleaciones de mayor costo. [4] B. la empresa Materion en el Reino Unido elabora nanocompuestos empleando aleaciones comerciales de Al como matriz y partículas cerámicas. C. L.MÓDULO N° 6 El empleo de técnicas de deformación plástica severa se emplea a escala industrial en proceso de molienda mecánica para la obtención de nanocompuestos de matriz metálica. American Foundrymen's Society. Progress in Materials Science 25 (1980) 35-68. Wadsworth and O. sino que se extiende largamente en aleaciones magnéticas. alcanzando además a las fases amorfas. como las de titanio que tienen un costo ∼30 veces mayor que el Aluminio. Los cuasicristales fueron descubiertos por Shechtman y col. para la industria Automotriz. [3] J. Simpson in “History of the Metal-Casting Industry”. Por ejemplo. son de mayor costo que la fabricación por colada convencional de las aleaciones tradicionales. Aeronáutica y Aeroespacial. recubrimientos. A. Los procesos involucrados en la fabricación de las aleaciones nanoestucturadas de Aluminio. etc. El desarrollo y aplicación de la metalurgia de nanomateriales no se agota en los aceros y aleaciones de Aluminio. tal como se empleó en los aceros maraging y en aleaciones de Aluminio. en 1984 en una aleación de AlMn producida por Solidificación Rápida [8]. (1969). Young and E. Grant. Schechtman. Galano. Inoue. G. Nilsson. nanoquasicrystalline and nanocrystalline alloys in Al-based systems”. Proyecto Final de Ingeniería Mecánica. 5th edition (2007).Metallurgie: Zeitschrift für de gesamte Hüttenkunde 8 (8) (1911) 225–227. Tokyo. Smith. Fernández. [11] Derek Hull & D. Cahn. “Amorphous. Applicants: Yoshida Kogyo K.K. [14] European Patent 0577944 A1. Elsevier ButterworthHeinemann. Japan & A.Wilm. Japan. Scr. “Metallic Phase with LongRange Orientational Order and No Translational Symmetry”. D. [13] European Patent EP 0819778 A2. FI-UBA. & Mater. Tokyo. Gradias.. Inventor: Kita Kazuhito. Applicant: YKK Corporation. A 25A (1994) 2225. Metall. Ed. Metall. [7] J. Trans. [12] A. Soc. Lett. Badeshia. . and J. Publication Date: 07/01/2010. Sherby. [8] D. L.J. Scie. “Superplastic Ultra High Carbon Steel”. [6] H. Bacon in “Introduction to Dislocations”. E. Sendai. Cady. Inventors: F. Phys. M. Marcos Bonelli. Liu. Reinaldo Maehokama. “Isothermal Formation of Quasicrystalline Precipitates and Their Effect on Strength in a 12Cr-9Ni-4Mo Maraging Stainless Steel”. Ed. Proc. [16] US 2010/0003536 A1. Errazquin. Prog. 43 (1998) 365-520. J. [10] Ian Polmear in “Light Alloys: From Traditional Alloys to Nanocrystals”.W. 53 (1984) 1951-53. M. Blech. “Nanostructured bainite”. A 466 (2010) 3-18. [9] A. Publication Date: 12/01/1994. “Metal Matrix Composite Material”. in Mater. 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Inoue. separación: selectividad reactiva. alta actividad. nanohilos. disolución rápida. se usan TiO2 y ZnO nanocristalinos para producir activación de los rayos UV. zeolitas para ablandadores de agua. de la variación del pH.). crecimiento de colágeno y tejidos para uso médico. captura de iones en una solución.: compositos para aumentar la resistencia mecánica en artículos para deportes (raquetas.MÓDULO N° 7 MÓDULO N°7: NANOTECNOLOGÍA Y SOCIEDAD 1 Riesgos potenciales de la nanotecnología en la salud. nanocintas. por ej. separación de hidrocarburos). membranas de diálisis. etc. entre otros. entre ellas:    Materiales Inteligentes: Materiales capaces de realizar una tarea (en nanodimensión esa tarea es en el nivel molecular). materiales para implantes para dientes y huesos (cementos). celofán. en consecuencia. nanofiltración. de reconocimiento: de moléculas para responder a un estímulo. presentan altos riesgos de pasaje de las nanopartículas por los poros de la piel. catálisis: aceleración de una reacción química. Aplicaciones Biomédicas: la nanoescala es la escala natural de todos los procesos vivos con uso. nanocolorantes de lápices labiales o sombras para ojos con alto riesgo de absorción en mucosa o por piel. Las características de los productos nanocristalinos incluyen materiales naturales y sintéticos que presentan: alta área superficial. permiten numerosas aplicaciones. ej.1 Riesgos potenciales de la nanotecnología en la salud. entrega de drogas: (drug. por ejemplo. interfases neuro-electrónicas: en investigación para construir nanodispositivos que permitan unir la computadora al sistema nervioso con conductores moleculares y con sistema propio de conducción: iónico o electrónico. cubiertas de goma. poseen un amplio rango de reacciones químicas y. en el cuerpo (por ej. la enzima ptialina que transforma almidón en azúcares. crecimiento de nanomorfologías (nanotubos. 1. componentes de P á g i n a 127 | 139 . pelotas de golf o de tennis). Cosméticos: protectores solares de grado alto (50). fundamental. telas. encapsulado en proteinas (chaperones). en drogas: actuación local. ingeniería de proteínas para sintetizar las proteínas y aplicarlas en medicina o en alimentos sintéticos (la biotecnología: usa ADN sintético para producir proteínas particulares). nanoestructuras heterogéneas con muy buenas propiedades mecánicas. especificidad. de un choque. en biología se mueven grupos de células y otras estructuras a través del cuerpo empleando la posibilidad de su detección por el uso de colorantes orgánicos (grupos nanolumiscentes). son fuertemente adsorbentes.delivery) encapsulado con liberación lenta o rápida con rotura de la cápsula por acción de la temperatura. superficie catalítica. encapsulado: movimiento de cobre en la célula. fácilmente aglomerables. estructuras de vidrio en nanoescala para proteger del sol. autoreparación: de membranas. soluciones de TiO2 para favorecer la fotosíntesis o de Fe empleadas para mejorar el crecimiento de tomates o compost con nanocompuestos. nadie lo sabe a ciencia cierta. la biodiversidad y el ambiente. Óptica y Microelectrónica: transmisión de la luz relacionada con la energía de la misma. hidrocortisona. “Gates” y llaves: se hacen llaves “on-off” y se colocan en un arreglo de “gates” lógicos que realizan tareas computacionales. agua tritiada. colorante blanco brillante para recubrimiento de galletitas en base a TiO2 y el SiO2 como agente aglutinante (Patente Mars Co. benzofenona. arquitectura: es la estructura general del diseño de una P á g i n a 128 | 139 . las cápsulas pueden abrirse por acción del pH. su generación y transmisión. Agrocompuestos: la fusión de la nanotecnología con la biotecnología tiene consecuencias desconocidas para la salud. hidroquinona. Es interesante plantearse qué pasa si las nanofibras tóxicas son ingeridas por los animales. ¿es seguro agregar nanopartículas a los alimentos? Hoy. Veamos algunos ejemplos: la revolución verde: emplea plantas enanas que adsorben mejor los fertilizantes sintéticos pero necesitan una cantidad considerable de pesticidas con compuestos nano de mayor absorción. Syngenta) con nanoingredientes para insectos caseros (la cápsula revienta-panza se rompe en el medio alcalino de la panza de un insecto. pesticidas activos encapsulados (Monsanto.) para fabricar productos comestibles con cubierta–barrera inorgánica delgada que no altere el color y el sabor. sensores de gases para el monitoreo de la contaminación ambiental urbana e industrial y el control de la calidad de alimentos. Varios alimentos que contenían nanopartículas han llegado al mercado pero han sido retirados del mismo. fungicidas (tipo Banner MAXX) para evitar que el pasto de las canchas de golf crezca muy rápido. Se ha comprobado que estas manipulaciones resultan tóxicas también para las abejas (con la consiguiente desventaja comercial).MÓDULO N° 7    cremas cosméticas: hidroxi-ácidos (AHA) y ácido glicólico (humidificante) con riesgos de penetración percutánea y activación por UV. la manipulación de agro-nanopartículas. se emplean todavía: aditivos alimentarios nanoescalares: carotenos (antioxidantes que se convierten en vitamina A). temperatura o H2O). Alimentos y Nutrición: producir comida mediante manufactura molecular es el objetivo más ambicioso de la nanotecnología pero. bebidas o cosméticos. fertilizantes en base a fullerenos y plaguicidas nanoestructurados. control y manipulación de la luz: pasaje de información por fibras ópticas y manipulación de señales. otros componentes aceptados de las cremas y nanoemulsiones si son nanocristalinos (glicerina. aceites para la piel) pueden producir los mismos efectos. el licopeno. aditivos espesantes: sólo se pueden usar aquéllos cuyas nanopartículas se disuelven antes o durante el consumo. pastas dentífricas. electrónica molecular: moléculas tradicionales orgánicas u órgano-metálicas que se usan como componentes electrónicos. captura y dispositivos fotovoltaicos. saborizante y colorante aceptado por la FDA Food and Drug Administration-USA) con partículas micrométricas ya que en tamaño nano aparecen problemas de aglomeracíón y de desaglomeración por enzimas. Actualmente. El nivel nanométrico no puede pensarse sólo desde el ámbito de la química y la física convencionales: el tamaño es importante y es necesario que los agricultores conozcan las nuevas tecnologías con el uso de nanocompuestos. electrónica: tecnología para la computación y las comunicaciones. Investigación en Materiales: varios materiales nanoestructurados presentan retención de fases metaestables. ya se han señalado más arriba. (por ej. microesferitas de metales u óxidos. Las máscaras con malla más fina. “chips” para detección temprana de enfermedades en ganado y para detectar a los animales (rebaño inteligente). o sea su manipulación durante la síntesis. mejora de las propiedades ópticas en el caso de semiconductores. estructura cristalina. memorias: las nanoestructuras aumentan la eficiencia y bajan el costo respecto de las memorias magnéticas. contaminación de napas por penetración en el suelo (agroquímicos). incremento de la resistencia mecánica. la manipulación del material y la limpieza del laboratorio son fundamentales. captación de metales pesados. y que también se emplean en sensores de gases. mejora de procesos catalíticos. en pinturas. sulfuros. entre otras. Las NPs desprendidas o como productos de desecho pueden acarrear riesgo ecológico. entre otros. algunos riesgos que presentan ciertos nanomateriales es necesario evaluar en forma segura el problema de las nanopartículas (NPs) asociado con la fuente de obtención. P á g i n a 129 | 139 .MÓDULO N° 7  computadora que permite una aplicación particular y alcanzar versatilidad para diferentes aplicaciones. por desprendimiento de NPs. aumento de la difusión de los átomos en la red cristalina.2 Riesgos de los Nanomateriales Si bien. como el de gelificacióncombustión. Con posterioridad a la síntesis. grupos funcionales o su tiempo de reactividad) y la variación esperada de estas propiedades cuando el material alcanza tamaño nanométrico. compuestos orgánicos. obtención de “quantum-dots”(nanocristales semiconductores de tamaño entre 1 y 10nm cuyas propiedades varían en forma sorprendente debido a los efectos cuánticos provenientes del confinamiento de electrones y de agujeros en el material) . que producen una proyección considerable de NPs durante su obtención lo que puede acarrear riesgos de inhalación para el operador. contaminación atmosférica por residuos incinerados. óxidos. son para protección de virus (0. de la capacidad de absorción y de la conductividad eléctrica. 1. generalmente. Existen algunos métodos de síntesis. etc. telas impregnadas o productos para deportes) o de materiales hidrofóbicos (capaces de formar especies coloidales suspendidas en agua) pudiéndose producir también contaminación del suelo y del agua. fácilmente soluble en un medio líquido. contaminación de napas por penetración a través del suelo de los depósitos de basura que pueden contener Nps. en parte. su toxicología previa. obtención de tintas conductoras para la fabricación de microcircuitos. actualmente en uso.1um) y las NPs pueden tener diámetros en un rango de 2-100nm. Es importante también conocer previamente las propiedades del material a sintetizar (si es homogéneo. nanotubos de carbono que solos actúan como transistores y en pares cruzados actúan como estructuras lógicas. caracterización y aplicaciones (interesan los métodos empleados y la capacitación de la mano de obra). Otra etapa que implica riesgos sobre la salud (contaminación del usuario) es durante el uso de los materiales nanoestructurados. mejora de las propiedades tribológicas usando lubricantes de base agua o aceites con nanotubos de carbono. Algunas importantes asociaciones internacionales involucradas en esto temas son: EPA (Environmental Protection Agency). por ej. entre otras. la responsabilidad de los científicos es grande y mucho mayor aún cuando los conocimientos se transfieren a la industria para la aplicación de estos materiales. ETC (Action Group on Erosion. en tanto que las nanopartículas al ser aspiradas producen obstrucción de los alvéolos pulmonares semejantes a las de la silicosis [7]. Fe3O4 y ZnO). existen organismos internacionales que se ocupan de estos temas y que pueden asesorar para que cada país (entre ellos el nuestro) dicten sus normas al respecto. los estudios toxicológicos de los últimos 10 años han mostrado que las NPs (Φ <100nm) causan daños inflamatorios en los pulmones más importantes que los producidos por cualquier partícula respirable [3-5] en tamaño micrométrico convencional.MÓDULO N° 7 Actualmente. dado su tamaño. Al ser aspiradas. la alta toxicidad del TiO2 iluminado ya que absorbe un 70% de la radiación UV incidente y sus efectos posibles sobre el ADN. como verdaderas agujas con la patogeneidad potencial de una fibra. Sin embargo. The Royal Academy of Sciences (UK). mecánicas y térmicas con uso potencial en numerosos dispositivos. Los nanotubos actúan en el organismo. NBIC (Nanotechnology. UNESCO (United Educational. Biotechnology. ITRE (Comité de Revisión de Tecnologías del Parlamento Europeo). P á g i n a 130 | 139 . No obstante. Este comportamiento se ha encontrado para una amplia gama de materiales de baja toxicidad tales como el negro de huno y el TiO2 [6]. espesantes de pastas dentífricas (SiO2). en muchos países todavía el vacío regulatorio es total. Las propiedades sorprendentes que presentan pueden tentar a un mercado inescrupuloso para su producción descontrolada con los consiguientes riesgos para los usuarios y la contaminación del ambiente. son estructuras cilíndricas de Φ=1-2 nm y con longitudes mayores de 20μm y que exhiben biopersistencia. ZnS). OMS (Organización Mundial de la Salud). Estos compuestos reaccionan activados por la luz del sol produciendo foto-oxidaciones que pueden explicar. las NPs se encuentran frecuentemente en el comercio como cosméticos y protectores solares (TiO2. CdSe. Technology and Concentration). su efecto sobre el organismo es semejante al de las fibras de asbesto (asbestosis).3 Como contribuir a la solución del problema de contaminación por nanopartículas Es una obligación de la comunidad científica hacer conocer los peligros asociados con la manipulación y la aplicación de los nanomateriales. IRGC: International Risk Governance Council). DIA (Defense Intelligence Agency). ISO (International Standards Organization). Desafortunadamente. En consecuencia. OIT (Organización Internacional del Trabajo). en la filtración de agua. entre ellos sensores. CTEKS (Converging Technologies European Knowledge Society). Scientific and Cultural Organization) y OECD (Organization for Economic Cooperation and Development). fundamentalmente de carbono. Presentan inusuales propiedades electrónicas. El personal involucrado en su obtención debe ser instruido y protegido con normas de seguridad estrictas basadas en normas internacionales y el usuario debe ser consciente de los peligros asociados con las NPs. FAO (Food Agricultural Organization). Otro factor de riesgo se produce por el uso de nanotubos. en sistemas catalíticos o en celdas solares (CdS. 1. Informatics Comité). MÓDULO N° 7 1. pesticidas como DDT. 2004. 2 Impacto ambiental de la nanotecnología 2. nuestra mera presencia implica alterar las condiciones naturales preexistentes. Wilson et al. Philos. Donaldson y V. A diferencia de otras grandes invenciones en el pasado. Nanoscience and Nanotechnologies: Opportunities and Uncertainties. [4] K.gov/nanotecnology. Donaldson et al. es decir.Trans. Sci. se ha convertido en una condición más de diseño en ingeniería. una sociedad cuya calidad de vida avanza constantemente como consecuencia de los avances científico tecnológicos que genera sin producir degradación de los recursos naturales renovables y ofreciendo iguales posibilidades a generaciones futuras. Es por esto que paralelamente al desarrollo de la nanotecnología en diversos campos. BIOS. Toxicol. Ed. Stone “Toxicological properties of nanoparticles and nanotubes” en Issues in Environmental Sc.24 “Nanotechnology: Consequences for Human Health and the Environment”.html.Pharmacol. [7] K.of Chemistry (2007) pp. el despertar de la nanotecnología ha encontrado una comunidad científica mucho más consciente de la responsabilidad con el medio ambiente y de su capacidad para desatar eventos catastróficos a partir de su producción. Maynard y C. 184 (2002) 172. obligando a la prohibición del uso y en algunos casos también a costosas obras de remediación. Environ. [6] M. con el fin de orientar el avance hacia procesos benignos para el medio ambiente y así asegurar la transcendencia y éxito de los mismos a largo plazo.arc. aislantes térmicos a base de asbestos son algunos de los tantos ejemplos que podemos nombrar de productos sintéticos ampliamente celebrados en su lanzamiento por su performance superior en una aplicación específica que luego demostraron graves consecuencias ambientales. the Royal Soc. [5] K. London. Donaldson et al. “Particulate Matter: Properties and Effects Upon Health”.1 Impacto ambiental de la nanotecnología Todas las actividades humanas suponen un cierto impacto en el medio ambiente.Royal Soc. se puede citar los fulerenos y su capacidad de producción de P á g i n a 131 | 139 . L.and Techn. Como ejemplo del primer caso. numerosos grupos de investigación se están dedicando a estudiar su impacto ambiental. R. 58 (2001) 211. Los nanomateriales pueden causar un impacto negativo en el medio ambiente natural como consecuencia de las propiedades especiales que exhiben en relación al mismo material en estado macro o simplemente debido a su reducido tamaño. Howard.ipt.nasa. A 358 (2000) 2741. [2] http://www. El desafío consiste en lograr el desarrollo sustentable. Med.V. Los gases refrigerantes cloroflurocarbonados. 2006 [3] R.Occup. Publishers/ Royal microscopical Soc. Appl. La sustentabilidad en este contexto.4 Bibliografía [1] The Royal Society and Royal Academy of Engineering.81-91. No. Oxford (1999)115. materiales normalmente considerados inertes como el oro o la plata sufren y causan transformaciones significativas. Lohse et al. En correspondencia con el fenómeno de maduración de Ostwald. Mackeyev et al. pueden transportarse largas distancias en aguas naturales e impactar organismos en la columna de agua (Romanello and Fidalgo de Cortalezzi 2013. 2009. Yang. De esta manera. hay un aumento relativo de la peligrosidad de los nanomateriales. Cuando esto ocurre. por la mayor solubilidad del material en esas últimas y reprecipitación de la solución sobresaturada sobre las primeras. provenientes de la disolución parcial de las nanopartículas. Los nanomateriales pueden ingresar a los P á g i n a 132 | 139 . aumentando el terreno impactado y por lo tanto su peligrosidad. que sedimentan rápidamente en condiciones propias de aguas naturales. el aumento de la relación superficie/masa total (hay proporcionalmente más átomos superficiales) produce un incremento de la energía superficial y un aumento de la solubilidad. Las constantes termodinámicas de solubilidad de los materiales son aplicables a sólidos macroscópicos. Sin embargo. Veltman et al. acidos húmicos) puede resultar en un efecto estabilizante de las nanopartículas. Pool et al. La solubilidad de las nanopartículas merece una discusión aparte. pero se torna muy relevante por debajo de los 50 nm. Tomić. por solubilización parcial. es esperable que la mayoría de las nanopartículas tiendan a coagular y formar agregados porosos de dimensiones del orden de micrones. cobran relevancia en el mundo nano cuando éstas son dependientes del área específica. 2014). 2014). tales como por el ejemplo Ag+. Dentro de esta categoría. Un segundo efecto de la nanoescala es la capacidad de traspasar membranas biológicas. Thill et al. El efecto también es reciproco. La diferencia no es significativa para partículas con diámetros mayores a 1 micrómetro. Walters. Zhu. 2009. también desaparecen los escenarios específicos de impacto ambiental. Un factor fundamental para estimar el riesgo ambiental de un proceso o material es conocer las posibles rutas de exposición. Wang et al. En este caso. dada sus características. y depositarse en el interior de microorganismos. Therezien. regulada por las condiciones de solubilidad (Elzey and Grassian 2010. el escenario más probable es aquel en el cual los nanomateriales se transforman en una fuente continua de iones. que manteniendo su tamaño original. se incluye también la adsorción tanto especifica como electrostática de iones y sustancias disueltas en el medio en donde las nanopartículas se encuentran. Éstas se convierten entonces en facilitadoras del transporte de contaminantes que en otras condiciones hubieran sido considerados inmóviles. Al disminuir el tamaño de las partículas. es poco factible que en medios naturales se produzca una saturación de la concentración de ciertos iones. 2014. Hotze et al. que no está asociada directamente con materiales de carbono en otras formas alotrópicas (Chae. reacciones cuya incidencia se consideraría despreciable. o convertirse en una vía de acceso a la cadena trófica por acumulación en organismos sencillos (Kettler. Lee. la adsorción de macromoléculas cargadas en aguas naturales tales como la materia orgánica natural disuelta (por ejemplo.MÓDULO N° 7 especies radicales altamente oxidantes. las partículas de mayor tamaño dentro de la suspensión tenderán a crecer a expensas de las más pequeñas. 2013). Dokić et al. Kong and Zepp 2012). Al perder la dimensión nano. El efecto del tamaño es común a todos los nanomateriales y puede incidir de diferentes formas: su superficie es mucho más reactiva que la contraparte macro y por lo tanto. el material puede inducir toxicidad por sí mismo. 2014. Sin embargo. 2014. a la vez que se desarrolla un alto nivel de actividad en investigación de los posibles efectos negativos de los mismos (Li and Sheng 2014. 2014). 2014. Koponen et al. Algunas partículas pueden sufrir disolución dentro del pulmón y liberar iones potencialmente tóxicos que ataquen el tejido pulmonar. pero es comparativamente menor que aquel producido por otras vías de exposición. P á g i n a 133 | 139 . Los resultados de los estudios parecen indicar que la peligrosidad es baja o nula. Además de su tamaño y composición química. Wagemaker et al. lentes de seguridad. Estos nuevos desarrollos están en su mayoría regulados según la toxicidad de los materiales en su estado macro. estudios demostraron que la geometría es importante: fibras o partículas alargadas resultaron más tóxicas en el pulmón que las esféricas. por lo que la aplicación comercial de estas nuevas tecnologías debe ser estudiada cuidadosamente. El riesgo de inhalación sobre la población en general está relacionado con partículas producidas por uso y erosión de materiales sólidos cuya composición incluye nanomateriales como por ejemplo polímeros reforzados con nanoparticulas de silica o nanotubos de carbono (Saber. ingestión o contacto dérmico. que son utilizadas industrialmente y procesadas en primera instancia como polvos secos. existe el riesgo de que las nanopartículas se liberen durante el proceso y pasen al agua tratada. Clancy et al. lo mismo que catiónicas en relación a neutras o negativamente cargadas (Braakhuis. Rigano 2013). Raj. entre otras. Martirosyan and Schneider 2014. Johal et al. 2014. etc. mascarillas. Liao et al. como sensores de aseguramiento de calidad. ya que éstas pueden depositarse en el pulmón y producir condiciones inflamatorias. sin embargo.MÓDULO N° 7 organismos vivos mediante inhalación. El desarrollo de nuevos procesos de tratamiento de agua incluyendo nanomateriales es un campo de trabajo con mucha actividad (Kim and Van Der Bruggen 2010. El empleo de nanopartículas en productos cosméticos y de cuidado personal. 2014). es preocupante debido al alto numero de personas que puede afectar y el contacto directo de las mismas con la piel por tiempo prolongados. en envases. Singh Sekhon 2014). Park et al. 2012. dióxido de titanio o cinc. Juan et al. pero aún no existe un consenso generalizado (Gianeti. 2012. y no consideran los efectos de la nanoescala. presentan un riesgo significativo en el campo de seguridad e higiene ocupacional (Chuang. Wu. Reig. protectores solares y desodorantes. Actualmente se está dando un importante debate sobre la seguridad de estas aplicaciones en alimentos. aunque esta ocurrencia es fácilmente controlable mediante el uso de equipamiento de protección personal adecuado. 2012. como por ejemplo cremas de maquillaje. Lopez et al. Khin. Goyal. La exposición a nanomateriales por contacto dérmico puede ocurrir en trabajadores de plantas manufactureras. Nanopartículas como nanotubos de carbono. Grice and Benson 2013.Froggett. Jose et al. La ingestión de nanomateriales puede producirse mediante el consumo de agua contaminada o por bioacumulación en la cadena trófica. 2012. Existen muchas aplicaciones de nanomateriales en alimentos: como conservantes. Shepard and Brenner 2014. Nair et al. 2014). como guantes. Los trabajadores que manejan rutinariamente nanopartículas en sistemas secos deben utilizar equipo de protección adecuado para evitar su inhalación. 2011. Bora and Dutta 2014). Grice. 2014. R. C. arrastrará las nanopartículas hacia los efluentes cloacales y eventualmente a su tratamiento previo a descarga a aguas naturales (Brar. El desafío para científicos e ingenieros es poner a disponibilidad de la sociedad la información necesaria para el desarrollo seguro de la nanotecnología. en especial en productos de consumo masivo. H. alimentos y envases logran mejoras a partir de la incorporación de nanopartículas. "Nanotechnology for Water Treatment. los riesgos e incertidumbres asociados a los desarrollos nanotecnológicos son grandes. entren a la corriente de lixiviados. Hwang. "The use of nanotechnology in cosmetic formulations: The influence of vehicle in the Vitamin A skin penetration. E. "Applications of nanotechnology in wastewater treatment-A review. M. H. J. Chuang. V. higiene personal. C. N." Waste Management 30(3): 504-520. "Analysing the skin barrier from down under. H.. Yan. "Physicochemical characteristics of nanomaterials that affect pulmonary inflammation. Pablico-Lansigan. H. Un destino similar conllevarían las partículas liberadas durante el uso: la limpieza de electrodomésticos. Y. A. 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L.2 Referencias Bora. S. Hotze and M.Evidence and impacts. Park. Maia Campos (2012). Dado que estos últimos son utilizados frecuentemente como abonos orgánicos. Considerando el ciclo de vida completo de estos productos." Particle and Fibre Toxicology 11(1). and H. P á g i n a 134 | 139 . R. B." Biology and Fertility of Soils. H. V. 2014.. R.. C. es esperable que las nanopartículas sean liberadas. Braakhuis. Clancy.. M. D. H. uso y disposición final de productos nanotecnológicos para un avance sustentable del conocimiento. M. Goyal. R. Verma. Wagemaker... "Titanium oxide nanoparticle effects on composition of soil microbial communities and plant performance. S. Verma et al. isolation and dissolution of commercially manufactured silver nanoparticles in aqueous environments. J. pinturas. Electrodomésticos. Wang. and V. S. las nanopartículas pueden impactar las capas superiores de suelos y llegar a producir daños a plantas si se aplican en cantidades considerables (Schlich. etc. C." 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D. pero también lo son los adelantos y beneficios para la sociedad que derivarán de ellos. A.. S. y resultan asociadas a sólidos precipitados o biosólidos. Klawonn et al.. T. Rylott et al. J." Environmental Science and Technology 43(16): 6208-6213. S. en el caso de realizarse tratamiento biológico. C. Durante la etapa de tratamiento. T. Tyagi and R. W. ." Nanotoxicology 6(7): 776-788. J. "Effect of nanoparticles exposure on fractional exhaled nitric Oxide(FENO) in workers exposed to nanomaterials. "Cellular uptake of nanoparticles as determined by particle properties." Science of the Total Environment 487(1): 375-380. M. V." Journal of Pharmacy and Bioallied Sciences 4(3): 186-193. M. Nair. Li. Sahi. R. Janković. Veltman. A.. and R. L. Lopez. Koponen. Zhao and J. K. M."Science of the Total Environment 485-486(1): 309-318. C. M. Bruce (2014).. S. H. Mikkelsen. Shaw. S. Y. M. Singh Sekhon. van de Meent. E. Keller. K. Thill and M." Environmental Science and Technology48(8): 4376-4385. 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Entre todos se busca por consenso una opinión o voto que IRAM eleva como la posición argentina sobre el tema de estudio en cuestión. El Comité tiene como función principal establecer políticas y líneas de acción para el desarrollo de la normalización en el área de las nanotecnologías. fundamentalmente de la industria. de varias universidades nacionales y privadas. de la CNEA . [5] [6] [7] [8] [10] [14] [11] [9] [12] [13] [15] A continuación se detalla el plan de estudio del corriente año junto a una breve descripción del estado de avance de la norma: IRAM 39501 Nanotecnologías – Vocabulario Esta norma contempla las definiciones consensuadas de términos generales comúnmente utilizados. IUPAC . otros). los temas que los países miembro de la ISO consideran que son prioridad para normalizar y otras novedadesprovenientes de varios organismos reconocidos internacionalmente (OECD . COPOLCO y también. del INTI . entre ellos el de Nanotecnologías que es el tema que nos interesa. Ha dado origen además al Subcomité Nanotecnologías que se dedica a elaborar las normas para lo cual sus miembros se reúnen mensualmente. Pero varios motivos llevaron a dar un paso atrás y dejar de participar allí. entre ellos la gran cantidad de documentos a tratar. Al mismo tiempo volvimos a realizar una nueva convocatoria de expertos logrando que hoy integren el Comité Nanotecnologías representantes del CONICET . La norma no es independiente y se recomienda utilizarla junto con la IRAM 41400:2013 . El Comité de Nanotecnologías se conformó en el año 2008 y hasta fines del 2010 participó activamente en el estudio de varias normas internacionales ISO (Technical Committee 229 Nanotechnologies). Así encaramos el tema de otra manera: seguimos participando en el TC 229 pero como miembro observador (sin obligación de emitir votos) lo que nos permite continuar recibiendo toda la información actualizada sobre las normas internacionales en estudio. ASTM y bibliografía aportada por los miembros. EC-JRC . salud y ambientales en las SDS para las sustancias clasificadas como nanomateriales y para los productos químicos que los contienen. A nivel local IRAM posee también numerosos organismos de estudios de normas técnicas nacionales. nano-objetos y materiales nanoestructurados. de la SMTBA .MÓDULO N° 7 organizaciones elaboran normas técnicas voluntarias y la función de IRAM allí es participar en los estudios de normas fijando la posición de nuestro país. [1] IRAM 39502 Nanotecnologías – Hoja de datos de seguridad Esta norma proporciona recomendaciones para desarrollar y dar soporte en la comunicación de la información sobre los aspectos deseguridad. industrias). de varias empresas privadas (aseguradoras de riesgos. de la SRT . de la FAN . del INTA . de expertos a convocar y la imposibilidad de cumplir a tiempo con los votos a emitir. de la comunidad académica y de representantes del Estado. Se encuentra próxima a salir a discusión pública. Toma en cuenta el documento “Globally harmonized system of classification and labelling of chemicals (GHS)” sobre comunicación de los peligros: hojas de datos de seguridad. Considera un enfoque precautorio en términos de toxicidad y otros peligros asociados [2] P á g i n a 136 | 139 . Esa posición es producto de la consulta a expertos de las más variadas temáticas y áreas. como ya se mencionó. está encargado de elaborar las normas. los ciudadanos y el ambiente. recomienda una SDS para los NM y productos que los contienen independientemente de si el material está clasificado o no como peligroso. No es una tarea fácil dado que una norma es un documento que se establece por consenso y muchas veces. El antecedente que se utilizó para elaborar esta norma fue la ISO/TR 13329 Nanomaterials – Preparation of Material Safety Data Sheet (MSDS). Del plan de estudios surge el rumbo que ha adoptado el Comité de Nanotecnologías en establecer las prioridades de los temas a normalizar y gracias a la fuerte participación de la comunidad académica. Sin embargo. de la SRT. recomienda declarar la composición completa de los nanomateriales incluyendo sus impurezas y que se proporcionen distintas SDS para diferentes formas del mismo producto químico si éstos poseen peligros diferentes. El antecedente que se está utilizando es la norma ISO/TR 13121 Nanotechnologies – Nanomaterial risk evaluation process. P á g i n a 137 | 139 . con el fin de proteger la salud y seguridad de las personas. decisiones y prácticas a medida que se dispone de nueva información y sobre cómo comunicar la información y las decisiones a las partes interesadas. entre otros. consumidores. IRAM 39504 Nanotecnologías – Gestión del riesgo ocupacional aplicado a nanomateriales Aún no se comenzó el estudio de esta norma. evaluar. sobre cómo gestionar cuando la información es incompleta o incierta mediante el uso de premisas razonables y prácticas apropiadas de gestión del riesgo. es difícil conseguirlo dado que cada sector (académico. que permitan lograr seguridad para los trabajadores. tomar decisiones y comunicar los riesgos potenciales del desarrollo y uso de nanomateriales fabricados. por consiguiente. First edition 2012-12-01 y muchos otros que se mencionan a pie de página . Asimismo. Además. Trata de describir un proceso para identificar. Actualmente se encuentra en proceso de aprobar su envío a discusión pública. del INTI y la CNEA merece destacarse la labor del Subcomité que. incluye métodos para actualizar las premisas.MÓDULO N° 7 con los NM y. se reconoce la necesidad de disponer de normas que proporcionen pautas o requisitos armonizados y enunciados no ambiguos acerca de metodologías de ensayos. que no obstaculicen el comercio y que brinden herramientas para una comunicación de los beneficios y peligros potenciales. así como también. Ofrece una orientación sobre la información que se necesita para realizar evaluaciones de riesgo robustas y para tomar decisiones para la gestión del riesgo. conducir. Metodología para la evaluación del riesgo de nanomateriales Esta norma se encuentra en pleno estudio. Los antecedentes a utilizar serán las normas ISO/TS 12901-1: 2012 Occupational risk management applied to engineered nanomaterials – Part 1: Principles and approaches y la ISO/TS 12901-2 Occupational risk management applied to engineered nanomaterials – Part 2: Use of the Control Banding approach in occupational risk management. regulador e industria) posee visiones e intereses diversos. [3] IRAM 39503 Nanotecnologías. trabajadores y el ambiente. Considerar que actualmente se sigue debatiendo la definición de “nanoescala”. ISO/TR 12885:2008 Nanotechnologies – Health and safety practices in occupational settings relevant to nanotechnologies. OECD Working Party on Manufactured Nanomaterials. Asociación MERCOSUR de Normalización Comisión Panamericana de Normas Técnicas Organización Internacional de Normalización Comisión Internacional Electrotécnica Organization for Economic Co-operation and Development International Union of Pure and Applied Chemistry European Commission – Joint Research Centre Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas Fundación Argentina de Nanotecnología Instituto Nacional de Tecnología Industrial Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria Comisión Nacional de Energía Atómica Sociedad de Medicina del Trabajo de la Provincia de Buenos Aires [1] [2] [3] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] P á g i n a 138 | 139 . Contenido y orden de las secciones ISO/TR 13014:2012 Nanotechnologies – Guidance on physico-chemical characterization of engineered nanoscale materials for toxicological assessment. la actividad de normalización es dinámica. respirator cartidges. 2) Medición y Caracterización.MÓDULO N° 7 Para terminar. permanentemente se actualiza y es por ello que recomendamos ver en el texto y en la cita [18] las normas de mayor interés publicadas por ISO.iso. Sistema globalmente armonizado de clasificación y etiquetado de productos químicos. Naciones Unidas. La mayoría de las normas que ha publicado y las que están en estudio son provisorias. Argentina. entre ellos. Nanosafe dissemination report.org se pueden encontrar los planes de estudios de los cuatro grupos principales de estudio de normas. Seguridad y Ambiente y 4) Especificación de Materiales. EN 15051:2006 Workplace atmospheres – Measurement of the dustiness of bulk materials – Requirements and reference test methods. Ello significa que tienen una vigencia más corta debiendo ser revisadas cada dos años y una de las razones principales se basa en la necesidad de avance de la nanometrología con el fin de disminuir la incertidumbre de los métodos de medición fundamentalmente en el límite inferior de la nanoescala garantizando la confiabilidad en los resultados. protective clothing and gloves also efficient for nanoaerosol. en el plano de la normalización internacional el ISO/TC 229 Nanotechnologies está conformado por 35 países miembro participantes activos y 13 países miembro observadores. Como se puede observar. Are conventional protective devices such as fibrous filter media. ASTM International (antes conocida como American Society for Testing and Materials) IRAM 41400:2013 Productos químicos. Posee 4 grupos de trabajo: 1) Terminología y Nomenclatura. Hoja de datos de seguridad. basta introducir “TC 229” en el buscador y seleccionar la solapa “site”. se trata de reportes técnicos (TR o Technical Report) o de especificaciones técnicas (TS o Technical Specification). 3) Salud. En la página de internet www. ISO/TS 12901-1:2012 Nanotechnologies – Occupational risk management applied to engineered nanomaterials – Part 1: Principles and approaches. [14] [15] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] P á g i n a 139 | 139 . respirator cartidges. Are conventional protective devices such as fibrous filter media. Naciones Unidas. protective clothing and gloves also efficient for nanoaerosol. ISO/TR 12885:2008 Nanotechnologies – Health and safety practices in occupational settings relevant to nanotechnologies. pertenece a la ISO ASTM International (antes conocida como American Society for Testing and Materials) IRAM 41400:2013 Productos químicos. ISO/TS 12901-1:2012 Nanotechnologies – Occupational risk management applied to engineered nanomaterials – Part 1: Principles and approaches. Sistema globalmente armonizado de clasificación y etiquetado de productos químicos.MÓDULO N° 7 Superintendencia de Riesgos del Trabajo Committee on Consumer Policy. Hoja de datos de seguridad. Nanosafe dissemination report. Contenido y orden de las secciones ISO/TR 13014:2012 Nanotechnologies – Guidance on physico-chemical characterization of engineered nanoscale materials for toxicological assessment. pertenece a la ISO Asociación MERCOSUR de Normalización Comisión Panamericana de Normas Técnicas Organización Internacional de Normalización Comisión Internacional Electrotécnica Organization for Economic Co-operation and Development International Union of Pure and Applied Chemistry European Commission – Joint Research Centre Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas Fundación Argentina de Nanotecnología Instituto Nacional de Tecnología Industrial Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria Comisión Nacional de Energía Atómica Sociedad de Medicina del Trabajo de la Provincia de Buenos Aires Superintendencia de Riesgos del Trabajo Committee on Consumer Policy. EN 15051:2006 Workplace atmospheres – Measurement of the dustiness of bulk materials – Requirements and reference test methods. OECD Working Party on Manufactured Nanomaterials.