Nuevos Materiales Para Alumnos del curso de Tecnología. Escuelas Técnicas 01/01/2015 Elaborado por el Prof. Ingeniero David Devia

NANOCIENCIA Y NANOTECNOLOGIA

En principio deberíamos distinguir la diferencia entre nanociencia y nanotecnologia. La nanociencia se encarga del estudio científico de las propiedades del mundo manométrico, mientras que la nanotecnología es el desarrollo y la aplicación práctica de estructuras y sistemas en una escala nanométrica.Cuando hablamos en término “Nano” nos referimos a una escala sorprendentemente pequeña, es decir, como si cogemos un 1 metro y lo partimos en mil millones de trozos. Una molécula es mayor que un nanómetro, una dimensión de 100 nanómetros es importante para la nanotecnología ya que se pueden apreciar nuevas propiedades en la en la materia, debido principalmente a las Leyes de la Física Cuántica. La nanotecnologia consiste en la reducción de tamaño, atendiendo a la dirección de la reducción podemos distinguir entre dos tipos de nanotecnologia: 1)

Top-down, que consiste en reducir los componentes y estructuras de mayor a menor. Este tipo de nanotecnologia es la más desarrollada hasta el momento, su aplicación más importante ha sido en el campo de la electrónica. Produciéndose una reducción e incluso la minituarización de algunos componentes electrónicos.

2) Bottom-up, a este tipo de nanotecnología se le conoce también como auto ensamblado. Consiste en crear y montar de menor a mayor, es decir, partimos por ejemplo de una molécula y mediante un proceso de montaje se crea una estructura mayor. Este tipo de nanotecnología nos permite crear y controlar la materia de una forma muy precisa. En mi opinión aquí nos encontramos ante el verdadero potencial de la nanotecnología.

Nuevos Materiales:

¿Por qué se llaman nanomateriales? Esto surge de la unión de dos palabras, “nano” que deriva de una unidad de medida llamada Nanometro, que es la millonésima parte de un metro y la palabra material, que ya sabemos a lo que se refiere.

¿Cuál es el origen y qué propiedades interesantes presentan los nanomateriales? Nuestra sociedad actual, se puede denominar “Sociedad Electrodependiente “, ya que sin electricidad nuestro modo de vida se vería muy afectado. Y por el otro, podemos decir que somos una “Sociedad Electronicamente Adicta”, ya que estamos viviendo una verdadera revolución, en el campo de la tecnología de las comunicaciones, así como en el campo de los procesos de control, automatización y ejecución de tareas.

Esto ha sido posible gracias a los descubrimientos y avances en materia de electrónica. Los principales se caracterizan a nivel de usuario, por la posibilidad de la miniaturización de los elementos, así como la comunicación inalámbrica. Los nuevos materiales son productos de nuevas tecnologías fruto del desarrollo de la química y la física aplicada, de la ingeniería y de la ciencia de los materiales. Se han diseñado para responder a nuevas necesidades o a alguna aplicación tecnológica. El rápido progreso de la electrónica durante la segunda mitad del siglo XX se explica por el refuerzo mutuo entre la investigación de materiales y su aplicación industrial práctica en áreas tan distintas como la ingeniería, la medicina, la construcción, las telecomunicaciones o la informática En esto los nanomateriales son centrales. Sin ellos, este proceso de avance y nuevos descubrimientos detendría muchos aspectos de la electrónica, justamente porque se trabaja a nivel del átomo. Propiedades: Los avances de la física y la aparición de la electrónica combinada con los progresos de la ciencia de los materiales han dado lugar a circuitos eléctricos y electrónicos muy reducidos capaces de controlar señales eléctricas de muy baja intensidad, gracias a nuevos materiales eléctricos como: • Semiconductores: Materiales como el silicio, galio o selenio, arseniuro de galio, etc., cuya resistencia al paso de la corriente depende de factores como la temperatura, la tensión mecánica o el grado de iluminación que se aplica. Con ellos se fabrican microchips para ordenadores y circuitos de puertas lógicas.

• Superconductores: Materiales como el mercurio por debajo de 4 K (Grados Kelvin.1K= -272.15 °C.) de temperatura, nanotubos de carbono, aleaciones de niobio y titanio, cerámicas de óxidos de itrio, bario y cobre, etc., que al no oponer resistencia al paso de la corriente eléctrica, permiten el transporte de energía sin pérdidas.

• Piezoeléctricos: Materiales como el cuarzo, la turmalina, cerámicas y materiales plásticos especiales, dotados de estructuras micro cristalinas, que poseen la capacidad de transformar la energía mecánica en eléctrica y viceversa. Se utilizan como sensores y actuadores en dispositivos electrónicos como relojes, encendedores, micrófonos, radares, etc.

Otros nuevos materiales con propiedades interesantes son:

• Siliconas: Polímeros en los que las cadenas están formadas por silicio en lugar de carbono. Son materiales muy flexibles, ligeros y moldeables. Son aislantes del calor y de la electricidad y no les afectan ni el agua, ni las grandes variaciones de temperatura. No sufren rechazo en tejidos vivos. Se usan para fabricación de revestimientos exteriores, tapar y sellar grietas, fabricación de prótesis e implantes, material quirúrgico, cirugía estética, etc. • El coltán: formado por dos minerales, la columbita y la tantalita, de los que se extraen el tántalo y el niobio, metales necesarios para la fabricación de microprocesadores, baterías de móviles, componentes electrónicos, aleaciones de acero para oleoductos, centrales nucleares, etc. El 80% de las reservas conocidas se encuentra en la República Democrática del Congo. Por ello hay en esta región una amplia zona de conflicto y de guerras por el control de las minas de diamantes, oro, uranio y coltán. • La fibra óptica: son fibras constituidas por un núcleo central de vidrio muy transparente, dopado con pequeñas cantidades de óxidos de germanio o de fósforo, rodeado por una fina capa de vidrio con propiedades ópticas ligeramente diferentes. Atrapan la luz que entra en ellas y la transmiten casi íntegramente. • Materiales inteligentes, activos o multifuncionales: materiales como los recubrimientos termocrómicos, capaces de responder de modo reversible y controlable a diferentes estímulos físicos o químicos externos, cambian de color según la temperatura, en caso de incendio, movimientos, esfuerzos, etc. Se utilizan como sensores, actuadores, etc. en domótica y sistemas inteligentes de seguridad. • Materiales con memoria de forma: materiales como las aleaciones metálicas de níquel y titanio, variedades de poliuretano y poliestireno capaces de «recordar» la disposición de su estructura espacial y volver a ella después de una deformación. Se utilizan en sistemas de unión y separación de alambres dentales para ortodoncia, películas protectoras adaptables y válvulas de control de temperatura. • Materiales híbridos: materiales formados por una fibra y una matriz, como fibras de vidrio y de carbono con una matriz de poliéster o matriz metálica o de cerámica. Son materiales ligeros y de gran resistencia mecánica y altas temperaturas, utilizados en la industria aeronáutica y de embarcaciones, en motores y reactores de aviación.

¿En qué áreas o campos se verá impactada nuestra sociedad en los próximos años con estos nuevos materiales? En el área de la construcción: a partir de nuevos materiales que tienen que ver con los nanotubos de carbono, por ejemplo. Se obtendrían materiales, más resistentes que el acero, con mejor

capacidad de conducción del calor y mucho más livianos. Por otro lado se puede siempre lograr una miniaturización de los elementos. En el área de desarrollo de nuevos materiales: La nanotecnología, con la herramienta del microscopio de efecto túnel, permite manejar átomos sobre superficies como elementos independientes. Las posibilidades de esta tecnología son inmensas dado que prácticamente se pueden crear las estructuras atómicas que se deseen dan la posibilidad de diseñar materiales «a la carta». En la nanomedicina: Posibilidad de construir dispositivos diminutos ( entre ellos nanobots) que recorran el cuerpo, para detectar enfermedades o depositar fármacos. Como un glóbulo rojo de la sangre. En la nanoelectricidad y nanoelectrónica: Fabricación de baterías flexibles de nanotubos de carbono. Baterías de papel. Pilas y condensadores ultrafinos. LED para sustituir las bombillas tradicionales con luz fría de mayor duración y eficiencia energética. Fabricación de nanochips. Desde el año 2000, se fabrican chips de microprocesadores de tamaño nanométrico, con lo que se multiplica el número de transistores que usan. Actualmente se investigan y fabrican nanochips autoensamblados. Aplicaciones en pantallas de TV planas y de teléfonos móviles. Dispositivos cada vez más diminutos y potentes. Acá aparece un material novedoso obtenido a partir del grafito llamado “grafeno”. Este material permite obtener mallas a nivel molecular, por las cuales los electrones pueden desplazarse con mayor libertad. Así a diferencia de lo que ocurre con los metales, el grafeno se convirtió en un excelente conductor eléctrico y además desde el punto de vista químico todo el enrejado se comporta como una única molécula, una macro-molécula o super-molécula como la describen.

Hoy día tiene importantes aplicaciones en electrónica como en la construcción de transistores de grandes frecuencias que permitirían aumentar la velocidad de los procesadores. Los principales desafíos consisten en el poder crear una capa de grafeno en una superficie adecuada y evitar el sobrecalentamiento de los transistores. El circuito integrado está construido sobre una oblea de carburo de silicio y se compone de transistores de efecto de campo (FET) (Field Effect Transistor) hechos de grafeno, un conductor muy delgado y con una composición alta de carbono que se resume en una sola capa atómica de espesor. El circuito integrado también incluye estructuras metálicas, tales como inductores y los electrodos drenaje y fuente (Drain ySource) que conectan a los transistores de grafeno dentro del IC. Los investigadores comentan, en la edición de esta semana de la revista Science, que el grafeno tiene el potencial para hacer transistores que sean capaces de funcionar a velocidades del orden de los Terahertz y que podrían en un futuro, no muy lejano, reemplazar al silicio como base para los microprocesadores utilizados en ordenadores. Hasta el momento, muchos han sido los equipos de investigación que han construidotransistores de grafeno. De hecho, el equipo de IBM, en el año 2013 mostró un desarrollo que operaba a 100GHz, esto es, más del doble de rápido que un transistor de silicio de dimensiones comparables