Sintesis de Solidos en Español

8/20/2019 Sintesis de Solidos en Español

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El método cerámico

La manera más simple y común de preparación de sólidos es el método decerámica, que consiste en calentar juntos dos sólidos no volátiles quereaccionan para formar el requerido producto. Este método se usa

ampliamente tanto industrialmente como en el laboratorio, y puede serutilizado para sintetizar toda una gama de materiales tales como óidosmetálicos mitos, sulfuros, nitruros, aluminosilicatos y muc!os otros"losprimeros superconductores de alta temperatura fueron realizados por unmétodo de cerámica. #ara poner un ejemplo sencillo, podemos considerar laformación de circón, $r%i&', que se utiliza en la industria de la cerámica comobase de alta pigmentos de temperatura para colorear los esmaltes de ba(o deporcelana. %e !ace por la directa reacción de óido de circonio, $r&) y s*lice,%i&) a +-- /0

$r&) 1s2 3 %i&) 1s2 4 $r%i&' 1s2

El procedimiento consiste en tomar cantidades estequiométricas de los óidosbinarios, se muelen en un maja y un mortero para dar un tama(o de part*culapeque(o uniforme, y después de calor en un !orno durante varias !oras en uncrisol de alúmina 15igura .+2.

6 pesar de su uso generalizado, el método de cerámica simple tiene variasdesventajas. Las altas temperaturas son generalmente necesarias, t*picamenteentre 7-- y )--- /, y esto requiere un gran aporte de energ*a. Esto esporque los números de coordinación en estos iónica compuestos binarios sonaltos, variando de ' a +) dependiendo del tama(o y la carga de la ion, y se

necesita una gran cantidad de energ*a para superar la energ*a de red de modoque un catión puede dejar su posición en la red y difusa a un sitio diferente.6demás, la fase o compuesto deseado puede ser inestable o se descomponena temperaturas tan altas. 8eacciones como este puede ser muy lento9 elaumento de la temperatura acelera la reacción, ya que aumenta la velocidadde difusión de los iones. En general, los sólidos no se elevan a sustemperaturas de fusión, y as* la reacción se produce en el estado sólido.8eacciones en estado sólido sólo puede tener lugar en la interfase de los dossólidos y una vez que la capa super:cial tiene reaccionado, la reaccióncontinúa como los reactivos se difunden desde la mayor a la interfaz.

Levantamiento la temperatura de reacción permite a la interfaz y difusión através del sólido para ir más rápido que lo !acen a temperatura ambiente9 unaregla emp*rica sugiere que una temperatura de aproimadamente dos terciosde la temperatura de fusión de los sólidos, da una reacción razonable tiempo.6un as*, la difusión es a menudo la etapa limitante. ;ebido a esto, esimportante que la materiales de partida se muelen para dar un tama(o depart*cula peque(o, y están muy bien mezclados para maimizar el área de


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contacto de la super:cie y minimizar la distancia que los reactivos tienen quedifusa.

#ara lograr una mezcla !omogénea de part*culas peque(as es necesario sermuy minucioso en molienda de los reactivos. El número de caras de cristalitosen contacto directo con uno otra también se puede mejorar mediantegranulación de los polvos mezclados en una prensa !idráulica.

/omúnmente la mezcla de reacción se elimina durante el proceso decalentamiento y volvió a moler atraer super:cies frescas en contacto y as*acelerar la reacción. %in embargo, el tiempo de reacción se mide en !oras9 lapreparación de la /u5e)&' óido ternario de /u& y

5e)&, por ejemplo, tarda ) !oras.

El aparato básico para el método de cerámica: (a)

manos de mortero y morteros para la molienda fna; (b)una Química del estado sólido 150 selección deporcelana al!mina y crisoles de platino; y (c) del"orno#

El producto a menudo no es !omogéneo en su composición, esto es porque amedida que la reacción procede de una capa del óido ternario se produce enla interface de los dos cristales, y as* los iones a!ora necesitan difundirse através de este antes de reaccionar. Lo !abitual es llevar el producto inicial,moler de nuevo, y calentar de nuevo varias veces antes de que se obtiene un

producto de fase pura. Ensayo y error suele tiene que ser utilizado paradeterminar las mejores condiciones de reacción, con las muestras analizadaspor el polvo de la radiograf*a de difracción para determinar la pureza de fase.

8eacciones de estado sólido de !asta )-- < suelen llevarse a cabo en !ornosque uso calentamiento por resistencia0 La resistencia de un elemento metálicoresultados en la energ*a eléctrica se convierte en calor, como en un fuegoeléctrico. Este es un método común de calentamiento !asta )--


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los metales tales como el platino y el tantalio, y revestimientos de gra:to seutilizan para algunas reacciones.

%i cualquiera de los reactivos son volátiles o sensibles al aire, entonces estesimple método de calefacción, en la atmósfera abierta ya no es apropiado, y elmétodo de tubo sellado será sea necesario.

$étodos tubo sellado

>ubos de vac*o se utilizan cuando los productos o reactivos son sensibles al aireo al agua o son volátiles. ?n ejemplo de la utilización de este método es lapreparación de sulfuro de samario. En este caso, el azufre tiene unatemperatura de ebullición bajo 1=+=


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tiempo para epulsar todo el aire desde el aparato, y luego Auye sobre lasreactivos durante los ciclos de calentamiento y enfriamiento, que sale a travésde un burbujeador para mantener una presión positiva y evitar la entrada deaire por difusión !acia atrás. #ara obtener productos que son más !omogéneaas* como mejores velocidades de reacción, métodos que implican part*culas

más peque(as que se pueden obtener por molienda !an sido introdujeron yestos métodos se describen en la siguiente sección.

'a reducción del tamao de partícula y baar latemperatura

En una mezcla cristalina poli de reactivos sólidos, podr*amos esperar que eltama(o de part*cula sea de del orden de +- micras9 molienda inclusocuidadosa y persistente sólo reducirá el tama(o de part*cula a alrededor de -,+micras. #or lo tanto, la difusión durante una reacción de cerámica está llevando

a cabo a través de en cualquier lugar entre +-- y +-.--- celdas unitarias.Barios métodos ingeniosos, algunos f*sica y algún producto qu*mico, !an sidopromovida para llevar a los componentes de la reacción ya sea en contactomás *ntimo, o en contacto a un nivel atómico, y as* reducir esta difusióncamino9 al !acerlo, las reacciones a menudo pueden tener lugar atemperaturas más bajas.

*ecado por pul+eri,ación

Los reactantes se disuelven en un disolvente adecuado y se pulverizaron enforma de gotitas :nas en una caliente cámara. El disolvente se evapora

dejando una mezcla de los sólidos como un polvo :no que a continuación sepuede calentar para dar el producto.

'iofli,acion

Los reactantes se disuelven en un disolvente adecuado y se congelaron ennitrógeno l*quido temperaturas 1==


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oalatos, o formiatos. Esta mezcla se :ltra, se seca, y luego se calentó para darel producto :nal.

El método precursor logra mezclando a nivel atómico mediante la formación deun sólido compuesto, el precursor, en el que los metales del compuestodeseado están presentes en el estequiometr*a correcta. #or ejemplo si serequiere una @@C)&' óido, una sal mita de un oiácido tales como unacetato que contiene @ y @ Cen la proporción de +0 ) se forma. La precursor secalienta a continuación a descomponerse al producto requerido. #roductos!omogéneos se forman a temperaturas relativamente bajas. ?na desventaja esque no siempre es posible para encontrar un precursor adecuado, pero lapreparación de titanato de bario da una buena ilustración de este método.

>itanato de bario, Da>i&, es un material ferroeléctrico 1véase el cap*tulo 2,ampliamente utilizado en condensadores debido a su alta constante dieléctrica.5ue preparado inicialmente por calefacción carbonato de bario y dióido de

titanio a alta temperatura.Da/& 1s2 3 >i&) 1s2 4 Da>i& 1s2 3 /&) 1g2

%in embargo, para los circuitos electrónicos modernos, es importante tener unproducto of /ontrolled tama(o de grano y el método de precursor es una formade lograr esto. 1&tra forma es la sol"gel método que también se !a aplicado aeste material.2 El precursor utilizado es una oalato. El primer paso en lapreparación es preparar un oo"oalato de titanio. Eceso solución de ácidooálico se a(ade a butóido de titanio que !idroliza inicialmente para dar unaprecipitado que se redisuelve a continuación en el ácido oálico eceso.

>i 1&Du2 ' 1aq2 3 'F)& 1l2 4 >i 1&F2 ' 1s2 3 'Du&F 1aq2

>i 1&F2 ' 1s2 3 1/&&2 )

)" 1aq2 4 de >i& 1/&&2 ) 1aq2 3 )&F" 1ac2 3 F)& 1l2

6 continuación se a(ade una solución de cloruro de bario y oalato de barioprecipita.

Da) 3 1aq2 3 1/&&2 )

)" 1aq2 3 >i& G 1/&&2 ) 1aq2 4 Da Hde >i& 11/&&2 )2 )I 1s2

Este precipitado contiene bario y titanio en la proporción correcta y esfácilmente descompuesto por el calor, para dar el óido. La temperatura usadapara este calentamiento :nal es )-i& 11/&&2 )2 )I 1s2 4 Da>i& 1s2 3 )/&) 1g2 3 )/& 1g2


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La descomposición de los oalatos también se utiliza para preparar ferritas@5e)&', que son materiales magnéticos importantes. Los productos delmétodo de precursor son sólidos cristalinos por lo general, que contienen amenudo peque(as part*culas de gran super:cie. #ara algunas aplicaciones,tales como la catálisis y bario condensadores de titanato, esto es una ventaja.

$E-./. *.'E'

Los métodos de precipitación siempre tienen la desventaja de que laestequiometr*a de la precipitado 1s2 puede no ser eacta si uno o más iones sedejan en la solución. El método sol"gel supera esto porque los reactivos nuncase precipitan. En primer lugar una solución, concentrada o suspensión coloidalde los reactivos, se prepara el CsolC, que se concentra entonces o maduradopara formar el JgelJ. Este gel !omogénea es entonces un tratamiento térmico

para formar el producto. Los principales pasos en el proceso sol"gel sedescriben en la 5igura ..

La primera investigación de un proceso sol"gel para la s*ntesis se realizó en elmid"+t! siglo. Esta investigación temprana estudió la preparación de vidrio des*lice de un sol !ec!o por !idrólisis de un alcóido de silicio.;esafortunadamente, para evitar el agrietamiento del producto y formando unpolvo :no, se requiere un per*odo de envejecimiento de un a(o o másK El sol"gel método fue desarrollado aún más en los a(os +7- y +- después de quese dio cuenta de que los coloides, que contienen peque(as part*culas 1+"+---nm de diámetro2, podr*an ser altamente qu*micamente !omogénea. ?n sol es

una suspensión coloidal de part*culas en un l*quido9 para los materiales que sediscute aqu*, estas part*culas serán t*picamente + a +-- nm de diámetro. ?ngel es un sólido semi"r*gido en el que el disolvente está contenido en un marcode material que es o bien coloidal 1esencialmente un sol concentrado2 opolimérico.

#ara preparar sólidos utilizando el método sol"gel, un sol de reactivos seprepara primero en una l*quido adecuado. %ol preparación puede sersimplemente la dispersión de un sólido insoluble o 6demás de un precursor,que reacciona con el disolvente para formar un producto coloidal. El ejemplot*pico de la primera es la dispersión de óidos o !idróidos en el agua con el #!

ajustado de manera que las part*culas sólidas permanecen en suspensión envez de precipitarse. El ejemplo t*pico del segundo método es la adición dealcóidos de metales al agua9 la alcóidos se !idroliza dando el óido como unproducto coloidal. El %ol es ni entonces tratada o simplemente se deja paraformar un gel con el tiempo mediante la des!idratación y M o de polimerización.#ara obtener el producto :nal, el gel se calienta. Este calentamiento sirvevarios propósitos, que elimina el disolvente, se descompone aniones tales


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como alcóidos o carbonatos para dar óidos, permite la reordenación de laestructura del sólido, y se permite que se produzca la cristalización. >anto eltiempo y la temperatura necesaria para la reacción en procesos sol"gel puedenreducido de aquellos en el método cerámico directo9 en favorable casos, eltiempo de d*as a !oras, y la temperatura por varios cientos de grados. Barios

ejemplos se discuten a continuación ilustran el método9 dos de los ejemplostienen sido elegidos porque tienen interesantes propiedades y usos, discutidomás adelante en este libro. @uc!os otros materiales !an sido preparados por elmétodo sol"gel, y otra sol"gel las preparaciones se !an empleado para losmateriales elegidos. #or lo tanto, estos ejemplos debe tomarse como ilustrativay no como los principales usos del método.

Litio Niobato, LiNb&

Niobato de litio es un material ferroeléctrico utilizado como un conmutadoróptico. #reparación por la método cerámico sencilla conduce a problemas en la

obtención de la estequiometr*a correcta, y una mezcla de fases da lugar amenudo. Barias preparaciones de sol"gel se !an descrito, su ventaja que serequiera la temperatura más baja de la preparación y el mayor !omogeneidaddel producto. ?no de tales preparación comienza con etóido de litio 1Li&/)F71o Li&Et22 y etóido de niobio Nb) 1&Et2 +-. /ada etóido se disolvió enabsoluto etanol y las dos soluciones se mezclaron. La adición de agua conducea la !idrólisis parcial dando !idroi"alcóidos, por ejemplo0

Nb) 1&Et2 +- 3 )F)& 4 )Nb 1&Et2 ' 1&F2 3 )Et&F

Los !idroi"alcóidos se condensan para formar un gel polimérico con enlaces

de metal"o*geno"metal.6 continuación se forma de niobato de litio cuando se calienta el gel./alefacción elimina cualquier resto de etanol y cualquier agua formada durantela condensación. Los restantes son grupos etilo pirolizado 1es decir, oidado adióido de carbono y agua2 dejando a los óidos.

/opada /io2ido de estao

;ióido de esta(o, %n&), es un semiconductor de tipo n con de:ciencia deo*geno 1véase el cap*tulo 72, cuyo conductividad se incrementa por la adiciónde dopantes tales como iones %D 3. ?n uso de dopado dióido de esta(o esformar un electrodo transparente. #ara ello, se deposita sobre el vidrio y elmosto tener un área de super:cie grande, con una distribución controlada deagentes de dopado. @étodos sol"gel tienen demostrado adecuados para lapreparación de tales recubrimientos porque geles pueden ser cortadas:namente. En una preparación informado de dióido de esta(o dopado contitanio, el sol se preparó a(adiendo butóido de titanio, >i 1&/'F2 ' 1>i 1&Du2'2, a una solución de di!idrato de dicloruro de esta(o 1%n/l).)F)&2 en etanol


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absoluto. >in sales 1OO2 son fácilmente !idrolizada para dar !idroi complejos yse pueden oidar al esta(o 1OB2 por el o*geno en el aire. El sol fue dejado enuna recipiente abierto durante cinco d*as durante los cuales se formó un gel. Elgel se secó por calentamiento a < bajo presión reducida durante ) !oras.#or último, se calentó a alrededor de --< durante +- minutos para producir

una capa de dióido de esta(o dopado con iones >i' 3.

*ilica para 3ibras 4pticas

Las :bras ópticas tienen que estar libres de impurezas tales como iones demetales de transición 1véase el cap*tulo P2 y los métodos convencionales depreparación de los vidrios de s*lice son inadecuados. El proceso de sol"gel esuna manera de formar :bras de pureza su:ciente 1deposición de vaporqu*mico, la %ección .=, es otra2. Estos procesos utilizan compuestos volátilesde silicio que son más fácilmente puri:cado, por ejemplo mediante destilaciónfraccionada, de s*lice. Es posible producir de s*lice :bras usando un método

similar al que se estudiaron en el siglo QOQ, pero con la geldrying reducción deltiempo de un a(o a unos pocos d*as. 6lcóido de silicio l*quido 1%i 1&8 '22,donde 8 es metilo, etilo, o propilo, se !idroliza mediante la mezcla con agua.

%i 1&@e2 ' 3 'F)& 4 %i 1&F2 ' 3 '@e&F

El producto %i 1&F2 ' se condensa formando enlaces %i"&"%i. #oco a poco, cadavez más %i&' tetraedros están unidos formando eventualmente %i&). Lasprimeras etapas de este proceso son mostrados0 /omo la especie condensadosalcanzan cierto tama(o, forman part*culas coloidales. La sol resultante sevierte en un molde en el que más resultados de reticulación en la formación de

gel.

Las :bras pueden ser tirados como se produce la geli:cación. La condensacióncontinúa como las edades de gel. ;urante envejecimiento, permanecesumergido en l*quido. El gel es poroso, y el alco!ol y el agua producido por la!idrólisis y la condensación es atrapado en los poros. 6lgunos se epulsa comogel se contrae durante el envejecimiento, pero el resto tiene que ser eliminadoen un proceso de secado. Es en este etapa en la que se produce elagrietamiento, pero si las :bras se dibujan con un diámetro de menos deaproimadamente + cm, a continuación, las tensiones producidas por secadose reducen y agrietamiento no es un problema. para geles de la sección

transversal más grande, el agrietamiento puede ser reducida por el uso detensioactivos. #or último, la s*lice se calienta a alrededor de +-- < paraaumentar la densidad del vidrio.

n biosensor

?na aplicación interesante del método sol"gel es en biosensores de fabricación.La biosensor utiliza una sustancia de origen biológico, a menudo una enzima,


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para detectar la presencia de una molécula. #ara ser de uso como un sensor, lasustancia biológica debe ser en una forma que puede ser fácilmente llevadoalrededor, y se coloca en una solución, en una corriente de gas o en unpaciente de la piel. Los materiales biológicos, tales como enzimas sonpotencialmente muy útiles como sensores porque pueden ser muy espec*:co9

por ejemplo, cuando una prueba qu*mica puede ser positivo para cualquier gasoidante, una enzima sólo puede dar un resultado positivo para el o*geno. Lasenzimas son desnaturalizado fácilmente, sin embargo, mediante la eliminaciónde su entorno acuoso o por alterar el pF de su entorno. ?na forma de evitareste problema es atrapar la enzima con su microambiente en un gel de s*lice.En uno de tales preparación, un sol de s*lice fue primero preparado por!idrólisis ácida de tetrametilortosilicato, %i 1&@e2 '. En un sol"gel t*picos*ntesis, este compuesto se disolvió en metanol, pero en este caso, el metanolse evitado porque alco!oles desnaturalizar las prote*nas y por lo que eldisolvente utilizado fue agua. el sol a continuación, fue tamponada a ser a unpF adecuado para la enzima y la enzima a(adió. /omo el sol formado un gelpor condensación, la enzima fue atrapado en las cavidades en el gel rodeadode un medio acuoso del pF correcto.

En este último caso, el producto quedó como un gel, pero si el producto va aser un vaso, una en polvo o material cristalino, se requiere una etapa decalcinación a alta temperatura después de la formación del gel. 6s*, el métodosol"gel mejora la !omogeneidad del producto pero los tiempos de reacción sontodav*a largo 1tenga en cuenta el tiempo de geli:cación de cinco d*as en eldióido de esta(o s*ntesis2 y las altas temperaturas 1+-- < para la s*lice2siguen siendo necesarias.

El uso de !ornos de microondas en lugar de calefacción convencional lleva auna aceleración de reacción en casos favorables.

*67-E*8* /E $89..7/%*

>odos estamos familiarizados con el uso de la radiación de microondas en lacocción de alimentos en los que aumenta la velocidad de la reacción.8ecientemente, este método !a sido utilizado para sintetizar estado sólidomateriales tales como óidos mitos. %e realizaron los primeros eperimentos

de reacción de estado sólido en modi:car !ornos domésticos, y éstos todav*ase utilizan, pero más especializado 1y !ornos carosK2 >ambién se !andesarrollado para dar más control sobre las condiciones. Nosotros deberáconsiderar brevemente cómo las microondas calientan los sólidos y l*quidosporque esto nos da idea de que reacciones serán buenos candidatos para estemétodo. En un l*quido o sólido, las moléculas o iones no son libres de girar y demanera que el calentamiento no es el resultado de la absorción de las


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microondas por moléculas sometidos a transiciones rotacionales como lo!ar*an en la fase de gas. En un sólido o l*quido, el campo eléctrico alterno de lala radiación de microondas puede actuar de dos maneras. %i las part*culascargadas están presentes que pueden mover libremente a través del sólido ol*quido, a continuación, éstas se mueven bajo la inAuencia del campo

produciendo una corriente eléctrica oscilante. La resistencia a su movimiento!ace que la energ*a de ser transferidos a los alrededores como calor. Esto escalentamiento por conducción. %i no !ay part*culas son presentar que puedemoverse libremente, pero las moléculas o unidades con momentos dipolaresestán presentes, entonces el campo eléctrico actúa para alinear los momentosdipolares. Este efecto produce dieléctrico calefacción, y cuando se actúa sobrelas moléculas de agua en los alimentos, es generalmente responsable de lacalentamiento M cocción en !ornos de microondas domésticos. El campoeléctrico de la radiación de microondas, como la de toda la radiaciónelectromagnética, es oscilante a la frecuencia de la radiación. Los dipoloseléctricos en el sólido no cambian su alineación instantáneamente, sino conuna tiempo caracter*stico, R. %i el campo eléctrico oscilante cambia sudirección lentamente de modo que el tiempo entre cambios es muc!o mayorque R continuación, los dipolos pueden seguir los cambios. ?na peque(acantidad de energ*a se trans:ere a los alrededores en forma de calor cada vezque el dipolo realinea pero esto es sólo un peque(o efecto de calentamiento. %iel campo eléctrico de la radiación oscila muy rápidamente, los dipolos nopueden responder lo su:cientemente rápido y no vuelva a alinear. Lafrecuencia de la radiación de microondas es tal que el campo eléctrico cambiade signo a una velocidad que es el mismo orden de magnitud que R. En estascondiciones la realineación dipolo lleva un ligero retraso del cambio de campo

eléctrico y el sólido absorbe microondas radiación. Esta energ*a absorbida seconvierte en calor. Las cantidades que rigen este proceso son la constantedieléctrica 1ver /ap*tulo 2, que determina el grado de dipolo la alineación y lapérdida dieléctrica, que regula la e:ciencia con la radiación absorbida esconvertida en calor.

#ara utilizar calentamiento por microondas en la s*ntesis de estado sólido, almenos un componente de la mezcla de reacción debe absorber la radiación demicroondas. La velocidad del proceso de reacción es luego aumentó tanto porel aumento de la velocidad de la reacción de estado sólido y por el aumento dela velocidad de difusión, que, como !emos mencionado anteriormente, es a

menudo el paso limitante de la velocidad.

'a alta temperatura *uperconductor .?2


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%uperconductores de alta temperatura se prepararon primero usando unacerámica convencional método, en este ejemplo por cocción juntos óido deitrio, cobre 1OO2, óido de bario y carbonato. La s*ntesis sin embargo tarda )'!oras en completarse. ?n método de microondas tiene !an informado de quepuede preparar el superconductor en menos de dos !oras. ?n estequiométrica

mezcla de cobre 1OO2, óido de /u&, nitrato de bario, Da 1N&2 ), y óido deitrio, S)&, se colocó en un !orno de microondas que !ab*a sido modi:cadopara permitir la etracción segura de la óidos de nitrógeno formados durantela reacción. La mezcla se trató con 7-- vatios de radiación de microondasdurante 7 minutos y luego recti:cados y epuestos a radiación de microondasa +-"7-- vatios durante +7 minutos. 5inalmente, la mezcla se molió de nuevoy se epuso a la radiación de microondas durante )7 minutos adicionales. Lasmicroondas en este ejemplo parejas a la de cobre 1OO2 de óido. Este es uno deuna gama de óidos, en su mayor*a no estequiométricos, que se calientan demanera e:ciente por radiación de microondas. #or ejemplo, un 7 a g muestrade /u& epuesto a 7-- vatios de radiación de microondas durante mediominuto, alcanzado una temperatura de +-=' #@ 9.$


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encendido 1láser, arco eléctrico, la bobina de calentamiento2 a alta latemperatura. ?na vez encendida la reacción se propaga como una onda, laonda de s*ntesis, a través de el sedimento, y la reacción deben perder menoscalor que se genera o se apagará9 temperaturas de !asta --- < se mantienendurante las reacciones rápidas. 5igura .' representa la la s*ntesis de onda

moviéndose a través de una mezcla de @g&, 5e, 5e)&, y Na/l&', lasimágenes fueron capturados por una cámara de imagen térmica.

6uto"ignición a veces se puede lograr mediante molienda con bolas. El métodose utiliza a!ora comercialmente en 8usia, Espa(a y /orea, ya que es rápido,económico, y da de alta productos de pureza. >érmicas de ignición de unamezcla de Da&), 5e)& /r)& y 5e produce una ferrita 1cap*tulo 2 Da5e+)"/r&+9 en presencia de un campo magnético de la reacción procede másrápido y con una onda de propagación de temperatura más alta. Ejemplos deotra productos útiles de estas reacciones son0

Y Fidruros 1por ejemplo, @gF)2 para el almacenamiento de !idrógenoY Doruros 1por ejemplo, >iD)2 para abrasivos y !erramientas de corte

Y /arburos 1por ejemplo, %i/ y >O/2 para abrasivos y !erramientas de corte

Y Nitruros 1por ejemplo, %iN'2 de alta resistencia, cerámica resistentes al calor

Y Zidos 1por ejemplo, cupratos2 para los superconductores de altatemperatura

Y %iliciuros 1por ejemplo, @o%i)2 para elementos de calefacción de alta

temperatura

Y /omposites 1por ejemplo, la reacción de la termita, 5e&' 3 P6+ 4 '6+)&3 5e2 se !an utilizado para recubrir el interior de tubos de acero con una capainterna de 5e, y una capa super:cial de 6l)&, utilizando un procesocentr*fugo.

$A-./.* /E %'-% BE*847

@étodos de alta presión se dividen en tres categor*as principales0 1i2 las altaspresiones de disolvente en una "el autoclave método !idrotérmico9 1ii2 usandouna alta presión de un gas reactivo9 y 1iii2 aplicado directamente la presión!idrostática en los sólidos. 6lgunas aplicaciones de estado sólido necesitan solacristales9 el método !idrotermal aumenta la !omogeneidad y reduce operativotemperaturas, y también crece cristales individuales.

$A-./.* C8/.-E$%'E*


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El método original de !idrotérmico consiste en calentar los reactivos en unrecipiente cerrado, una autoclave, con agua 15igura .72. ?n autoclavenormalmente se construye a partir de espesor acero inoidable para soportarlas altas presiones, y está equipado con válvulas de seguridad9 puede serrevestidos con materiales no reactivos tales como teAón. El autoclave se

calienta, la presión aumenta, y el agua permanece en estado l*quido porencima de su temperatura normal de ebullición de =


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sobrecalentadas y la posibilidad de contaminación del producto con el materialde de las paredes de autoclave, en general es necesario para cualquiera de lasl*neas del autoclave con una sustancia inerte, tal como teAón, o para llevar acabo la reacción en una ampolla sellada en el autoclave.

dió2ido de cromo;ióido de cromo 1/r&)2, que se utiliza en cintas de audio debido a sumagnética propiedades 1véase el cap*tulo 2, contiene cromo en el estado deoidación inusual de '. Es preparado por la oidación de cromo 1OOO2 óido1/r)&2, que es el óido estable de de cromo en condiciones normales delaboratorio. El cromo 1OOO2 y cromo óido trióido 1cromo 1BO2 óido de /r&2 secolocan en un autoclave con agua y se calienta a )


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aluminosilicato fases cristalizan. #or ejemplo, en la s*ntesis de una zeolitat*pica, zeolita 6 1Na+) H16l&)2 +) 1%i&)2 +)I .)=F)&2 !idratado de alúmina,6l)&.F)&, se disuelve en solución concentrada de !idróido de sodio. Lasolución enfriada se mezcla a continuación con una solución de metasilicato desodio, Na)%i&.F)&, y una gruesa forma un gel blanco. El gel se coloca

entonces en una botella de teAón cerrado y se calentó a aproimadamente < durante !oras. la reacción de tiempo puede reducirse mediante el uso deradiación de microondas para este paso :nal0 por ejemplo zeolita se !a !ec!opor calentamiento durante '7 minutos usando pulsos de microondas de --vatios de potencia"radiación.

Los cambios en la forma de la alúmina, en el pF de la solución, el tipo de baseutilizada 1orgánico o inorgánico2 y en las proporciones de álcali, compuesto dealuminio y s*lice conducir a la producción de diferentes zeolitas.

$icroporosa y mesoporosos *ólidos

En la s*ntesis de zeolitas, grandes cationes como tetrametilamonio 1N@e'32 Stetrapropilamonio 1N 1/F=2 ' 32 %e puede utilizar como una plantillaalrededor de la cual la entramado de aluminosilicato cristaliza con grandescavidades para acomodar el ion. En calentamiento posterior el catión sepiroliza, pero la estructura conserva las cavidades. >al estructuras formadasalrededor de una sola molécula de plantilla, con tama(os de poro entre )-- y)--- pm, se conocen como microporosa. Estructuras zeol*ticos con tama(os deporo de ).--- a +-.--- !oras se conocen como mesoporosa sólidos, y puedenformarse mediante un método conocido como plantillas de cristal l*quido 1L/>2.La combinación de un tensioactivo catiónico adecuado junto con aniones desilicato forman matrices de micelas de tensioactivo de tipo varilla 15igura .=2rodeadas por un marco sil*ceo polimérico.

En la calcinación se forma la estructura mesoporosa. %i ionesalquiltrimetilamonio de cadena corta, 8 1/F2 N 3, se utiliza comosurfactante, la longitud de cadena alquilo determina si se forman materialesmicro o mesoporosos. #ara longitudes de cadena de alquilo de / o más corto,zeolitas microporosas tales como $%@"7 se forman9 pero para cadenas máslargas, materiales mesoporosos son aislado.

8trio aluminio Dranate

La preparación de granate de itrio aluminio 1S6+7&+), S6\2 ilustra unavariación del método !idrotérmico usado si los materiales de partida tienenmuy diferentes solubilidades unos de otros. En este caso, óido de itrio 1S)&2


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se colocó en una sección más fr*a de la óido de autoclave y el aluminio comoel za:ro en una sección más caliente para aumentar su solubilidad

%*E* /E %'-% BE*847

Este método se utiliza generalmente para preparar óidos de metales yAuoruros en alta menos estables estados de oidación. #or ejemplo, la %r5e&perovsWita que contiene 5e 1OB2 se puede !acer de la reacción de %r)5e)&7 yo*geno a '- atm. El uso de Aúor a altas presiones 1] ' Wbar2 también se !autilizado en la s*ntesis de Auoruros ternarias que contienen alta oidaciónestados, por ejemplo, /s)/u5 que contiene /u 1OB2.

presiones "idrostáticas

La aplicación de altas presiones y temperaturas pueden inducir reacciones yfase cambios que no son posibles en condiciones ambientales. La aplicación depresiones muy altas tiende a disminuir el volumen y por lo tanto mejorar lae:ciencia de embalaje9 en consecuencia, números de coordinación tienden aaumentar, por lo que por ejemplo %i se pueden transformar a partir de loscuatro coordenada estructura de diamante a la estructura de seis coordenadasblanco y esta(o, y Na/l 1seis de coordenadas2 se puede cambiar a la /s/l1oc!o de coordenadas2 estructura.

Barios dise(os de aparatos están disponibles para lograr ecepcionalmentealtas presiones.

&riginalmente una disposición de pistón y cilindro permitió la s*ntesis apresiones de !asta 7 \#a 17- --- atm2 y +P--


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programa de investigación para imitar las condiciones geotérmicas queproducen las piedras naturales. En +77 obtuvieron un cierto éito en elcrecimiento de cristales de !asta + mm de longitud por disolución de gra:to enun metal fundido tal como n*quel, cobalto, o tántalo en una recipiente depiro:lita, y sometiendo el gra:to a las presiones de \#a y temperaturas de

)-- < !asta que se formen cristales de diamante. El metal fundido actúacomo un catalizador, reduciendo la temperatura de trabajo y la presión. #or elperfeccionamiento de los procesos, las piedras de calidad de piedras preciosas:nalmente fueron realizados en +=-.

El diamante tiene la más alta conductividad térmica conocido, alrededor decinco veces la del cobre, por lo tanto, se sienten fr*os al tacto y se las conocecomo J!ieloJ. %e !a encontrado que el aumento de la proporción de +)/ a +/en el diamante sintético puede mejorar la térmica conductividad !asta en un7-^. La mejora isotópica se lleva a cabo mediante la producción de una E/Bpel*cula de diamante 1ver sección .2 a partir del metano +)/ enriquecido.

Este se tritura y se utiliza para !acer diamante sintético de la forma !abitual.Estos diamantes eléctricamente aislantes pod*a !acer disipadores térmicos,altamente e:caces para circuitos micro.

*uperconductores de alta temperatura

6lta presión aumenta la densidad del %r/u&) en un P^, y la coordinación de/u"& cambios de cadenas a !ojas /u&) bidimensional. %*ntesis de alta presión!a sido se utiliza para !acer muc!os superconductores de alta temperatura yaque esto facilita la formación de las !ojas necesarias para este tipo desuperconductividad de dos dimensiones /u"&.

duro ue el diamante

La búsqueda de una sustancia dura que el diamante se !a centradorecientemente en bucWminsterfullereno, /-. #or encima de P \#a y =--


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volátiles se calientan para formar vapores9 estos son luego mezclados en unatemperatura adecuada y transportado al sustrato para la deposición usando ungas portador9

5inalmente, el producto sólido cristaliza. >odo el recipiente puede sercalentado, que tiende a depositar el producto en todas las paredes de la vasija.@ás comúnmente, la energ*a para iniciar la reacción se suministra al sustrato.5igura .+-a ilustra un esquema de con:guración de "deposición de vaporqu*mico. @ateriales de partida t*picos son !idruros, !alogenuros, y compuestosorganometálicos debido a que estos compuestos tienden a ser volátiles9 %i unase utiliza precursor organometálico, el método se re:ere a menudo como@&/B; 1metal /B; orgánica2. Las ventajas del método son que lastemperaturas de reacción son relativamente bajos, la estequiometr*a secontrola fácilmente, y dopantes se puede incorporar.

>#F#1 BEB%%9847 /E *E$89.7/9-.E*

El método !a sido ampliamente utilizado para la preparación de lossemiconductores OOO"B y de silicio, por dispositivos. Barias reacciones parapreparar \a6s que implican cloruros e !idruros !an sido tratado, por ejemplo lareacción de 6s/l con \a en presencia de !idrógeno0 silicio para dispositivossemiconductores se pueden preparar usando este método de la reducción de%i/l'0

%i/l' 3 )F) 4 %i 3 'F/+

/iamond 3ilms

El diamante tiene muc!as propiedades útiles. 6demás de ser la sustancia másdura conocida, >ambién tiene la mejor conductividad térmica 1a temperaturaambiente2, es un aislante eléctrico, y tiene la mayor transparencia en la regiónO8 del espectro de cualquier conocida sustancia. #el*culas de diamante se!acen mediante un proceso de /B; a baja presión y temperaturas por debajode +.-- ambién !a depositado sobre las super:cies de silicio ymetal. >ales capas se !an utilizado para nonscratc! recubrimientos ópticos,para el recubrimiento de cuc!illos y bistur*s para que conserven su nitidez, y


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tienen el potencial para ser utilizado como un recubrimiento resistente aldesgaste duro para las partes móviles.

>#F#> niobato de litio

El método sol"gel de preparación de alcóidos de litio niobato de litio utilizado yniobio. 6lcóidos se utilizan a menudo en métodos de /B;, pero por desgraciapara la preparación de niobato de litio, los alcóidos de litio son muc!o menosvolátiles que los alcóidos de niobio y conseguir que los dos metalesdepositados juntos, es mejor utilizar los compuestos de la volatilidad similar.?na forma de evitar este problema es utilizar un compuesto más volátil de litio.?no s*ntesis descrita utiliza una _"dicetonato de litio en el que el litio secoordina para ),),,"tetramet!yl!eptan",7"diona 1@e//&/F)/&/@e2

El compuesto de litio se calentó a aproimadamente 7)- < y niobiopentamet!oide en '=-< en una corriente de argón que contiene o*geno.

Niobato de litio se deposita sobre la reacción buque que se calentó a =)- ambién se utilizan otras fuentes de energ*a, en particular laradiación electromagnética. ?n ejemplo de deposición en fase de vapor queimplica foto"descomposición se da en la siguiente sección sobre epitaia enfase vapor.

>#? BEB%%9847 $.7.98*-%'E*

@onocristales de alta pureza y libre de defectos, pueden ser necesarios paramuc!as aplicaciones, ninguno más que en la industria electrónica y desemiconductores. Barios métodos !an sido desarrollado para la preparación dediferentes formas cristalinas, tales como grandes cristales, pel*culas, etc. 6algunos de los métodos importantes se describen a continuación.

>#?#1 $A-./.* epita2ia

5ase Bapor epitaialLa 1B#E2 /recimiento

@étodos /B; a!ora se utilizan para !acer de alta pureza pel*culas delgadas enelectrónica donde el capas depositadas que tener la orientación cristalográ:cacorrecta. En el crecimiento epitaial, un precursor se descompone en la fase de

gas y un único cristal se construye capa por capa sobre un sustrato, laadopción de la misma estructura cristalina como el sustrato. Este es unimportante método para aplicaciones de semiconductores donde los cristalesindividuales de composición controlada son necesarios. 6rseniuro de galio1\a6s2, por ejemplo, !a sido preparado por varios vapor métodos epitaialesde fase.


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donde el cristal debe contener nanómetros capas de espesor de 6l-.'POn-.7)6sy \a-.'=On-.76s. Las capas del material de láser son representada en la5igura .+).

Bigas de aluminio, galio, arsénico, y el indio se dirigieron a una climatizada On#cristal. El sustrato tiene que ser calentado para permitir que los átomosdepositados de las vigas de migrar a su posición de celos*a correcta. Laspresiones relativas de los rayos parciales se ajustaron para cada capa para darlas composiciones deseadas.

-%7*B.-E /E G%B. Q6$89%*

En /B;, los sólidos se forman a partir de compuestos gaseosos. En eltransporte de vapor qu*mico, un sólido o sólidos interactuar con un compuestovolátil y un producto sólido se deposita en una parte diferente del aparato. %eutiliza tanto para la preparación de compuestos y para el cultivo cristales a

partir de polvos o material cristalino menos puro.maDnetita

>ransporte de vapor qu*mico se !a utilizado para crecer cristales de magnetitautilizando la reacción de magnetita con gas cloruro de !idrógeno0

5e&' 1s2 3 PF/l 1g2 4 5e/l) 1g2 3 )5e/l 1g2 3 'F)& 1g2

@agnetita en polvo se coloca en un etremo del recipiente de reacción y eltubo evacuado. F/l gas se introduce y se selló el tubo y luego se calentó. Lareacción es endotérmica 1#ositivo2 y por lo que el equilibrio se desplaza !acia

la derec!a como se eleva la temperatura. #or lo tanto, en el etremo máscaliente del tubo, magnetita reacciona con el gas de cloruro de !idrógeno ytransporta por el tubo en forma de cloruros de !ierro gaseosos. En el etremomás fr*o del tubo, el equilibrio se desplaza !acia la izquierda y la magnetita sedeposita

$étodos $elt

@étodos de fusión dependen tanto del compuesto que es estable en la fasel*quida, y en el disponibilidad de una temperatura alta inerte que contienebuque.

El proceso de /zoc!ralsWi

El silicio requerida por la industria electrónica para dispositivossemiconductores tiene que tener niveles de impurezas clave, como el fósforo yboro, de menos de + átomo en +-+- %O. El silicio se convierte en primer lugar ala triclorosilano altamente volátil, %iF/l, que es entonces destilada y sedescompone en las barras de silicio de alta pureza a +-- < para dar de alta


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pureza de silicio policristalino. Esto se !ace en grandes cristales simples por el/zoc!ralsWi proceso. El silicio se funde en una atmósfera de argón, y luego unavarilla de cristal único es utilizado como una semilla que se sumerge en lamasa fundida y luego retiraron lentamente, tirando con él una cada vez máslarga de cristal único en la misma orientación que la semilla original 15igura

.+'2.

6s* como silicio, este método también se utiliza para la preparación de otrosmateriales semiconductores tales como \e y \a6s, y para la cerámica comoperovsWitas y granates.

El uso de Dradientes de temperatura

Este método también se utiliza para producir grandes monocristales de silicioque luego se puede cortada en :nas obleas para la industria desemiconductores. ?na varilla de silicio policristalino es en posición vertical y un

cristal semilla de un solo cristal está unido en un etremo. ?n calentador demovimiento a continuación, se calienta la zona alrededor de la semilla decristal, y una zona de fundido es obligado a atravesar el longitud de la varilla1el proceso de Aotación de zona2, produciendo un único cristal a medida queavanza 1:gura ,+72. Este proceso también tiene la ventaja de re:nar elproducto llamado zonere:ning"como impurezas tienden a permanecer disueltoen la masa fundida y por lo tanto son barridos antes de la formación de cristal!asta el :nal, donde pueden ser cortados y rec!azadas.

@étodos relacionados incluyen los métodos de Dridgman y %tocWbarger dondeun gradiente de temperatura se mantiene a través de una masa fundida de

modo que la cristalización se inicia en el enfriador :n9 esto tampoco se puedelograr usando un !orno con un gradiente de temperatura o tirando la muestraa través de un !orno.

'lama y Blasma métodos de &usión

En el método de Berneuil, la muestra en polvo se funde en una temperaturaalta, o!*drico llama y las gotitas se permite entrar en un cristal de siembra,donde se cristalizan. Este es un método antiguo utilizado originalmente paraproducir rub* arti:cial. ?sando el mismo método pero utilizando un soplete deplasma para fundir el polvo, puede alcanzar temperaturas aún más elevadas.

9ráneo de &usión

/ráneo de fusión es un método utilizado para el cultivo de cristales de óido degrandes. ?na fuente de alimentación de !asta 7- WT, ' @Fz produce defrecuencia de radio que se trans:ere a una bobina enrollada alrededor de lacrisol cráneo. El crisol está !ec!o de cobre y consta de dedos refrigerados poragua y base, y el material fundido se separa de el crisol de cobre por una capa


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delgada de material sinterizado. El contenedor puede ser evacuado y llenadocon una adecuada atmósfera. >emperaturas de !asta .-- < se puedenalcanzar usando este método, lo que permite el crecimiento de cristalesgrandes 1varios cent*metros2 de óidos refractarios tales como $r&),

>!&),/o&, y 5e&'.

métodos de solución

/ristales tradicionalmente se !an cultivado desde soluciones saturadas en undisolvente9 soluciones calientes se preparan y luego se enfrió y los cristalesprecipitan de la solución sobresaturada. Barias técnicas pueden ser utilizadaspara inducir la cristalización y éstos incluyen evaporación el disolvente, ya seapor calentamiento, dejando en la atmósfera o en un desecador, o bajo presiónreducida9 la congelación del disolvente9 y la adición de otros componentes1disolvente o sal2 para reducir la solubilidad. #ara sólidos tales como óidos queson muy insoluble en agua puede ser posible disolver en masas fundidas de

boratos, Auoruros de metales o incluso, en cuyo caso el disolvente se conocegeneralmente como un Aujo dado que reduce la temperatura de fusión de lasoluto. La masa fundida se enfr*a después lentamente !asta que la forma decristales, y entonces el Aujo de vertido o disuelto de distancia. Este método !asido utilizado con éito para preparar cristalina silicatos, cuarzo y alúminaentre muc!os otros.

>#H intercalación

Los sólidos producidos por la inserción reversible de moléculas !uésped en

celos*as son conocidos como compuestos de intercalación, y aunqueoriginalmente aplicado a los sólidos en capas es a!ora tomado para incluirotros sólidos con interacciones similares an:trión"!uésped. Ontercalacióncompuestos tienen importancia como catalizadores, como sólidos conductoresy, por lo tanto electrodo materiales, como un medio de encapsular moléculaspotencialmente para los sistemas de administración de fármacos, y como unmétodo de s*ntesis de sólidos compuestos.

9ompuestos de intercalación %38-.

@uc!os sólidos en capas forman compuestos de intercalación, cuando seinserte una molécula neutra entre las capas débilmente unidos. #or ejemplocuando el vapor de potasio reacciona con el gra:to por encima de latemperatura de fusión de potasio 1=


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capa doble de átomos de potasio entre el capas de gra:to y una fórmula cercade i%) con una solución de butil"litio0

%98''%* pilareadas

#ilarización es una técnica para la construcción de fuertes pilares molecularesque apuntalar las capas de una arcilla su:cientemente separadas para crear unespacio de dos dimensiones entre las capas donde moléculas puedeninteractuar. En una reacción t*pica, una arcilla tales como montmorillonita sufreintercambio iónico con la gran catión inorgánico H6l+&' 1&F2 )' 1F)&2 +)I =3por suspensión ing con una solución alcalina de iones de aluminio. ;espués delavar con agua se calcina el material, los !idroilos y agua se pierden y pilaresde alúmina creados entre las capas de silicato de la arcilla, la creación de unasustancia permanentemente microporosa.

@uc!os otros pilares inorgánicos se !an incorporado en arcillas9 por ejemplo, la

calcinación después de intercambio iónico con oicloruro de zirconio puedecrear pilares de óido de circonio.

..) @`>&;&% ;E 6D6X& F6/O6 688OD60 átomos y moléculas@6NO#?L6/OZN

el término de abajo !acia arriba a!ora se utiliza a menudo en el sentidode las estructuras que se construyen a partir de los átomos


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constituyentes, iones o moléculas o que se auto"ensamblan. muc!as delas técnicas reguladas en este cap*tulo se !an utilizado para prepararpart*culas de tama(o nanométrico de esta manera, cf. sol"gel,!idrotermal, la combustión, detonación, /B;, la cavitación deultrasonido y el método @DE no se volverá a tratar aqu*. otro ejemplo de

la s*ntesis de abajo !acia arriba es el uso de puntas de sonda de barridopara mover átomos en sitios espec*:cos. uno de los controladores deesta investigación !a sido la producción de vez todav*a circuitoselectrónicos más peque(os. >radicionalmente, los circuitos integrados se!an montado utilizando técnicas en las que un patrón se coloca sobre lasuper:cie de un cristal y las partes descubiertas son tratados paraformar un semiconductor dopado diferente, un óido aislante o unconector metálico. los patrones son producidos por fotolitograf*a, esdecir, la luz que brilla a través de una máscara sobre un producto

qu*mico sensible a la luz en una super:cie. la separación de loscomponentes que utilizan esta técnica está limitada por los efectos dedifracción a aproimadamente +-- nm. para producir circuitosintegrados en los cuales los componentes son de escala nanométricarequiere nuevas técnicas. es posible utilizar las variaciones en elenfoque eistente, por ejemplo, el uso de los rayos Q, la radiación ?B o!aces de electrones en lugar de luz visible. &tro enfoque es el uso demicroscop*a de barrido de sonda 1%#@9 véase más adelante2 paraimprimir patrones a escala nanométrica sobre un substrato. #or ejemplo,si una corriente pasa a través de la punta de la sonda para elevar su

temperatura, se puede suavizar un pol*mero termoplástico en lasinmediaciones de la punta, produciendo una peque(a !endidura. unenfoque completamente diferente es la construcción de las estructuras ananoescala requeridos, átomo por átomo o molécula a molécula.

El funcionamiento del microscopio de efecto túnel se eplicó en elcap*tulo ). 6demás de que nos da una imagen de la super:cie ycualesquiera moléculas en él, observamos entonces, que %>@ tambiénse puede utilizar para mover los átomos y las moléculas a través de unasuper:cie y para !acer moléculas reaccionan. %i la punta de %>@ selleva más cerca de la super:cie de lo !abitual, la fuerza entre el mismo ylos átomos M moléculas en la super:cie aumenta. fuerzas de repulsiónentre la punta y la super:cie 1producido mediante la inversión de lase(al de la tensión2 pueden empujar moléculas lejos de la punta a travésde la super:cie. %i esta fuerza es atractiva, moviendo la punta a travésde la super:cie de tira de la molécula o átomo a lo largo después de ella.


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La famosa fotograf*a de átomos de enón que forman las letras de OD@en una super:cie de n*quel fue producido por el aumento de la tensión,de manera que el Qe se ató a la punta, deslizando el átomo través de lasuper:cie y luego la disminución de la tensión de nuevo en la posiciónrequerida. :gura .)- muestra otra imagen creada en OD@ moviendo

moléculas de /& alrededor sobre una super:cie de #t.

moléculas también pueden ser cambiados por el %>@ en las reaccionesqu*micas de una sola molécula cuando se utiliza la punta del %>@ paracanalizar electrones en una molécula. la energ*a puede disociar tantobonos y proporcionar la energ*a de activación para la formación delenlace.

microscop*a de fuerza atómica 165@2 1véase el cap*tulo )2, como %>@, sebasa en una punta muy aguda, pero en este caso la punta se pone lo

su:cientemente cerca de la super:cie de tal manera que las fuerzasintermoleculares entre la punta y la la super:cie se puede medir. sólidosno conductores y semiconductores constituyen componentes esencialesen los circuitos y con el :n de !acer nanocircuitos a escala atómica, lacapacidad de maniobrar átomos individuales en su lugar es una!erramienta esencial. una punta de 65@ se !a utilizado para mover unsolo átomo en una super:cie de silicio simplemente empujando en ella1:gura .)+2. la 5reed átomo unido en s* mismo a la punta y se puedenretirar de la super:cie. cuando se bajó de la punta, el átomo se deslizó

de nuevo en su lugar.adjuntando una molécula particular a la punta, la 65@ puede seradecuada para ciertas moléculas o grupos de moléculas y no a otros.65@ se utiliza sobre todo para el estudio de moléculas biológicas, yconsejos modi:cados se !an utilizado para la etracción de moléculasparticulares, por ejemplo, prote*nas de las membranas celulares.

L>O@6% ;&% F&X6% >86;?//OZN0

#agina +=)

el estudio de moléculas biológicas, y consejos modi:cados se !anutilizado para la etracción de moléculas particulares, por ejemplo,prote*nas de las membranas celulares.

@ediante la eploración de puntas de 65@ a lo largo de una super:cie otocándolos, es posible inducir reacciones qu*micas a lo largo de unal*nea o para formar un patrón de puntos. ?n ejemplo es la aplicación de


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un voltaje a una punta de 65@ para oidar un semiconductor de siliciocon la l*nea de óido de dimensiones nanométricas. La super:cie desilicio se limpia de cualquier óido en la super:cie con ácido diluidoAuor!*drico 1F52 y luego se aplica una tensión negativa a la punta del65@. La anc!ura de las estructuras de %i&) producido es del orden de

decenas de vapor de agua nanometres.%ome debe estar presente en laatmósfera circundante.

En dip"pen nanolitograf*a utilizando un CtintaC molecular, las moléculas secolocan en una punta de 65@ y se entregan a una super:cie de sustratoa través de un menisco de agua9 ejemplos incluyen los patrones ananoescala de tioles sobre oro y de silanos en el silicio. La punta estácargado ya sea por inmersión en una solución y permitir que se seque, o

por deposición de vapor.

Dajo, condiciones ambientales, un menisco de agua se formanaturalmente entre la punta y la muestra, debido a la !umedad del aire,de modo que cuando la punta está cerca del sustrato, las moléculas seentregan a la super:cie a través del menisco y forman un automonocapa "ensamblados. La tensión super:cial mantiene la punta a unadistancia :ja de la super:cie, ya que se mueve a través de ella. Eltama(o del depósito depende del radio de la punta de curvatura, la!umedad relativa, que controla el tama(o de la gotita de agua y

cualquier difusión de las moléculas a través de la super:cie. Estructurasa nanoescala de 7- nm se pueden generar.

La técnica tiene la ventaja de que el mismo instrumento se puedeutilizar para construir tanto la nanoestructura y la imagen de ella.\randes arreglos de puntas de 65@ unidos entre s* se pueden usar 1másde )-- Q )--29 una punta se coloca un poco más 1-,' nm2 sobre lasuper:cie que los otros y se utiliza para la formación de imágenes y, portanto, la orientación en mover la matriz a través de la super:cie. Losotros consejos todos establecen estructuras idénticas.

>ambién se pueden utilizar CCtintas l*quidas que interactúandirectamente con la super:cie. La escala de las caracter*sticas creadasde esta manera es muc!o mayor de la orden de +"+- um. Esta técnicapermite modelar con moléculas biológicas, tales como prote*nas,péptidos y 6;N útil en la investigación biológica investigar la interacciónde moléculas particulares con células.


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Las pinzas ópticasCC pueden formar a partir de la interacción entre eldipolo eléctrico de la luz y la polarizabilidad de moléculas o part*culasdieléctricas que producen una fuerza del orden de piconetons.@ediante el uso de uno o rayos láser más :rmemente centrados, esta1pag+=2 peque(a fuerza puede ser eplotada para mover moléculas o

nanopart*culas y organizarlos en estructuras particulares. %e utilizacomúnmente para estudiar la interacción de las enzimas y prote*nas con6;N.

.. %N>E%O% ?%& ;E #L6N>OLL6%

Las nanopart*culas y nanocables pueden !acerse usando métodos deplantilla. En términos generales eisten tres formas principales de !acer

esto y éstas se resumen en un esquema para la formación deestructuras unidimensionales en la 5igura .)0

Y sólidos porosos y membranas

Y #lantillas biológicos y orgánicos

Y El uso de una nanoestructura preeistente

En el primer método, sólidos porosos que poseen cavidades o canales de

tama(o nanométrico se impregnan con una solución de los reactivos demanera que las cavidades se llenan. 1pag+='2 %e aplica su:ciente calora continuación, para que la reacción tenga lugar dentro de lascavidades, restringiendo as* el tama(o del producto. El paso :nal eliminael andamio plantilla original disolviendo 1andamios a base de s*lice2 o lareacción 1oidación de los andamios a base de carbono2.

%i los poros de la interconeión plantilla de andamio, a continuación, seformará una estructura de réplica inversa de la plantilla. %i las cavidadesson discretos, como en algunas zeolitas, por ejemplo, entoncesnanopart*culas resultado 15igura .)'2.

%ólidos porosos tales como geles de s*lice, s*lice y zeolitas mesoporoso1véase el cap*tulo 2 pueden ser utilizados para las plantillas. %*licemesoporosa tiene un orden de largo alcance con tama(os de porospeciftc y la geometr*a y se !a utilizado para formar nanoestructuras onanopart*culas de diversos tales como sólidos de carbono mesoporoso,


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óidos metálicos, sulfuros, nitruros, espinelas y fosfatos. ;e carbonomesoporoso, !ec!a por este método, puede entonces s* puede utilizarcomo una plantilla para formar óidos metálicos.

?na membrana de óido de aluminio nanoporoso se puede formar sobreun sustrato por la anodización de una pel*cula de aluminio 1cuando seutiliza aluminio como ánodo en una celda electroqu*mica2. 2. >alesmembranas pueden ser creados con matrices altamente organizadas deempaquetamiento compacto de poros rectos dispuestos verticalmente alsustrato, con una densidad controlada y la longitud y tama(os de porode aproimadamente -")-- nm de diámetro. Estos óido de aluminioanódica 166&2 membranas se pueden utilizar como plantillas paraformar matrices ordenadas de nanotubos y nanocables"el negativo de la

membrana inicial. #or ejemplo, las matrices de nanotubos de carbono sepueden formar de esta manera el uso de un catalizador de metalpredepositado en la 66&, 1pag+=72 seguido por la descomposicióntérmica de precursores que contienen carbono. La plantilla de óido dealuminio es entonces grabado de distancia usando ácidos. Nanocablesde metal, tales como #d, y los nanotubos de óido de metal, tales como/u&, @n&), $n& y >i&), también se !an !ec!o utilizando una plantillade 66&. El proceso puede continuar para re!acer un positivo. #orejemplo, una plantilla de 66& se !a utilizado para !acer una variedad de

nanopilares de pol*mero de #@@6. El n*quel se galvanoplastia entoncessobre estos pilares. /uando los pilares de distancia se disuelvenutilizando un disolvente orgánico, la plantilla original 66& se replica enmetálico Ni 15igura .)72.

>ensoactivos orgánicos se utilizan para !acer las micelas auto"montaje omicelas invertidas, que encapsulan el material inorgánico. @icelascil*ndricas formarán nanocables o nanovarillas. La reacción tiene lugardentro de la micela, que se retira posteriormente para salir de lananopart*cula o alambre. &ro y nanocables de óido de metal se !an

!ec!o de esta manera.@uc!os diferentes moléculas y estructuras biológicas se !an utilizadocomo plantillas para !acer nanopart*culas. Estos incluyen 6;N, péptidos,el virus del mosaico del tabaco 1>@B2, granos de polen, diatomeas y!asta el cabello !umano. El >@B es un tubo largo con un diámetroeterno de +P nm, y se !a recubierto con éito con varios óidosmetálicos 1pag+=2y sulfuros para formar nanotubos de compuesto. >i&)


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poroso !a sido preparado por la replicación de los granos de polen15igura .)2, y los nanotubos de >i&) mediante la replicación de cabello!umano. ?n enfoque inusual a la construcción de circuitos electrónicoses utilizar las propiedades de codi:cación de 6;N. 6l modi:car el 6;Npara que un compuesto sólo se une a algunas secuencias en una cadena

de 6;N, podemos asegurar que el siguiente reacción tiene lugar sólocuando ese compuesto está presente o sólo cuando está ausente. En unejemplo, el 6;N se !izo reaccionar con glutaralde!*do, que producegrupos alde!*do en el 6;N. Entonces 6 prote*na se polimeriza en unamolécula de 6;N de la sonda. El :lamento de nucleoprote*na resultanteunido a una secuencia espec*:ca en el 6;N original. #or lo tanto, laslongitudes espec*:cas de 6;N fueron cubiertos por la prote*na y otrosquedaron al descubierto. El 6;N se !izo reaccionar con nitrato de plata./uando los grupos alde!*do eran libres 1es decir, no cubierto por el

:lamento2, el nitrato de plata se reduce a plata. Las agrupaciones deplata formadas catalizadas la formación de oro a partir de una soluciónde


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Nuestra elección de los métodos no es e!austiva. Femos no, por ejemplo, unadescarga cubierta o métodos ultrasónicos, métodos electrol*ticos, o lapreparación de catalizadores !eterogéneos.

Nuestro objetivo aqu*, por lo tanto, no es proporcionar una manera de elegir elmétodo para un particular, producto. 1;e !ec!o, varios de los ejemplos dadosen este cap*tulo demuestran que varios métodos pueden ser adecuados parauna sustancia.2 En cambio, esperamos dar algunos consejos a decidir si unmétodo en particular es adecuado para un material particular.

Es importante que tengas en cuenta la estabilidad de los compuestos bajo lareacción condiciones y no a temperatura y presión normales. /omo !emosmostrado en este cap*tulo, un método particular puede ser elegido porque elproducto deseado es estable sólo en planteado presiones o porque sedescompone si la temperatura de reacción es demasiado alta.

En qué forma es lo que quieres que el producto seaU ?sted puede optar, porejemplo, el vapor epitaia en fase debido a una aplicación requiere un solocristal. 6lternativamente, usted puede ser elegir un método en particular, talcomo el método precursor o s*ntesis !idrotérmica, porque se necesita unproducto !omogéneo.

/ómo pura debe ser su productoU %i usted requiere de alta pureza, se pod*aelegir un método que consiste en un compuesto volátil como material departida debido a que estos son generalmente más fáciles de puri:car que lossólidos.

;ebe tener en cuenta la disponibilidad de reactivos necesarios para un métodoen particular. %i usted está considerando un método precursor, !ay unprecursor adecuado con la derec!a estequiometr*aU El método /B; necesitareactivos de volatilidad similar9 !acer su propuesta reactivos cumplen con esterequisitoU En s*ntesis microondas, lo !ace al menos una de sus materiales departida absorben fuertemente microondasU

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