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Dictado por el Dr. Noburo Takeichi de la UNAM (México)Correo: [email protected] ; [email protected] Universidad de los Andes Facultad de ciencias Auditorio A10Día sábado, 08 de octubre
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Nanociencia y la Nanotecnología
Dr. Noboru Takeuchi
Centro de Nanociencias y Nanotecnología
Universidad Nacional Autónoma de México
Campus Ensenada
Red "José Roberto Leite"
de Divulgación y Formación en Nanotecnología
Educación
Centro de Nanociencias y Nanotecnología
Centro de Nanociencias y NanotecnologíaUNAM-Campus Ensenada
Investigación
Nanoestructuras
Materiales Avanzados
Nanocatálisis
Fisicoquímica de superficies
Física Teórica
Bionanotecnología
EducaciónPosgrados:Física de Materiales CICESECiencias e Ing. Materiales UNAMCiencias Fisicas UNAM
PregradoCarrera de Nanotecnología
Nanobots
Existen?
Los nanobots como los de las películas no existen todavía.
Pero si existen la Nanociencia y la Nanotecnología
Museo de Delicias Chihuahua
Nano viene del griego y significa enano
¿Qué quiere decir nano?
Nano= 10-9 = 1/mil millones
Nanometro: 10-9 metros
1metro/mil millones
1 milimetro dividido en un millon
¿Que tan enano es un nano?
Para tener una idea del tamaño de un nanómetro:
Diámetro de un glóbulo rojo
Diámetro de un cabello humano
~75,000 nm,
Diámetro de un glóbulo rojo
~ 3,000 nm
Diámetro del virus de la influenza
~ 200 nm
Nanoestructuras: objetos de tamaño entre 1 y 100
nanómetros.
La nanociencia estudia las nanoestructuras y los
procesos fundamentales que ocurren en escalas entre
1 y 100 nm.
DEFINICIONES
1 y 100 nm.
La nanotecnología aplicaciones de la nanociencia en
productos utiles.
En muchas ocasiones se denomina nanotecnología a
la habilidad de controlar la materia átomo por átomo
¿Qué tiene de especial la nanoescala?
Primero hablemos de las propiedades de los materiales
macroscopicos
Ejemplo:
El Oro.
Es un metal,
buen conductor de la
electricidad,
maleable
Dorado!
mm micras
Si cortamos una moneda de oro a la mitad, sus propiedades
no cambian. Media moneda es metálica, conductora,
DORADA.
Si repetimos el proceso, las cosas no cambian
podemos llegar hasta las micras sin que se modifiquen las
propiedades del oro.
Si pudiésemos seguir cortando la
moneda,
al llegar a los nanómetros nos
sorprenderíamos:
Oro nanoscopicoOro nanoscopico
Propiedades distintas!!
Depende del tamaño
No es dorado
Los nanomateriales tienen un área superficial muy grande,
propiedad que presenta ventajas significativas en procesos como la
absorción de la luz y de separación de carga en semiconductores y en
la actividad catalitica.
Una segunda ventaja de las nanopartículas es la dependencia de sus
propiedades ópticas con su tamaño. Cuando los electrones están
Ventajas de los nanomateriales para lasaplicaciones
propiedades ópticas con su tamaño. Cuando los electrones están
confinados en una partícula muy pequeña (tamaño nanométrico)
sólo pueden ocupar niveles de energía bien definidos y la separación
entre estos niveles de energía depende del tamaño de la partícula.
Esto se conoce como el efecto de confinamiento cuántico y en este
caso las nanopartículas se denominan puntos cuánticos.
En tercer lugar, los dispositivos basados en nanomateriales puedes
ser más baratos de fabricar.
METODOS PARA EL ESTUDIO DE
LAS NANOESTRUCTURASLAS NANOESTRUCTURAS
Los microscopios
Resolución α λ
Centro de Nanociencias y NanotecnologíaUNAM-Campus Ensenada
Resolución α λ
Luz visible λ ~3800-7800 Å
Microscopios electrónicos
� Debido a la dualidad partícula onda los electrones tienen propiedades ondulatorias
� La longitud de onda del electrón es de aproximadamente λ ~0.5Å
Se puede tener resoluciones atómicas� Se puede tener resoluciones atómicas
Centro de Nanociencias y NanotecnologíaUNAM-Campus Ensenada
Microscopio electrónico de Transmisión
(TEM)
Centro de Nanociencias y NanotecnologíaUNAM-Campus Ensenada
Nanoestructuras de 0D
Microscopio electrónico de
Barrido (SEM)
Centro de Nanociencias y NanotecnologíaUNAM-Campus Ensenada
NO TIENE RESOLUCION ATOMICA
Microscopio de tunelamiento
electronico (STM)
Se basa en el efecto
tunel
(efecto cuantico)
Scanning tunneling microscope
Con el STM podemos ver los átomos
Cada punto brillante corresponde a un átomo
Muchas veces no es posible identificar los átomos en los microscopios
Simulaciones por computadora:
Cálculos de primeros principios (ab initio)
Crecimiento en la capacidad de cómputo
Nuevos métodos de cálculo, problemas más complicados
1011
1012
1013
1014
1015
1016
Intel
IBM Roadrunner
Teraflop
Petaflop
IBM Blue Gene L
NEC Earth Simulator
Intel ASCI White
Intel ASCI Red
Fujitsu NWTHitachi CP-Pacs
1960 1970 1980 1990 2000 2010105
106
107
108
109
1010
1011 Intel
Año
Gigaflop
Fujitsu NWTHitachi CP-Pacs
TM CM5NEC SX3
ETA 10Cray2Cray XMP
CDC-Cyber205Cray1
CDC-Star100CDC7600
CDC6600
IBM7030
Flo
ps
Computadora Roadrunner
Los Alamos National Laboratory
1.105 petaflop/s
Synapsys in the brain 1015
1997
Se decia que el ajedrez era un juego tan complicado que necesitaba de la inteligenciahumana y que una computadora jamas podriavencer a un buen jugador.
2010 80 Teraflops
Que sigue?
Espectroscopías
� Infrarroja
� Raman
� Ultravioleta
Radiación inicidente Radiación saliente
� Ultravioleta
� Auger
Muestra
Infrarroja Si iluminamos nuestra muestra con radiación infrarroja de una determinada frecuencia, podemos observar que en algunos casos la radiación es absorbida casi completamente.
Sabemos que a cada frecuencia de la luz le corresponde una energía. corresponde una energía.
Si la radiación es adsorbida para una frecuencia particular cuando pasa por la muestra, significa que la energía es transferida al material, cambiando el modo de vibración de las moléculas.
La frecuencia depende del enlace de la molecula
Espectro infrarrojo del Formaldehido, H2C=O
Raman
Radiación inicidente Radiación saliente
Se hace incidir radiación de una sola frecuencia (normalmente de un láser) sobre una muestra. Se mide entonces la frecuencia de la radiación saliente, la cual pude ser igual o diferente a la frecuencia de la radiación incidente.
Muestra
radiación incidente.
En el segundo caso, el cual es el que nos interesa, la molécula termina vibrando en un modo diferente.
A partir de la diferencia de frecuencias podemos obtener información sobre las moléculas y su estado
� Espectro Raman de Caucho de Estireno/Butadiene.
Hay muchas otras espectroscopias:
Auger
UVUV
Rayos X
METODOS DE FABRICACION
DE NANOESTRUCTURAS
• METODOS FISICOS
• METODOS QUIMICOS
• METODOS BIOLOGICOS
Otra vez el:
Microscopio de tunelamiento
electronico (STM)
Con el STM se pueden manipular o mover atomo por atomo
Pagina web de la IBM
Ejemplo:Ejemplo:Palabra Atomo en caracteres kanji
Fe sobre Cu:
Esta es la forma como se pueden mover los átomos con el STM
Se acerca la punta
átomos con el STM
Creacion de un corral
cuantico usando el STM
Prof. Prof. Saw Hla
U. Ohio
Se puede usar el STM para fabricar dispositivos
Mediante la inyección de electrones a la molécula de la clorofila, ésta adquiere cuatro posiciones diferentes que varían de lineal a varían de lineal a completamente curvada, las cuales pueden ser controladas, creando así un interruptor molecular de cuatro pasos con precisión atómica.
Crecimiento MBE, Epitaxia de haces moleculares:
hay un control capa por capa
En forma similar a como se pinta con un aerosol
pintamos las superficies con atomos
Los “chips” de computadoras son fabricados usando un método
Luz
Lentecondensador
Litografía y Nanolitografía
Litografía se refiere a la impresión con tinta de una imagen grabada en una matriz o molde de piedra sobre un papel.
fabricados usando un método llamado fotolitografía. En lugar de tinta se usa luz
Máscara
Lente deenfoque
Sustrato
Con luz ultravioleta se tiene líneas de 100 nm de anchoCon luz del extremo ultavioleta se tienen lineas de 14 nmUsar electrones en lugar de luz
Nanolitografia usando una punta de un
microscopio de fuerza atomica
Punta del AFM
Dirección de escritura
Sustrato
METODOS DE FABRICACION
DE NANOESTRUCTURAS
• METODOS FISICOS
• METODOS QUIMICOS
• METODOS BIOLOGICOS
Los métodos físicos son muy caros.
En la década de los 90 se comenzaron a usar métodos químicos- para fabricar nanopartículas en forma fácil y económica.
Muchos de los métodos tradicionales de la química resultaba en la fabricación de nanoestructuras
Método de microemulsiones.
Aceite
Agua
Aceite
No se mezclan
Surfactanteo
detergenteMicroemulsiones
Se disuelven los reactivos adecuados (A y B) en diferentes micoremulsiones cada uno. Por ejemplo, si queremos fabricar nanopartículas de oro, A podría sería una sal de oro, y B un reductor.Hydracine N2H2
Ha sido aplicada para fabricar partículas metálicas puras (Pt, Pd, Ir, Rh, Au, etc), binarias (Pt/Pd, Pt/Ru, Pt/I, etc) y
Nanopartículas de rutenio fabricadas por el método de micoremulsiones.
(Pt/Pd, Pt/Ru, Pt/I, etc) y también pude ser usada para fabricar nanopartículasmultimetálicas.
Metodo de Aspersión Pirolítica o spray
pyrolysisGas inerteSolución
Sobre un sustrato (metal, vidrio, etc) colocado dentro de un calefactor al cual se le puede graduar la temperatura.
Superficie donde se crece la nanoestructura
Calefactor
temperatura. Le hacemos incidir un sprayformado por un gas portador (inerte al sistema) más una solución que contiene una sustancia, la cual al descomponerse sobre la superficie del sustrato, producirá la naonopartícula.
� Imagen de microscopía electrónica de transmisión de un nanotubo de carbón fabricado con spray pirólisis.
METODOS DE FABRICACION
DE NANOESTRUCTURAS
• METODOS FISICOS
• METODOS QUIMICOS
• METODOS BIOLOGICOS
En la búsqueda por hacer más eficiente y barata la fabricación de nanoestructuras, se está explorando el uso de organismos vivos, los cuales se pretenden que remplacen las herramientas de alta tecnología que remplacen las herramientas de alta tecnología que usamos actualmente.
Materiales nano-estructuradosy la biología
Nanoestructuras que se Nanoestructuras que se encuentran en los seres vivos
Materiales nano-estructuradosNanoporos
Poros o cavidades de cavidades de tamañosnanoscópicos
En los seres vivos tenemos
Las diatomeas son formas microscópicas unicelulares de vida marinaEl cuerpo celular de las diatomeas está encerrado por paredes de sílice (óxido de silicio), las cuales constituyen una especie de “esqueleto” que recibe el nombre de frústula.
NanotubosDiámetro de algunos nanómetros
En los seres vivos tenemos
Tubos vasculares
NanopartículasDiámetro de algunos nanómetros
Virus
Uso de los seres vivos para fabricar nanoestructurasfabricar nanoestructuras
Plantas
J.L Gardea-Torresdey, et al.Nano Letters vol 2, (2008).
Nanoestructuras de oro cuando se crecen plantas de alfalfa en un ambiente rico en cloruro de oro
Bacterias
� Imagen de miscroscopía de varias bacterias magnetostáticas y
magnetosomas.
Nanofibras
Producidas por Shewanella
El hongo fusarium oxysporum puedesintetizar puntos cuánticos de CdSe conuna alta luminiscencia mediante laincubación en una mezcla de CdCl2 y SeCl4.
La capacidad de bio-mineralización de las diatomeaspuede ser controlada parafabricar biológicamentemateriales nanoestructurados desilicio y germanio. Investigadorespudieron insertarmetabólicamente metalesforáneos (por ejemplo germanio)
Materiales luminiscentes usando diatomeas
foráneos (por ejemplo germanio)en la frústula (de sílice) de lacélula de una diatomea viva paraluego producir copias en formamasiva (aproximadamente unmillón por milímetro desuspensión líquida de cultivo decélula). Estos materiales poseenpropiedades optoelectónicasincluyendo una fuerteluminiscencia en la región azul.
