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NANOTECNOLOGIA
Y APLICACIONES
Programa deFormacin SENA
ACTIVIDAD DEAPRENDIZAJE 3
Fabricacin, caracterizacin yaplicacin de materia a
nanoescala
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ACTIVIDAD DE APREFabricacin, caracterizacin y aplicacin de mSERVICIO NACIONAL DE APRENDIZAJE 2013
Presentacin 3Herramientas elementales defabricacin y caracterizacinde materiales a nanoescala 4Aplicaciones en los materialescompuestos y estructuradosa nanoescala 12
Consideraciones finales 24Referencias 25Crditos 26
TABLA DE CONTENIDO
Resultado de Aprendizaje:
Identificar las diversas aplicaciones en sectores tranusan propiedades especiales derivadas de nanonanocompuestos.
Conocimientos de Concepto:Herramientas elementales de fabricacin y caracmateriales a nanoescala. Aplicaciones en los materialey estructurados a nanoescala.
Conocimiento de Proceso:Realizar comparativos mtricos en procesos de caridentificacin de propiedades fisicoqumicas a nanoes
Criterios de Evaluacin:Selecciona las diferentes aplicaciones de la nanoteclasifica segn el rea transversal que impacta.
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PRESENTACIN
Bienvenido a la tercera Actividad de Aprendizaje del curso Nanotecnologa y Aplicaciones! Ya ha visto algunos concomo nanociencia, nanoescala, nanotecnologa; ha podido conocer algunos nanomateriales y nanocompuestosnanotecnologa. Ahora, seguramente se estar preguntando, cmo observar y caracterizar los objetos a nanoescala? Cmateriales a nanoescala? Esperamos que los contenidos de esta semana le ayuden a resolver sus inquietudes, as mismoparticipar en todas las actividades planteadas. Recuerde leer los resultados de aprendizaje, los conocimientos de concepy los criterios de evaluacin correspondientes a esta Actividad.
ACTIVIDAD DE APREFabricacin, caracterizacin y aplicacin de m
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ACTIVIDAD DE APREFabricacin, caracterizacin y aplicacin de m
Herramientas Elementales de Fabricacin y Caracterizacin de Materiales a Nanoe
Los recientes avances en fabricacin posibilitan la creacin de estructuras cada vez ms pequeas. Existen dos principaascendente y el descendente; el primero se basa en los tomos y molculas para la construccin de estructuras a macrode este grupo se encuentran tres principales tecnologas: qumica molecular y supramolecular, scanning probes y bioen el enfoque descendente se moldean o transforman materiales en bruto en materiales ms pequeos, con tecnfotolitografa (Photolithography), litografa por haz de electrones (Electron beam lithography), litografa por haz de ionebeam lithography), litografa de nanoimpresin (Nanoimprint lithography).
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Tcnicas de fabricacin
en nanotecnologa
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Tcnicas de fabricacin a nanoescala.
Bottom up Top downMicro y nanotcnicas defabricacin que reducen
la mayor rea de losmateriales encomponentes
funcionales diminutosde caractersticas y
propiedadesnanomtricas.
Sntesis de materialesnanoescalares,dispositivos o
macroestructurasmoleculares a partir del
autoensamblaje demolculas de forma
espontnea o inducida.
C
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En qu consisten lastecnologas usadas en la
fabricacin a nanoescala.
Tcnica Fotolitografa Litografa de haz deelectrones
Usos
Descripcin
Desventajas/Ventajas
Litografa de rayos X Litografa suave
Enfoque Descendente o Top Down
Empleada para hacer
microchips para computadoresy estructuras de tamaoinferior a 100nm.
Para micromaquinado,
MEMS Y NEMS.
Fabricacin de dispositivos
electrnicos.
Fabricacin de m
aplicaciones biol
Se diculta la produccin denano estructuras inferiores a100nm debido a efectos dedifraccin. Se necesita una perfectaalineacin del patrn en laoblea. Es necesario controlar los
defectos cuidadosamente. Las herramientas empleadas
son muy costosas.
Es una tcnica costosa ydemorada.
Los lentes convencionales no soncapaces de enfocar los rayos x. Con frecuencia la radiacin daalos materiales usados para lasmscaras y los lentes.
Son varias lastcnica, como surequieren equipoproducen variegeomtricas. Como desventajpolmeros, conpresentan manchen algunos cananoelectrnica.
Durante el proceso seemplea un sustrato rgidousualmente una oblea desilicio, la cual es recubiertapor un materialfotosensible, luego esexpuesta a luz ultravioleta,rompiendo las cadenaspolimricas, posterior a estose sumerge en una solucin
reveladora dejandoexpuesto el patrn en lasuperficie de la oblea.
Durante el proceso seutiliza una pelculapolimrica y el patrn estrazado usando un haz deelectrones, mejorando laresolucin.
Los efectos de la difraccin sonminimizados debido a lalongitud de onda de los rayos x.
Los procesos impresin y procesos mecelectrones o foempieza con la molde usandolitografa por hausan polmeros yse hace con PMDresultado un
corresponde con
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Tcnica
Usos
Descripcin
Desventajas/Ventajas
Biotecnologa
Enfoque Ascendente o Bottom up
Nanotubos de carbono ypuntos qunticos.
Qumica molecular ysupramolecular
Sondas de exploracin(Scanning probes)
Anlisis de arreglos de tomos enuna superficie; tambin pueden serusados para mover tomos.
Construccin de secuencias de ADN yensamblaje artificial de virus; biomotores,biosensores, cajas de ADN, computacin.
Puede ligar estructuras biolgicas con
estructuras inorgnicas que actancomo componentes de un sistema. Produce estructuras que son
relativamente libres de defectos.
La precisin del autoensamblaje disminuye
la probabilidad de crear estructurasdefectuosas.
Esta tcnica est basada en elconcepto de autoensamblaje, el cualse basa en el diseo de molculas quese agregan en estructuras deseadas.
Esta tcnica usa puntas para escanearsuperficies de materiales.
En esta rea se usan diferentes tcnicas parala manipulacin del ADN, como el mtodode origami de ADN, el cual busca construirestructuras de diferente forma que sirvancomo plataforma para el ordenamiento denanomateriales con alta especificidad yprecisin.
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El objetivo de la caracterizacin de nanomateriales es establecer la correlacin entre composicin qumica, forma y esmateriales obtenidos en el proceso. Dentro de este proceso se pueden encontrar dos categoras bsicas: MicroscopiEspectroscopia (tcnicas analticas).
Caracterizacin de nanomateriales
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Microscopia (Imgenes)Un microscopio ptico usa luz visible (radiacin electromagntica) y un sistema de lentes paraaumentar el tamao de las imgenes de muestras pequeas, por esta razn tambin se conocen comomicroscopios de luz. Esta categora puede involucrar electrones, iones, luz o sondas de exploracin.
MICROSCOPIO PTICO DE BARRIDO DE CAMPO CERCANO (NSOM). USOS:Solo muestras slidas y secas que sean heterogneas desde el punto de vista ptico. Se obtienen imgenescon resolucin de 50nm, punto a punto de la superficie y topografa. Se obtiene informacin sobre propiedadespticas como cambios en el ndice de refraccin, reflectividad y/o transparencia.
MICROSCOPIA DE EFECTO TNEL.Esta tcnica es una de las ms empleadas en la industria para obtener imgenesa escala atmica de metales y superficies semiconductoras, su alta resolucin permite observar tomos de maneraindividual sobre una superficie.
MICROSCOPIA DE BARRIDO CONFOCAL.USOS:Es una de las tcnicas ms llamativas para obtener informacin 3D de los materiales, la resolucin lateral es de100-200nm y la vertical de 400-500nm, permite observar forma, tamao, topografa y reconstruccin de imgenes 3D
MICROSCOPIA DE FUERZA ATMICA.
USOS:Todo tipo de muestras, slidas, secas, puede ser usado para materiales no conductivos, permite observar elperfil superficial o topografa, mapeo superficial y propiedades mecnicas.
MICROSCOPIA ELECTRNICA.Es una de las tcnicas ms usada para la caracterizacin de nanomateriales. Dentrode esta se agrupan varias tcnicas como: microscopia de escaneo electrnico (SEM), microscopia de transmisin deelectrones (TEM) y microscopia de transmisin electrnica de barrido (STEM); pueden aumentar el tamao de unobjeto hasta 2millones de veces, permite observar forma, composicin, orientacin de partculas y topografa.
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Espectroscopia (tcnicas analticas)Tcnicas de espectroscopia para la caracterizacin de materiales a nanoescala.
Rayos xEste mtodo puede ser usadopara analizar polvos en estadoseco y suspendidos en un
medio, tambin permite medirel tamao de una nanopartcula.
EspectroBrinda presenciaen una
concentraen una mmaterialelquido absorcinestructurananotubonanovaril
Espectroscopia de energadispersa (EDS)Sirve para determinar la
composicin del material enanlisis.
Espectroscopia de RanmannUsada para caracterizarnanotubos, muestra cambios en
el tamao de las nanopartculas;se pueden analizar las muestrasen estado gaseoso, lquido oslido, tambin se puedeanalizar la composicin qumicade compuestos orgnico einorgnico sin destruir lamuestra.
Espectroscopia de prdida deenerga de electrones (EELS)Brinda informacin sobre
composicin y enlacesqumicos.
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Aplicaciones en los Materiales Compuestos y Estructurados a Nanoescala
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1. Diagnstico Nano dispositivos.
Pueden medir iones, molculas o prote
secuencias de ADN diagnsticas de umdica o enfermedad en particular.
2. Imgenes
Agentes de contraste: al mejorar las propy qumicas de los agentes de contrastconcentrar y direccionar en el sitio de inte
3. Terapia Terapia especca: con el n de solo
malignas.
4. Medicina regenerativa
Aplicaciones de nanotecnologa en m
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1. Diagnstico
4. Medicina regenerativ
Algunos ejemplos de dispositivos son:nanopartculas de perfluorocarbonocomo agentes de contraste enimgenes nucleares, imgenes deresonancia magntica y ultrasonido;nanocpsulas de oro como agentesdiagnsticos en cncer; diagnsticos insitu, en las que se emplean cmaras encapsulas endoscpica para eldiagnstico de problemas digestivos.
Algunos ejemplos de dispositivosdiagnsticos son: biosensores,biosensores de cantilever, biosensoresplasmnicos, biosensor de narizartificial, microarreglos, nanocdigosde barras, laboratorio en un chip.
2. Imgenes 3. Terapia
En la terapia se ve en la entrega defrmacos dirigidos, silenciadoresRNA, terapia gnica, portadoresde frmacos, teragnosis, unejemplo de este son las cpsulasde oro para la toma de imgenes ytratamiento de cncer al mismotiempo.
Algunos ejemplos son: tejidos y biomateriales, ny regeneracin regeneracin neuronal, estimulacin neuronal, manejo del dolor.
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1. Mitigacin y remediacin Se pueden desarrollar herramientas especca
contaminantes, incrementando su afinidad y seejemplo en el caso de los metales.
2. Prevencin de contaminacin Con mtodos que incrementen la eciencia de c
industriales, se pueden crear materiales que no con
3. Monitoreo ambiental El uso de sensores en la identicacin de compon
txicos en bajas concentraciones ya sea en muessuelos, el uso de nanomateriales con propiedadqumicas especiales pueden mejorar la sensibilidaprecisin del sensor.
Aplicaciones de nanotecnologa en medio am
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1. Mitigacin y remediacin
Plsticos biodegradables; materialesnanocristalinos compuestos quereemplacen los electrodos de grafito ylitio en las bateras recargables; vidriosautolimpiables; telas hidrofbicas;recubrimiento y telas autolimpiables;recubrimientos y textilesantimicrobianos; nanopartculas de
plata como antimicrobianos usados enproductos como cosmticos,desodorantes, fertilizantes, medias,lavadoras, refrigeradores, tratamientospara maderas, teclados.
Dentro de los nanomateriales que estnsiendo inventados para remediacinestn las nanopartculas de hierro ydendrmeros; nanopartculas de TiO2 yZnO, son usadas para remediacinfotocataltica; uso de aerogeles y slidosabsorbentes, nanomembranas,nanofiltros y filtros superhidroflicos.
2. Prevencin de contaminacin 3.Monitoreo ambiental
Sensores basados en nanocablenanotubos actan como sensobiolgicos y qumicos, pueddetectar diferentes analitos tiempo real, los cuales podrn serpara desarrollar sensores qdetecten agentes biolgicqumicos y patgenos en agua, a
y comida.
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1. Envasado La nanotecnologa ha revoluciona
alimentaria en el desarrollo de nuevopermitan detectar contaminantes, contravanzar en el desarrollo molecular y celu
2. Desarrollo de nuevos productos Se busca lograr alimentos ms seg
nutritivos y de ms sabor.
3. Calidad y seguridad alimentaria En este se encuentran los biosensores
de monitorear la calidad de los alimento
Aplicaciones de nanotecnologa ende alimentos y monitoreo.
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1. Envasado
Nanoalimentos funcionales, pueden
servir para el tratamiento deenfermedades y la prevencin deenfermedades.
Nanorecubrimientos que mantienen
la frescura de los alimentos, alargandosu vida til. Nanomateriales con propiedades
antimicrobianas.
2. Desarrollo de nuevosproductos
3.Calidad y seguridadalimentaria
Sensores para detec
contaminacin microbiana.
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1. Energa SolarDentro del grupo de energas renovables, la ene
gran potencial.
2. Energa del hidrgenoEl hidrgeno puede ser usado como portadorgenerar electricidad.
3. Bateras recargablesDispositivos de almacenamiento de energcomputadores y equipos moviles, donde la pote
son importantes.
4. Termoelectricidad Los materiales termoelctricos son materiales
tienen la capacidad de convertir calor en electricid Este tipo de energa puede ser generada apa
material conductivo.
5. Ahorro de energa
Aplicaciones de nanotecnologa en Energ
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1. Energa solar
4. Termoelectricidad
Extraccin fotoqumica de hidrogenoa partir de agua, usando luz solar.
Tambin encontramos las celdas decombustible de hidrgeno, celdas decombustible con membranas deintercambio de protones.
Celdas fotovoltaicas: estos dispositivosconvierten la energa solar en energaelctrica. Son los materiales de los queestn hechas y que permiten aumentarla eficiencia de las mimas, es aqudonde la nanotecnologa juega unpapel importante, brindando laposibilidad de nuevos materiales ynuevas tcnicas de fabricacin.
Nanocristales: usados para aumentar lacorriente.
Celdas fotoelectroqumicas: usan unasustancia que emula la funcin de laclorofila en la fotosntesis.
Tambin encontramos celdas solarescon: puntos cunticos, superficiessuperhidrofbicas.
2. Energa del hidrgeno 3. Bateras recargables
Materiales compuestosnanocristalinos y nanotubos sonusados para reemplazar loselectrodos de grafito y litio.
Bateras de papel: combinancelulosa y nanotubos de carbono.
En este campo la nanotecnologa esten la bsqueda de materiales que seanbuenos conductores elctricos y conbaja conductividad trmica, hasta elmomento se sabe de materialesnanoestructurados termoelctricoscomo aleaciones de ZrNiSn y Zn4Sb3.
5. Ahor
Matericonstrque aumaterims fotocromateriaprovemecn
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Aplicaciones de nanotecnologa en tecnologas de informacin y comunicacin
Los microprocesadores paracomputadores y dispositivosde almacenamiento dememoria han seguido unpatrn de miniaturizacin enlos ltimos 20 aos.
Componente clave de muchosdispositivos usados hoy en dacomo computadores (discoduro y RAM), tarjetas dememoria, reproductoresmultimedia.
La fotnicainteraccin dmateria, denencuentran aptecnologa lacomputacin biolgicos y q
Circuitosintegrados
Almacenamientode datos
Pantallas Fotnic
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1. Circuitos integrados
4.Fotnica
MRAM: donde cada celda de la
memoria est conformada por dosfinas capas ferromagnticas, separadaspor una capa aislante.
FeRAM: una capa ferroelctricareemplaza la capa dielctrica de laMRAM.
RRAM: el patrn de conduccin escreado a travs de un materialdielctrico.
PCM: Se usa un material cristalino yamorfo.
Nanotubos RAM.
Circuitos integrados de mayor
conmutacin CMOS; procesadores conmateriales high k, con bajo consumo;spintrnica, fotnica, electrnicacuntica, transistores de nanotubos decarbono, electrnica molecular.
2. Almacenamiento de datos 3. Pantallas
OLEDS: se usan molculas
orgnicas impresas sobre unsustrato polimrico que permitemulticapas, son usados enpantallas de dispositivos mvilescmaras, bombillos, radios ytelevisores.
QDLEDs: los puntos qunticos sonpartculas semiconductoras queemiten un color especfico, sonmuy eficientes y pueden serusados en pantallas y fuentes deluz.
Papel electrnico (ePaper) es unatecnologa que permite imita latinta original en el papel, comopor ejemplo, eBooks, etiquetaselectrnicas, FED.
Cristales fotnicos.
Otras aplicaciones en dispositivos de almaceinformacin como losbarras; los identificadofrecuencia; sensores inacomunicacin como alojados; fuentes de podtambin encontramos textiles porttiles, biosen
Si desea conocer ms sobre Aplicaciones industriales de la nanotecnologa visita el siguiente enlace:http://www.idepa.es/sites/web/EuropaI_D_i/Repositorios/galeria_descargas_EuropaI_D_i/folleto_aplicaciones_industriales_nanote
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De las dos categoras de fabricacin (Bottom up o Top Down) escoja uno de los mtodos que estas contemplan.
Relacione las palabras de la columna izquierda con las palabras de columna derecha.
1. Mitigacin y remediacin
1. Es una tcnica de fabricacin ascendente obottom up.
a. Fotovoltaicas.
2. Es la tcnica de microscopia ms usada en lacaracterizacin de materiales.
b. Nanocpsulas de oro.
3. Una de las aplicaciones en el campo de lamedicina para la deteccin de cncer.
c. Fotnica.
4. As se conocen a este tipo de celdasempleadas en el aprovechamiento de laenerga solar.
d. Autoensamblaje.
5. Es una de las aplicaciones de lananotecnologa en las Tic y estudia lainteraccin entre la materia y la luz.
e. SEM
2. Prevencin de contaminacin
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CONSIDERACIONES FINALES
Estimado aprendiz, durante esta semana, usted ha aprendido sobre tcnicas de caracterizacin y fnanoescala, as como las aplicaciones de materia a nanoescala.Recuerde revisar el material de apolas evidencias de aprendizaje propuestas para esta semana.
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Aplicaciones industriales de la nanotecnologa. Recuperado dehttp://www.idepa.es/sites/web/EuropaI_D_i/Repositorios/galeria_descargas_EuropaI_D_i/folleto_aplicaciones_industriales_nanotecnolog
Cuberes Montserrat, M. Nanotecnologa: Actualidad y Futuro. Recuperado dehttp://haydychuk.files.wordpress.com/2012/10/nanotecnologc3ada-actualidad-y-futuro.pdf
Guerrero, V., Dvila, J., Galeas, S., Pontn, P., Rosas, N., Sotomayor, V. y Valdivieso, C. (2011) Nuevos materiales: Aplicaciones e
industriales. Ecuador: Imprefepp.Recuperado dehttp://bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/4532/1/Nuevos%20materiales,%20aplicaciones%20estructurales%20e%20indust
REFERENCIAS
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Lder de Proyecto: Jairo Antonio Castro Casas
Expertos temticos: Andrea Reyes Meneses
Asesor Pedaggico:
Mnica Patricia Osorio Martnez
Guionistas:
Beatriz Helena Duque Ospina scar Daro Cardozo Garzn scar Ivn Pineda Cespedes
Lder de Proyecto: Jairo Antonio Castro Casas
Expertos temticos: Andrea Reyes Meneses
Asesor Pedaggico:
Mnica Patricia Osorio Martnez
Guionistas:
Beatriz Helena Duque Ospina scar Daro Cardozo Garzn scar Ivn Pineda Cespedes
Programadores: Diego Rodrguez Ortegn Jos Felix Arizala Segura Mayra Durango
Equipo de Diseo: Gabriel David Surez Vargas
Guillermo Armando Aponte Celis Jhonny Ronald Narvez Olarte Julin Mauricio Milln Bonilla
Leonardo Stiglich Campos
Programadores: Diego Rodrguez Ortegn Jos Felix Arizala Segura Mayra Durango
Equipo de Diseo: Gabriel David Surez Vargas
Guillermo Armando Aponte Celis Jhonny Ronald Narvez Olarte Julin Mauricio Milln Bonilla
Leonardo Stiglich Campos
CRDITOS
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