Universidad de Chile

Programa Académico de Bachillerato

Vicerrectoria de asuntos académicos

Título de la Monografía:

Nanoestructuras

Samuel Ignacio Giordano Martínez

13 de Septiembre, 2013

Profesor Guía:

Germán Kremer

Índice general

1. Resumen 2

2. Introducción 3

3. Nanoestructuras 5

3.1. Definición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

3.2. Características de las nanoestructuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

4. Nanotubos de Carbono 9

4.1. Definición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

4.2. Características y Propiedades de los nanotubos de carbono . . . . . . . 10

4.3. Aplicaciones de los nanotubos de carbono . . . . . . . . . . . . . . . . 13

4.3.1. Aplicaciones en Ingeniería . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

4.3.2. Aplicaciones en Electrónica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

5. Conclusión 16

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Resumen

En este trabajo se presenta una revisión general y cualitativa de las nanostructuras,

pasando desde los rasgos más generales de estas, hasta las sorprendentes caracte-

rísticas y propiedades que poseen. A continuación se hace una mirada general a las

nanoestructuras de carbono, especialmente a los nanotubos de carbono en la cual

se describen estos nanotubos desde el punto de vista estructural y la diferencia que

tienen con otros materiales. Finalmente se muestran las distintas aplicaciones de los

nanotubos de carbono a la electrónica y en la ingeniería y ciencia de los materiales,

describiendo brevemente cada una de ellas.

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Introducción

Últimamente hemos sido testigos de cómo ha evolucionado la tecnología en nues-

tro planeta de una manera muy rápida, con lo cual la investigación en este tema, se

ha trasformado en un aspecto fundamental para una gran cantidad de países.

Se han desarrollado nuevos sistemas de comunicación, más eficientes y avan-

zados entre los cuales se encuentran los satélites o el uso de materiales como fibra

óptica para mejorar la velocidad de transmisión de datos en las telecomunicaciones.

Además, cada día crece más el número de investigaciones en ingeniería y ciencia de

los materiales, electrónica, informática y así en innumerables campos de estudio, con

lo cual el conocimiento en estas áreas aumenta considerablemente.

Las aplicaciones de este saber tampoco cesan y día a día encontramos en

el mercado a nuestra disposición una gran cantidad de productos y servicios que son

directas aplicaciones de los conocimientos de las distintas disciplinas antes mencio-

nadas, los que tienen como objetivo satisfacer las necesidades de las personas.

Pero las necesidades de las personas y los desafíos de la ciencia no siempre

pueden ser resueltos y abarcados en su totalidad con los elementos de los cuales dis-

ponemos. Es por eso que siempre se intenta enfrentar estas problemáticas con nuevas

e innovadoras herramientas, las cuales se obtienen generalmente de la investigación

en materias científicas.

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En las últimas décadas ha salido a la luz un tema de investigación muy intere-

sante e importante para el desarrollo de nuevas tecnologías que podrían solucionar

muchos de los problemas existentes hoy en día en la ciencia y en la sociedad. El tema

antes mencionado se refiere a las Nanoestructuras.

Como ya se dijo en un comienzo, la tecnología no para de avanzar, y los

desafíos que se propone son cada vez más grandes. En este nuevo capítulo para la

ciencia y la tecnología, se indaga en un campo antes desconocido, un ámbito micros-

cópico, el mundo de lo no visible.

Las nanoestructuras presentan una serie de propiedades que aumentarían

ampliamente la eficiencia de los objetos tecnológicos que se construyen hoy en día,

además de empezar a abrir las puertas para la construcción de otros objetos y siste-

mas, que solamente antes eran posibles en el mundo de la ciencia ficción tal como la

computación cuántica.

Este trabajo tiene como objetivo ser un artículo de difusión teórica acerca de

las nanoestructuras, ya que este tema constituye un pilar fundamental de la ciencia en

esta nueva era tecnológica y es necesario que comprendamos esta nueva visión que

forma y formará parte de nuestro mundo.

Se describirán las características generales de las nanoestructuras, enfocán-

dose primordialmente en los Nanotubos de Carbono. Se explicará su funcionamiento

y en qué consisten, además de mencionar algunas de sus muchas aplicaciones en

ingeniería y ciencias.

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Nanoestructuras

0.1. Definición

Las nanoestructuras en términos simples son estructuras cuyo tamaño varía

en la escala nanométrica, o sea del orden de 10−9m.

Estas estructuras se diferencian principalmente de los sólidos comunes o sea

del orden de 10−6 [m] o mayor, en que su comportamiento no se rige por las leyes de

la mecánica clásica, sino que se rige por las leyes de la mecánica cuántica.

Podemos encontrar 3 tipos de nanoestructuras, clasificadas de acuerdo al nú-

mero de dimensiones que presentan en la nanoescala. Así, se pueden distinguir na-

noestructuras en una dimensión, en dos dimensiones y en tres dimensiones.

Las nanoestructuras en una dimensión tienen una superficie cuyo grosor fluc-

túa entre 0, 1nm y 100nm. Con respecto a su longitud esta puede ser mucho mayor.

Las nanoestructuras que tienen un diámetro entre 0, 1nm y 100nm son los llamados

Nanotubos. Al igual que en la estructuras de una dimensión su longitud puede ser de

mayor medida. Finalmente tenemos las nanoestructuras en tres dimensiones en las

cuales las medidas de sus tres dimensiones varían entre 0, 1nm y 100nm.

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0.2. Características de las nanoestructuras

Una gran cantidad de científicos de todo el mundo a lo largo de los años han

estudiado los distintos tipos de materiales en su estado sólido y también sus propie-

dades.

Los científicos, al estudiar materiales en la escala nanométrica se encontraron

con la sorpresa de que estos sólidos se comportan de una manera distinta a los sóli-

dos «comunes». Conforme fueron avanzando las investigaciones en el ámbito de las

nanoetructuras se encontraron diversas propiedades que presentan estos materiales,

entre las cuales mencionaremos las más importantes.

Las propiedades que se enunciarán a continuación son producto de una ardua

investigación y cuyos resultados se han encontrado en el artículo «Nuevas propieda-

des físicas de materiales nanoestructurados»(2005), en el cual se trabajó con capas

nanoestructuradas de Aluminio (Al), cobre (Cu) y oro (Au).

1. Propiedades Eléctricas: dentro de los resultados obtenidos, se pudo verificar

que la resistividad eléctrica es una propiedad intrínseca del material y se suponía

que no debería depender de sus dimensiones. Sin embargo al estudiar la resis-

tividad de materiales en la escala nanométrica se encontró que esta propiedad

aumenta considerablemente, es decir, el valor medio de la resistencia eléctrica

aumenta al disminuir el espesor del material que se esta estudiando. Luego de

muchos intentos y modelos teóricos que intentaron explicar este comportamien-

to desde la mecánica clásica y también pasando por la mecánica estadística, en

la actualidad es aceptado que el valor medio de la resistividad eléctrica depen-

de considerablemente de los efectos superficiales dependientes del espesor del

material y del tamaño del grano y la separación de estos. Un estudio realizado

hace algunos años («Camacho y oliva [2005]») en el cual se trabajó con capas

de oro, aluminio y cobre cuyos espesores se encuentran en la escala nanomé-

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trica, reveló que la separación de los granos (o también llamado fronteras de

grano) son los elementos que tienen mayor influencia sobre los altos valores que

presenta la resisitividad en las nanoestructuras.

Las conclusiones que se obtuvieron con los datos experimentales ob-

tenidos en la investigación anterior fueron que «las fronteras de grano son las

principales causantes de los valores de la resistividad en las nanoestructuras».

2. Propiedades Térmicas: a lo largo de los años un sin número de científicos han

estudiado las propiedades térmicas de los materiales, aportando valiosos datos

en esta área. Uno de los resultados más importantes en este ámbito son los

valores de los coeficientes de dilatación térmica en volumen de los distintos ma-

teriales estudiados y los cuales son usados con mucha frecuencia en trabajos de

ingeniería y ciencia de los materiales.

Los valores mencionados con anterioridad sufren fuertes cambios cuan-

do los espesores de los materiales en estudio se encuentran en la escala nano-

métrica. En el estudio realizado se concluyó que el coeficiente de dilatación de

volumen disminuye conforme disminuyen el grosor de las capas que integran los

materiales estudiados.

3. Propiedades Mecánicas: en base a experimentos en el laboratorio que se lle-

varon a cabo con mucho esfuerzo debido a que no se cuenta con métodos siste-

máticos para estudiar las propiedades mecánicas de los materiales nanoestruc-

turados, se pudo comprobar la gran elasticidad y flexibilidad que presentan este

tipo de materiales.

Los experimentos que se realizaron con los materiales nanoestrcutrados

consintieron principalmente en someter láminas extremadamente delgadas de

cobre (Au) y aluminio (Al) a un flujo de corriente electrica con el cual se mediría

7

la deformación térmica. Posteriormente a través de otros métodos (que no se

explicarán aquí) se relacionó esta deformación térmica con la deformación me-

cánica. Así se pudo encontrar la gran elasticidad y flexibilidad de los materiales

en escala nanométrica.

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Nanotubos de Carbono

El descubrimiento de los nanotubos de carbono fue un hecho fortuito y

tiene su origen en el año 1991, en el cual el científico japonés Sumio Iijima deci-

dió estudiar los subproductos generados en el proceso de síntesis de Fullerenos

(C60) [1].En los estudios realizados por Iijima sobre estos subproductos, se pu-

dieron apreciar estructuras cilíndricas de carbono en el cátodo de grafito con el

cual se sintetizaban los fullerenos. Dichas estructuras hoy las conocemos con el

nombre de Nanotubos de Carbono [1].

Estas estructuras presentan una serie de propiedades que tienen diver-

sas aplicaciones en el ámbito de la ciencia y la ingeniería, lo que ha despertado

el interés de los científicos e ingenieros de todo el mundo como un objeto de

investigación muy interesante e importante por los avances tecnológicos que po-

drían traer consigo sus aplicaciones.

A continuación daremos a conocer la definición de los nanotubos de car-

bono, sus características y propiedades además de sus diversas aplicaciones en

distintos ámbitos de la ciencia y la ingeniería.

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0.3. Definición

Los nanotubos de carbono son estructuras derivadas del fullereno cuyo

tamaño fluctúa entre 0, 1nm y 100nm, es decir , son materiales nanoestructura-

dos.

Los nanotubos de carbono dan origen a muchas nanoestructuras deri-

vadas del carbono las cuales presentan sorprendentes características y propie-

dades, que estudiaremos en la siguiente sección.

0.4. Características y Propiedades de los nanotu-

bos de carbono

Los nanotubos de Carbono se diferencian por su pequeño tamaño ade-

más de poseer una estructura grafítica [5].

Haciendo una mirada estructural a los nanotubos de carbono, podemos

considerarlos como nanomateriales huecos (en forma de canuto) los cuales pue-

den estar constituidos por una Pared Simple (SWNTs) o una Pared Múltiple

(MWNTs) formadas por láminas de grafeno (que es una sustancia de carbono

puro, similar al grafito) [5].

En los últimos años, se ha encontrado nanotubos de carbono formados por dos

capas de grafeno, es decir, nanotubos de pared doble (o DWNTs) [5]. En la si-

guiente ilustración podemos ver un esquema de la forma que presentan los na-

notubos de pared simple:

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En esta segunda ilustración, se muestra un esquema de la forma que

tienen los nanotubos de pared múltiple:

A continuación, se «enunciarán» las propiedades mas destacadas de los

nanotubos de carbono, las cuales permiten que estos tengan variadas aplicacio-

nes en distintos ámbitos de la ciencia y la ingeniería:

a) Propiedades Electrónicas: las experiencias en el laboratorio que han te-

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nido los científicos trabajando con las nanoestructuras han verificado las

distintas propiedades electrónicas que poseen los nanotubos de carbono.

Entre ellas podemos mencionar las dos más importantes:

Son buenos conductores.[7]

Tienen la capacidad de comportarse como semiconductores y super-

conductores.[7]

b) Propiedades Mecánicas [7]: Las propiedades mecánicas más importantes

que se han podido identificar son:

Presentan una alta dureza, comparable a los diamantes.

Tienen una muy alta resistencia mecánica (a la deformación volumen-

trica).

Tienen una muy alta flexibilidad.

c) Propiedades Elásticas [7]: los nanotubos de carbono presentan también

propiedades elásticas, las cuales llaman mucho la atención por sus aplica-

ciones a la ingeniería. Las propiedades elásticas más importantes son:

Debido a la particular geometría que presentan los nanotubos, se espe-

raría que estos sean duros, sin embargo son flexibles a deformaciones

en dirección perpendicular a su eje.

La estabilidad de los nanotubos es menor en el grafito y disminuye con-

forme disminuye el diámetro del material.

Para grandes deformaciones en direcciones radiales, los nanotubos se

pueden comportar de manera inestable y posteriormente sufrir un co-

lapso.

Las características mecánica de los nanotubos de carbono son supe-

riores a otras estructuras tales como fibras de carbono. Resistencia a

deformaciones, estabilidad y flexibilidad entre otras.

d) Propiedades Térmicas [7]:

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Estas estructuras poseen una alta conductividad térmica.

A continuación, veremos algunas de las muchas aplicaciones de los na-

notubos de carbono en ciencia e ingeniería.

0.5. Aplicaciones de los nanotubos de carbono

En esta sección, se dará a conocer las aplicaciones mas destacadas de

los nanotubos de carbono en Ingeniería y Electrónica.

0.5.1. Aplicaciones en Ingeniería

Los nanotubos de carbono han sido un increíble aporte en una rama muy

importante de la ingeniería. Hablamos de la Ciencia de los Materiales.

Las aplicaciones en ingeniería mas importantes que podemos encontrar

hasta ahora son:

Materiales de alta resistencia: los nanotubos de carbono pueden al ser

incrustados en un material compuesto, gozan de una enorme elasticidad y

resistencia a la tracción. Este tipo de materiales de alta resistencia podría

ser empleado en automóviles que reboten en caso de accidentes o también

podrían tener aplicaciones sísmicas [7].

Memoria Mecánica: se han realizado ensayos, con materiales que presen-

tan nanotubos en su estructura los cuales, al aplicarle cierto voltaje se com-

portan como materiales con memoria [7].

Sensores suprasensibles: los nanotubos con propiedades de semicon-

ductores cambian de resistencia drásticamente en presencia de alcálisis,

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halógenos y otro tipo de gases a temperatura ambiente [7].

Se ha pensado aplicar este comportamiento de las nanoestructuras

de carbono en sensores químicos de alta precisión [7].

Almacenamiento de Hidrógeno e iones: la forma «hueca» de los nano-

tubos de carbono puede facilitar el almacenamiento de hidrógeno en su

interior que posteriormente puede ser liberado en pilas de combustible más

económicas y eficientes [7].

0.5.2. Aplicaciones en Electrónica

Las aplicaciones que tienen los nanotubos de carbono son las más di-

versas,producto de que estos presentan características cuánticas. Entre estas

aplicaciones podemos encontrar:

Microscopio de barrido de mayor resolución: se pueden hacer modifica-

ciones a la punta de un microscopio de barrido, agregando materiales en

base a nanotubos de carbono los cuales aumentan la resolución lateral del

objeto en un factor de 10 o más lo que permite representaciones mucho

más claras de las imágenes mostradas en este microscopio [7].

Nanocircuitos: últimamente se han realizado investigaciones en las cuales

se han construido con éxito dispositivos electrónicos en base a nanotubos

de carbono. Principalmente se ha trabajado en Transitores de Efecto de

Campo, los cuales regulan la conductividad del canal por el cual circulan

electrones. Estos transistores de efecto de campo construidos en base a

nanotubos de carbono gastan mucha menos energía que los transistores

construidos en base a silicio (que son lo usados comúnmente). Como estos

transistores funcionan en base a diferencia de potencial y resistividad eléc-

trica, los que están diseñados con nanotubos de carbono, los cuales tienen

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la capacidad de comportarse como semiconductores y cambiar de forma

drástica su resistividad, son mucho mejores reguladores que los dispositi-

vos en base a silicio [7].

Figura 1: Imagen de un Transitor de Efecto de Campo

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Conclusión

Como se pudo ver a lo largo del trabajo aquí presentado, el uso de los

nanomateriales, especialmente de los nanotubos de carbono podría representar

un cambio significativo en la era tecnológica actual, como también en las cien-

cias.

Las increíbles propiedades de los materiales nanoestrcuturados y sus

aplicaciones tecnológicas podrían tener considerables efectos en distintos focos

de la sociedad puesto que por medio de las aplicaciones de estos a objetos

tecnológicos, que formarán parte de nuestra vida cotidiana, la forma de ver las

cosas por parte de las personas que forman la sociedad se podrían ver afecta-

das en cierta manera.

Por otra parte y para finalizar, el campo de estudio de las Nanoestructu-

ras hace confluir a la Biología, la Química y la Física. Esto supone un trabajo de

colaboración mutua entre estas tres ciencias, lo que podría derivar en avances

muchos mayores para cada una de ellas.

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Bibliografía

[1] Suárez Gonzáles,Beatriz.(2007). Las Nanoestructuras de carbono como

analitos y herramientas en la química analítica actual,[Artículo científi-

co].Universidad de Córdoba.España.

[2] Delgado,José L;Herranz,Maria;Martín,Nzario.(2007). Nanoestructuras de

carbono, Anales de la Real Sociedad Española de Química.España:(paper).

[3] s/a , (s/a). Nanotubulos de Carbono. (Artículo científico)

Versión electrónica: http://www.portalciencia.net/nanotecno/nanotubos.html

[4] Poole Jr, Charles P; Owens, Frank (2007). Introducción a la nanotecnología.

Facultad de Química Universodad de la Habana, España: Reverte. Pp.113-

114

[5] Oliva Arias, Andrés I.(2005) Nuevas propiedades físicas de ma-

teriales nanoestructurados Ingeniería, vol. 9. Universidad Au-

tónoma de Yucatán, México: (Revista científica).ón electrónica:

http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=46790304

[6] Cazallas, Jorge (2007). Los materiales nanoestructurados ,Comunicación

de la nanotecnología. Santiago, Chile: (artículo científico).

Versión electrónica: http://blogs.creamoselfuturo.com/nano-

tecnologia/2007/06/27/los-materiales-nanoestructurados/ (revisado el

13/Agosto/2013)

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[7] Alcca Quispe, Fernando (2005). Estructura y síntesis de nanotubos de

Carbono. (Monografía)

Versión Electrónica: http://sisbib.unmsm.edu.pe/bibvirtual/monografias/Basic/alccaqf/contenido.htm(Revisadoel20/Noviembre/2013)

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