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Grafeno: un paso hacia el futuro

Nano-remediacin del agua

Crisis, negocio y avance nanotecnolgico

Interdisciplina en nanocienciasCentro deFsica Aplicada yTecnologa AvanzadaUNAM Univ

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Mundo Nano. Revista Interdisciplinaria en Nanociencias y Nanotecnologa

DIRECTORIO

MUNDO NANO

Editores

Dr. Gian Carlo Delgado Ramos giandelgado@unam.mx

Dr. Noboru Takeuchi Tan takeuchi@cnyn.unam.mx

Comit Editorial

Fsica (teora)Dr. Sergio Ulloa ulloa@ohio.edu | Dr. Luis Mochn Backal mochan@em.fis.unam.mxFsica (experimental)Dr. Isaac Hernndez Caldern Isaac.Hernandez@fis.cinvestav.mxIngenieraDr. Sergio Alcocer Martnez de Castro SAlcocerM@iingen.unam.mxMicroscopaDr. Miguel Jos Yacamn miguel.yacaman@utsa.eduCatlisisDra. Gabriela Daz Guerrero diaz@fisica.unam.mxMaterialesDr. Roberto Escudero Derat escu@servidor.unam.mx | Dr. Jos Saniger Blesa jose.saniger@ccadet.unam.mxFilosofa de la CienciaDr. Len Oliv Morett olive@servidor.unam.mx

Ciencia, tecnologa y gneroDra. Norma Blazquez Graf blazquez@servidor.unam.mxCiencia, tecnologa y sociedadDr. Louis Lemkow Louis.Lemkow@uab.esComplejidad de las cienciasDr. Jos Antonio Amozurrutia amoz@labcomplex.netDr. Ricardo Mansilla Corona mansy@servidor.unam.mxMedio ambiente, ciencia y tecnologaDra. Elena lvarez-Buyll eabuylla@gmail.comAspectos ticos, sociales y ambientales de la nanociencia y la nanotecnologaDr. Roger Strand roger.strand@svt.uib.no | Dr. Paulo Martins marpaulo@ipt.br | Mtra. Kamilla Kjolberg kamilla.kjolberg@svt.uib.no

Imagen de la portada: Sistema PHI-548 (con AES y XPS) para espectroscopa de electro-nes fotoemitidos. Centro de Nanociencia y Nanotecnologa, UNAM.

es una publicacin semes-tral de la Universidad Nacional Autnoma de Mxico, editada por el Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnolgico; el Centro de Investigaciones Interdisciplinarias en Cien-cias y Humanidades; el Centro de Nanociencia y Nanotecnologa y el Proyecto Universitario de Nanotecnologa Ambiental. Vol. 1, No. 2, Mxico, agosto de 2009.D.R. Mundo Nano. Revista Interdisciplinaria en Nanociencias y Nanotecnologa.Registro en trmite.Cuidado de la edicin: Concepcin Alida Casale NezImpreso en la Seccin de Comunicacin Grfi-ca y Servicios Editoriales del CCADET-UNAMwww.mundonano.unam.mx

Correspondencia:Mundo Nano. Centro de Investigaciones In-terdisciplinarias en Ciencias y Humanidades. Torre II de Humanidades, 4 piso. Ciudad Uni-versitaria. CP. 04510. Mxico, D.F. Mxico.

Dr. Jos Narro RoblesRectorDr. Sergio Alcocer Martnez de Castro Secretario General Dr. Carlos Armburo de la HozCoordinador de la Investigacin Cientfica Dra. Estela Morales CamposCoordinadora de Humanidades

Dr. Jaime Martuscelli QuintanaCoordinador de Innovacin y DesarrolloDra. Norma Blazquez GrafDirectora del CEIICHDr. Sergio Fuentes MoyadoDirector CNyN Dr. Jos Saniger BlesaDirector CCADET

UNAM

CONTENIDO

4 EDITORIAL

5 CARTAS

9 NOTICIAS

15 ARTCULOS

15 Grafeno: un paso hacia el futuro E. Martnez-Guerra, M. E. Cifuentes-Quintal

y R. de Coss

24 Procesos cunticos en islas semiconductoras: manipulacin ptica y control de estados co-herentes

J. Enrique Roln y Sergio E. Ulloa

37 Nanopartculas de TiO2 y carbn activado para el tratamiento fotocataltico de aguas contaminadas

Juan Matos, Jean-Marc Chovelon, Corinne Fe-rronato

48 Problemas axiolgicos y ticos de la tecno-ciencia

Len Oliv

61 Nanotecnologa; un nuevo futuro para los investigadores y una mina de oro para inver-sionistas y empresarios mexicanos

Milton Jorge

70 Hacia una nanotecnologa dislocada del co-nocimiento de lo social? Retos de la interdis-ciplina en nanociencia

Jos A. Amozurrutia

78 Crisis econmica, conocimiento y polticas para el desarrollo de la nanotecnologa

Andrs Pedreo Muoz

88 Aplicaciones de las nanotecnologas en los estudios sobre el agua: un tema de inters estratgico para Iberoamrica y Espaa

Pedro A. Serena

100 LIbROS E INfORmES

104 INSTRUCTIVO PARA AUTORES

107 EVENTOS

4EDITORIAL

Mundo Nano es una publicacin universitaria de divulgacin que da a conocer trabajos de colegas de las ciencias exactas, naturales, sociales y de las humanidades. En esta segunda entrega, nuestros colaboradores ofrecen una revisin sobre el po-tencial del grafeno como sustituto de la tecnolo-ga actual basada en el silicio, en particular sobre las propiedades electrnicas y de transporte que se pueden aprovechar en dispositivos de alta ve-locidad; los ltimos desarrollos en las propieda-des pticas de los llamados puntos cunticos en semiconductores; la posibilidad de controlar las condiciones de sntesis de carbn activado para mejorar la foto-actividad del dixido de titanio para su empleo en tecnologa solar, por ejemplo, de bio-remediacin de aguas; y una evaluacin sobre el potencial y estado del arte de las aplica-ciones nanotecnolgicas en la filtracin y reme-diacin del agua. Tambin se ofrece una reflexin filosfica sobre los problemas axiolgicos y ticos de la tecnociencia y, por tanto, de la nanociencia y la nanotecnologa, as como los retos de la inter-disciplina en la nanociencia. Asimismo, se incluye la opinin, desde el mbito empresarial, del po-tencial de la nanociencia y la nanotecnologa en y para Mxico, y una indagacin sobre las polticas de desarrollo de la nanociencia y la nanotecnolo-ga en un contexto de crisis econmica.Desde este espacio editorial, invitamos a nuestros lectores a participar en NanoMex09, II Encuentro Internacional e Interdisciplinario en Nanociencia y Nanotecnologa organizado por la unam, evento que se realizar en el marco de la celebracin conmemorativa de los 30 aos de presencia de la Universidad Nacional Autnoma de Mxico (unam) en Ensenada, Baja California.En esta segunda edicin, NanoMex09 se en-foca en reas de la nanociencia y la nanotecno-loga que se perfilan como estratgicas para el desarrollo del pas. En tal sentido, se dar priori-dad a los siguientes ejes temticos:

1. Nanociencia y nanotecnologa en biologa y medicina.2. Energa y medio ambiente3. Nanomateriales4. Nanociencia y nanotecnologa en agricul-tura, ganadera y alimentacin.5. Eco-toxicidad y regulacin de nanomate-riales, estandarizacin.6. Aspectos ticos, sociales y legales de la na-notecnologa.7. Educacin y divulgacin de la nanociencia y la nanotecnologa.La revista Mundo Nano y los encuentros Na-noMex han sido iniciativas del Centro de In-vestigaciones Interdisciplinarias en Ciencias y Humanidades, el Centro de Nanociencia y Na-notecnologa, el Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnolgico y del Programa Universi-tario de Nanotecnologa Ambiental. Este consor-cio acadmico denominado nanounam, formado en 2008, expandi sus fronteras al sumar un to-tal de 11 entidades y un programa universitario. En 2009, se integraron: el Instituto de Fsica, el Instituto de Investigaciones en Materiales, el Ins-tituto de Biomdicas, el Instituto de Ciencias F-sicas, el Centro de Fsica Aplicada y Tecnologa Avanzada, el Instituto de Investigaciones Socia-les, el Instituto de Investigaciones Filosficas y la Facultad de Derecho.Este esfuerzo universitario tiene el propsito de vincular las ciencias exactas, naturales, socia-les y de las humanidades para enfrentar el reto de generar nuevos conocimientos y tecnologas en las nanociencias y nanotecnologa en benefi-cio de nuestro pas.

Gian Carlo DelgadoNoboru Takeuchi

Editores

5CARTAS

nanomat es un mster oficial de la Universidad de Zaragoza (Espaa) con una duracin de 18 meses y est formado por 75 crditos ects. El curso es adecuado para licenciados en ciencias, ingeniera, medicina, biologa, farmacia y otras titulaciones asimilables, que desean desarrollar carreras en la vanguardia de la nanociencia y na-notecnologa.El curso es eminentemente multidisciplina-rio y su propsito es proporcionar a los estu-diantes un bagaje terico as como una amplia experiencia prctica y habilidades en la fabrica-cin y caracterizacin de materiales nanoestruc-turados y dispositivos con aplicaciones en reas clave de la nanoqumica, nanofsica y nanobio-medicina.La Universidad de Zaragoza y los Institu-tos de Nanociencia y Ciencia de los Materiales de Aragn (ina e icma) disponen de un equipa-miento excepcional para la fabricacin y caracte-rizacin de nanomateriales, incluyendo algunos instrumentos nicos en Espaa y Europa.El curso se imparte completamente en in-gls por miembros altamente cualificados del ina, del icma y de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Zaragoza, y cuenta con la partici-pacin de personal de otros centros nacionales e internacionales as como representantes de la industria.El mster est distribuido en ocho asignatu-ras (54 crditos ects) que incluyen clases teri-cas, tutoras, prcticas de laboratorio y casos de estudio. El curso tambin cuenta con un proyecto fin de mster (21 crditos ects). Los estudiantes escogern el trabajo fin de mster, previa consul-ta con la coordinadora del curso, atendiendo a su licenciatura de origen y sus propios intereses profesionales y de investigacin.

Invitacin a Mster en Materiales Nanoestructurados para Aplicaciones Nanotecnolgicas (nanomat)

Dra. Pilar Cea mingueza1

1 Investigadora del rea de Qumica Fsica de la Facultad de Ciencias, Campus Plaza San Francisco, Universidad de Zara-goza. Coordinadora de nanomat.

Las asignaturas del curso son:1. Propiedades fundamentales de los mate-riales nanoestructurados.2. Preparacin de materiales nanoestructu-rados.3. Ensamblaje y caracterizacin de nanoes-tructuras.4. Caracterizacin i: tcnicas qumico fsicas.5. Caracterizacin ii: microscopas avanzadas.6. Fabricacin de nanodispositivos y aplica-ciones.7. Casos de estudio para aplicaciones indus-triales.

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6Mundo Nano | Cartas | Vol. 1, No. 2, Octubre de 2009 | www.mundonano.unam.mx8. El estudiante elegir una de las tres asig-naturas siguientes:

a. Fenmenos fsicos en la nanoescala.b. Sntesis y procesado de materiales na-noestructurados.c. Nanobiomedicina.9. Trabajo fin de mster.

El mster comienza el 28 de septiembre de 2009. Para ms informacin, puede consultar-se la pgina web del mster: www.unizar.es/na-nomat.Para interesados extranjeros, contactar di-rectamente a la coordinadora del mster al co-rreo: pilarcea@unizar.es o al telfono +34 976 76 22 96.

7www.mundonano.unam.mx | Vol. 1, No. 2, Octubre de 2009 | Cartas | Mundo Nano |

tecnalia es una corporacin del Pas Vasco al servicio del sector industrial e institucional que busca impulsar y facilitar los procesos de inno-vacin y desarrollo tecnolgico. La Unidad de Medio Ambiente cuenta con una larga experien-cia en mbitos como: aire, ruido, agua, residuos y suelos.El agua figura claramente como gran reto fu-turo que, por sus connotaciones geopolticas y le-gislativas, unido a la problemtica de su escasez, cobra una importancia relevante para su gestin como uno de los principales recursos de la hu-manidad. En este contexto, la Unidad de Medio Ambiente de tecnalia presenta su apuesta por el desarrollo de tecnologas innovadoras, basa-das en nanotecnologa, para el tratamiento y po-

tabilizacin de aguas, a fin de dar solucin a las nuevas problemticas surgidas en el entorno.Por su parte, la reciente creacin de la Agen-cia Vasca de la Nanotecnologa, NanoBasque, ha supuesto sin duda un gran impulso para el desa-rrollo de nuevas lneas de investigacin basadas en la nanotecnologa, con la misin de dar sopor-te a nuestro tejido industrial y promover un de-sarrollo econmico sostenible en el Pas Vasco. Se trata de una agencia creada por el gobierno vasco cuya estrategia tiene como finalidad im-pulsar la transformacin y diversificacin de la industria aprovechando las nuevas oportunida-des que ofrece la nanotecnologa.Con este apoyo gubernamental, nos enfren-tamos a uno de los mayores retos en relacin con la calidad de las aguas del siglo xxi: el control de la presencia en las aguas de los denominados contaminantes emergentes. Esta nueva tipologa de contaminantes est compuesta por un grupo muy variado de sustancias que tienen en comn una serie de caractersticas como son la baja concentracin en la que se encuentran en el me-dio, su difcil eliminacin mediante tecnologas convencionales y las pequeas concentracio-

nes necesarias para provocar daos relevantes en ecosistemas y en la salud humana. Sustan-cias como pesticidas, antibiticos o cosmticos forman parte de este nuevo grupo de contami-nantes, cuyo control y estudio representa, como decimos, el prximo desafo en cuanto a mejo-rar la calidad del agua. Se trata pues de una si-tuacin que ha generado una gran preocupacin en la Unin Europea y que llevar a finales del 2008 la publicacin de la Directiva 2008/105/ec relativa a las normas de calidad ambiental en el mbito de la poltica de aguas que apunta las concentraciones medias y mximas admisibles en las masas de agua superficiales de la ue para 33 sustancias.En este cotexto, tecnalia viene desarrollan-do dos incipientes lneas de investigacin con excelentes expectativas a futuro basadas en la nanotecnologa; como son procesos de fotoca-tlisis solar heterognea con nanopartculas de TiO2 y el desarrollo de nuevos adsorbentes a par-tir de fibras de dimetro nanomtrico.La fotocatlisis heterognea con nanotita-nia es una tecnologa de oxidacin avanzada ampliamente investigada en la que es necesa-ria una fuente de radiacin uv para activar las nanopartculas (la nanotitania slo es activa en el rango uv) y, en consecuencia, se forman las especies oxidantes que son las responsables de la degradacin de los contaminantes. La princi-pal ventaja de esta tecnologa estriba en que se trata de una oxidacin no selectiva siendo ca-paz de eliminar un amplio abanico de conta-minantes, incluidos los nuevos contaminantes

Impulsando la nanotecnologa para el tratamiento de aguas: el caso de la Unidad de Medio Ambiente de TECNALIA

www.tecnalia.esContactos: Oscar Santa Coloma: Director, Unidad de Medio Ambiente tecnalia. santacol@labein.es. Oihane Monzn: Investigador, Unidad de Medio Ambiente tecnalia. omonzon@labein.es.

8Mundo Nano | Cartas | Vol. 1, No. 2, Octubre de 2009 | www.mundonano.unam.mxemergentes, pero tiene el gran inconvenien-te de requerir un alto consumo energtico de-bido a la necesidad de utilizar radiacin uv, lo que claramente es un factor limitante para su aplicacin en el mercado. En este sentido Me-dio Ambiente-tecnalia centra sus esfuerzos en desarrollar un dispositivo basado en nano-partculas de titania con actividad fotocataltica en agua bajo luz solar, lo que hara mucho ms competitiva dicha tecnologa.Por otro lado, tecnalia se encuentra inmer-sa en el desarrollo de procesos de sntesis de na-nofibras carbonosas adsorbentes utilizando la tcnica de electrospinning a partir de distintos materiales. La optimizacin de dicho proceso abre una importante va en el campo medioam-biental hacia tecnologas de adsorcin de con-taminantes ms eficaces y selectivas, debido al gran aumento de superficie de contacto que su-pone trabajar con dimetros nanomtricos. La adsorcin se trata de un fenmeno superficial

basado en el contacto directo entre la superficie de las fibras y el contaminante, por lo que una de las variables ms importantes es el rea su-perficial especfica de contacto. Por ello, cuan-to mayor sea el rea de contacto, mayor ser el nmero de sitios activos para la adsorcin. Se ha comprobado que a escala nano se alcanzan efi-ciencias muy superiores a las obtenidas con el carbono activo convencional.Se tiene pues como objetivo el desarrollo de un nuevo dispositivo de descontaminacin de efluentes con las tecnologas antes mencionadas, tanto por separado como en combinacin, de tal suerte que las haga ms eficaces. Actualmente, la fotocatlisis con luz solar como la adsorcin me-diante nanofibras se encuentra en un desarrollo cercano al necesario para conseguir la desconta-minacin por debajo de los estndares europeos definidos, lo que supondr a futuro una va de solucin para el tejido industrial y el medio am-biente que nos rodea.

9NOTICIAS

6 14 de mayo de 2009El foco incandescente ms pequeo del mundo fabricado con un solo nanotubo de carbnUn grupo de investigadores de la Universidad de California, campus Los Angeles, ha crea-do el foco incandescente ms pequeo del mundo usando un filamento hecho con un solo na-notubo de carbn, el cual tiene tan solo 100 tomos de ancho. El objetivo es explorar los lmi-tes entre la termodinmica y la mecnica cuntica. Si no se ob-serva con cuidado, el filamen-to es completamente invisible cuando la lmpara est apa-gada, pero aparece como un punto luminoso cuando se en-ciende. Con menos de 20 millo-6 19 de mayo de 2009Fabricacin de cadenas atmicas de carbn a partir del grafenoUsando un haz de electrones de alta energa, varios investiga-dores han podido transformar el grafito en grafeno y luego en cadenas de tomos de carbono. Para fabricar las nanoestructu-ras, los cientficos manipularon el haz electrnico de un mi-croscopio electrnico de trans-misin. Enfocando el haz de alta energa y alta corriente de electrones en un punto de una hojuela de grafito, pudieron re-mover tomos de carbono y adelgazar la hojuela hasta lle-gar a una sola capa de tomos de carbono. Al continuar con la

nes de tomos, el filamento del nanotubo es lo suficientemen-te largo para aplicar las bases estadsticas de la termodin-mica, pero lo suficientemente pequeo para ser considera-do como un sistema molecular cuntico.

Para ahondar ms sobre el tema, lase: Probing Plancks Law with incandescent light emis-sion from a single carbon nano-tube. Physical Review Letters, vol. 102, nm. 18. 5 de mayo de 2009. http://prl.aps.org/.

irradiacin, se produjeron dos agujeros en la capa de grafeno separados por una nanocinta de grafeno, la cual continuaron adelgazando usando el haz de electrones. Los investigadores explicaron que la energa de los estados del borde de la cinta son muy altos comparados con los del centro, y es por esto que eran muy fciles de remover. Al final, cuando los dos bordes co-inciden, la cinta se separa en dos cadenas paralelas de tomos de carbono. Dichas cadenas son de aproximadamente 2.1 nm o 16 tomos de carbono.

Para ahondar ms sobre el tema, lase: Deriving carbon atomic chains form graphe-ne. Physical Review Letters, vol. 102, nm. 20. 18 de mayo de 2009. http://prl.aps.org/.

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Mundo Nano | Noticias | Vol. 1, No. 2, Octubre de 2009 | www.mundonano.unam.mx6 28 de mayo de 2009Nanodispositivo para convertir fotones en energa mecnica Ciertos investigadores han construido un nanodispositi-vo que vibra cuando le llega la luz de un lser. El aparato es sensitivo a la energa de un solo fotn. A partir de material de silicio para microchips, los

cientficos fabricaron un par de tablones de tan solo unos cien-tos de nanometros de ancho. Qumicamente se grabaron una serie de agujeros en cada uno de ellos. Dichos agujeros cana-lizan y capturan la energa del lser y el dispositivo vibra con una frecuencia que depende de la intensidad de la luz que le llega.Para ahondar ms sobre este tema, lase: A picogram-and na-nometer-scale photonic-crystal optomechanical cavity. Natu-

re. vol. 459, nm. 550-555. 28 de mayo de 2009. http://www.na-ture.com/nature/journal/v459/n7246/full/nature08061.html.

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www.mundonano.unam.mx | Vol. 1, No. 2, Octubre de 2009 | Noticias | Mundo Nano |6 23 de abril de 2009AFM revela diferencias escondidas entre clulas normales y cancerosasUsando un microscopio de fuerza atmica, ciertos inves-tigadores han identificado una diferencia importante entre las propiedades superficiales de clulas normales y cancerosas. Encontraron que las celdas nor-males tienen peines de una sola longitud en su superficie, mientras que las clulas cance-rgenas tienen dos longitudes en sus peines. Adems, la densi-dad de los peines cancergenos es diferente a la de los norma-les. Debido a esta diferencia, las clulas cancergenas podran interactuar con las nanopart-culas en una forma diferente a las clulas normales, lo que po-dra usarse para deteccin y tratamiento del cncer. Los in-vestigadores obtuvieron sus re-sultados al analizar medidas de fuerza tomadas de la superfi-cie de las clulas usando un mi-croscopio de fuerza atmica. Al analizar las curvas de deforma-cin, encontraron un compor-tamiento de dos capas en las clulas. Fue necesario desarro-6 25 de abril de 2009Telaraa reforzada con nanotecnologa

Cientficos alemanes han aa-dido diminutas cantidades de metales a la tela de araa para hacerla an ms fuerte y elsti-ca. Segn los investigadores, la tcnica podra conducir al de-sarrollo de textiles, hilo quirr-gico o tejidos artificiales (como

huesos y tendones) sperresis-tentes.La tela de araa es famosa por ser ms firme y ligera que el acero. En un estudio ms re-ciente, publicado en la revis-ta Science, los investigadores aprovecharon un truco de la na-

turaleza con el objetivo de po-tenciar las propiedades de este material ya de por s extraordi-nario. Los cientficos utilizaron una tcnica llamada deposi-cin de capa atmica (ald, por sus siglas en ingls) para in-troducir iones de zinc, titanio

llar un modelo para desacoplar estas dos capas y poderlas es-tudiar por separado.Vase: Atomic force micros-

copy detects differences in the

surface brush of normal and cancerous cells. Nature Nano-technology. 23 de abril de 2009. http://www.nature.com/nna-no/journal/v4/n6/abs/nnano. 2009.77.html.

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Mundo Nano | Noticias | Vol. 1, No. 2, Octubre de 2009 | www.mundonano.unam.mxy aluminio en la tela de araa. Normalmente, la deposicin de capa atmica tan slo deja una capa de xidos de metales so-bre la superficie de la fibra tra-tada; por tanto, tratar la tela de araa de ese modo apenas pro-ducira efectos sobre su resis-tencia. Sin embargo, adaptando ligeramente la tcnica, los in-vestigadores fueron capaces de infiltrar los iones de los meta-les en la tela de araa, logrando que formen parte del hilo.La telaraa tratada de este modo es ms fuerte y ms els-tica que la no tratada; segn los cientficos, hace falta 10 veces

ms energa para romper la te-laraa tratada que la natural.El trabajo es muy prome-tedor en cuanto a aplicaciones prcticas, ya que con este mto-do se podra hacer que muchos otros biomateriales fuesen ms dctiles y resistentes a ruptu-ras, explic el Dr. Mato Knez, del Instituto Max Planck de F-sica de Microestructuras, en Alemania.Sin embargo, hay una limi-tacin: la tcnica slo funciona en materiales constituidos en gran parte por protenas. Aun as, el Dr. Knez y su equipo ya han utilizado esto en su favor y

han logrado utilizar la tcnica para reforzar hilos hechos de colgeno, la protena que pro-tege los huesos de fracturas y la piel de desgarros. El meca-nismo exacto por el cual el me-tal se infiltra en la telaraa y hace que se vuelva ms fuerte contina siendo desconocido, aunque los cientficos ofrecen algunas ideas en su trabajo.

Vase: German scientists spin strechier and stronger spi-der silk. AzoNanotech nology. www.azonano.com/news.asp? newsID=11112.6 19 de mayo de 2009Espaa, pionera en la aplicacin de microscopio de nanotecnologa en el estudio del cerebro

Espaa ser el primer pas del mundo que utilice un micros-copio de nanotecnologa para el estudio del cerebro, en el marco del proyecto Blue Brain, una ini-ciativa de ibm y la Escuela Poli-tcnica Federal de Lausana. La iniciativa, de investigadores de la Facultad de Informtica de la Universidad Politcnica de Ma-

drid (fiupm), procura desarro-llar una serie de herramientas para el anlisis e interpretacin de sus datos.La utilizacin del microsco-pio constituye una significativa innovacin tecnolgica no slo porque la microscopa electr-nica no permite alcanzar un muy elevado grado de deta-

lle en el estudio de clulas ce-rebrales, sino tambin porque permite obtener muestras a partir de tejido cerebral en slo dos horas, cuando mediante otras tecnologas el mismo re-sultado requiere la participa-cin de dos tcnicos a lo largo de un ao.El proyecto Blue Brain, cuyo nombre deriva del nom-bre de la supercomputadora que se utiliza, la Blue Gene de ibm, se centra en dos aspectos principales: la neuroanatoma que desarrolla el Instituto Cajal para la obtencin de datos so-bre el funcionamiento y reac-ciones de determinadas partes del cerebro, y el desarrollo tec-nolgico necesario para visua-lizar los complejos resultados de estas investigaciones.

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La meta final del Blue Brain es proveer a la comunidad cien-tfica de una herramienta que, mediante simulaciones, permi-ta desarrollar investigaciones bsicas y clnicas sobre la es-

tructura y funcin del cerebro. En ese sentido, se prev que, en un futuro, los neurocientficos conozcan cmo se forma, desa-rrolla y envejece el cerebro, o los mecanismos de aprendizaje.

Vase: www.fi.upm.es/?id=tablon&acciongt=consulta1&idet=216. Para informacin so-bre Blue Brain Project: http://bluebrain.epfl.ch.

6 10 de junio de 2009Buscan mecanismos para contrarrestar toxicidad de nanopartculas de uso mdicoCiertos investigadores chinos descubrieron que una clase de nanopartculas ampliamente desarrollada en la medicina (los dendrmeros de poliamidoami-na o pamams) causan dao pul-monar al provocar un tipo de muerte celular conocida como muerte celular autofagia. Tam-bin demostraron que usando un inhibidor de la autofagia se puede prevenir la muerte ce-lular y contrarrestar el dao pulmonar inducido por nano-partculas en ratones.

Para los cientficos, los re-sultados son prometedores en el desarrollo de estrategias de prevencin del dao pulmo-nar causado por nanopartcu-

las. La nanomedicina tiene una extraordinaria promesa, so-bre todo para enfermedades como el cncer y las infeccio-nes virales, pero los aspectos de su seguridad han llamado fuertemente la atencin. Con la tecnologa evolucionando rpi-damente, se necesita empezar ya a encontrar maneras para proteger a los trabajadores y a los consumidores de cualquier eventual efecto txico, dijo el l-der del estudio, Jiang Chengyu, bilogo molecular en la Acade-mia China de Ciencias Mdicas.Para ahondar ms en el tema, lase: Chengyu et al., pamam nanoparticles promote acu-

te lung injury by inducing au-tophagic cell death through the Akt-TSC2-mTOR signa-ling pathway. Journal of Mole-cular Cell Biology. 10 de junio de 2009. http://jmcb.oxford-journals.org/cgi/content/full/mjp002v1.

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6 25 de junio de 2009Raytheon desarrollar nanomateriales de interfaz trmica

La Agencia de Proyectos Avan-zados de Investigacin para la Defensa otorg un contrato a Raytheon para desarrollar na-nomateriales de interfaz tr-mica con el propsito de ser empleados en mejorar el rendi-miento trmico de los sistemas electrnicos de defensa. El pro-grama utilizar nanomateriales

6 21 de junio de 2009Advertencias sobre posibles impactos de las nanopartculas en ecosistemas marinos

Cienficos del Nano-Centro de la Universidad de Carolina del Sur y del Centro Costero de Salud Ambiental e Investigacin Bio-molecular han advertido que las nanopartculas pueden mover-se fcilmente hacia los ecosiste-mas marinos, ser absorbidas y

trasladadas de pastos de maris-mas hacia biopelculas y espe-cies de invertebrados marinos filtro-alimentacin como las almejas. Los cientficos intro-dujeron nanorrodillos de oro (seleccionados por su trazabi-lidad) en tres rplicas de labo-ratorio de ecosistemas costeros de estuario, registrando que las almejas acumularon una canti-dad significativa de nanomate-riales.

Segn los cientficos, es necesario seguir investigan-do para determinar con mayor precisin cmo las nanopar-tculas son transportadas y distribuidas a travs del medio-ambiente marino. Ms an con

lo que pasa en la cadena ali-menticia, algo que no fue es-tudiado en esta ocasin. Para los autores, el trabajo sugiere, por tanto, poner atencin en el eventual impacto que podran tener las nanopartculas acu-muladas en los mariscos y pes-cado que comemos.Para ahondar ms sobre el tema, lase: Ferry et al., Trans-fer of gold nanoparticles from the water columna to the estua-rine food web. Nature Nanote-

chnology. 21 de junio de 2009. http://www.nature.com/nna-no/journal/vaop/ncurrent/abs/nnano.2009.157.html.

para reducir la resistencia tr-mica entre las capas interface de los ensambles electrnicos. Las mejoras de rendimiento se traduciran en ms pequeos, ligeros, menos costosos y ms potentes sistemas de defensa.La Unidad de Sistemas de Defensa Integrados de Rytheon coordina el desarrollo del pro-

yecto en asociacin con exper-tos de Purdue y el Georgia Tech. El trabajo se realiza en el Cen-tro Integrado de Defensa Area y el Centro de Vigilancia y de Sensores de la empresa, ambos localizados en Massachusetts.Vase: Raytheon awarded contract for nano termal in-terface material development.

Raytheon News Archive. 25 de junio de 2009. http://ra-ytheon.mediaroom.com/index.php?s=43&item=1317.

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ARTCULOS

Grafeno: un paso hacia el futuro

e. martnez-guerra*,**, m. e. Cifuentes-Quintal* y r. De Coss*

Resumen. Desde su descubrimiento en 2004, el grafeno ha generado una gran expectativa para sustituir la tecnologa actual basada en silicio. En este trabajo, discutimos de manera simple cules son las propiedades que sustentan esta expectativa. En particular, nos referimos a las propiedades electrnicas y de transporte que se pueden aprovechar en dispositivos de alta velocidad. Adems, presentamos una comparacin (teora y experimento) de las cantidades fsicas que deben ser controladas antes de disear esta clase de dispositivos: dispersin de energa, velocidad de Fermi y masa ciclotrnica. Finalmente, proyectamos algunas formas de modular estas cantidades.

ImpoRtancIa de dIvulgacIn. El grafeno es sin duda un material que revolucionar la tecnologa actual. Sin embargo, a casi 5 aos de su descubrimiento, en Mxico hay muy pocos grupos de investiga-cin que lo estudian en forma experimental y terica. Estamos convencidos que es fundamental interesar a jvenes de bachillerato y estudiantes universitarios en la investigacin bsica y aplicada de este material si queremos que nuestro pas no se quede al margen de las prximas innovacio-nes tecnolgicas, como ya le ocurri a la generacin del silicio.

IntroduccInEn marzo del 2007, asistimos a la reunin anual de la Sociedad Americana de Fsica, en Denver, EUA, y entre pasillos escuchamos que se haba sintetizado un nuevo ma-terial llamado grafeno que, como el silicio, vendra a revolucionar la industria y la tecnologa de nuestra generacin. Preguntamos a quienes discutan sobre este des-cubrimiento, qu clase de material era ste y nos contestaron: es simplemente una membrana de carbono del espesor de un tomo. Qu caractersticas volvan tan es-pecial a esta membrana si est formada solamente de tomos carbono? La respues-ta se encuentra en su estructura cristalina y baja dimensionalidad. Es conocido que el carbono tiene una gran capacidad para formar redes complejas con otros elemen-tos, lo cual ha sido la base de la qumica orgnica y de la existencia de vida en nuestro planeta. Asimismo, se sabe que el carbono elemental forma una variedad de estruc-turas de distinta dimensionalidad desde las ms estables como el diamante y el grafi-to (3D) descubiertas hace mucho tiempo hasta compuestos de baja dimensionalidad como los fulerenos (0D) (kroto et al., 1985) y los nanotubos (1D) (Ijima, 1991). En esta secuencia de dimensionalidad faltaba la estructura 2D, no obstante, a nadie le ha-ba interesado buscarla porque en los aos treinta del siglo xx, Peierls (1934, 1935) y Landau (1937) haban demostrado tericamente que este material era termodinmi-camente inestable y no poda existir. Sin embargo, recientemente se ha podido sinte-* Departamento de Fsica Aplicada, Cinvestav-Mrida, Apdo. Postal 73, Cordemex 97310, Mrida, Yucatn, Mxico.** Facultad de Ciencias Fsico-Matemticas, uanl, Av. Universidad s/n. Cd. Universitaria 66451, San Nicols de los Garza, Nuevo Len, Mxico.

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Mundo Nano | Artculos | Vol. 1, No. 2, Octubre de 2009 | www.mundonano.unam.mxtizar, y sus propiedades lo han convertido en el candidato ideal para sustituir la actual tecnologa del silicio.HIstorIaEn estos tiempos, uno se imagina que los grandes descubrimientos slo se realizan utilizando tecnologa muy sofisticada, pero esto no siempre es as, ste fue el caso del grafeno. En 2004, Andre Geim, Kostya Novoselov y colaboradores colocaron, en la Universidad de Manchester, una cinta adhesiva sobre una muestra de grafito y la removieron consecutivamente hasta aislar una sola capa de tomos de carbono, po-niendo fin a las predicciones de Pierls y Landau de que este material no podra aislar-se sin que las vibraciones del material a temperatura ambiente lo destruyeran. Ahora es conocido que el material es estable, porque sus vibraciones se acomodan en on-dulaciones con amplitudes de alrededor de 1 nanometro a lo largo de la membrana atmica (Carlsson, 2007; Fasolino et al. 2007; Geim y Novoselov, 2007) Estas ondu-laciones son intrnsecas del grafeno y son resultado de inestabilidades vibracionales. En la figura 1a, se muestra una imagen esquemtica de la estructura de este material y en la 1b, su imagen tomada con un microscopio electrnico de barrido. Despus de algunos meses de su descubrimiento, el grupo de Geim perfeccion el mtodo de sn-tesis original (Novoselov et al., 2005) sustituyendo la cinta adhesiva con una superfi-cie dura donde se deslizaban muestras de grafito. Pocos meses despus, Zhang, en la Universidad de Columbia, validaba que esta tcnica era apropiada para sintetizar gra-feno de manera reproducible (figura 2) (Zhang et al., 2005) Al mismo tiempo, Walt de Heer y Claire Berger, en el Tecnolgico de Georgia, desarrollaron un procedimiento de crecimiento epitaxial para producirlo a escala industrial (Heer et al., 2007). As, a 4 aos de su descubrimiento, se han desarrollado distintas tcnicas de crecimiento ta-les como: depsito por vapores qumicos, reduccin de SiC, reduccin de N2H4 y re-duccin de etanol con Na, los cuales permiten obtener muestras de mejor calidad que las tcnicas originales.fIgURA 1. a) Imagen esquemtica a escala atmica del grafeno; b) imgenes de grafeno obtenidas con un microscopio electrnico de barrido (escala de micras).a) b)

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www.mundonano.unam.mx | Vol. 1, No. 2, Octubre de 2009 | Artculos | Mundo Nano |fIgURA 2. a) Imagen de una muestra de grafito tomada con un microscopio electrnico de barrido (meb); b) esquema del proceso de exfoliacin del grafito para sintetizar grafeno; c) muestras de grafeno sobre un sustrato de SiO2 y, d) dispositivo experimental de grafeno con contactos de oro para medir sus propiedades de transporte (tomado de Zhang et al., 2004).

a)

c)

b)

d)

ProPIedadesDesde su descubrimiento en 2004 a la fecha (27 mayo 2009), se han publicado 1,842 artculos cientficos con arbitraje internacional, y cada ao incrementa exponencial-mente el nmero de citas dedicadas a entender las propiedades de este material (fi-gura 3), pero por qu tanto inters en este material? Entre sus propiedades destacan: alta calidad cristalina (~1 defecto/mm2), portadores de carga (electrones y huecos) tipo fermiones de Dirac sin masa, alta movilidad de portadores de carga (15,000 cm2/Vs a 300 K y 200,000 cm2/Vs a 4 K) y transporte balstico en la escala de 1 mm a tem-peratura ambiente. Pueden mencionarse otras, pero sin duda son estas propiedades electrnicas y de transporte las que han ocupado de manera importante el quehacer cientfico de los ltimos aos.

ProPIedades electrnIcasLos tomos poseen electrones que se encuentran cerca de sus ncleos, as como elec-trones lejos de ellos (de valencia). Los electrones de valencia logran separarse de los ncleos cuando reciben energa adicional externa. Por ejemplo, cuando se aplica un campo elctrico a un material, estos electrones de valencia se separan de sus ncleos

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y se convierten en electrones de conduccin. En el caso de materiales constituidos por tomos que no tienen sus capas electrnicas completas, existen huecos (ausencia de electrones en la banda de valencia) que tambin pueden separarse de los ncleos si se les adiciona energa. sta es la forma en que se producen corrientes de electro-nes o huecos en un semiconductor. Estos portadores de carga (electrones o huecos) de conduccin colisionan entre s, disminuyendo la velocidad a la que se mueven; sin embargo, en el grafeno, los electrones o huecos se comportan como partculas que se mueven a una velocidad constante, viajando distancias del orden de micras (110-6 m) sin sufrir dispersin. Este hecho determina que la movilidad de los electrones sea de alrededor de 200,000 cm2/Vs en comparacin a los 140,000 cm2/Vs en el silicio y 77,000 cm2/Vs en la aleacin In-Sb. sta es la caracterstica ms atractiva del grafeno. Qu les permite moverse a los portadores de esa manera en el grafeno?, la respuesta se encuentra en su estructura electrnica, pues determina las energas caractersticas que pueden tener los portadores de carga en un material. En un material convencio-nal, la relacin de dispersin de energa de un electrn o hueco es del tipo parabli-ca/cuadrtica, esto es:donde m es la masa efectiva del portador y k su momentum. Asimismo, la velocidad de un portador est descrita por:

vdEdk

E m= = 2de esta manera, la velocidad de un portador depende normalmente de la energa que adquiere como resultado de las interacciones colectivas. Sin embargo, en el grafeno, la relacin de dispersin de la energa alrededor del nivel de Fermi (EF) es aproxima-damente lineal, esto es: , donde F es la velocidad de Fermi y, por lo tanto, F es una constante: . Esta relacin lineal, entre la energa y el momentum

fIgURA 3. Reporte de: a) nmero de publicaciones y, b) citas anuales sobre grafeno (Fuente: Web of Science, 27 de mayo 2009).a) b)

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de los portadores, fue predicha tericamente por Wallace hace muchos aos (Walla-ce, 1947), y se confirm muy recientemente en forma experimental (Bostwick et al., 2007). Bostwick y colaboradores emplearon la tcnica de espectroscopa arpes (Angle Resolved Photo Electron Spectroscopy) para medir la funcin espectral de los portado-res de carga en el grafeno (figura 4a). Tambin se han estudiado las propiedades elec-trnicas de este material, mediante metodologas numricas basadas en el contexto de la Teora del Funcional de la Densidad. En este sentido, la figura 4c corresponde a la estructura de bandas obtenida por clculos de primeros principios (Cifuentes-Quintal et al., s/f) y la figura 4b es una vista tridimensional de dentro de la regin circular del espectro terico. Ambos espectros (terico y experimental) coinciden, y la disper-sin define una superficie tridimensional llamada conos de Dirac por la geometra cnica que presentan y por la similitud al espectro de energas de fermio-nes de Dirac sin masa (Semenoff, 1987; Haldane, 1998).

Ecuacin de Dirac y Conos de DiracLa ecuacin de Dirac describe el comportamiento de partculas de espn (fermio-nes), ej.: el electrn, cuando se mueve a velocidades cercanas a la luz (c), pero en el grafeno los portadores de carga se mueven a velocidades mucho ms bajas (c/300), cul es entonces la conexin de estos portadores con la electrodinmica cuntica?La ecuacin de Dirac est sustentada en la mecnica cuntica y la teora de la rela-tividad y una de las aportaciones ms importantes de esta ecuacin ha sido predecir la existencia de antipartculas como los positrones. En particular, se ha comproba-do experimentalmente que las energas de estas antipartculas (electrones y positro-nes) estn ntimamente ligadas. As, cuando un electrn de masa m tiene una energa en reposo E mc0 2= , existe una antipartcula (positrn) que tiene una energa E0. A esta propiedad se le conoce en la electrodinmica cuntica como simetra conjuga-da. Adems, cuando la energa del electrn E >> E0, la energa es linealmente depen-diente del momentum, E ~ k. Cuando estas partculas no tienen masa, este tipo de dispersin se conserva y los espectros de energa de ambas partculas convergen en un punto, como ocurre con los conos de Dirac en el grafeno.

fIgURA 4. Estructura de bandas del grafeno: a) espectro de energas experimental como funcin del momentum en las direcciones principales de la zona de Brillouin (tomado de Bostwick et al., 2006) b) acercamiento de la estructura de bandas calculada donde se observa la banda de valencia y de conduc-cin (Conos de Dirac) y c) estructura de bandas calculada.

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Mundo Nano | Artculos | Vol. 1, No. 2, Octubre de 2009 | www.mundonano.unam.mxOtra similitud entre los portadores del grafeno y los fermiones de Dirac sin masa de la electrodinmica cuntica es la conexin entre el movimiento de estas partcu-las y la direccin de su espn. En ambos casos, el espn de la partcula (electrn) tiene la direccin del movimiento de propagacin, y la antipartcula (hueco) la direccin

opuesta del movimiento de propagacin, tal y como se observa en la figura 5. Esta si-tuacin es nica en materiales, pues usualmente una partcula de espn y masa m, como los electrones, pueden tener slo espn hacia arriba y hacia abajo. sta es la co-nexin maravillosa con la electrodinmica cuntica: los portadores en el grafeno se comportan como partculas cargadas sin masa y sus espines tienen simetra conju-gada. Este comportamiento de los electrones en un material no se haba observado previamente y, ms importante an, podra ser aprovechado para innovaciones tec-nolgicas.ProPIedades de transPorte

Velocidad de Fermi y masa ciclotrnicaLa velocidad de Fermi es una de las cantidades que se deben controlar antes de dise-ar dispositivos de alta movilidad. Esta cantidad est asociada a la energa de Fermi y es un concepto muy utilizado en fsica del estado slido para caracterizar metales, semiconductores y aislantes. En particular, si extraemos toda la energa posible a una membrana de grafeno enfrindola cerca del cero absoluto (0 K), los portadores de carga an se estaran moviendo sobre su superficie. Los electrones y huecos que se muevan ms rpido lo harn a una velocidad mxima. Esta velocidad es la velocidad de Fermi y corresponde a la energa cintica de los portadores del ltimo estado ocu-fIgURA 5. Representacin esquemtica de: a) las direcciones de espn de los portadores de carga en un metal o semiconductor y, b) en grafeno.

a) Ferminones de Schrdinger

b) Ferminones de Dirac sin masa

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www.mundonano.unam.mx | Vol. 1, No. 2, Octubre de 2009 | Artculos | Mundo Nano |pado. La velocidad de Fermi se puede conocer experimentalmente de forma indirecta de un espectro arpes (figura 4a) o tericamente de la estructura de bandas calculada (figura 4c). Como se mostr en ambos casos en grafeno, la relacin entre E y k es li-neal, y v dE dkF = 1 10 6.Otra cantidad importante y que est relacionada con el movimiento de propaga-cin de los portadores descritos en la seccin anterior (figura 5b) es la masa ciclotr-nica. En los trabajos experimentales de Novoselov y colaboradores (Novoselov et al., 2005), se observ que la masa ciclotrnica (m*) depende de la densidad de electrones o huecos (n) como su raz cuadrada m n* . Por otro lado, considerando un modelo dentro de una aproximacin semi-clsica (Ashcroft y Mermin, s/f), la masa ciclotr-nica se puede expresar como

mdA E

dE* ( )= 12donde A(E) representa el rea transversal de los conos de Dirac (figura 5a) encerrada por la rbita en que se mueven los portadores de carga y est dada como

A E kE

vF( )= = 2 22 .Sustituyendo esta expresin para A en la ecuacin anterior para m*, tenemos que la masa ciclotrnica se puede expresar como,

mv

nF

* = As, a partir de la velocidad de Fermi encontramos la dependencia de la razn

m* / m0 como funcin de la densidad de portadores (figura 6), donde mo es la masa del electrn libre. En la figura 6, los crculos corresponden a las mediciones hechas por Novoselov (Novoselov et al., 2005) y las lneas slidas a los valores obtenidos por clculos de primeros principios (Cifuentes-Quintal et al., s/f). ste es un buen ejem-plo de que teora y experimento pueden acompaarse para contestar una misma pre-gunta. Actualmente, buscamos diferentes procedimientos para modular la velocidad de Fermi y la masa efectiva de estos portadores, para sintonizar el transporte de estas partculas en dispositivos de alta velocidad. Las deformaciones mecnicas, la adsor-cin molecular, campo elctrico aplicado, as como introducir impurezas o vacancias, son algunos de los mecanismos de modulacin de portadores que se estn exploran-do. Tambin se estudian los efectos de tamao finito en nanocintas y nanohojuelas de grafeno.En resumen, el grafeno es un material que puede operar a escala nanomtrica y a temperatura ambiente, con propiedades de transporte que ningn semiconductor ofrece. Por ello, todo apunta a que se podrn crear nuevos dispositivos electrnicos con base en este material. El principal reto para quienes lo estudiamos en forma expe-rimental o terica es ampliar el rango de modulacin de estas propiedades.

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fIgURA 6. Masa ciclotrnica de los portadores de carga (electrones o huecos) en grafeno como funcin de su concentracin (n). Los crculos azules corresponden a los datos experimentales que se midieron para los electrones y los crculos rojos para los huecos (Novoselov et al., 2005) Las lneas slidas corres-ponden a las masas ciclotrnicas calculadas (Cifuentes-Quintal et al., s/f)

-6 -4 -2 0 2 4 60.00

0.02

0.04

0.06m

*/m

0

n (1012

cm-2

)

Experimental (huecos) Experimental (electrones) Calculado (huecos) Calculado (electrones)

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www.mundonano.unam.mx | Vol. 1, No. 2, Octubre de 2009 | Artculos | Mundo Nano |Kroto, H.W., J.R. Heath, S.C. OBrien, R.F. Curl y R.E. Smalley (1985). C60: Buckminsterfulle-rene. Nature 318, 162.L.D. Landau, (1937). Phys. Z. Sowjet Union 11, 26.Novoselov, K.S, D. Jiang, F. Schedin, T.J. Booth, V.V. Khotkevich, S.V. Morozov y A.K. Geim (2005). Two-dimensional atomic crystals. Proceedings of the National Academy of

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Procesos cunticos en islas semiconductoras: manipulacin ptica

y control de estados coherentes

J. enriQue roln* y sergio e. ulloa*

IntroduccIn

Es notable que muchos de los avances cientficos recientes y ms asombrosos de nuestra sociedad, tanto en las ciencias fsicas y qumicas, como en las matemticas mismas, derivan directamente de una de las leyes ms peculiares de la naturaleza, la mecnica cuntica. A ms de 100 aos de su formulacin, por algunas de las figuras ms destacadas de la fsica de todos los tiempos, la mecnica cuntica sigue iluminan-do y causando perplejidad tanto en aficionados y estudiantes universitarios, como en expertos en las teoras ms sofisticadas de la fsica (Tegmark y Wheeler, 2001). Lo que es quiz menos obvio, y que con frecuencia la sociedad en general ignora, es que mu-chos de los artefactos tecnolgicos de uso comn hoy en da, como el computador per-sonal, el telfono mvil, la televisin, la electrnica de aparatos electrodomsticos y la ms avanzada instrumentacin mdica, existen gracias al entendimiento profundo de la naturaleza va la fsica cuntica. Asimismo, el hombre ha buscado desde tiempo an-cestral la forma de manipular la materia de tal manera que sta exhiba propiedades f-sicas y qumicas que no existen naturalmente. La qumica y la fsica han dirigido estos esfuerzos desde el advenimiento de la ciencia moderna. A lo largo de este camino, un reto actual es el de crear nuevos mtodos para crear estructuras artificiales a escalas mucho ms pequeas que la escala macroscpica, pero grandes en comparacin con los tomos mismos. Este reto tiene como objetivo obtener una nueva gama de mate-riales (y dispositivos construidos a partir de ellos) explotando las propiedades cun-ticas de la nanoescala, con dimensiones de decenas o centenas de mil-millonsimas de metro (o 10-9 m= 1 nanometro). En efecto, esto ha sido posible en los ltimos aos, creando en el laboratorio estructuras materiales con propiedades fantsticas, pero completamente controladas o anticipadas gracias a la mecnica cuntica. Es en este contexto, presentamos algunos de los ltimos desarrollos en las propiedades pticas de los llamados puntos cunticos en semiconductores. Estas tcnicas nos permiten explorar el mundo nanoscpico al nivel de una sola molcula o tomo artificial, fa-bricado con puntos cunticos.

* Department of Physics and Astronomy and Nanoscale and Quantum Phenomena Institute, Ohio University, Athens, Ohio 45701-2979, USA. 4 Junio 2009.

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www.mundonano.unam.mx | Vol. 1, No. 2, Octubre de 2009 | Artculos | Mundo Nano |la naturaleza a la nanoescala Posee una IdentIdad doBleLa mecnica cuntica predice que la materia a escala nanomtrica (o escalas ms pe-queas) revela su verdadera naturaleza dual, que incluye comportamiento como en-tes discretos o partculas, al mismo tiempo que muestra una naturaleza ondulatoria. Por ejemplo, un electrn, adems de poseer momento mecnico p, p=mv, donde m es la masa del electrn y v su velocidad, tiene asociado una descripcin ondulatoria ca-racterizada por una longitud de onda, l, (Resnik, 2002) . Esto implica que si uno hace pasar un electrn por una rendija de dimensiones comparables con l, ste sufre el fe-nmeno de difraccin, al igual que en el caso de una onda luminosa. Adems, las ondas de materia pueden interferir entre s y cuando se habla de propiedades que pueden ser medidas en un experimento, es imprescindible considerar la naturaleza ondula-toria y hablar de la probabilidad de que dichas propiedades adquieran tal o cual va-lor. Por ejemplo, cuando uno considera una nube de electrones orbitando en un tomo (orbital ), no es posible decir dnde est el electrn a un determinado tiempo, sino slo dnde es probable que se encuentre y dar dicha probabilidad. Ms an, no se pueden determinar simultneamente su momento p y su posicin con exactitud arbi-traria. Para maravilla de unos y pesar de otros, esto ha sido comprobado experimen-talmente repetidas veces en el siglo pasado.La naturaleza ondulatoria y probabilstica de las partculas cunticas da tambin lugar a un fenmeno muy peculiar, el efecto de tunelaje cuntico, con el que es posi-ble explicar desde los enlaces qumicos entre tomos hasta fenmenos como el decai-miento espontneo de los elementos radiactivos. De hecho, el tunelaje de electrones determina la operacin de muchos de los dispositivos electrnicos modernos. Ms re-cientemente, se han desarrollado microscopios capaces de observar objetos con reso-lucin a escalas atmicas, que utilizan el efecto de tunelaje de electrones.nanoestructuras

A partir de la invencin del transistor y los circuitos integrados, la fsica de semicon-ductores ha progresado enormemente en el desarrollo de dispositivos electrnicos de dimensiones reducidas, que rpidamente se han acercado ms y ms a tamaos nanomtricos. Este esquema de miniaturizacin no puede continuar de manera ar-bitraria; sin embargo, debido a que cuando se alcance esta escala, el funcionamiento de dispositivos ser fuertemente afectado por la mecnica cuntica (Wang, 2008), en formas que no se han incluido todava en el diseo. Adems de tratar de antici-par los problemas que la fsica cuntica introduzca en dispositivos en un futuro in-mediato, una de las preguntas bsicas actuales explora los tipos de dispositivos o nanoestructuras que pueden ser creados con nuevas funcionalidades gracias a efec-tos cunticos. Una de estas alternativas interesantes es la construccin de los deno-minados puntos cunticos y arreglos regulares conteniendo varios de stos (vese figura 1).Los puntos cunticos son objetos diseados tpicamente en semiconductores con el propsito de confinar electrones en las tres dimensiones espaciales, de modo de confinarlos a cajas o volmenes con dimensiones de slo unos cuantos nanmetros (Wolverton, 2009). Es interesante observar que el electrn confinado exhibe pro-

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piedades cualitativamente similares a los electrones ligados a un tomo, aunque con otras energas y dimensiones caractersticas. Por ejemplo, el electrn en un punto cuntico tiene valores discretos de la energa bien definidos, asociados con el tamao reducido del punto y que en trminos generales corresponderan a diferentes orbi-tales en un tomo. De esta forma, a los puntos cunticos tambin se les conoce como tomos artificiales (Leutwyler, 2001). Es de notar, sin embargo, que los niveles cunti-cos en esos sistemas estn separados por decenas de mili-electrn-Volts (en contraste con las decenas de electrn-Volts en un tomo natural), de modo que hay una gran di-ferencia no slo en los tamaos sino en las escalas de energa de estos sistemas.

La gran ventaja de estos tomos artificiales es que pueden manipularse en un am-biente sumamente controlado de laboratorio, gracias a ser de mayor tamao que los tomos ordinarios y a las diferentes tcnicas de fabricacin. Ms an, cambiando su geometra y composicin qumica detallada, puede alterarse la estructura de niveles intrnsecos de la estructura y, por consiguiente, todas las propiedades espectroscpi-cas del punto cuntico.PtIca cuntIca en Puntos cuntIcos

Una de las ramas de la fsica atmica moderna es la ptica cuntica, que ha permitido investigar la respuesta ptica de los tomos al ser irradiados por campos electromag-nticos (luz) bajo diversas condiciones, las cuales incluyen la aplicacin simultnea de campos elctricos y/o magnticos. En trminos un poco ms especficos, la ptica cuntica estudia fenmenos asociados con la luz misma como un ente cuantizado, es decir, cuando a la luz se le considera compuesta por corpsculos luminosos en vez de un campo clsico descrito por intensidades. Los celebrados corpsculos o fotones po-seen cada uno una energa E = hn, donde h es la constante de Planck y n es la frecuen-cia (color) de la luz. Un haz de luz clsica, por cierto, contiene un nmero enorme de fotones. Uno de los efectos ms conocidos en ptica cuntica, es el efecto de amplifi-cacin de luz por emisin estimulada de radiacin o efecto lser por sus siglas en in-gls, en donde la luz es emitida coherentemente por un medio que ha sido tpicamente excitado ptica o elctricamente.

a)

tomo Molcula Slido cristalino Nanoestructura

b) c) d)fIgURA 1. a) Nube electrnica envolviendo un tomo aislado; b) dos (o ms) tomos se combinan para formar una molcula mediante una redistribucin de sus orbitales; c) arreglo peridico de molculas for-man un slido cristalino; d) nanoestructura compuesta por una isla piramidal entre varias capas de redes cristalinas distintas, estas pirmides se auto-ensamblan en procesos controlados de crecimiento en su-perficies. (Figura realizada por Patrick Briddon, School of Electrical, Electronic & Computer Engineering).

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www.mundonano.unam.mx | Vol. 1, No. 2, Octubre de 2009 | Artculos | Mundo Nano |El estudio de nanoestructuras, incluyendo sistemas de agregados de puntos cun-

ticos, combina los conocimientos de la fsica del estado slido, la ptica cuntica y la fsica atmica, dando como resultado la posibilidad de alcanzar un nivel de miniaturi-zacin de componentes electrnicos donde los efectos cunticos juegan un papel esen-cial y donde la materia exhibe nuevas propiedades controlables en experimentos.tomos y molculas de dos nIvelesPara entender la interrelacin entre luz y materia en estos sistemas, partamos de la siguiente premisa bsica. Los estados energticos permitidos a un electrn orbitan-do en un tomo toman valores discretos; por simplificacin, consideremos que posee dos estados, E1 y E2, donde el primero es el estado de ms baja energa. Cuando un to-mo es irradiado por luz, ste puede absorber un fotn y sufrir una transicin (excita-cin) adquiriendo la energa del fotn para llevar al electrn desde el estado de baja energa E1 al estado de ms alta energa, E2. Este proceso requiere que la energa del fotn incidente sea igual a la diferencia energtica entre los niveles atmicos, esto es, hn = E2-E1 (figura 2). El proceso inverso tambin es posible, tal que un electrn en un estado excitado con energa E2 se relajara al estado E1 emitiendo un fotn de frecuen-cia n = (E2-E1)/h.Ahora, cuando dos tomos se combinan para formar una molcula, sta posee-r tambin una estructura de niveles. En un slido, conformado por millones de to-mos, esta descripcin sufre una modificacin importante. Dado el enorme nmero de tomos en el slido, stos poseen un nmero tambin enorme de niveles energticos, cuya separacin entre ellos es tan pequea, que las posibles energas de transicin forman un cuasi continuo de valores (denominadas bandas de energa), separadas tpicamente a su vez de otras bandas por valores en donde las transiciones no son posibles (bandas prohibidas). En slidos semiconductores, los miles de millones de electrones ocupan totalmente un nmero de bandas energticas (de las cuales la de ms alta energa es la banda de valencia), dejando otras completamente vacas y sepa-radas entre s por una brecha de energa (o gap, por su trmino en ingls) de un ta-fIgURA 2. Creacin de un exciton por bombeo ptico. Un fotn de energa hn es absorbido en el punto cuntico, promoviendo un electrn de su estado base a la banda de conduccin que deja hueco en la banda de valencia. Este proceso se puede interpretar como la creacin de un exciton |X desde el estado vaco |0, en donde no hay excitones y todos los electrones ocupan completamente la banda de valencia.

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Mundo Nano | Artculos | Vol. 1, No. 2, Octubre de 2009 | www.mundonano.unam.mxmao caracterstico al material semiconductor usado (que, por supuesto, depende de la composicin qumica detallada).

Esta configuracin energtica resulta en una situacin interesante. Cuando el ma-terial semiconductor es irradiado por luz de energa (frecuencia) mayor al gap en cuestin, fotones son absorbidos, llevando a los electrones a ocupar la banda vaca superior (llamada de conduccin). En este fenmeno de absorcin de luz, un electrn es promovido a la banda superior, mientras que deja detrs una vacancia (o hueco) en la otrora-llena banda inferior de valencia.excItonesCada vez que un electrn es excitado y un hueco es creado en la banda inferior, suce-de un fenmeno interesante que parece ser relativamente simple, pero est lleno de sutilezas. Resulta que como hay otros electrones ocupando la banda inferior, el elec-trn promovido por el fotn deja un lugar que puede ser ocupado por otro electrn de esta banda, este ltimo deja otro hueco que, a su vez, puede ser ocupado por otro electrn,y as sucesivamente . De esta manera, se puede pensar que cada hueco en la banda inferior se comporta como una partcula que se mueve en direccin opuesta a los electrones y que como tal tiene una carga efectiva positiva. El movimiento de es-tos huecos (o agujeros) genera una corriente opuesta a la del electrn. Ms intere-sante an, estas partculas con carga positiva efectiva son atradas a los electrones, que bajo condiciones adecuadas pueden formar un estado ligado semejante al que un electrn en un tomo comn y corriente tiene cuando se liga al ncleo positivo. A este par ligado de electrn-hueco se le llama excitn (Lundstrom et al., 1999) , va-se la figura 2, y puede pensarse como una cuasi-partcula neutra compuesta y suje-ta a interaccionar con otros electrones, huecos, iones u otros excitones presentes; adems de ser capaz de transportarse de un lugar a otro dentro del semiconductor. A este objeto nanoscpico se le puede tambin asociar una energa y correspondien-te funcin de onda para su descripcin cuntica. Sin embargo, es importante no ol-vidar que el electrn mismo est en un estado excitado, de modo que despus de un tiempo caracterstico, llamado vida media del excitn, ste se recombina, regresando hacia la banda de valencia y destruyendo al excitn por completo. Al desaparecer el excitn de esta manera, se genera un fotn con una frecuencia caracterstica del ma-terial. Es as, de hecho, como se genera la luminiscencia tpica en un fotodiodo (led), donde ste emite en la regin visible del espectro electromagntico (aunque otras frecuencias son posibles para los led). Curiosamente, por un proceso fsico similar es que las lucirnagas y algunos animales en los abismos del mar emiten luz, aunque claro que ah los excitones son generados en biomolculas localizadas en las clulas del tejido de estos seres.Si seguimos esta lnea de razonamiento, puede pensarse en la posibilidad de ge-nerar excitones con estructuras ms complicadas, y de hecho as es. Existen excito-nes neutros llamados biexcitones, compuestos por dos electrones y dos agujeros que residen en cercana proximidad en el slido. Otros excitones con carga residual neta, llamados triones, consisten en dos electrones (o huecos) ms un hueco (o electrn), conformando triones negativos (o positivos). Otras combinaciones son posibles en principio; sin embargo, entre ms electrones o huecos posean estos complejos, ms inestables son y ms corta es su vida media.

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www.mundonano.unam.mx | Vol. 1, No. 2, Octubre de 2009 | Artculos | Mundo Nano |excItones en Puntos cuntIcos y molculas artIfIcIalesEn un punto cuntico, las funciones de onda tanto de un electrn como de un hueco estn confinadas en un espacio muy reducido (del orden de la longitud de onda carac-terstica de las partculas). Al crearse un excitn en el punto cuntico, el electrn-hue-co que lo compone se liga fuertemente formando un excitn confinado. Similarmente, al recombinarse el excitn se produce fotoluminiscencia provenientemente de una re-gin localizada en el espacio. El grado de confinamiento que produce un punto cun-tico ofrece la posibilidad de que las energas de los diferentes excitones que pueden ser foto-generados exhiban una cuantizacin adicional, al igual que los electrones por s mismos. Un punto cuntico, entonces, puede verse como un tomo artificial com-puesto por electrones, huecos y excitones. Desde luego, hay muchas otras propieda-des de los puntos cunticos que tienen anlogos en otros objetos cunticos, pero lo que nos interesa aqu es la analoga atmica y molecular. De modo que la pregunta na-tural concierne al espectro excitnico que pudiera exhibir un punto o molcula cunti-ca artificial (Stinaff et al., 2006). Qu ventajas y posibles aplicaciones ofrecen la fsica de excitones en estas nano estructuras? Una respuesta interesante surge cuando con-sideramos complejos estructurales que involucran mltiples puntos cunticos. De s-tos, los pares de puntos acoplados son considerados de particular importancia.nanofaBrIcacIn de molculas artIfIcIalesConsideremos el caso de dos puntos cunticos auto ensamblados, fabricados en el la-boratorio por una tcnica de crecimiento de superficies por epitaxia de haces molecu-lares, (Tsao, 1993) llamada de Stranski-Krastanov. Mediante esta tcnica, es posible crecer una superficie en un sustrato dentro de una cmara de alto vaco, a travs del bombardeo controlado del sustrato cristalino con diferentes haces de molculas o tomos de la especie qumica deseada. A medida que la primera capa de material se forma sobre el sustrato, sta se arregla en una estructura cristalina, siguiendo la es-tructura dictada por el sustrato. Sin embargo, cuando el espaciamiento entre los to-mos del sustrato es sustancialmente diferente al de los tomos formando la capa, la aleacin que se forja entre stas dos es sujeta a fuerzas de estrs a medida que los tomos de capa y sustrato tratan de encontrar su periodicidad ideal. Este estrs ge-nerado en la red se minimiza con la formacin de islas de dimensiones nanomtricas, puntos cunticos, como se aprecia en la figura 3a. Estas islas pueden adquirir dife-rentes geometras, como pirmides truncadas, cilindros truncados, o secciones elpti-cas, dependiendo de las condiciones de crecimiento, vase la figura 3c. Asimismo, es posible crecer sobre estas islas una capa del mismo material del sustrato, repetir el proceso y generar una capa de islas encima. En este caso, los mismos esfuerzos que producen las islas favorecen la formacin de pares de islas una sobre la otra, vase la figura 3b. Ahora, si el material del sustrato posee un gap mayor entre sus bandas de conduccin y valencia que en el material que constituye al punto cuntico, es posible que el punto cuntico resulte efectivamente como un pozo energtico de potencial. En este caso, el sustrato resulta ser como una barrera a los electrones que residen en el punto, pues les resultara difcil excitarse hacia la banda de conduccin del sustrato. De manera inversa, los electrones que viven en el sustrato ven al punto cuntico como

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un pozo en donde podran relajarse a niveles ms bajos de energa. Esta situacin la podemos apreciar en la figura 4, donde un par de puntos cunticos produce un par de pozos de potencial en la banda de conduccin.molculas artIfIcIales: transferencIa frster de energa y tunelaje cuntIcoUno se pregunta qu tipo de interacciones ocurren en un par de dos puntos cun-ticos? Hablamos anteriormente del efecto de tunelaje como uno de los principales responsables del acoplamiento entre puntos cunticos cercanos. Para entender cmo opera en esta nanoestructura, recordemos que los puntos cunticos estn separados por un material que funge como una barrera de potencial, la cual aumenta con el es-pesor de dicho material. As, cuando un excitn es generado en uno de los puntos, tan-to el electrn o el hueco que lo constituye pueden realizar un tunelaje cuntico hacia el otro punto. De esta forma si uno calculara la probabilidad de encontrar al electrn o al agujero en cierto lugar del espacio, encontraramos que la probabilidad se distri-buye en una regin extendida entre los dos puntos cunticos. De esta forma el electrn (hueco) est descrito por una nube electrnica (distribucin de carga) no localizada en un solo punto. Si recordamos un poco de qumica, resulta que sta es la manera de representar cunticamente los enlaces qumicos entre dos tomos, donde una nube electrnica es compartida entre ellos, siendo la intensidad de dicho enlace depen-

fIgURA 3. a) Crecimiento epitaxial de puntos cunticos en forma de islas; b) micrografa por microscopa electrnica de transmisin de un par de puntos cunticos auto ensamblados, creacin de una molcula artificial efectiva para los electrones y huecos; c) acercamiento de un solo punto cuntico. (Figura realiza-da por T.L Reinecke y D. Gammon, Naval Research Laboratory , Washington DC, EUA).

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fIgURA 4. Diagramas de banda de energa de una molcula de puntos cunticos T y B. Banda de conduccin Ec y de valencia Ev, en presencia de un campo elctrico F. (Panel izquierdo) Los niveles de energa del electrn de T y B en resonancia promoviendo el traslape de sus funciones de onda o tunelaje del electrn. (Panel derecho) Niveles del agujero en resonancia, promoviendo tunelaje del agujero. (Fi-gura realizada por G. Abstreiter y J.J. Finley, Walter Schottki Institut, Technische Universitt Mnchen, Am Coulombwall 3, D-85748 Garching, Germany).

diente de la geometra de la nube. Es as que dos puntos cunticos acoplados por tu-nelaje dan origen a una molcula artificial. Esto lo podemos observar en ms detalle en la figura 4, en donde dos puntos cunticos T y B, en presencia de un campo elctri-co, pueden acoplarse por tunelaje del electrn o del hueco, dependiendo del valor del campo aplicado. El campo elctrico sintoniza en o fuera de resonancia los niveles res-pectivos del electrn y el agujero en ambos puntos, promoviendo un mayor traslape de las funciones de onda y efectivamente cambiando la naturaleza del enlace qumi-co de esta molcula artificial: sabemos que cuando dos o ms estados se acoplan en-tre s, stos forman una mezcla tal que sus funciones de onda se combinan y dan lugar a nuevos estados cunticos y a posibles efectos de interferencia. Estas mezclas afec-tan de manera directa la probabilidad de encontrar los electrones o huecos de los ex-citones en una regin particular de la molcula. En el lenguaje molecular ortodoxo, se dice que la molcula artificial adquiere diferentes tipos de enlace, caracterizados por la geometra de las nubes electrnicas compartidas de sus componentes. Si el tunela-je entre las molculas es fuerte, las nubes electrnicas del electrn (hueco) se distri-buyen en forma extendida a lo largo de ambos puntos cunticos, con una probabilidad alta de encontrarse en la barrera entre ellos y dando lugar a un traslape fuerte entre las dos funciones de onda. En contraste, si el traslape entre estas funciones de onda es dbil, se espera el confinamiento de la nube electrnica a un solo punto cuntico. En el primer caso, se dice que los puntos se acoplan (enlazan) fuertemente, mientras que en el otro se acoplan dbilmente por tunelaje.Dado que en un punto cuntico viven partculas cargadas (electrones y huecos), las interacciones tanto estticas como dinmicas juegan un papel importante en los mecanismos de acoplamiento molecular. Una de las particularidades de la interac-cin de Coulomb es que es de largo alcance, decayendo inversamente proporcional a la distancia entre la separacin de las cargas. La variacin con la distancia entre obje-

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Mundo Nano | Artculos | Vol. 1, No. 2, Octubre de 2009 | www.mundonano.unam.mxtos con distribuciones de carga de geometras ms complicadas puede ser diferente. Por ejemplo, en el caso de dipolos elctricos formados entre pares neutros de electrn-hueco en un excitn, la interaccin vara como el inverso de la distancia al cubo. En efecto, cuando dos excitones son fotogenerados en diferentes puntos cunticos de la molcula, cada uno de ellos representando un dipolo, stos interaccionan va la inte-raccin dipolo-dipolo que vara inversamente proporcional al cubo de la distancia en-tre ellos.Es interesante observar que la interaccin dipolo-dipolo da lugar a un efecto ms sutil que resulta en la transferencia de excitacin ptica desde un punto cuntico al otro. Imaginemos que es posible excitar continuamente un solo punto cuntico con un lser, esta excitacin genera un proceso dinmico mediante el cual se crean y destru-yen excitones. Esta energa producida por la excitacin en un punto cuntico puede en efecto ser transferida al punto vecino, provocando en l la creacin de un excitn se-cundario. Este proceso es llamado transferencia Frster de energa (Orrit, 1999), y es un mecanismo que ocurre de manera natural en muchos procesos biolgicos, involu-crando la transformacin de energa luminosa en otras formas de energa, dando lu-gar a muchas reacciones bioqumicas. Cabe mencionar que hoy en da se buscan crear dispositivos hbridos a base de nanoestructuras semiconductoras y biomolculas or-gnicas que toman ventaja de este mecanismo (Shimon, 1999).sIgnaturas PtIcas y control de molculas artIfIcIales

Surge ahora la pregunta final en este relato. Qu propiedades podran identificar-se en molculas artificiales acopladas por tunelaje y transferencia de Frster? Para ello puede pensarse en un modelo. Imaginemos que dos puntos acoplados son colo-cados dentro de un dispositivo (chip) electrnico e irradiados por luz lser, vase fi-gura 5. El chip adems puede proveer a los puntos con un campo elctrico externo que tendra el efecto de modificar la geometra de las nubes electrnicas asociadas a los electrones y huecos de los excitones, como hemos descrito arriba (Krenner et al., fIgURA 5. (Panel izquierdo) Molcula artificial de arseniuro de indio (InAs), crecida sobre un sustrato de arseniuro de galio (GaAs). Punto cuntico T es crecido directamente sobre el punto B, separados por una distancia d. (Panel derecho) Un ensamble de molculas es embebido en un chip de Schottky proveyendo un campo elctrico F. A pesar de la presencia de otras molculas vecinas, una sola molcula es seleccionada por excitacin ptica por luz lser, gracias a una mscara con perforaciones en la parte superior del chip (Krenner et al., 2005)

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www.mundonano.unam.mx | Vol. 1, No. 2, Octubre de 2009 | Artculos | Mundo Nano |2005). A su vez, el lser puede adquirir diferentes frecuencias e intensidades lumino-sas, permitiendo acceder a diferentes niveles de energa de la molcula artificial y sus correspondientes estados excitnicos, los cuales son los ms relevantes para fines de nuestra discusin. As, tenemos dos parmetros de control de los estados cunticos. Si la luz lser ilumina continuamente el chip, podramos pensar que un haz de foto-nes inunda la molcula, de modo que cualquier cambio o transicin excitnica en uno de los puntos cunticos, afectara el campo de radiacin inmediato. En este efecto so-bre los estados energticos de la molcula se dice que son vestidos por el campo de radiacin. De hecho, es la combinacin de estos estados vestidos la que describe la na-turaleza de las diferentes configuraciones posibles de la molcula artificial as como la evolucin temporal del estado cuntico bajo diferentes condiciones experimenta-les externas.Cuando la molcula no es excitada, podramos pensar que su estado est carac-terizado por el vaco, o ausencia de excitones. Y cuando lo es, la molcula es ocupada por diferentes especies de ellos (excitones neutros, biexcitones, triones, entre otros). Como se mencion anteriormente, estos excitones se acoplan simultneamente por tunelaje y acoplamiento Frster.

La naturaleza de los orbitales de la molcula artificial caracteriza a su vez la na-turaleza de los excitones que pueden ocurrir en la molcula. Por ejemplo, si es slo el electrn que se extiende entre los dos puntos, mientras que el hueco queda confinado en uno de ellos, en un lmite se puede hablar de un excitn indirecto, en donde el elec-trn y el hueco estn en diferentes puntos de la molcula. Por otro lado, cuando am-bos, electrn y hueco, se localizan en el mismo punto, hablamos de un excitn directo. Lo mismo ocurre para biexcitones, habiendo biexcitones directos (con dos electrones y dos huecos en el mismo punto), as como un biexcitn indirecto puede descompo-nerse en un electrn extendido entre dos puntos y un trin localizado en el otro.De esta manera, podemos etiquetar cada uno de los excitones con el smbolo he heBB TT X donde los superndices eB y eT denotan que un gran porcentaje de la nube de proba-bilidad del electrn est localizada en el punto cuntico B y T, respectivamente, y de manera anloga para los subndices del hueco hB y hT . As, por ejemplo, 1010 X sera un excitn con carcter directo en el punto B mientras que 0110 X sera un excitn con carc-ter indirecto con un electrn en B y un agujero en T. El bombeo de un excitn directo en el punto B sera representado por 0 1010 X , donde 0 es el estado vaco en la mol-cula; similarmente, un proceso de tunelaje del electrn a partir del excitn directo en el punto B, 1010 0110X X , produce un excitn indirecto y as sucesivamente.

Ahora, lo que realmente define en ltima instancia la naturaleza de los enlaces moleculares y ejemplifica las fantsticas habilidades experimentales modernas es el comportamiento dinmico de las funciones de onda excitnicas, que pueden ser fina-mente controladas en el laboratorio al nivel de una sola molcula. Este control resulta en efectos de interferencia interesantes que dan lugar a probabilidades dependien-tes del tiempo, donde un valor mximo de la probabilidad corresponde a una inter-ferencia constructiva de estas ondas y ocupacin mxima de un estado excitnico en particular. Bajo condiciones experimentales adecuadas, la dinmica de las probabili-dades de ocupacin de estados exhibe un comportamiento oscilatorio regular, llama-das oscilaciones de Rab, en donde un sistema de dos niveles simples, por ejemplo, es controlado por la radiacin incidente resonante. En particular, la amplitud de estas os-cilaciones es controlada directamente por la diferencia de energa entre la frecuencia del lser y la energa de creacin mnima del nivel excitnico. La amplitud de oscila-

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Mundo Nano | Artculos | Vol. 1, No. 2, Octubre de 2009 | www.mundonano.unam.mxcin es pequea cuando esta diferencia de energas es muy grande (y el lser se dice est muy fuera de tono con el nivel en cuestin), pero crece cuando las dos energas son iguales (y el lser est en resonancia).

En el laboratorio, se tienen entonces una serie de controles finos sobre el estado cuntico de la molcula. Por una parte, el campo elctrico externo deforma los orbi-tales de la molcula, haciendo el tunelaje cuntico de los electrones o huecos ms o menos difcil (y por ende cambiando el traslape de las funciones de onda asociadas y la naturaleza del enlace). Por otra parte, la frecuencia del lser que se usa para crear los excitones puede acercarse a una condicin resonante, modificando las poblacio-nes de los diferentes excitones en una forma dinmica. Finalmente, la molcula puede ser interrogada monitoreando la luz que es emitida por la molcula, completando el ciclo de definicincontrolinterrogacin del sistema cuntico molecular de pun-tos semiconductores.En este amplio contexto con potencial para afectar el comportamiento cuntico de dichos objetos nanoscpicos, cabe preguntar cul es el efecto de la transferencia Frs-ter de energa, cmo compite con los procesos de tunelaje y bombeo ptico, y cmo puede quiz utilizarse para mejorar ms an el control sobre estas molculas. Jus-to esta pregunta hemos analizado con detalle en un trabajo reciente. (Roln y Ulloa, 2009). Como se puede apreciar en las figuras 6 y 7, el efecto Frster provoca el des-doblamiento de lneas espectrales (en donde dos lneas aparecen en vez de una sola, si por ejemplo comparamos los paneles a y b en la figura 6), asociadas a los orbitales excitnicos de carcter directo, para campos elctricos intensos, F > 80 kV/cm para el caso de las figuras. Vemos que a diferencia del tunelaje, que acopla excitones direc-tos con indirectos (va el tunelaje de electrones o huecos), la interaccin de Frster acopla dos excitones directos como un todo. El desdoblamiento de las lneas excitni-cas directas es anlogo al desdoblamiento de las lneas espectrales atmicas por un campo magntico o elctrico efectivo, como sucede en el efecto Zeeman o Stark, res-pectivamente. En nuestro contexto, el desdoblamiento se explica por el hecho de que fIgURA 6. a) Distribucin de probabilidad de cada uno de los excitones presentes en la molcula ar-tificial, en funcin del campo elctrico aplicado F en unidades de kilo-voltios por centmetro y energa (frecuencia) de luz lser aplicado en unidades de mili-electrn voltios; b) el acoplamiento coherente de Frster promueve el desdoblamiento de las lneas excitnicas con carcter directo indicada por las flechas (Roln y Ulloa, 2009).

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la interaccin de Frster afecta tanto los orbitales del agujero como los del hueco si-multneamente, provocando que el estado cuntico resultante sea una mezcla de las funciones de onda de estados excitnicos directos: diferencia del efecto del tunela-je, donde una de las partculas se deslocaliza entre los dos puntos, el desdoblamiento aqu se debe a la transferencia de excitacin ptica y no a la deformacin geomtrica de los orbitales. Algo muy importante en este sistema es que el campo elctrico pro-mueve (o controla) que los niveles de energa de los dos puntos cunticos entren en resonancia, favoreciendo tanto el fenmeno de tunelaje de cargas como el mecanismo de Frster. En la mayora de las molculas estudiadas en experimentos, el efecto del tunelaje que deforma el orbital para una sola de las partculas en cuestin, electrn o agujero, acaba por dominar sobre la mezcla causada por Frster, destruyndola por completo. Esto se aprecia en la figura 6, justo en la regin del mapa alrededor de F= 20 kV/cm, en donde la mezcla de los diferentes orbitales excitnicos es completa, pro-duciendo poblaciones casi idnticas sobre una regin amplia de campo. La repulsin de lneas espectrales observada ah es debida esencialmente al acoplamiento cunti-co por tunelaje, mientras que la mezcla por la interaccin de Frster es slo notable para campos grandes, como mencionamos antes.Es esta variacin controlada de parmetros externos capaces de acoplar y desaco-plar los puntos cunticos lo que hace a estas nanoestructuras sumamente atractivas. Una aplicacin que est en la frontera de la investigacin en todo el mundo es la de ha-cer que stas molculas funcionen como un interruptor lgico cuntico, o bit cuntico (qubit es el trmino usado en ingls). Posibles qubit lgicos en este sistema molecular seran la presencia (o ausencia) de un excitn en un punto, la presencia (ausencia) de un electrn o agujero en un punto u otro, o cualquier otra configuracin bipartita de

fIgURA 7. Distribucin de probabilidad (poblacin de niveles) correspondiente al excitn directo lo-calizado en el punto B. Se observa que este excitn se mezcla con otros tipos de excitones (distintas hibridaciones orbitales) dependiendo del valor del campo elctrico y de la energa de lser de bombeo. En rojo se observa la mezcla simultneamente con el excitn directo en el punto T y un excitn indirecto. La flecha de la esquina inferior izquierda muestra el correspondiente desdoblamiento de esta mezcla por acoplamiento Frster (Roln y Ulloa, 2009).

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Mundo Nano | Artculos | Vol. 1, No. 2, Octubre de 2009 | www.mundonano.unam.mxla molcula artificial. Las posibles operaciones cunticas de este qubit deseables para implementar una computadora cuntica estn limitadas por el grado de estabilidad de los excitones y de las conformaciones moleculares de ellos. Aunque los retos para llegar a esta meta son importantes, este campo sigue avanzando con la colaboracin entre tericos y experimentales. Adems de lograr un mejor entendimiento de estos sistemas cunticos y de ser capaces de controlarlos una-molcula-a-la-vez, ofrecen la promesa de nuevas aplicaciones como en computacin e informacin cuntica. Otros ejemplos incluyen quiz la fabricacin de materiales inteligentes, con la capacidad de responder a estmulos externos y exhibir propiedades completamente distintas, dependiendo del valor de los parmetros de control.BIBlIografa

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Nanopartculas de TiO2 y carbn activado para el tratamiento fotocataltico

de aguas contaminadas

Juan matos*, Jean-marC Chovelon**, Corinne ferronato**

Resumen. El objetivo de este trabajo fue estudiar la influencia de diferentes carbones activados so-bre la actividad del TiO2 en el tratamiento fotocataltico de aguas contaminadas, empleando como molcula sonda el 4-clorofenol, el cual comnmente es un subproducto de las aguas de produc-cin en la industria petrolera. Se prepararon diferentes carbones a partir del aserrn de la madera Tabebuia Pentaphyla impregnada con ZnCl2, H3PO4 y KOH y la activacin se hizo bajo flujo de N2 por 1h a 450C. Los resultados indican que la fotoactividad del TiO2 est fuertemente influenciada por las propiedades fisicoqumicas del carbn, observndose efectos de sinergia entre ambos slidos o inhibicin en la actividad del TiO2. Los anlisis por microscopa electrnica de barrido mostraron el fenmeno de agregacin superficial de nanopartculas de TiO2 sobre carbones con pH muy cido o muy bsico. El control de las condiciones de sntesis de carbn activado permite mejorar la fotoactividad del TiO2, lo cual permite pensar en que este sistema muestra un gran potencial para su empleo en tecnologa solar.Palabras clave: aguas contaminadas; fotocatlisis; carbn activado, TiO2.

IntroduccInEl tratamiento de aguas contaminadas por lo general se lleva a cabo por tcnicas como la floculacin, filtracin, esterilizacin, o por mtodos qumicos caracterizados por la adicin de reactivos precursores de radicales libres como hidrfilos, dado que stos son responsables de la oxidacin de los contaminantes en productos minerales (Legrini et al., 1993). Ms an, los procesos empleados en el tratamiento de aguas y aires contaminados, muestran cada vez un mayor inters en procedimientos fotoqu-micos de oxidacin, los cuales son conocidos como procesos avanzados de oxidacin (Fox y Dulay, 1993; Ollis y Al-Ekabi, 1993) de los que sobresale la fotocatlisis hete-rognea (Al-Ekabi, 1993) que se caracteriza por el empleo de semiconductores foto-activos en la regin UV-visible (Al-Ekabi, 1993). El dixido de titanio TiO2, tambin llamado titania, ha sido el semiconductor ms estudiado (Hermann, 1999; Keshmiri et al., 2004) en la purificacin y tratamien