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Libro sobre preguntas y respuestas del Mundo Nano, Elaborado en el CNyN-UNAM. Ensenada, B.C.
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PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE
EL MUNDO NANO
Centro de Nanociencias y Nanotecnología, UNAM
ii
Imágenes de la portada Cortesía de: © cambridge2000.com
Gabriel Alonso Núñez, CNyN
Óscar Eugenio Jaime Acuña, CNyN
Mariana Oviedo Bandera, CNyN
Amelia Olivas Sarabia, CNyN
iii
Comité Editorial
Joel Antúnez García
Jesús Alberto Maytorena Córdova
Vitalii Petranovskii
Oscar Raymond Herrera
Leonardo Morales de la Garza
Editor
María Isabel Pérez Montfort
Asistente editorial
iv
ÍNDICE DE ARTÍCULOS
PRÓLOGO ........................................................................................................................................... v
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................. vii
Agradecimientos ................................................................................................................................ viii
¿A QUÉ NOS REFERIMOS CON NANO? ....................................................................................................................... 1
CONCEPTOS ..................................................................................................................................................................... 6
¿QUÉ SON LOS NANOCOMPUESTOS? ........................................................................................................................ 7
¿QUÉ ES UN PUNTO CUÁNTICO? .............................................................................................................................. 13
FERROELECTRICIDAD: ¿TIENE EFECTO EL TAMAÑO? ............................................................................................... 16
¿QUÉ HACE LA LUZ EN ESPACIOS DE TAMAÑO NANOMÉTERICO? .......................................................................... 22
¿QUÉ ES UN NANOREACTOR? .................................................................................................................................. 28
MATERIALES .................................................................................................................................................................. 33
¿QUÉ ES EL NANO-ORO? .......................................................................................................................................... 34
¿QUÉ ES UN DENDRÍMERO? ..................................................................................................................................... 38
¿QUÉ ES UN NANOGEL? ........................................................................................................................................... 42
¿QUÉ ES UNA NANOEMULSIÓN? .............................................................................................................................. 45
APLICACIONES ............................................................................................................................................................... 49
¿CÓMO SE USAN LOS NANOCATALIZADORES PARA PRODUCIR COMBUSTIBLES FÓSILES LIMPIOS? ...................... 50
¿CÓMO PUEDE CONTRIBUIR LA NANOTECNOLOGÍA A LA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA LIMPIA? ............................. 54
¿QUÉ ES LA NANOFOTOCATÁLISIS Y PARA QUÉ NOS SIRVE? ................................................................................... 57
¿CÓMO FUNCIONAN LAS PELÍCULAS ANTIRREFLECTORAS EN CÁMARAS FOTOGRÁFICAS Y BINOCULARES? ......... 62
¿POR QUÉ UTILIZAR NANOPARTÍCULAS DE SILICIO PARA EL DESARROLLO DE NUEVOS DISPOSITIVOS
ELECTRÓNICOS?........................................................................................................................................................ 69
¿CÓMO SE RELACIONAN LA NANOTECNOLOGÍA Y LA MEDICINA? .......................................................................... 74
¿QUÉ ES UN BIOMARCADOR? .................................................................................................................................. 80
ANEXOS ............................................................................................................................................... I
GLOSARIO .......................................................................................................................................... II
AUTORES ........................................................................................................................................... X
ÍNDICE TEMÁTICO ....................................................................................................................... XIII
v
PRÓLOGO
Noboru Takeuchi Tan
En los últimos tiempos, las palabras nanociencia y nanotecnología se han incorporado al
lenguaje cotidiano. Las encontramos en noticias sobre avances científicos en el tratamiento de
enfermedades como el cáncer, en nuevos materiales que ofrecen una amplia gama de ventajas como
el ser ultra resistentes y ligeros y hasta en artículos de belleza.
Aunque parezca sorprendente, el uso de los nanomateriales no es nuevo, por ejemplo, los
artesanos que diseñaban los vitrales en la Edad Media descubrieron que al darle un tratamiento al
oro podían obtener una variedad de colores, los cuales, hoy sabemos, se deben a la formación de
nanoestructuras. Más cercano a nuestra geografía, los antiguos pobladores de Mesoamérica
utilizaban en sus murales el azul maya, un colorante artificial que ellos fabricaban, el cual, además
de ser muy atractivo, ha demostrado ser muy resistente al paso del tiempo. Recientemente, se
descubrió que esas cualidades se deben a que el azul maya está formado por una mezcla de índigo
(el material usado para colorear de azul la mezclilla) con una arcilla, la cual tiene cavidades de
tamaños nanoscópicos. Durante el procesamiento, las moléculas de índigo quedan atrapadas en
dichas cavidades.
Lo que es nuevo, es la habilidad para medir, manipular y organizar la materia a escalas
nanométricas. Esto es posible principalmente porque ya se cuenta con la tecnología y algunos
aparatos como los microscopios electrónicos, con los cuales es posible no sólo ver los átomos y las
moléculas, sino también manipularlos.
El tener la capacidad de diseñar casi cualquier estructura molecular que permitan las leyes
físicas es tan trascendental que distintos sectores de la población, entre ellos los empresarios y los
científicos proclaman que estamos ante el nacimiento de una nueva revolución tecnológica, la cual
impactará nuestro modo de vida en muchos aspectos. Es por eso que es necesaria una participación
informada por parte de la sociedad y este texto sin duda será una valiosa aportación.
Como suele suceder en casos de tecnologías emergentes, éstas crean grandes expectativas
mezcladas con incertidumbre; por un lado, se espera que la nanociencia y la nanotecnología
promuevan, de manera sustentable, una mejor calidad de vida para todos y, por el otro, hay
preocupación por los riesgos que pudieran resultar de la exposición a productos que contienen
nanomateriales manufacturados. Esta ambigüedad puede deberse al hecho de que hay una brecha
vi
entre la investigación, el desarrollo tecnológico y la información que permea hacia la comunidad
acerca de los riegos y beneficios de interactuar con este tipo de materiales. El Centro de
Nanociencias y Nanotecnología (CNyN) de la UNAM, líder nacional con reconocimiento
internacional en investigación y educación en nanociencia y nanotecnología, entiende la importancia
de vincularse con la sociedad y por eso incluye entre sus misiones difundir el conocimiento de las
nanociencias para promover la cultura y con eso generar un mayor interés por la ciencia en general
y las nanociencias en particular.
Con el propósito de establecer un contacto directo entre los lectores y los académicos y
divulgar sus conocimientos, el CNyN compiló en este libro una variedad de preguntas y respuestas
especialmente enfocadas en el trabajo que los investigadores están realizando en el Centro en
relación con la materia a esas pequeñas escalas.
A través de sus páginas, el usuario podrá darse una buena idea de lo que trata el mundo en la
escala de lo nano, dónde y cómo se producen los materiales con estas características y cuáles son sus
principales aplicaciones.
vii
INTRODUCCIÓN
El libro que aquí presentamos es una colección de textos cortos e ilustrados de divulgación
acerca de diversos aspectos de las nanociencias. Está dirigido principalmente a estudiantes y público
interesado en temas científicos y tecnológicos de actualidad. Su elaboración estuvo a cargo de
investigadores del Centro de Nanociencias y Nanotecnología de la Universidad Nacional Autónoma
de México (CNyN-UNAM) que se encuentra en Ensenada, Baja California. El CNyN-UNAM es un
centro de investigación y enseñanza sobre materiales y fenómenos que ocurren a la escala
nanométrica. Los autores del libro se propusieron describir fenómenos del campo de su especialidad
y el tipo de trabajo que desarrollan, para acercar a los lectores interesados a estos temas de gran
actualidad.
Hoy en día, no se necesita ser un especialista para saber que existen nanochips que hacen a
las computadoras más veloces, sobre la existencia de materiales nanoestructurados que aumentan la
resistencia y flexibilidad de otros materiales, sobre los LEDs o diodos emisores de luz que vemos
en los semáforos de tráfico y en lámparas de uso diario, sobre nanocatalizadores que contribuyen a
limpiar el medio ambiente y sobre cremas y cosméticos elaborados con nanopartículas que mejoran
sus propiedades. También es conocido que en la medicina ha habido avances en la cura de
enfermedades tratadas con medicamentos nanoencapsulados, que el uso de nanotubos de carbón
mejora las propiedades de los materiales y que, en el futuro, se podrá implementar la propiedad
intrínseca del electrón llamada espín, para fabricar computadoras. El afán de este libro ha sido
explicar algunos de estos avances de la nanotecnología en forma accesible.
Por otra parte, el entendimiento de los fenómenos a nivel teórico constituye un reto para la
ciencia básica y resulta necesario para explicar las observaciones experimentales, enfocar los
problemas conceptuales relevantes y orientar futuros experimentos. Además de los desarrollos en
nanotecnología, los avances en las técnicas de fabricación de nanoestructuras han permitido la
realización de nuevos experimentos que a su vez han revelado fenómenos físicos sorprendentes cuya
comprensión es de importancia fundamental.
Los problemas científicos del mundo nano, en donde concurren diversas disciplinas,
despiertan un interés natural, intrínseco, pican la curiosidad, puesto que al final, como en toda
ciencia, la motivación primordial, el objetivo de las nanociencias, es el conocimiento.
viii
El libro está organizado en tres secciones: Conceptos, Materiales y Aplicaciones, pero cada
artículo se puede leer de forma independiente. El artículo inicial del libro se titula ¿Qué es lo nano?
y contiene definiciones del mundo nano que permitirán una mejor comprensión de los demás
artículos. Algunos autores sugieren lecturas adicionales y que al final se incluye un glosario con
definiciones de términos especializados que complementa la lectura.
Ésta es una invitación a adentrarse en el fascinante mundo nano y esperamos que los temas
aquí tratados despierten el interés de los lectores por conocerlo mejor. Los datos de los autores
aparecen al final del libro para aquellos lectores que deseen consultar dudas o hacerles llegar
comentarios.
Si la lectura de este libro despierta la curiosidad del lector, contesta algunas de sus preguntas
y sirve como estímulo para conocer mejor el mundo nano, se habrá cumplido nuestro objetivo.
El comité editorial
Agradecimientos
El comité editorial agradece profundamente a todos aquéllos que participaron en la
elaboración de este libro. Especiales gracias a Juan Peralta por el apoyo técnico y a Pamela Rubio
por su esmerado trabajo en la edición final del texto. La colaboración y paciencia de todos fue
indispensable para lograr que este libro se convirtiera en una realidad.
1
¿A QUÉ NOS REFERIMOS CON NANO?
Joel Antúnez García, Jesús Alberto Maytorena Córdova, Leonardo Morales de la Garza, María
Isabel Pérez Montfort, Vitalii Petranovskii y Oscar Raymond Herrera
En las ciencias naturales y exactas es muy común el empleo de prefijos para situarnos en una
escala espacial o temporal. Por ejemplo, usamos el prefijo kilo para referirnos a 1000 metros cuando
decimos kilómetro, la estatura de una persona la citamos en metros y no en milímetros, y con el
prefijo mili describimos el tamaño de un insecto que puede medir cerca de una milésima de un
metro o, en notación científica, 1 × 10-3 m. Un microbio se mide en micras que corresponde a 1 x 10-
6 m. De la misma manera, el prefijo nano se emplea para referirnos a la mil-millonésima parte, o 1 ×
10-9, de un metro: el nanómetro, o de un segundo: el nanosegundo. El mundo nano se refiere a
sistemas y fenómenos que involucran esta escala.
Un nanosegundo pareciera un lapso muy corto de tiempo, pero puede ser muy largo si
hablamos de fenómenos que ocurren a nivel atómico o molecular, como las transiciones electrónicas
de un estado de energía a otro, que suceden en tiempos aún más cortos que los nanosegundos, en
femto (10-15) o en picosegundos (10-12), o sea entre 1 × 10-6 y 1 × 10-3 nanosegundos. Un ejemplo
mucho más familiar que ocurre en nanosegundos es el número de operaciones que puede llevar a
cabo el procesador de una computadora de las que usamos diariamente en casa: es del orden de un
billón de operaciones por segundo o 1000 operaciones en un nanosegundo. Otro ejemplo es que,
como es muy conocido, la velocidad de la luz es de alrededor de 300,000 km/s; esto significa que en
un nanosegundo la luz recorre casi 30 cm.
Por otra parte, el nanómetro se utiliza como unidad para medir el tamaño de grupos de átomos
y moléculas; por ejemplo, la molécula de agua mide alrededor de 0.3 nm, por lo que, si alineáramos
3 moléculas de agua, esta fila mediría aproximadamente un nanómetro. El diámetro de algunos
virus, por ejemplo, es del orden de 20 nanómetros.
2
Otro concepto importante en este campo de estudio es el de las nanopartículas las cuales son
agrupaciones de átomos de uno o varios compuestos que miden varios nanómetros de diámetro. Las
propiedades fisicoquímicas de estas partículas nanométricas, por ejemplo, su actividad catalítica y
su interacción con la luz, dependen de su tamaño y de su geometría y, en general, difieren
drásticamente de las propiedades que muestra el mismo material a escala macroscópica. Para
explicar las propiedades de las nanopartículas se recurre principalmente a la mecánica cuántica.
A la escala nanométrica, las propiedades dependen no solo del tamaño de la nanopartícula sino
también de la forma en la que están acomodados los átomos. Aun cuando dos nanopartículas están
formadas por el mismo material y con el mismo número de átomos, si su estructura geométrica es
diferente, sus propiedades serán distintas (Fig. 1).
Figura 1. Nanopartículas formadas por el mismo número de átomos con distinta estructura geométrica: a) icosaédrica y b) cuboctaédrica. El arreglo distinto de los átomos les da propiedades fisicoquímicas diferentes.
Por su parte, las estructuras nanométricas son aquellas que miden nanómetros en al menos una
de sus dimensiones; las otras dimensiones pueden ser de mayor tamaño. Por ejemplo, los nanotubos
de carbono tienen un diámetro de algunos nanómetros y pueden tener varias micras de longitud (Fig.
2).
En la primera mitad del siglo XX, ya existía la posibilidad de observar la materia a nivel
nanométrico gracias a los microscopios electrónicos que para entonces se habían desarrollado. Para
formar la imagen, estos microscopios emplean un haz de electrones, a diferencia de los
microscopios ópticos que emplean un haz de luz, y con ello se logra una mucho mayor resolución de
las imágenes. Un microscopio de este tipo es el microscopio electrónico de barrido (SEM, del inglés
3
scanning electron microscope) que es un instrumento de alta precisión con el que se puede observar
la morfología de los materiales a nivel micro y nanométrico. Otro, es el microscopio electrónico de
trasmisión (TEM, del inglés transmission electron microscope) con el cual se puede observar la
estructura de la materia a nivel atómico.
Como ejemplo de las capacidades de estos microscopios, en la figura 2 se muestran imágenes
de nanotubos de carbono a diferentes escalas tomadas con estas dos técnicas de microscopía.
a b c
Figura 2. Nanotubos de carbono de capa multiple con distintas amplificaciones. a) Imagen de SEM que muestra nanotubos cuya longitud es de varias micras (la escala es de 2.5 micras); b) imagen de SEM que muestra en detalle los mismos nanotubos donde se aprecia un diámetro exterior menor a 100nm; c) imagen de TEM que muestra el diámetro interior menor a 10 nm de un nanotubo. Se observan las multicapas del nanotubo (la escala mostrada es de 5 nm). (Cortesía de Gabriel Alonso, CNyN)
Muchos autores consideran a Richard Feynman como el padre de la nanociencia y la
nanotecnología ya que en 1959 presentó una conferencia en el Instituto Tecnológico de California
(Caltech), titulada “There's plenty of room at the bottom”, o “Hay mucho espacio en el fondo”. En
esta conferencia, planteó que las leyes de la física no impedían manipular la materia átomo por
átomo y que, de hacerlo, existiría todo un universo de posibilidades tecnológicas.
Esta posibilidad se hizo realidad a partir de la invención del microscopio de efecto túnel (STM
del inglés scanning tunneling microscope) que, a diferencia del SEM y el TEM, presentó por
primera vez la posibilidad de manipular la materia a nivel atómico. A partir de este descubrimiento
se desarrolló la nanotecnología, con lo que también se cumplió la predicción de Richard Feynman,
quien vivió unos años más después de la invención del STM. Como ejemplo de la resolución de este
4
microscopio, en la figura 3, se muestra una imagen de STM de una capa de átomos de yodo sobre
una superficie cristalina de oro.
Figura 3. Imagen de STM (5 nm x 5 nm) de una capa de átomos de yodo, puntos más brillantes, sobre una superficie cristalina de oro. La escala de la derecha indica la profunidad relativa en nm. (Cortesía de José Valenzuela, CNyN)
Las nanociencias utilizan primordialmente la mecánica cuántica para modelar, predecir y
explicar propiedades de los materiales que se observan experimentalmente; por ejemplo, investigan
bajo qué parámetros de temperatura y presión se pueden obtener nanomateriales de tamaño y
estructura controlada y qué propiedades físico-químicas exhiben. Es claro que la física y la química
forman los bloques fundamentales de las nanociencias. Hoy en día estas disciplinas también
incluyen a la medicina, a la biología y a la agronomía, entre otras, lo que señala su naturaleza
multidisciplinaria.
Las nanociencias se encargan de estudiar la estructura y las propiedades físico-químicas de los
materiales a escala nanométrica y de desarrollar nuevos materiales, así como del estudio de nuevos
fenómenos que surgen a la escala nanométrica.
5
A su vez, la nanotecnología comprende la capacidad de construir y manipular objetos y
dispositivos a nivel nanométrico. En la actualidad, hay muchos productos en el mercado que
incluyen componentes obtenidos por medio de procesos nanotecnológicos; entre ellos podemos
mencionar las cremas de protección solar con nanopartículas que absorben radiación ultravioleta,
lámparas más potentes como los LEDs o diodos emisores de luz y circuitos integrados o nanochips.
En la medicina se han hecho pruebas con nanopartículas que muestran gran efectividad en el
combate de ciertos tipos de virus, de tumores y de cáncer. En el campo de la biología se han creado
nuevos pesticidas que contienen nanopartículas que optimizan el tratamiento de aguas residuales.
En el futuro, las nanociencias y la nanotecnología estarán más integradas a nuestra vida
cotidiana. No olvidemos que la nanotecnología es consecuencia del conocimiento que generan las
nanociencias y viceversa, las nanociencias se enriquecen a partir de los avances en la
nanotecnología. Se espera que juntas, estas disciplinas contribuyan a resolver problemas
fundamentales de nuestra sociedad, como el de la energía que hoy todavía es muy dependiente de
los combustibles fósiles, y el del abastecimiento del agua, por mencionar dos entre muchos otros que
tenemos ya en puerta.
6
CONCEPTOS
7
¿QUÉ SON LOS NANOCOMPUESTOS?
Oscar Raymond Herrera, Oscar Eugenio Jaime Acuña y Pamela Rubio Pereda
Es bien conocido que un compuesto químico es aquella sustancia constituida por la unión de
dos o más elementos químicos que guardan cierta proporción, y se identifica mediante una fórmula
química, por ejemplo, el agua (H2O) o el cloruro de sodio (NaCl). En cambio, un material
compuesto, concepto que en el inglés corresponde a la palabra técnica “composite”, es un cuerpo
sólido constituido por una mezcla de dos o más diferentes tipos de materiales (metálicos, cerámicas,
vidrios, polímeros, entre otros). En un material compuesto se combinan las características
estructurales y/o funcionales de cada uno de sus componentes, buscando la aparición de nuevas y
mejores propiedades físico-químicas no presentes en cualquiera de los componentes por separado.
Una gran variedad de los materiales empleados en la industria moderna son compuestos que se
fabrican en diferentes escalas en cuanto a las dimensiones de sus componentes. Un ejemplo clásico
de un compuesto fabricado en la escala macroscópica es el concreto que es una mezcla de agua,
cemento, grava y arena. Cada uno de estos componentes desempeña una función y otorga ciertas
propiedades al compuesto final que de ninguna manera pudieran obtenerse por los componentes
individuales. Sin embargo, el concreto, aun con sus magníficas propiedades mecánicas, cuando se
utiliza para la construcción frecuentemente requiere del acero que le otorga mayor rigidez,
resistencia a la compresión o a la tracción y a la flexión, entre otras características deseables. Muy
similar a la función del acero en el concreto, las fibras de carbono o de vidrio son componentes que
han revolucionado la fabricación de materiales compuestos, dándoles excelentes propiedades
mecánicas como alta dureza, muy bajo peso y gran flexibilidad, las cuales generalmente no se
encuentran en materiales de una sola composición química. Este tipo de fibras han sido empleadas
en industrias como la del deporte, la pesca deportiva, la navegación y la construcción.
8
Figura 2
En la tecnología se puede hablar de tres arquitecturas básicas que conforman a los
compuestos, ilustradas en la figura 1 para compuestos de dos componentes. El primero se conoce
como modelo particulado y el concreto es un ejemplo de material con esta arquitectura, el segundo
como laminar, un ejemplo es el taraflex empleado en instalaciones deportivas, y el tercero es el
columnar o de fibra, presente en la estructura de las llantas de automóviles con cuerdas de nylon, de
acero, o con una combinación de ambas.
En 1948, se inició el desarrollo de una nueva rama de la industria llamada tecnología planar
que, basada en el modelo laminar, fabricó el primer transistor bipolar de estado sólido a escala
micrométrica. El modelo laminar fue el motor principal de la revolución que se dio en el siglo XX
en la industria microelectrónica y ha tenido gran impacto en el progreso alcanzado hasta nuestros
días en numerosas ramas industriales.
Nanocompuestos
Conociendo las bondades que ofrecen los materiales compuestos, el actual desarrollo de la
nanotecnología se ha enfocado en el diseño y la fabricación de tales tipos de compuestos. En el
ámbito de la investigación científica-tecnológica, actualmente se promueve en muchos países el
desarrollo de nuevas estructuras, sistemas y dispositivos constituidos por partes de dimensiones
nanométricas que designamos como nanocompuestos.
La estructura de los nanocompuestos sigue los mismos patrones arquitectónicos que
mostramos en la figura 1, o bien, puede presentar una combinación de éstos. La fabricación de un
compuesto nanoestructurado, además de presentar incuestionables ventajas por su miniaturización,
integra una nuevas funcionalidades a partir de las propiedades que aporta cada una de de las partes
constituyentes. De este modo, con los nanocompuestos se pueden obtener materiales que superen la
9
capacidad actual de almacenamiento y transmisión de la información en el menor espacio posible,
que permitan el desarrollo de sistemas inteligentes auto gobernables con menor consumo de energía,
que generen nuevas fuentes de energía, o logren mayor control en el tratamiento de enfermedades,
como ejemplos de la infinitud de aplicaciones de la nanotecnología al bienestar del ser humano.
Figura 3
Nuevos dispositivos transductores, que son elementos que convierten un tipo de energía en
otra, por ejemplo, un transductor electromecánico transforma energía eléctrica en mecánica y vice
versa, se investigan actualmente en el CNyN. Los nanocompuestos de interés son aquellos que
gozan de excelentes propiedades eléctricas y los que tienen propiedades magnéticas. Actualmente,
se investiga el crecimiento de películas delgadas conformadas por nanocolumnas del compuesto
ferrimagnético ferrita de cobalto CoFe2O4 (CFO) (con propiedades magnéticas) embebidas en una
matriz ferroeléctrica de titanato de bario BaTiO3 (BTO) (con propiedades eléctricas) (ver figura 2)
para formar nanocompuestos magnetoeléctricos (que convierten la energía magnética en energía
eléctrica o viceversa). El crecimiento de películas delgadas se lleva a cabo mediante la técnica de
erosión iónica. En estos nanocompuestos magnetoeléctricos, a partir de la aplicación de campos
magnéticos externos (por ejemplo, acercando un imán) que afectan la magnetización de las
nanocolumnas del ferrimagnético CFO, se logra deformar elásticamente la matriz ferroeléctrica del
BTO y, por lo tanto, cambiar su estado de polarización eléctrica, lo cual altera la distribución de
cargas en la superficie del nanocompuesto. Esto último, produce una señal de corriente que se puede
medir con galvanómetros de alta sensibilidad. En forma análoga, el efecto magnetoeléctrico ocurre
al aplicar un voltage (diferencia de potencial eléctrico) o un campo eléctrico externo que, al afectar
10
la distribución de las cargas eléctricas, deforma elásticamente la matriz ferroeléctrica BTO, y ésta, a
su vez, deforma al ferrimagnético CFO embebido, logrando cambiar su estado de magnetización.
Con ello, se afecta el entorno magnético del nanocompuesto y los cambios pueden detectarse con
espiras metálicas externas de dimensiones adecuadas. Tales nanocompuestos, entre otras muchas
aplicaciones, pueden emplearse como detectores de campos magnéticos extremadamente pequeños,
como los que generan sistemas biológicos minúsculos, por ejemplo, las células.
Nanocompuestos fotoactivos
Otros nanocompuestos que se desarrollan en el CNyN son los nanocompuestos fotoactivos
basados en la síntesis de nanopartículas de materiales semiconductores adheridos a la superficie
interior y exterior de materiales mesoporosos. Los materiales mesoporosos tienen poros de tamaños
intermedios, o meso, entre los nanoporos (~ 1 nm) y los microporos (~ 1 µm). El material que se
utiliza en estas investigaciones se denomina zeolita. En la figura 3, se muestra la estructura de una
zeolita tipo mordenita (MOR) en la que se aprecia un canal en el centro que es característico de
este material poroso y tiene 0.6 nm × 0.7 nm de diámetro.
Figura 3
Una zeolita se convierte en un nanocompuesto fotoactivo al insertar en el canal un material
semiconductor, el cual, al ser irradiado con luz, se convierte en un intercambiador de electrones que
modifica las propiedades ópticas y electrónicas del nanocompuesto (ver, por ejemplo, la respuesta
óptica de diferentes nanocompuestos presentada en la figura 6). Los nanocompuestos formados por
zeolitas y semiconductores tienen gran potencial de aplicación en el campo de la optoelectrónica
como fotodetectores o convertidores de energía luminosa, en particular la proveniente del Sol, y
11
muy especialmente en la fotocatálisis, como se describe en la pregunta ¿QUÉ ES LA
NANOFOTOCATÁLISIS Y PARA QUÉ NOS SIRVE? de este libro.
Figura 4
Para la obtención de los nanocompuestos fotoactivos, primero se sintetizan los polvos de
mordenita empleando el método químico conocido como sol-gel. Los geles obtenidos de las
soluciones precursoras se someten a presión y temperatura controladas mediante el uso de
autoclaves herméticamente cerradas. Una micrografía de uno de los polvos de las mordenitas
sintetizadas, obtenida por microscopia electrónica de barrido y coloreada, se muestra en la figura 4.
Se pueden apreciar los empaquetamientos de mordenitas en forma de discos ovalados. Las
mordenitas que se muestran en la figura 4 se sintetizan insertando un átomo de un metal (por
ejemplo, Cd, Zn, Pb, Cu o Fe) en el lugar que ocupaba el átomo de sodio en la zeolita. Una vez
intercalado el metal, el nanocompuesto se somete a un proceso de oxidación que modifica al metal.
De esta manera se obtienen nanopartículas semiconductoras de modo controlado, homogéneamente
dispersas y adheridas tanto a las cavidades internas de las mordenitas como a toda su superficie
exterior. A esto se le llama un semiconductor soportado en mordenita.
Mediante la microscopia electrónica de transmisión se puede determinar que los discos de la
figura 4 son empaquetamientos de nanoagujas de mordenita. La formación de nanopartículas en la
superficie de estas agujas se ilustra en la figura 5.
12
Figura 5
Finalmente, la figura 6 muestra, a la izquierda, una selección de polvos de nanocompuestos
sintetizados con nanopartículas semiconductoras de ZnxCdxS a diferentes concentraciones relativas
de Zn y Cd; obsérvese la intensidad del amarillo que aumenta con el incremento de Cd en la
composición. A la derecha, se muestra la variación de la absorción óptica de estos nanocompuestos
en función de la longitud de onda y se compara con el comportamiento de los polvos puros
micrométricos de ZnS y CdS, así como de polvos de mordenitas sódicas sin nanopartículas (Na-
MOR). La gráfica muestra que los nanocompuestos fotoactivos sintetizados tienen la actividad
óptica deseada y esto los proyecta como nanocompuestos con aplicaciones en el campo de la
fotocatálisis.
Figura 6
13
¿QUÉ ES UN PUNTO CUÁNTICO?
Ernesto Cota Araiza
En 1959, el físico Leo Esaki, como parte de su tesis doctoral en la Universidad de Tokio sobre
materiales semiconductores con impurezas, descubrió lo que se conoce como el diodo túnel, el
primer dispositivo electrónico basado en efectos cuánticos. En 1973, Esaki recibió el Premio Nobel
de Física por sus contribuciones acerca del fenómeno de tunelaje cuántico y por sus estudios sobre
superredes y pozos cuánticos. Estos estudios abrieron el camino a la posibilidad de desarrollar
sistemas en el laboratorio y estudiar fenómenos que hasta entonces sólo existían en los libros de
texto de mecánica cuántica. En los años setentas, el desarrollo de técnicas como la litografía de
haces electrónicos hizo posible el confinamiento de gases de electrones en materiales
semiconductores en dos dimensiones (planos), una dimensión (alambres) y hasta cero dimensiones
(puntos cuánticos). De esta manera, podemos definir un punto cuántico (PC) semiconductor, como
una región en el material, de unas decenas de nanómetros, donde un determinado número de
electrones (que se puede reducir a uno) queda confinado en las tres direcciones espaciales. Este
confinamiento hace que el espectro de niveles de energía que los electrones pueden ocupar sea
discreto, similar a lo que ocurre en un átomo, y las características de este espectro (espaciamiento
entre niveles, por ejemplo) dependen del tamaño y la geometría del PC. Tenemos entonces un
sistema con un espectro que se puede diseñar, de manera que, por ejemplo, las frecuencias de
absorción o emisión ópticas serían controlables, con lo cual se abre la posibilidad de aplicaciones en
diversas áreas que van desde la nanoelectrónica y las celdas solares hasta el diagnóstico y
tratamiento de enfermedades.
Actualmente, en algunos laboratorios del mundo se usan técnicas litográficas para fabricar PC
semiconductores epitaxiales, usando electrodos de compuerta sobre un gas bidimensional de
14
electrones y controlando el número de electrones que quedan confinados en cada PC. Raymond
Ashoori (MIT, EUA) y Horst Störmer (Universidad de Columbia, EUA) han obtenido PC con un
solo electrón y han demostrado la posibilidad de ir añadiendo electrones uno por uno. También es
posible fabricar PC acoplados (molécula artificial) y estudiar el acoplamiento de los estados de
ambos PC (Leo Kouwenhoven, Universidad de Delft, Holanda).
En los años ochentas, se desarrollaron métodos para producir suspensiones coloidales de PC
por precipitación de materiales semiconductores en solución. Estos PC coloidales, cuyos tamaños se
pueden controlar con mucha precisión, tienen propiedades ópticas únicas que permiten su utilización
como sensores de luz, con diversas aplicaciones en cámaras digitales, pantallas y celdas solares,
entre otras. Actualmente, se están estudiando aplicaciones muy importantes en el área de
diagnóstico y tratamiento de enfermedades. Por ejemplo, en el caso del cáncer, se está considerando
la posibilidad de inyectar el medicamento depositado en el interior de un PC, directamente al tumor,
como una alternativa a la quimioterapia actual. El PC estaría revestido de moléculas que son
sensibles a enzimas que se producen en la zona afectada (por ejemplo, por tumores cancerosos,
pancreatitis u otras enfermedades), lo cual permite que el PC se ubique en esa zona y el
medicamento sea liberado y actúe con mayor eficiencia. En el área de las neurociencias se usan PC
coloidales para visualizar y medir eventos moleculares, así como PC semiconductores fluorescentes
cuyas propiedades pueden ser controladas a través de su tamaño y composición.
Similarmente, en las celdas solares, el uso de los PC promete aumentar su eficiencia,
aprovechando sus propiedades de absorber y emitir radiación en forma preferencial y controlable y
la facilidad para convertir esta energía en electricidad.
Otra área de interés de aplicación de los PC es en la nanoelectrónica y particularmente en
espintrónica, en donde la atención se enfoca en el espín de los electrones en el punto cuántico. En
particular, el autor ha participado en proyectos de investigación en esta área, en donde hemos
propuesto un arreglo de dos PC acoplados, tales que en presencia de un campo magnético y de un
voltaje que cambia periódicamente con el tiempo, se demuestra que el sistema realiza bombeo de
electrones y actúa como filtro de espines.
Más recientemente, en el mismo sistema de doble punto cuántico, hemos estudiado el efecto
de interacciones de los espines electrónicos con los espines nucleares y la interacción espín-órbita
sobre los tiempos de decoherencia del sistema. Estos estudios son importantes por las posibles
15
aplicaciones de este sistema como componentes básicos (bits cuánticos) para almacenamiento y
procesamiento de información en el régimen cuántico.
PC1 PC2
Figura 1. Diagrama esquemático del arreglo de doble punto cuántico que actúa como filtro de espín (a) hacia abajo y (b) hacia arriba. En ambos casos, la configuración inicial es con un espín hacia arriba en ambos PC´s. En el caso (a), entra un espín hacia abajo al punto cuántico de la izquierda (PC1) para formar un estado singlete de energía ELS0. Enseguida, este electrón es bombeado al punto cuántico de la derecha (PC2), por medio del campo externo, para formar el estado singlete de energía ERS0. Finalmente, este electrón sale al reservorio de la derecha y el sistema regresa a la configuración inicial. En el caso (b), se lleva a cabo un proceso similar que involucra la transferencia de un espín hacia arriba. (c) Corriente calculada como función de la frecuencia del voltaje externo. Se observan resonancias de la corriente en valores especiales de la frecuencia para espín hacia arriba (rojo) y hacia abajo (azul).
16
FERROELECTRICIDAD: ¿TIENE EFECTO EL TAMAÑO?
Alejandro Durán, María de la Paz Cruz, Jesús María Siqueiros
Los materiales están compuestos de átomos y moléculas y difieren en su comportamiento
físico dependiendo de sus arreglos atómicos y de su escala de tamaños. La relación entre la
estructura atómica de los materiales y sus propiedades físicas se estudia en el campo de la ciencia de
materiales. Sin embargo, se ha demostrado que esta relación es enteramente diferente cuando la
escala del material es muy reducida. En este contexto, recientemente ha emergido el estudio de las
propiedades cristalofísicas de materiales a escala nanométrica. Este tipo de estudios ha sido posible,
en gran parte, debido al desarrollo de tecnologías para la fabricación, la síntesis, observación,
manipulación, ensamblaje y caracterización de materiales nanométricos. La nanociencia y la
nanotecnología comprenden el estudio tanto teórico como experimental de los fenómenos físicos y
químicos a escala nanométrica (1-100 nm) y la manipulación de los materiales a esta escala para
posibles aplicaciones tecnológicas.
Para tener una idea de qué tan pequeño es un nanómetro, consideremos, por ejemplo, el
diámetro del ion de oxígeno que es de 2.8 Å. Como 1 nm equivale a 10 Å, quiere decir que sólo
requeriríamos de aproximadamente 3.6 iones de oxígeno alineados para alcanzar una longitud de 1
nm. Con 36 iones de oxígeno alineados tendríamos una longitud de 10 nm y con 360 iones, una de
100 nm, con lo que nos encontraríamos ya en el límite de la escala nanométrica.
Por otro lado, las propiedades físicas como la ferroelectricidad, el magnetismo, la
superconductividad y el transporte eléctrico de electrones, son fenómenos cooperativos que
requieren de muchas celdas cristalinas. Para que alguno de estos fenómenos se manifieste, las
interacciones de muchos cuerpos son de fundamental importancia. Cuando estas interacciones son
confinadas a dimensiones nanométricas, muchos fenómenos físicos adquieren una menor
17
importancia y se manifiestan otros, menos conocidos, debido a que, en esta escala, la superficie y
los procesos cuánticos tienen mayor preponderancia. Estas propiedades inesperadas ocurren como
resultado del confinamiento de las capas electrónicas de los átomos que conforman el material. En
los últimos años, la creciente carrera hacia la miniaturización a escala nanométrica de los
dispositivos ferroeléctricos, ha motivado a los investigadores de este campo a discutir y comprender
la presencia o ausencia de la ferrolectricidad a nivel de unas cuantas celdas cristalinas y las
implicaciones que esto tendrá para nuevas aplicaciones tecnológicas.
Empezaremos por definir a un material ferroeléctrico como aquél que experimenta una
transición de fase, de una fase centrosimétrica a alta temperatura en la que se comporta como un
dieléctrico ordinario, a una fase de más baja temperatura, no-centrosimétrica, en la que presenta una
polarización eléctrica espontánea cuya dirección puede ser conmutada por medio de un campo
eléctrico externo. La aparición de la polarización involucra, en la mayoría de los casos, la distorsión
de la celda unitaria. Este hecho implica que la polarización y la deformación elástica de la celda
unitaria están acopladas. La figura 1 muestra las dos características físicas que distinguen a un
material ferroeléctrico. Observamos un pico en la curva de permitividad en función de la
temperatura que denota el valor de la temperatura crítica (Tc) a la cual ocurre la transición del
estado ferroeléctrico de baja temperatura al estado paraeléctrico de alta temperatura.
Lo que ocurre a nivel microestructural en el ejemplo ilustrado es un cambio de una estructura
cúbica (centrosimétrica) a una tetragonal (no-centrosimétrica) como consecuencia del
desplazamiento a lo largo de alguna dirección cristalográfica del ion ubicado en el centro de la celda
cúbica, y que es ocasionado por el cambio en la temperatura. Con la finalidad de minimizar la
energía asociada a la deformación elástica de la superficie del cristal, éste nuevo ordenamiento
estructural conduce a la formación de dominios ferroeléctricos a nivel microestructural. Así, cada
dominio, definido como una región del material donde todos los dipolos eléctricos están orientados
en el mismo sentido, se representa por un vector de polarización. Cuando aplicamos un campo
eléctrico, la respuesta de la estructura de dominios del material es la encargada de producir la curva
de la polarización (histéresis en la curva insertada a la izquierda en la figura 1).
Los avances más significativos en la investigación de la ferroelectricidad a escala
micrométrica y nanométrica se han realizado utilizando el método de fabricación “de arriba hacia
abajo”, el cual consiste en partir de un material macroscópico y reducir su tamaño hasta escalas
nanométricas. Las capas bidimensionales de espesores ultrafinos (películas delgadas) han sido una
18
alternativa para estudiar estos fenómenos a escala nanométrica. Las investigaciones se han enfocado
al desarrollo de sensores y a la tecnología de almacenamiento de datos. Una de las técnicas
utilizadas para producir películas ultrafinas en el laboratorio, es el crecimiento de películas por
ablación por láser pulsado (PLD, del inglés pulsed laser deposition), ya que las capas producidas así
son de alta calidad. El proceso es relativamente rápido y no es necesario emplear mucho material.
Otras técnicas como la erosión iónica (sputtering) y el depósito de vapores químicos (CVD, del
inglés chemical vapor deposition) también se emplean con este propósito.
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 5500
3000
6000
9000
12000
15000
18000
21000
24000
Temperatura (oC)
PZT Estado
Ferroeléctrico
Estado
Paraeléctrico
Tc
Polarización (μC/cm2)
Campo eléctrico
(kV/cm)
1
0
Polarización (μC/cm2)
Campo eléctrico
(kV/cm)
+Emax-Emax
-Ec +Ec
1
2+Pr
-Pr
12000
15000
18000
Pe
rmit
ivid
ad
(ε)
Ps
Figura 1. Características físicas que definen a un ferroeléctrico. La figura principal muestra un pico en la medida de la permitividad (ε) en función de la temperatura que, por debajo de una temperatura crítica (Tc), define el estado ferroeléctrico y, por arriba, el estado paraeléctrico. Las curvas insertadas muestran la histéresis y ausencia de histéresis en las medidas de polarización en función del campo eléctrico aplicado que define ambos estados. Los modelos geométricos representan la estructura simétrica y no-centrosimétrica del estado paraeléctrico y ferroeléctrico, respectivamente.
19
Es importante seleccionar cuidadosamente las condiciones experimentales para cada una de
las técnicas, ya que éstas determinan el control del crecimiento de la película a espesores
nanométricos. Algunos materiales ferroeléctricos como el BaTiO3 (titanato de bario), Pb(Ti1-xZrx)O3
(circonato-titanato de plomo) y el BiFeO3 (ferrato de bismuto) se han crecido a escalas
nanométricas por medio de PLD con excelentes resultados.
Por otra parte, la microscopía de piezofuerza (PFM, del inglés piezoelectric force microscopy)
es la herramienta óptima para observar y medir el fenómeno ferroeléctrico en películas de espesores
ultrafinos.
Figura 2. Lazos de histéresis ferroeléctrica de películas de BiFeO3 con espesores de a) 15 nm, b) 8 nm, c) 4 nm y d) 2 nm.
En la figura 2 se muestran las curvas de histéresis ferroeléctrica en películas de BiFeO3 con
espesores de 15, 8, 4 y 2 nanómetros. Se observa que la señal ferroeléctrica (lazo de histéresis)
persiste muy bien entre los 15 y los 8 nm. Pero cuando el espesor de la película disminuye a 4 nm el
lazo de histéresis se reduce y, a 2 nm, empieza a ser difuso, marcando el espesor crítico hasta el cual
-3 -2 -1 0 1
-1.0 -0.5 0.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0
-2 -1 0 1
Voltaje
Fase [°]
0 90 180
0 90 180
a) b)
c) d)
20
persiste el fenómeno ferroeléctrico. Como hemos mencionado anteriormente, la formación de
dominios es el mecanismo por el cual el cristal minimiza la energía superficial asociada a la
deformación elástica ocasionada por el desplazamiento del catión central de la estructura. De esta
manera, en una película ultrafina, las condiciones energéticas para la presencia y/o ausencia de la
ferroelectricidad están determinadas por el tamaño del dominio (w), el espesor de la pared de
dominio (γ) y por el espesor del depósito sobre el sustrato (d), tal como se observa en la figura 3.
d
γγγγ
w
Pared de dominioDominio
Substrato
Figura 3. Película delgada sobre un substrato, en donde se muestran dominios de 180 o y sus parámetros
característicos: ancho de los dominios (w), espesor de la pared de dominio (γ), y el espesor de la película (d).
Los resultados experimentales de la Figura 2 concuerdan con resultados experimentales en
películas nanométricas de diferentes materiales ferroeléctricos. En estos trabajos se mostró que el
espesor de la pared de dominios (γ) de aproximadamente 2 nm, es el mismo para espesores de
películas que variaron desde unas cuantas micras hasta unos cuantos nanómetros. Estos resultados
mostraron que la ferroelectricidad comienza a ser difusa cuando el espesor de la película (d) alcanza
el tamaño del espesor de la pared de dominios, (~2 nm). De esta manera, se espera que si el espesor
de la película decrece hasta el ancho de la pared de dominio, la energía asociada a la superficie del
21
cristal puede ser más grande que la energía necesaria para que ocurra el ordenamiento ferroeléctrico,
lo cual lleva a la desaparición de la ferroelectricidad.
En resumen, la ferroelectricidad es un fenómeno cooperativo que requiere de muchas celdas
cristalinas. Las manifestaciones de la ferroelectricidad pueden ser fielmente reproducidas a tamaños
de dominio mayores a algunos nanómetros. Por ello, será posible encontrar dispositivos
ferroeléctricos que operen en espesores de depósito por encima de 2 nm. Uno de los retos actuales
para los investigadores experimentales de los materiales ferroeléctricos, es reproducir estos
resultados y probar si la reducción de tamaño hasta espesores nanométricos tiene efecto sobre las
propiedades ferroeléctricas en materiales libres de plomo y cromitas magnetoeléctricas.
22
¿QUÉ HACE LA LUZ EN ESPACIOS DE TAMAÑO NANOMÉTERICO?
Jesús Alberto Maytorena Córdoba, Catalina López Bastidas, Roberto Machorro Mejía
En realidad esta es una pregunta amplia, en la que cabe una gran variedad de fenómenos para
los que se han acuñado varios términos con el fin de clasificarlos y ubicarlos en un contexto: nano-
óptica, electrodinámica de campo cercano, nano-fotónica, nano-plasmónica, entre otros. Estos
campos de estudio, en los que se busca comprender fenómenos ópticos a la escala nanométrica,
constituyen actualmente nuevas áreas de activa investigación científica y tecnológica. De lo que se
trata es de tener acceso a la interacción entre la luz y la materia en una escala de tamaño típicamente
inferior a la longitud de onda de la luz, lo que, en el rango visible de ésta, implica dimensiones
menores a unos pocos cientos de nanómetros. Pero, ¿por qué las cosas a esa escala habrían de ser
diferentes a lo que sucede en la óptica clásica convencional?
La luz es una onda electromagnética consistente en campos eléctricos y magnéticos que
oscilan rápidamente en el espacio y en el tiempo. Las variaciones de un campo eléctrico generan un
campo magnético cuyas variaciones generan de nuevo uno eléctrico que a su vez genera el
magnético, y así sucesivamente, todo según leyes físicas precisas (leyes de Faraday y de Ampère-
Maxwell). La onda más sencilla así generada es la llamada onda plana monocromática, cuya
oscilación periódica en el tiempo y en el espacio se caracteriza por una frecuencia y un vector de
onda (inversamente proporcional a la longitud de onda), y cuyo vector de campo eléctrico vibra de
manera perpendicular a la dirección de propagación (especificada por la dirección del vector de
onda). Las ecuaciones matemáticas que gobiernan el campo electromagnético (las célebres
ecuaciones de Maxwell) son lineales y, por lo tanto, la luz obedece el principio de superposición: la
combinación lineal de dos soluciones también es una solución, o dicho de otra manera, el campo
eléctrico (o el magnético) resultante de una onda, en un punto del espacio donde se superponen dos
23
o más ondas de luz, es igual a la suma de los campos de las ondas constitutivas individuales. Por
ejemplo, cuando un rayo de luz incide sobre un medio, su campo eléctrico pone a oscilar a los
electrones de cada átomo, y este movimiento de carga eléctrica es a su vez fuente de un campo
electromagnético. Como resultado de la superposición de los campos producidos por todos los
átomos, esta polarización del material genera en su interior una onda que se propaga a la velocidad
de la luz en dicho medio, otra que cancela exactamente al campo incidente, y una tercera onda
radiada hacia el exterior del material. Efectivamente, cuando un haz luminoso incide sobre un
medio, decimos que parte de él se transmite y parte se refleja, como comprobamos diariamente, (y,
aunque parezca que las ondas vienen de la superficie, ellas se generan en el interior).
La onda plana representa el ejemplo más natural y sencillo de la onda propagante, que se
caracteriza por viajar hasta alcanzar distancias mucho mayores que la longitud de onda,
propagándose libremente, separada ya de las cargas y corrientes que le dieron origen; esto es a lo
que llamamos propiamente campo lejano o de radiación. Las ondas reflejadas y transmitidas
mencionadas anteriormente, y el mundo todo de la óptica convencional y de lo que vemos con el ojo
a nuestro alrededor, se basa en buena medida en la naturaleza ondulatoria propagante de la luz. Pero
resulta que las ecuaciones de Maxwell predicen, en regiones próximas a superficies e interfaces, la
existencia de otro tipo de solución, diferente a la onda plana. Este nuevo tipo de onda (o de luz) se
caracteriza por viajar sobre la superficie sin alejarse de ella, en el sentido de que su amplitud
disminuye exponencialmente con la distancia perpendicular a la superficie, lo que revela su
naturaleza localizada o no propagante. La escala espacial de este decaimiento de amplitud depende
de la frecuencia y del tipo de material involucrado (metal, dieléctrico, semiconductor), y puede ir
desde unas décimas de nanómetros hasta algo comparable a la longitud de onda. La existencia de
estas ondas evanescentes o campo cercano constituye un elemento físico fundamental que permite
transformar la luz en una forma localizada de energía o viceversa, que abre nuevas posibilidades en
lo que se refiere a la interacción entre la luz y la materia. Esto sugiere, por ejemplo, que si se
manipula la materia, se moldearía a su vez la magnitud de dicha interacción y, en última instancia,
se estaría manipulando en algún grado tal luz confinada, lo que puede servir a diversos propósitos.
Esto supone, por otra parte, la capacidad de fabricar nanoestructuras a conveniencia, con
precisas propiedades materiales, así como la capacidad de poder observar esta luz confinada
nanométricamente. Hoy en día, esto es físicamente realizable dado el espectacular desarrollo en la
creación de estructuras submicrométricas de estado sólido, con toda clase de escalas, períodos,
24
inhomogeneidades, simetrías, etc. Para dar una idea de la clase de fenómenos que pueden ocurrir,
mencionaremos tres ejemplos: (i) la superación del límite de difracción en microscopía óptica, (ii)
los plasmones de superficie en metales nanoestructurados y (iii) la respuesta óptica de
nanopartículas. Veamos cada uno de ellos.
(i) La existencia de ondas evanescentes ofrece una vía para superar el límite de resolución
de la microscopía óptica convencional. Para ver como podría suceder esto, consideremos un
elemento óptico sencillo, tal y como una lente con la que deseamos formar la imagen de un objeto.
Sabemos que la imagen de un punto del objeto no es propiamente un punto, sino que se observa una
manchita. Esto es así porque la lente sólo colecta inevitablemente ondas planas (provenientes del
objeto) con vectores de onda en un intervalo restringido, es decir, la imagen se forma con ondas
propagantes que viajan hasta el detector y cuyas direcciones de propagación no apuntan todas al
mismo punto exactamente; el tamaño de la manchita queda determinado por la escala de variación
espacial de las ondas y resulta comparable al de la longitud de onda, en vez de ser puntual. En un
microscopio óptico, esto tiene como consecuencia que su resolución espacial esté limitada a
estructuras espaciales no mucho menores que la longitud de onda; si se ilumina con luz de longitud
de onda λ (en el rango visible por ejemplo, donde λ ~ 400-700 nm), sólo será posible la resolución
de objetos de tamaño aproximadamente λ (esto se conoce como límite de difracción). Podemos ver
también que este límite impide la localización de ondas electromagnéticas en regiones nanométricas,
mucho más pequeñas que la longitud de onda de la luz en el material. Si recordamos que un campo
óptico (i.e. luz) puede expresarse convenientemente como superposición de ondas con distintos
vectores de onda, vemos que la superación de dicho límite requeriría tomar también en cuenta la
contribución de las ondas evanescentes, que por su naturaleza tienen vectores de onda grandes y
permitirían aumentar el intervalo de vectores de onda que contribuyen a formar una imagen. Pero
este campo evanescente no puede llegar desde el objeto de estudio hasta una lente y posteriormente
a una pantalla. El desarrollo de técnicas para emplear ondas evanescentes para formar imágenes con
una resolución superior a la impuesta por el mencionado límite, ha dado lugar a la microscopía
óptica de campo cercano. Típicamente la escala pequeña (i.e. los vectores de onda grandes) se
produce al iluminar una punta delgada muy próxima a una superficie y que se mueve a lo largo de
ella, de manera que al observar la luz dispersada se puede obtener información de la interacción
entre punta y muestra, o sobre la topografía superficial, a escala nanométrica. De este modo se han
logrado resoluciones tan finas como de 10 nm con luz visible o infrarroja (λ ~ 10 µm), y aunque no
25
se compara con la resolución atómica ( ≈ 1 Å) de un microscopio electrónico de tunelaje, el hecho
de que la microscopía sea de naturaleza óptica, permite aprovechar las ventajas inherentes de la luz
y combinarla con otro tipo de espectroscopias dando lugar a una poderosa técnica de observación
submicroscópica
(ii) En una superficie metálica, las cargas libres (esto es, los electrones de conducción,
desligados de los núcleos atómicos) pueden moverse de manera colectiva y en fase, oscilando en
respuesta a la acción de un campo electromagnético. La interacción resonante entre la oscilación de
las cargas superficiales y el campo de una onda luminosa constituye una onda confinada a dos
dimensiones que se propaga a lo largo de la superficie del metal (Figura 1). Debido a la analogía
entre la dinámica electrónica en un metal y el movimiento de partículas cargadas en un plasma, estas
oscilaciones de densidad de carga reciben el nombre de oscilaciones de plasma o simplemente
plasmones de superficie. La naturaleza de esta onda es más complicada pues no es un puro campo
óptico, sino que involucra la polarización del medio, en este caso el movimiento de los electrones
libres; para enfatizar este carácter híbrido también se les llama polaritones de plasma. Las
características físicas de los plasmones de superficie (energía, velocidad, longitudes de propagación
y atenuación) dependen fuertemente del tipo de metal involucrado, de la frecuencia y de la
geometría (interfaces, películas delgadas, guías de onda, nanopartículas). Por su naturaleza, los
plasmones son sensibles a las condiciones superficiales y permiten producir una alta concentración
de luz en espacios de unos cuantos nanómetros, y es posible guiarlos, localizarlos, manipularlos, sin
estar sujetos al límite de difracción. A pesar de que los electrones al moverse disipan energía en
forma de calor, la capacidad técnica para fabricar estructuras metálicas pequeñas de todo tipo ha
sugerido el uso de los plasmones de superficie para diseñar sensores moleculares, circuitos
plasmónicos, técnicas microscópicas con nanoresolución, antenas ópticas, transmisión
extraordinaria, entre muchas otras ideas y fenómenos nuevos. Se ha acuñado el término
nanoplasmónica, o simplemente plasmónica, para referirse, en general, al estudio de las propiedades
ópticas de metales nanoestructurados.
(iii) Las nanopartículas representan sistemas que se ubican entre los medios macroscópicos,
cuyas propiedades son en esencia independientes del tamaño, y los sistemas atómicos o moleculares,
donde la naturaleza cuántica de la materia es predominante. Las propiedades de estas partículas
pequeñas dependen sensiblemente de su geometría conforme su tamaño disminuye y la razón
26
superficie/volumen aumenta. Desde hace tiempo se han establecido los fundamentos teóricos y
realizado experimentos sobre la absorción y esparcimiento de luz por partículas pequeñas.
Figura 1. Plasmón de superficie en una interfaz plana entre un dieléctrico y un metal. El campo eléctrico (en verde) de esta ‘luz superficial’ se propaga sobre la interfaz (plano vertical), pero en la dirección perpendicular a ésta su amplitud decae de manera exponencial.
El interés en esta clase de fenómenos existe en muchas disciplinas científicas, por ejemplo en
la física del estado sólido, en óptica, química, biología, astronomía, física atmosférica e ingeniería
eléctrica. De nuevo, el desarrollo de técnicas para producir nanopartículas con el tamaño, forma y
composición deseadas, ha hecho que estos sistemas, de manera individual o colectiva, tengan un
papel relevante en una gran cantidad de desarrollos en nanotecnología. Cuando incide luz sobre una
nanopartícula metálica, se induce en ésta una distribución inhomogénea oscilante de cargas cuyo
movimiento se ve restringido por la superficie curveada. Bajo condiciones de resonancia entre la
vibración de la onda incidente y el ir y venir de las cargas, se establece una oscilación de plasma que
conduce a una notable amplificación y localización del campo electromagnético en la vecindad de la
superficie (Figura 2). A diferencia de los plasmones de una superficie plana, que se propagan a lo
largo de ésta, los plasmones de superficie de una nanopartícula están enteramente confinados en
todas direcciones; por esta razón se les denomina simplemente plasmones localizados . Una
propiedad importante de estas resonancias es que su frecuencia puede sintonizarse con sólo cambiar
27
la forma, el tamaño o el medio en que se encuentra la nanopartícula. Esto se refleja en el espectro de
emisión o de absorción, es decir en el color de la nanopartícula. Otras nanoestructuras con
plasmones localizados son los nanocascarones, las inclusiones dieléctricas en estructuras metálicas,
o arreglos de nanopartículas. Entre las aplicaciones que se han vislumbrado están las nanoantenas
ópticas, fototerapia térmica, superlentes, amplificación de plasmón por emisión estimulada de
radiación (el spaser , la versión nanoplasmónica del láser), por mencionar sólo algunas.
Figura 2. Plasmón de superficie en una nanopartícula metálica. A la izquierda se representa el desplazamiento de los electrones causado por un campo eléctrico oscilante. Se producen cargas superficiales negativas (electrones) y positivas (déficit de electrones), cuyo movimiento resonante constituye una oscilación de plasma. A la derecha se presenta la intensidad del campo eléctrico del plasmón, el halo rojo-amarillo corresponde a magnitud máxima y muestra la localización espacial en la superficie.
Un aspecto particular en el área de las propiedades ópticas de nanoestructuras que se estudia
en el CNyN es la respuesta óptica no lineal de nanopartículas. Este tipo de respuesta aparece cuando
una partícula está sujeta a un haz de luz lo suficientemente intenso para que la polarización inducida
en ella sea proporcional no a la magnitud del campo eléctrico sino a su cuadrado. Esto da lugar a
fenómenos como el de la generación de radiación de frecuencia igual al doble de la del campo
aplicado, proceso que resulta ser muy sensible a la superficie de la nanopartícula, y que, en general,
es la base de una espectroscopía óptica muy útil pues permite sondear las condiciones físicas o
químicas de superficies e interfaces.
28
¿QUÉ ES UN NANOREACTOR?
Viridiana Evangelista, Brenda Acosta, Andrey Simakov
La palabra reactor nos remite frecuentemente a imágenes de reactores nucleares. Sin embargo,
existen muchos tipos distintos de reactores, además de los nucleares. El cuerpo humano, por
ejemplo, es un reactor ya que con el simple hecho de respirar, se desencadenan en su interior una
serie de reacciones químicas. Esto nos lleva a una definición sencilla de lo que es un reactor:
independientemente de su forma, material de construcción o tamaño, un reactor es un lugar en el que
se llevan a cabo reacciones químicas. Los reactores cumplen funciones en ámbitos muy distintos: en
la industria de la transformación, en la mayoría de los laboratorios, en los hogares y en el interior de
los organismos vivos. En la figura 1 se ilustran algunos ejemplos de reactores en orden decreciente
de tamaño.
Figura 1. Ejemplos de reactores de diferentes tamaños: A) reactor industrial (25 m), B) reactor de laboratorio
(0.02 m) y C) reactor de un organismo vivo (enzima de 0.0000003 m).
Cuando se nombran los reactores, puede hacerse referencia a su tamaño mediante un prefijo;
así, un nanoreactor es un reactor cuyas dimensiones se encuentran entre 1-100 nanómetros. Los
29
nanoreactores, por ser tan pequeños, pueden ser consecuencia del auto-ensamblaje espontáneo de
moléculas, como las micelas o las vesículas, o pueden producirse a partir de sustancias naturales o
sintéticas. Algunos ejemplos de nanoreactores son las zeolitas, los silicatos, los nanotubos o algunas
estructuras más complejas como las que describiremos más adelante: los nanoreactores de núcleo-
cápsula (del inglés core-shell).
Entre las aportaciones de las nanociencias que han maravillado al mundo se encuentran las
múltiples formas que pueden adquirir las estructuras de dimensiones nanométricas (esferas, cubos,
cilindros, estrellas), muchas de las cuales se han obtenido controlando estrictamente su proceso de
síntesis. Hace menos de 20 años, se inició la preparación de un tipo de nanoestructuras llamadas
nanoreactores de tipo núcleo-cápsula. La figura 2 A) ilustra en qué consiste este tipo de estructura
mediante el ejemplo de un fruto de origen natural, el aguacate. El núcleo del aguacate, la semilla, es
el elemento más importante del aguacate. La cápsula o sea la cáscara del aguacate, protege al
núcleo, manteniéndolo aislado del exterior. Los nanoreactores con estructura de tipo núcleo-cápsula,
de igual manera, están formados por un núcleo alojado en un espacio vacío dentro de una cápsula
porosa. En la figura 2 B) se presenta un nanoreactor y las partes que lo constituyen. Es importante
resaltar la diferencia en las dimensiones de ambos ejemplos, el aguacate es 100 millones de veces
(10 cm = 100,000,000 nm) más grande que el nanoreactor. Este capítulo describe brevemente el
origen, las aplicaciones, la clasificación y los métodos de síntesis de los nanoreactores núcleo-
cápsula.
Figura 2. Representación de la estructura núcleo-cápsula: A) aguacate y B) nanoreactor.
A) B)
30
A través de múltiples investigaciones el hombre ha desarrollado nanoestructuras . que han
evolucionado, pasando de sistemas que servían solo para almacenar ciertos compuestos químicos
hasta sistemas encargados de la liberación controlada de fármacos, que es una de las aplicaciones de
los nanoreactores núcleo-cápsula. En el área de investigación de la ingeniería biomédica se han
hecho avances destacados en:
• Sistemas de transporte de fármacos (Figura 3).
• Sondas de sensores colorimétricos de ADN y proteínas.
• Detección y terapia térmica de tumores cancerígenos.
Figura 3. Esquema de la liberación de una solución con el transcurso del tiempo, usando un nanoreactor. Éste es el principio de la liberación controlada de fármacos.
En años recientes, el conocimiento acumulado sobre los nanorecatores núcleo-cápsula aunado
a su estructura simple y definida ha motivado su aplicación en áreas como la catálisis. La catálisis es
el proceso por el cual se acelera la velocidad de una reacción química en presencia de un
catalizador; en este caso, el núcleo del nanoreactor representa la parte activa del catalizador. El
desempeño de los nanoreactores se ha enfocado en optimizar reacciones de química fina y
ambiental.
Con base en la naturaleza de los componentes que constituyen tanto al núcleo como a la
cápsula, los especialistas en el tema han clasificado a los nanoreactores núcleo-cápsula en tres
grupos: i) inorgánicos, en los que el núcleo y la cápsula son inorgánicos; ii) poliméricos, en los que
ambos componentes son polímeros; y iii) híbridos, cuando uno de sus componentes es inorgánico y
el otro orgánico.
Si bien, todos los tipos de nanoreactores son de gran interés científico, los inorgánicos son los
más atractivos en el área de catálisis debido a las múltiples combinaciones posibles entre los
31
elementos que forman el núcleo y la cápsula, que pueden generar interesantes propiedades
catalíticas, térmicas, magnéticas y ópticas, por mencionar algunas.
El éxito de los nanoreactores inorgánicos y sus múltiples aplicaciones están ligados al método
de síntesis. De manera general, las rutas para producir nanoreactores con estructura núcleo-cápsula
son dos: de abajo hacia arriba (del inglés bottom-up), que es la que se utiliza con mayor frecuencia e
implica la construcción de la nanoestructura comenzando por el núcleo, y de arriba hacia abajo (del
inglés top-down), cuando se inicia con la cápsula. Los pasos de ambas rutas se resumen en las
figuras 4 A) y B), respectivamente.
Figura 4. Rutas de síntesis de nanoreactores núcleo-cápsula: A) de abajo hacia arriba y B) de arriba hacia abajo.
El interés científico en los nanoreactores ha aumentado exponencialmente a nivel mundial a
partir de 2006. Lo anterior es evidente no solo en los excelentes resultados que se han presentado en
las distintas investigaciones, sino que además representa una ventana de oportunidad en múltiples
campos científicos. En suma, la investigación de estructuras avanzadas como los nanoreactores es
un tema de vanguardia que va de la mano con la innovación tecnológica.
En México, un grupo de trabajo del Departamento de Nanocatálisis del Centro de
Nanociencias y Nanotecnología (CNyN) de la UNAM está enfocado en el estudio de nanoreactores
inorgánicos núcleo-cápsula. Entre lo más destacado del trabajo de este grupo está el diseño
estratégico de una estación para sintetizar los nanoreactores a gran escala y a bajo costo. El equipo
de investigadores, respaldados por años de experiencia en el campo de catálisis, cuenta con
A)
B)
32
herramientas para desarrollar nanoreactores núcleo-cápsula con propiedades atractivas para
múltiples reacciones de interés, en especial de química ambiental y de química fina.
33
MATERIALES
34
¿QUÉ ES EL NANO-ORO?
Elena Smolentseva, Eunice Vargas y Andrey Simakov
¿Qué responderías si te preguntan qué es el oro? La mayor parte de la gente contestaría que es
un metal relacionado con joyas, dinero, lingotes, monedas, mucho valor o nivel económico. Desde la
antigüedad el oro ha sido un símbolo de poder y se ha relacionado con dioses, reyes e inmortalidad
(Figura 1).
Figura 1. Ejemplos de objetos de oro [1].
El oro es un elemento químico que se encuentra ubicado en la tabla periódica con el número
atómico 79 y que existe de forma natural. Es un metal amarillo, suave y con un lustre muy atractivo.
Su relación con el poder seguramente comenzó cuando se reconoció que es muy estable, es decir,
que sus características físicas no cambian con el paso del tiempo, como sucede con otros metales
como el hierro. Otras características importantes son su maleabilidad y ductilidad, lo que permite
fácilmente hacer piezas de oro de formas variadas, muy pequeñas y muy delgadas, sin que éste
pierda su integridad. Gracias a sus características, el oro se aplica en la industria electrónica para el
35
alambrado eléctrico de alta energía, para conexiones eléctricas en recubrimiento de tarjetas de
memoria; en la industria cosmética se usa en forma de fibras (hilos) para la cirugía estética y, en la
industria textil, como parte de bordados y adornos.
Pero ¿qué es el nano-oro? Es decir ¿qué son las nanopartículas de oro? El término nano-oro se
refiere a partículas de oro tan pequeñas que su tamaño es de escala nanométrica. Las primeras
nanopartículas de oro (NP-Au) fueron obtenidas por los artesanos romanos. Ellos sabían que al
mezclar una sustancia llamada cloruro de oro con vidrio fundido se obtenía un vidrio de color rojo
(Fig. 2). Esta técnica se usó para producir vidrio de un color tan atractivo que se eligió para fabricar
objetos artísticos y para decorar las ventanas de algunas catedrales europeas. Sin embargo, estos
artesanos no sabían que estaban empleando partículas de oro de tamaño nanométrico.
Figura 2. Solución acuosa de cloruro de oro (izquierda) [2] y copa de vidrio fundido en cuya fabricación se utilizó oro nanométrico (derecha) [3] © cambridge2000.com.
El oro es un material cuyas propiedades físicas y químicas cambian drásticamente cuando su
tamaño es el de una nanopartícula. Las NP-Au tienen propiedades ópticas muy peculiares, ya que
son de distinto color según su tamaño. La Figura 3 muestra soluciones coloidales de NP-Au que
exhiben diferentes colores. El color de cada solución depende del tamaño de las NP-Au que
contiene. El color rojo, por ejemplo, corresponde a las NP-Au de tamaño entre 5 y 20 nm. En la
actualidad, hay muchas aplicaciones de las NP-Au: en la medicina, como indicador óptico en el
transporte de medicamentos, o en la terapia llamada térmica contra tumores cancerosos (NP-Au se
colocan en el tumor y se pueden calentar específicamente por medio de un láser; de esta manera se
36
destruyen las células en las que se encuentran); en la industria alimentaria, como colorante, entre
otras [4]. Además, el oro de escala nanométrica cambia sus propiedades ópticas al absorber ciertos
gases. Por esta razón, se usa en sensores para detectar la presencia de gases así como en máscaras
anti-gas para evitar su inhalación.
Figura 3. Diversos colores que presentan las nanopartículas de oro en función de su tamaño [5].
Hace 20 años, se descubrió que el nano-oro puede ser muy eficiente como catalizador de
algunas reacciones químicas. Un catalizador es un compuesto que puede incrementar la velocidad de
una reacción química.
Los nanocatalizadores de oro están formados por NP-Au colocadas en la superficie de un
compuesto llamado soporte (Fig. 4) que generalmente es un óxido. Los nanocatalizadores de oro son
activos en diversas reacciones, incluso en algunas que son importantes para la protección del medio
ambiente. Por ejemplo, se usan para catalizar la oxidación del monóxido de carbono (CO), un gas
venenoso producido por la combustión de la gasolina.
Debido a que la actividad de este tipo de catalizadores depende de la interacción química entre
las NP-Au y el soporte, para que un nanocatalizador de oro sea exitoso las NP-Au deben tener un
tamaño específico y estar altamente dispersas sobre el soporte adecuado. Para ello es indispensable
un método de obtención del catalizador que cumpla adecuadamente con estas condiciones. Hay
varios métodos para preparar catalizadores de oro a escala nanométrica, tales como el de
impregnación húmeda, el de intercambio iónico, el de depósito-precipitación y el de depósito de
vapores por medios físicos o químicos, entre otros.
Para lograr la oxidación del monóxido de carbono (CO), una de las ventajas notables de los
nanocatalizadores de oro es que son activos a temperaturas considerablemente bajas en comparación
37
con otros catalizadores que sólo funcionan a temperaturas más elevadas. Por otro lado, los
nanocatalizadores de oro son muy selectivos en las reacciones de química fina (producción
especializada de productos químicos específicos) cuando se comparan con catalizadores basados en
otros metales nobles de escala nanométrica, como el paladio, el platino y la plata.
Figura 4. Imágenes de TEM de: (A) una nanopartícula de oro vista con alta resolución; (B) NP-Au soportadas en cerio mesoporoso y (C) NP-Au soportadas en un nanotubo.
En el Centro de Nanociencias y Nanotecnología de la UNAM en Ensenada, B.C., se estudian
los catalizadores de NP-Au soportadas en diferentes óxidos puros así como en óxidos mixtos. Se
investigan técnicas para su preparación, su caracterización y la evaluación de estos
nanocatalizadores en reacciones encaminadas a proteger el medio ambiente y en reacciones de
química fina.
Lecturas adicionales
[1]. www.google.com.mx (imágenes de oro).
[2]. http://en.wikipedia.org/wiki/Gold(III)_chloride.
[3]. http://www.cambridge2000.com/gallery/html/P70315712.html.
[4]. http://www.food.gov.uk/safereating/chemsafe/additivesbranch/enumberlist.
[5].http://www.ansci.wisc.edu/facstaff/Faculty/pages/albrecht/albrecht_web/Programs/microscopy/c
olloid.html.
38
¿QUÉ ES UN DENDRÍMERO?
Amelia Olivas Sarabia y Domingo Madrigal Peralta
Un dendrímero es una macromolécula polimérica muy versátil, generalmente de forma
globular y con un diámetro de entre uno y más de diez nanómetros. El término dendrímero procede
del griego dendron que significa árbol o rama y mero que significa segmento. Los dendrímeros se
sintetizan químicamente y tienen una forma bien definida que en ocasiones es simétrica. El tamaño
nanométrico les confiere propiedades físico-químicas similares a las de las biomoléculas. Contienen
un conjunto de unidades con estructuras ramificadas tridimensionalmente, alta concentración de
grupos funcionales en la periferia, y presentan huecos o cavidades en su interior. A medida que
aumentan de tamaño, los dendrímeros se vuelven más rígidos.
Los dendrímeros han recibido gran atención en los últimos años debido a su posible utilización
en aplicaciones tan variadas como la catálisis a nanoescala, su utilidad como sensores químicos,
micelas unimoleculares, su capacidad de imitación de la función de las enzimas, la encapsulación de
moléculas, el reconocimiento molecular, como agentes de diagnóstico y también como vehículos
para el transporte de genes y fármacos.
En la actualidad, se han sintetizado dendrímeros en solución por copolimerización y por
reacción en fase sólida y se han definido sus propiedades. El poliestireno y la sílice son los soportes
más frecuentemente usados en la síntesis de dendrímeros soportados en fase sólida.
La figura 1 muestra la imagen obtenida por microscopio electrónico de barrido (SEM) de un
conglomerado dendrimérico con un diámetro de 70 micrómetros, y en la imagen obtenida con el
microscopio de fuerza atómica (AFM) se pueden apreciar los aglomerados dendriméricos que lo
conforman y cuyo diámetro es de 130 ± 3 nanómetros.
39
Figura 1. Micrografías de un dendrímero soportado en fase sólida visto por SEM (blanco y negro) y por AFM (color).
En la figura 2 se muestra un esquema de la estructura de un dendrímero. Los dendrímeros se
sintetizan por etapas lo que permite injertar los grupos funcionales deseados en casi cualquier parte
de su estructura, ya sea en el núcleo, en las ramificaciones o en la periferia. Estos grupos funcionales
y su colocación se pueden seleccionar de tal forma que proporcionen las propiedades que se
requieran para su aplicación en la ciencia de materiales, la catálisis o la biología.
La estructura dendrimérica está caracterizada por capas llamadas generaciones que se forman
a partir del punto donde surge una ramificación (punto focal). La definición exacta del término
generación ha sido objeto de controversia; generalmente, se acepta que las generaciones de un
dendrímero corresponden al número de puntos focales (o puntos cascada) que aparecen desde el
núcleo central hasta la superficie. Un dendrímero de quinta generación presenta por lo tanto cinco
puntos focales entre el núcleo y la superficie. El núcleo normalmente se denomina generación cero
(G0) ya que no presenta ningún punto focal, como está marcado en la figura 2.
40
N N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
NN
N
N
N
N
N
N N
H2NH2N NH2 H2N
NH2NH2
NH2NH2NH2
NH2
NH2
NH2
NH2
NH2NH2
NH2NH2
NH2NH2NH2
H2NH2NH2N
H2NH2N
H2N
H2N
H2N
H2N
H2N
H2N
H2N
G(0)
G(1)
Figura. 2. Ejemplo de un dendrímero poliamina y de las partes que lo constituyen. Aquí, los nitrógenos de color azul son un punto focal. G(0) indica la generación cero y G(1) la generación 1.
Uno de los primeros dendrímeros que se sintetizaron fue la poliamidoamina (PAMAM) que
contiene grupos amida y amina en su estructura. El núcleo de PAMAM puede ser un amonio o bien
1,2-etilendiamina. Actualmente, se investigan las propiedades de estos dendrímeros.
Existen dos caminos para la preparación de dendrímeros, la síntesis divergente y la síntesis
convergente. En la ruta divergente, el dendrímero se sintetiza desde el núcleo como punto de inicio
y se incorporan monómeros generación tras generación hasta la superficie. Sin embargo, el elevado
número de reacciones que tiene que llevarse a cabo para formar una única molécula con muchos
sitios equivalentes de reacción, requiere de transformaciones muy efectivas para evitar defectos. Por
lo tanto, el rendimiento de la síntesis de dendrímeros por el método divergente será
aproximadamente del 25%.
Por el contrario, la síntesis convergente comienza en la superficie y finaliza en el núcleo,
donde los segmentos del dendrímero (o dendrones) se acoplan. En la aproximación convergente,
solamente un pequeño número de sitios reactivos se funcionalizan en cada paso, dando lugar a un
menor número de defectos, por lo que aumenta el rendimiento. Cada generación que se sintetiza se
puede purificar. En los dendrímeros de gran generación esta tarea es difícil por la gran similitud
entre los reactantes y el producto formado. Sin embargo, con una purificación apropiada en cada
etapa, se pueden obtener, por la ruta convergente, dendrímeros sin defectos.
Un dendrímero es en promedio menos compacto que una proteína de peso molecular similar,
su interior no está tan eficientemente acomodado como en las proteínas hechas por la naturaleza. En
41
cambio, un dendrímero contiene un número sustancialmente mayor de grupos funcionales en la
superficie que una proteína.
Para poder utilizar un dendrímero en la biomedicina, éste debe cumplir varias condiciones de
importancia crucial: no ser tóxico ni inmunogénico, debe poder atravesar barreras biológicas
(barrera hematoencefálica, membranas celulares, intestino, pared vascular, etc.), ser capaz de
dirigirse a receptores específicos, ser estable y permanecer en circulación el tiempo necesario para
lograr el efecto clínico buscado. Es muy importante mencionar que se han preparado dendrímeros de
generación 6-7 con dimensiones de seis a diez nanómetros de diámetro. Con este tamaño, los
dendrímeros pueden fácilmente atravesar la membrana celular y llevar selectivamente algún fármaco
hasta el punto preciso donde éste debe actuar.
En conclusión, los dendrímeros son un tipo de polímeros sintéticos con forma globular y con
propiedades fisicoquímicas únicas entre los compuestos orgánicos. Actualmente, se perfilan como
instrumentos con importantes aplicaciones nanobiológicas ya que responden en forma predecible en
solución, pueden ser modificados ampliamente para portar múltiples ligandos con diferente
actividad biológica y pueden ser fabricados con muy pocos defectos estructurales. Además, se
pueden caracterizar por técnicas convencionales como espectrometría de masas, espectroscopía de
infrarrojo o resonancia magnética nuclear (RMN). Por último, los dendrímeros abren la posibilidad
de posicionar en forma controlada nanopartículas metálicas con aplicaciones en nanotecnología. La
Figura 3 muestra un ejemplo de la armonía y belleza de los dendrímeros.
Figura 3. Estructura esquemática del dendrímero soportado en fase sólida de la figura 1.
O
O O
O
OO O
OO
O
OO O
O
O
O
O
O
O O
O
O OO
O
OO
O
O
O
O
O
O
CHO
OH
OH
OH
OH
OH
OH
HO
OHOH
OHOH
OH OH OH OH OH OHOH
O O
O
O
O
O
O
O O
O
O
O
O
OO
OO
O
O
OO
O
O O
O
O
O OOOO
OO
CHO
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OHOHHOHO
HOHO
O
O
O
O
O
O
O
O
O
OO
O
O
O
O
OO
OOO
OO
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
OHC
HOHOHOHO
HO
HO
HO
HO
HO
HO
HO
HO
HO
HO
HO
HO
HOHO
42
¿QUÉ ES UN NANOGEL?
Amelia Olivas Sarabia, Eder Lugo Medina y José Manuel Cornejo Bravo
Los geles son un estado de la materia intermedio entre el sólido y el líquido y, en su mayoría,
están formados por polímeros reticulados con bajo grado de entrecruzamiento que contienen un
líquido absorbido. Este líquido puede ser agua, en cuyo caso se usa el término de hidrogel, o algún
disolvente orgánico. La capacidad de absorción y el tipo de disolvente empleado dependen de las
propiedades fisicoquímicas del polímero; así, si el material es hidrofílico tendrá la capacidad de
absorber agua, mientras que si es hidrofóbico tendrá la capacidad de absorber disolventes no
polares. A continuación se presentan un par de imágenes obtenidas mediante microscopia de fuerza
atómica (AFM, del inglés atomic force microscopy), que muestran la distribución del tamaño de
partícula, con un valor promedio de 470 nm, de un gel producido por polimerización a partir de la
dispersión de un material sensible a la temperatura denominado N-isopropilacrilamida (NIPAAm).
Figura 1
Los geles preparados con partículas de dimensiones menores a 200 nm se llaman nanogeles.
Algunos geles y nanogeles tienen la capacidad de cambiar de tamaño en respuesta a estímulos tales
1.8µm 400nm
43
como la temperatura, la luz, el campo eléctrico o ciertos solutos como la glucosa. Estos materiales se
llaman geles o nanogeles inteligentes y tienen aplicaciones como superabsorbentes, sistemas de
liberación de fármacos, sensores y otras. Los nanogeles inteligentes que se utilizan como sensores
ópticos pueden ser sensibles al pH y sirven para obtener imágenes intracelulares.
La respuesta de los nanogeles es mucho más rápida que la de los geles macroscópicos debido a
que el coeficiente de difusión de la red polimérica es inversamente proporcional al cuadrado de sus
dimensiones. Asimismo, en contraste con los geles, los microgeles y nanogeles pueden ser
dispersados en agua, preservando una estructura altamente estable. Por lo tanto, tienen aplicación en
muchos campos, incluyendo a la nanotecnología.
Los geles tienen ciertas propiedades físicas comunes con los tejidos vivos; entre ellas, una
consistencia suave y elástica y baja tensión interfacial con el agua o con fluidos biológicos. Se ha
encontrado que la naturaleza elástica de los geles hidratados minimiza la irritación de los tejidos que
rodean un implante. La baja tensión interfacial entre la superficie del gel y los fluidos corporales
minimiza la adsorción de proteínas y la adhesión celular, lo que reduce las posibilidades de una
reacción inmune negativa.
Los microgeles y nanogeles híbridos que poseen grupos funcionales ópticamente activos
inmovilizados en las redes del gel de un polímero, al combinar las propiedades de ambos, pueden
ofrecer posibilidades de cambios externos y de manipulación cuando se aplican como sensores y
como agentes etiquetantes de la célula. Desde el informe del primer sensor basado en nanopartículas
llamado PEBBLE (del inglés Photonic Explorer for Biomedical Use with Biologically Localized
Embedding), nuevos materiales a nanoescala han atraído cada vez mayor atención y se ha extendido
su aplicación a múltiples funciones.
La gran área superficial de los microgeles y nanogeles permite no sólo una alta accesibilidad a
los analitos y a los receptores de señales, sino también facilita la adhesión de ligandos capaces de
detectar células o componentes específicos de las células. Los nanogeles pueden contener una gran
cantidad de componentes simples o múltiples dentro de la red de gel, así como en la superficie, lo
que resulta en una amplia variedad de métodos de detección que se basan en la intensidad fotónica.
Grupos funcionales altamente cargados, próximos unos a otros, ya sea dentro de la red restringida
del gel o en la superficie, también permiten múltiples interacciones con los componentes de
detección y tienen como resultado la amplificación de la señal. El estudio sobre geles poliméricos
híbridos de nanopartículas es importante ya que estas nanoestructuras cierran la brecha entre la
44
nanociencia inorgánica y la materia blanda. El interés en el desarrollo de aplicaciones emergentes
para el diagnóstico in situ con geles poliméricos de baja toxicidad está creciendo rápidamente.En
resumen, los nanogeles son muy prometedores como portadores y liberadores de fármacos debido a
su alta capacidad de carga, buena estabilidad y cambio de volumen reversible en respuesta a
estímulos del medio, tales como el pH, la temperatura, y el nivel de glucosa, que no tienen
precedente en los transportadores farmacéuticos comunes.
Agradecimientos
Se agradece a Pedro Navarro del Centro de Graduados e Investigación del Instituto
Tecnológico de Tijuana por las imágenes de AFM.
Lecturas adicionales
W. Wu and S. Zhou. “Hybrid micro-/nanogels for optical sensing and intracellular imaging”.
Review Article.
Nano Reviews 2010, 1: 5730
J.K. Oh, R. Crumright, D.J. Siegwart and K. Matyjaszewski. “The development of
microgels/nanogels for drug delivery applications” Progress in Polymer Science 33(4):448 April
2008.
45
¿QUÉ ES UNA NANOEMULSIÓN?
Miguel Ángel Estrada, Eunice Vargas y Andrey Simakov
El significado de la palabra emulsión quizás no es de todos conocido, sin embargo, las
emulsiones están presentes en casi todo momento de nuestra vida cotidiana. La leche, las cremas y
la mantequilla así como la mayoría de los aderezos para ensaladas son algunos de los ejemplos más
comunes de las emulsiones.
Una emulsión se compone de al menos dos líquidos que no se pueden mezclar, uno de los
cuales está disperso en forma de gotas en el otro. El líquido que está presente en menor proporción
se conoce como la fase dispersa y el que está en mayor proporción es la fase dispersante. En la
leche, el agua rodea las gotas de aceite, por lo tanto, es una emulsión de tipo aceite/agua (O/W, del
inglés oil/water); por el contrario, en la mantequilla el aceite rodea las gotas de agua y se denomina
una emulsión agua/aceite (W/O).
Figura 1. Ejemplos de emulsiones: A) leche, B) mantequilla, C) crema, D) crema para la piel y E) aderezos.
Generalmente, las emulsiones son inestables y tienden a separarse en fases bien definidas.
Existen tres tipos de emulsiones inestables (ver Fig. 2): la floculación, en la que las partículas
forman una masa, como sucede con la leche después de algún tiempo de estar a temperatura
46
ambiente; la cremación, en la que las gotas se concentran en la superficie de la mezcla (o en el
fondo, dependiendo de la densidad relativa de las dos fases), donde permanecen separadas entre
ellas, como se observa en la mezcla de agua y aceite de cocina; y la coalescencia, en la que las
partículas se funden y forman una fase líquida, como se aprecia en la descomposición de crema
derivada de la leche. Existen sustancias llamadas emulsionantes que son generalmente surfactantes,
o sea que reducen la tensión interfacial entre dos superficies de contacto, y que al añadirlas a una
emulsión la estabilizan, impidiendo que las pequeñas gotas dispersas se unan unas a otras.
Figura 2. A) Emulsión estable. Emulsiones inestables: B) floculación, C) cremación y D) coalescencia.
La estructura molecular de un surfactante está constituida por una parte que tiene afinidad por
el agua (polar) y otra con afinidad por las grasas (no polar), lo que le otorga doble afinidad. El
surfactante se adsorbe en la interfase agua/aceite en forma orientada, disminuyendo la tensión entre
la superficie de los dos líquidos, un ejemplo de este tipo de moléculas es el jabón. La representación
común de la molécula surfactante es: el grupo polar ocupa la “cabeza” de la molécula y el grupo no
polar la “cola” (Figura 3). En el jabón, la parte no polar de los surfactantes está constituida por
cadenas de carbonos lineales de 8 a 18 carbonos. La parte polar está formada por grupos con carga
eléctrica neta, tales como los radicales carboxilato (-COO-) y el amonio primario (-NH3+).
Figura 3. A) Jabón, el surfactante más común; B) esquema de la estructura de un surfactante.
47
Una vez vez aclarado esto, podemos formular la pregunta: ¿qué es una nanoemulsión? Una
nanoemulsión es una emulsión con gotas extremadamente pequeñas, de diámetro comprendido entre
20 y 200 nanómetros. Estas gotas se estabilizan mediante una película de moléculas de surfactantes
(Figura 4). Las nanoemulsiones tienden a ser transparentes debido al tamaño tan pequeño de la fase
dispersa, además de ser muy estables por la presencia del surfactante.
Figura 4. Esquema de una nanoemulsión estabilizada por un surfactante.
Los métodos empleados con mayor frecuencia para obtener nanoemulsiones se basan en el
intercambio de fases y en el empleo de surfactantes que permiten la estabilidad de las emulsiones y
separan las gotas. El método de emulsionación por el punto de inversión de la emulsión (EIP del
inglés emulsion inversion point) permite obtener emulsiones con tamaños de gota muy pequeños
mediante la transición de una fase a otra, al añadir un componente que permite a la emulsión pasar
de un sistema W/O a un sistema O/W (Figura 5).
Figura 5. Inversión de una emulsión W/O a una O/W por adición de cationes Ca+ al sistema.
48
Las condiciones necesarias para preparar una nanoemulsión son:
• Los componentes se deben seleccionar adecuadamente, tanto en concentración como en
el orden en que se añaden al sistema.
• La inversión de fase debe aplicarse a microgotas para que su ruptura dé como resultado
nanogotas.
• La fase dispersante debe estar presente en gran exceso con respecto al surfactante. Este
exceso permite que se cubra rápidamente la nueva superficie de las nanogotas formadas
durante la inversión; además, inhibe la coalescencia.
En la Tierra, rara vez se encuentra la fuerza necesaria para la formación de nanogotas ya que
la combinación adecuada de líquidos y surfactante es muy compleja. En las zonas donde el aceite se
filtra en los océanos, las emulsiones naturales producidas por la acción del oleaje son comunes, pero
rara vez se forman gotas de menor tamaño a las micras. Es posible que las condiciones adecuadas de
agitación existan debajo de la superficie de la Tierra, donde los líquidos a alta presión podrían fluir
entre las rocas porosas; allí se podrían encontrar nanoemulsiones naturales de aceites de
hidrocarburos con agua. Dejando de lado este fenómeno, las nanoemulsiones que conocemos son
una creación sintética diseñada y producida por el hombre.
En años recientes, las nanoemulsiones se han estudiado debido a las aplicaciones que pueden
tener especialmente en la medicina, ya que permiten transportar y liberar fármacos en el interior del
organismo para favorecer su administración por vía oral, tópica, subcutánea e intravenosa. Las
nanoemulsiones mejoran la absorción de fármacos a través del tracto gastrointestinal y ofrecen
nuevas posibilidades para la administración de fármacos insolubles en agua por vía oral. Las
nanoemulsiones también se han aplicado en formulaciones para el cuidado del cabello y la piel, en la
fabricación de maquillajes y de protectores solares.
La formación de las nanoemulsiones es un proceso fundamental en la síntesis de
nanocatalizadores con tamaños de partículas de la fase activa de entre 1-5 nm.
49
APLICACIONES
50
¿CÓMO SE USAN LOS NANOCATALIZADORES PARA PRODUCIR COMBUSTIBLES
FÓSILES LIMPIOS?
Trino Zepeda, Gabriel Alonso y Sergio Fuentes
A nivel mundial, la fuente principal de combustibles para el autotransporte, tales como diesel
y gasolina, provienen de los cortes intermedios del petróleo obtenidos mediante el proceso de
destilación. La calidad de estos combustibles se obtiene a través de diferentes procesos de
refinación, que les van proporcionando las características adecuadas y la calidad necesaria para su
consumo. Los procesos de la refinación permiten eliminar impurezas que generarían contaminación
atmosférica, daño a la salud y lluvia ácida.
En la gasolina, en particular, se debe eliminar el benceno, ya que se ha detectado que es un
agente cancerígeno. En el caso del diesel, las principales impurezas son el azufre (S), el nitrógeno
(N) y los metales pesados que se encuentran enlazados a las moléculas de hidrocarburos. Sin
embargo, tanto en el diesel como en la gasolina el principal contaminante a eliminar es el azufre. En
la Figura 1 se muestran algunas de los compuestos de azufre presentes en el diesel y las gasolinas
antes de ser procesados.
Durante la combustión interna de los motores de autotransporte se generan diferentes
contaminantes, tales como monóxido de carbono (CO), compuestos orgánicos volátiles (COV),
óxidos de nitrógeno (NOx) y óxidos de azufre (SOx). Por lo tanto, la calidad del aire que respiramos
en las ciudades está directamente relacionada con la calidad de los combustibles utilizados. Debido a
esto, las nuevas regulaciones ambientales contemplan la disminución de los contaminantes presentes
en los combustibles derivados del petróleo.
Para abatir la emisión de CO y NOx a la atmósfera por los automóviles o motores de
combustión interna, se emplean convertidores catalíticos a la salida de los gases del motor (Figura
51
2). En estos convertidores se lleva a cabo la oxidación de CO a CO2 y la reducción de NOx a N2 en
la presencia de metales preciosos. Sin embargo, los convertidores catalíticos se envenenan por la
presencia de óxidos de azufre (SOx) que impiden su buen funcionamiento.
Figura 1. Compuestos de azufre presentes en el diesel y la gasolina.
Figura 2. Esquema de un convertidos catalítico empleado para la limpieza de los gases resultado de la combustión interna (1).
S
H
H
SHR
SR'R
S
SSR
R'
S
Tiofenos
Disulfuros
Sulfuros cíclicos
Sulfuros
Mercaptanos
Ac. Sulfhídrico
S
S
S
S
CH3 CH3
Bezotiofeno
Dibezotiofeno
4,6-Dimetildibezotiofeno
Naftobezotiofeno
Compuestos de azufre
52
En la actualidad, las regulaciones ambientales sobre los niveles máximos de azufre permitidos
en los combustibles de transporte son de 10 partes por millón (ppm) para el diesel y de 15 ppm para
las gasolinas. A estos combustibles se les denomina de ultra bajo azufre y tienen gran demanda a
nivel mundial. El azufre se elimina de los combustibles mediante el proceso llamado de
hidrodesulfuración (HDS). La HDS extrae el azufre en presencia de hidrógeno y de catalizadores de
alta eficiencia. Este proceso es actualmente el de mayor relevancia en la industria de la refinación
para producir combustibles limpios.
Los catalizadores empleados en la HDS están basados en sulfuro de molibdeno (MoS2)
combinado con cobalto o níquel (Co o Ni) y soportado en una matriz o en un soporte de óxido de
aluminio (alúmina). Los catalizadores deben tener la propiedad de extraer fácilmente los átomos de
azufre de las moléculas de hidrocarburos. Una característica de los catalizadores es que su forma
activa requiere que las fases catalíticas activas estén en forma de sulfuros. La combinación de los
sulfuros de Mo y Co o Ni en los catalizadores de HDS aumenta la actividad catalítica con respecto a
la suma de las actividades de los sulfuros individuales; este efecto se denomina sinergia catalítica.
Esto es debido a que las dos fases inducen un mayor número de sitios activos en la superficie,
donde se lleva a cabo la reacción catalítica.
En los últimos años, se ha registrado un aumento importante en la investigación básica sobre
la generación de catalizadores de HDS. Los aspectos más investigados han sido: la textura del
catalizador, nuevos soportes, aditivos, nuevas fases activas y la existencia de diferentes sitios
activos. En este contexto, el investigador en catálisis H. Topsoe, investigador y empresario del
corporativo de la industria de catálisis, propuso un nuevo modelo de sitios catalíticos (Figura 3).
Este modelo propone que las partículas de MoS2 de tamaño nanométrico tienen dos tipos de
sitios catalíticos llamados borde y orilla de la tapa (en inglés, edge y brim). Por lo general, durante la
HDS de moléculas orgánicas que contienen azufre, éste último se elimina directamente de la
molécula a través de la ruptura del enlace S-C, una reacción que se denomina desulfuración directa.
Sin embargo, también se puede eliminar al “S” vía hidrogenación de los enlaces dobles carbón-
carbón (C=C). Con base en el modelo del sitio activo presentado en la Figura 3, se ha propuesto que
la eliminación directa del azufre ocurre sobre los sitios borde, mientras que la eliminación de azufre
mediante hidrogenación se lleva a cabo en los sitios de orilla de la tapa.
53
Figura 3. Representación esquemática del modelo “edge-brim” (borde-orilla de la tapa) propuesto para la
hidrodesulfuración (3).
Hoy en día, el reto de la ciencia química y la ingeniería de materiales es diseñar
nanocatalizadores capaces de afrontar las demandas y necesidades de la industria moderna de la
refinación, principalmente en crudos complejos como el crudo Maya mexicano, que tiene un
contenido de azufre de entre el 3 y el 4 % en peso. En este sentido, cabe mencionar que actualmente
en el Centro de Nanociencias y Nanotecnología de la UNAM, en Ensenada, se está llevando a cabo
un proyecto de desarrollo tecnológico financiado por la Secretaria de Energía y el Consejo Nacional
de Ciencia y Tecnología (SENER-CONACyT) que tiene como objetivo diseñar nuevos catalizadores
para la HDS con alta actividad catalítica para la producción de gasolinas y diesel de ultra bajo azufre
con el objeto de abatir la contaminación ambiental y fomentar los entornos limpios.
Lecturas adicionales
(1) http://autos.aollatino.com/2010/02/22/como-funciona-un-convertidor-catalitico
(2) J. Kibsgaard, A. Tuxen, K.G. Knudsen, M. Brorson, H. Topsøe, E. Lægsgaard, J.V. Lauritsen, F.
Besenbacher J. Catal. 272 (2010) 195–203
(3) N.Y. Topsøe, A. Tuxen, B. Hinnemann, J.V. Lauritsen, K.G. Knudsen, F. Besenbacher, H.
Topsøe J. Catal. 279 (2011) 337-351.
54
¿CÓMO PUEDE CONTRIBUIR LA NANOTECNOLOGÍA A LA PRODUCCIÓN DE
ENERGÍA LIMPIA?
Óscar Olvera y Trino Zepeda
La nanotecnología se encarga de caracterizar, ensamblar y manipular los materiales a escala
nanométrica. En este texto, más que darte definiciones, te platicaremos cómo podemos utilizar este
tipo de tecnología para la producción de energía limpia, con un mínimo impacto ambiental.
Para ello es importante tener en cuenta que todos los procesos asociados al uso de energía tales
como las reacciones de transferencia de carga eléctrica, las reacciones químicas y otros procesos
asociados, ocurren a nivel atómico-molecular, por lo que la nanotecnología puede utilizarse en el
desarrollo de sistemas más eficientes para la conversión, transmisión, almacenamiento y el uso de
esta energía.
En el mundo moderno existen dos demandas importantes de energía, la eléctrica y el uso de
hidrocarburos, éstos últimos utilizados en gran medida como combustibles para el autotransporte.
Sin embargo, las tecnologías principales para la obtención de estas fuentes de energía causan grave
impacto ambiental. Por lo tanto, es necesario el desarrollo de nuevas tecnologías para la obtención
de energía y que, además, sean amigables con el medio ambiente.
Hoy en día, se puede obtener energía eléctrica mediante este tipo de tecnologías amigables con
el medio ambiente; para esto se ha desarrollado el uso de celdas solares y de celdas de combustible.
Las celdas solares se utilizan para convertir la energía proveniente de los rayos solares en energía
eléctrica, mientras que las de combustible convierten la energía proveniente de combustibles
distintos a los hidrocarburos, como metanol e hidrógeno, en energía eléctrica. La ventaja de las
celdas solares es que no generan contaminantes para la producción de la electricidad, mientras que
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los que se generan en las celdas de combustible dependen del combustible que se utilice, con
excepción del hidrógeno, en cuyo caso el único residuo que se obtiene es el agua (Figura 1).
Para entender cómo puede aprovecharse la nanotecnología en las celdas solares es necesario
entender primero su funcionamiento. Una manera en la que las celdas solares pueden absorber los
fotones de los rayos solares es a través de un pigmento anclado a partículas de óxido de titanio
(TiO2). Cuando el pigmento absorbe los fotones, éste se excita y transfiere electrones a la banda de
conducción del TiO2, que a su vez genera una separación de cargas que puede aprovecharse para dar
lugar a una corriente eléctrica.
Figura 1. Conversión de energía solar y química a través de celdas solares y de combustible, respectivamente.
Así pues, si en lugar de tener partículas grandes de TiO2 conseguimos tener partículas más
pequeñas, el área disponible de TiO2 para captar la energía solar será mayor. Para visualizar este
incremento en la superficie, basta pensar en que el área de un cubo de 1 m de lado es de tan solo 6
m2. Si este cubo se divide en 8 cubos iguales (0.5 m de lado) el área total de los cubos será de 12 m2
¡el doble del área del cubo original! Por otra parte, mediante el control del tamaño de las partículas
de TiO2 también es posible modificar sus propiedades ópticas y eléctricas, además de su actividad
fotocatalítica. De esta manera, se pueden diseñar materiales más eficientes que con el tiempo
permitirán reducir los costos de manufactura de estos dispositivos, aunque hoy en día todavía queda
mucho trabajo por hacer.
En años recientes, se ha incrementado aceleradamente el consumo de hidrocarburos líquidos
para el autotransporte. Hasta ahora, la principal fuente de dichos combustibles (e.g. gasolina y
diesel) ha sido el petróleo. Sin embargo, surgen tres problemas fundamentales por el uso de dichos
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combustibles: i) la emisión de contaminantes asociada a estos hidrocarburos (S, N, aromáticos y
otros), ii) no son fuentes renovables y iii) cada vez es más compleja la extracción del crudo para ser
procesado (se requiere de una extracción profunda). El primer problema se puede resolver
(parcialmente) mediante el hidroprocesamiento de las fracciones ligeras del petróleo, un proceso que
logra disminuir el contenido de los contaminantes presentes. El segundo problema
desafortunadamente no tiene solución, mientras que el tercero encarece sumamente los costos de
producción.
Queda claro que es necesario buscar alternativas a los combustibles fósiles como, por ejemplo,
hidrocarburos líquidos provenientes de fuentes alternas (hidrocarburos “verdes”) que contribuyan a
solventar las necesidades energéticas para el autotransporte, ayudando de esta manera a abatir la
contaminación ambiental.
Una alternativa muy prometedora para producir hidrocarburos verdes es la síntesis de Fischer-
Tropsch (FT), mediante la cual es posible obtener gasolinas y diesel de alta calidad (sin aromáticos,
nitrógeno ni azufre). El proceso FT es conocido desde 1923 y lleva el nombre de sus descubridores
alemanes: Franz Fischer y Hans Tropsch. Estos autores encontraron que la reacción química del
monóxido de carbono y el hidrógeno, en la presencia de materiales nanoestructurados a base de
hierro (Fe) y cobalto (Co), puede producir hidrocarburos tales como parafinas (fracciones de diesel),
olefinas (fracciones de gasolina) y ceras (fracciones sólidas). Las fracciones de hidrocarburos de
mayor interés son las parafinas y las olefinas. Si pretendemos obtener hidrocarburos del tipo de la
gasolina o el diesel, tendremos que explorar las condiciones de la reacción, además de controlar la
composición y estructura de las nanopartículas de Fe y de Co, ya que es en estas nanopartículas
donde ocurre la formación de dichos hidrocarburos. Por un lado, se puede controlar fácilmente la
composición química de las nanopartículas; por otro, la estructura o morfología se resuelve a través
de las metodologías utilizadas para su preparación o síntesis, controlando el tamaño, la estructura, la
coordinación química y, por ende, las propiedades electrónicas de las nanopartículas. Dichos
cambios y efectos que podemos modular, los veremos reflejados en la transformación de H2 y CO
para obtener diesel o gasolinas verdes, dependiendo de lo que nos interese producir. Aún hay
mucho trabajo por hacer en este campo, desde aspectos de la ciencia básica hasta el desarrollo de
ingeniería de alto nivel para mejorar la tecnología del proceso FT.
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¿QUÉ ES LA NANOFOTOCATÁLISIS Y PARA QUÉ NOS SIRVE?
Oscar Eugenio Jaime Acuña y Oscar Raymond Herrera
Entendemos por nanofotocatálisis, aquella rama de la fotocatálisis que estudia el fenómeno
catalítico que ocurre en fotocatalizadores nanoestructurados activados con luz. Sin embargo, para
tener una respuesta más clara de la pregunta, comencemos por definir la catálisis, conocida como el
proceso mediante el cual una sustancia ya sea sólida, líquida o gaseosa aumenta la velocidad con la
que ocurre cierta reacción química. Esta sustancia se llama catalizador.
A continuación explicaremos algunos conceptos introductorios y después abordaremos procesos
involucrados en la nanofotocatálisis e identificaremos sus aplicaciones tecnológicas.
Fotoquímica
La fotoquímica comprende el estudio de las transformaciones químicas provocadas o
catalizadas por la emisión o absorción de luz con longitud de onda perteneciente a una de las
regiones del espectro electromagnético del infrarrojo, el visible o del ultravioleta. Aquí nos vamos a
concentrar en el caso de cuando un átomo, una molécula, o un conjunto de moléculas que
designaremos como centros activos (CA) y que, encontrándose en su estado fundamental (no
excitado), pueden absorber un quantum de energía luminosa o, lo que es lo mismo, un fotón. Si esto
sucede, es posible que se produzca la transición de un electrón de los CA hacia un estado de mayor
energía y, por lo tanto, el átomo, la molécula o el conjunto de moléculas, pasan igualmente a un
estado de mayor energía (o estado excitado), convirtiéndose en centros de mayor reactividad que al
estar en el estado fundamental. En la figura 1 se muestra una imagen de microscopia electrónica de
transmisión del semiconductor soportado en mordenita sintetizado por el Grupo de Fotocatálisis del
CNyN y descrito en la pregunta ¿QUÉ SON LOS NANOCOMPUESTOS? El fenómeno
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fotoquímico que nos ocupa y que ocurre a través de la interacción entre los centros activos de un
sólido y el medio que los circunda (gases o soluciones líquidas, acuosas o no, como: colorantes,
compuestos orgánicos, entre otros), se presenta en dos etapas:
Etapa I. Recepción de la energía luminosa y excitación de los centros activos.
Tal proceso puede ser resumido en la ecuación:
CA + Fotón CA*, (1)
donde el * simboliza el estado excitado del centro activo. En la figura 1 se ilustra este proceso:
una vez que el fotón ha sido absorbido, la excitación de la nanopartícula se representa cambiando la
letra de color a verde.
Etapa II. Reacción química con el medio circundante. En esta etapa, según se opere con una
sustancia (AB) o con un sistema de varios componentes (A+B), se realizará ya sea una
descomposición de la sustancia en sus elementos constituyentes, o bien la reacción de los
componentes que conforman un compuesto único.
Tales reacciones pueden ser expresadas con las ecuaciones:
CA* + AB CA + A + B (2)
CA* + A + B CA + AB (3)
donde el centro activo pierde su excitación cediendo y/o aceptando electrones en su
interacción con el medio circundante.
Si las reacciones de descomposición de la sustancia AB o la de fusión de componentes A+B
ocurriesen con la absorción del fotón por uno de los elementos, estaríamos hablando de procesos de
fotólisis o de fotosíntesis, respectivamente. Sin embargo, en nuestro caso, las reacciones ocurren en
presencia del centro activo o fotocatalizador y a tales procesos se les denomina fotocatálisis. En el
círculo de la figura 1, se ilustran dos reacciones posibles de oxidación o reducción (flechas curvas),
promovidas en el medio circundante cuando nuestras nanopartículas fotocatalizadoras excitadas
actúan como agentes oxidantes o como agentes reductores. La simulación estructural a escala que se
ilustra en el círculo, obedece a los resultados de caracterización por difracción de electrones que han
sido obtenidos en el análisis estructural de las nananopartículas semiconductoras de sulfuro de zinc-
cadmio. En nuestro ejemplo, el fotocatalizador excitado, actuando como oxidante, acepta un
electrón de la molécula de agua H2O y la descompone en un ión hidroxilo •OH más un átomo de
hidrógeno protonado H+ como ocurre en la Ecuación 2; mientras que, al actuar como reductor, le
cede un electrón a la molécula de oxígeno O2, convirtiéndola en un ion superóxido O2• ‾.
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Figura 1
Fotocatálisis heterogénea
Como hemos visto, la fotocatálisis es el proceso en que ocurren ciertas reacciones químicas en
presencia de un fotocatalizador que las promueve bajo la acción de la luz. Dado que nuestro
fotocatalizador es un sólido que se expone a reactivos en fases diferentes (gas o líquido), estamos en
presencia de procesos de catálisis heterogénea y no de catálisis homogénea en la que el catalizador y
los reactivos son de la misma fase.
Entre los materiales fotocatalizadores por excelencia que se emplean en procesos industriales
o comerciales y son objeto de estudio de investigaciones científicas a nivel internacional, incluyendo
aquellas que se realizan en el CNyN, destacan los compuestos semiconductores como el TiO2, el
ZnO y sulfuros como el CdS, ZnS, PbS.
Cuando los compuestos semiconductores se iluminan con luz de longitudes de onda del
espectro ultravioleta-visible-infrarrojo, los electrones más alejados de los núcleos atómicos del
material absorben la energía de los fotones incidentes, haciendo que por cada electrón que deja de
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pertenecer a un átomo para pasar a pertenecer a todo el material (electrón libre), se genere un hueco
en el sitio de ausencia del electrón, formándose así los llamados pares electrón-hueco.
En la figura 2 se muestra un cartel con la palabra nanofotocatálisis que fue cubierta con polvos
de nanocompuestos fotoactivos. Tales polvos fueron sintetizados en el CNyN a partir del
crecimiento de nanopartículas semiconductoras de CdS adheridas a la superficie de aluminosilicatos
nanoestructurados. La imagen de la figura 2(A) corresponde a una fotografía de la palabra sin
iluminar y la figura 2(B) muestra la palabra iluminada con luz ultravioleta de longitud de onda de
250 nm. La luminiscencia de color amarillo, característica del CdS, es evidencia de la formación de
pares electrón-hueco.
Figura 2
Con la generación de los pares electrón-hueco por la acción de la luz, el material
semiconductor queda excitado (Ecuación 1). Si la superficie del semiconductor queda expuesta al
contacto con las moléculas constituyentes del gas o el líquido del medio circundante, se promueven
reacciones de oxidación o reducción. Es precisamente durante esta interacción cuando ocurren los
procesos catalíticos descritos en las ecuaciones 2 y 3, o los que se ilustran en la figura 1. Al
interaccionar con las especies circundantes, las nanopartículas semiconductoras aceptan electrones
que ocupan los estados electrónicos de los huecos (oxidación de la especie circundante), o donan sus
electrones libres (reducción de la especie circundante).
Nanofotocatálisis heterogénea
Como se desprende de lo anterior, la eficiencia con la que ocurren los procesos fotocatalíticos
depende tanto de la capacidad del fotocatalizador para crear los pares electrón-hueco como del área
superficial de contacto entre el fotocatalizador y el medio circundante. Un campo de la nanociencia
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en el que actualmente se desarrollan numerosos proyectos de investigación científico-tecnológicos
es la concepción y fabricación de fotocatalizadores nanoestructurados. Al lograr que el
fotocatalizador semiconductor posea dimensiones nanométricas, se incrementa enormemente el área
superficial. El lector puede calcular, por ejemplo, que al dividir una partícula esférica de 1 mm de
radio en partículas de 10 nm de radio, el área superficial total de las nanoesferas es igual a casi
100,000 veces el valor del área superficial de la esfera milimétrica. A su vez, la generación de pares
electrón-hueco incrementará en la misma medida en las nanopartículas semiconductoras al
incrementarse la frecuencia de la interacción entre la luz incidente y los átomos de su superficie.
Por otra parte, para mejorar la eficiencia de los procesos fotocatalíticos se requiere que las
nanopartículas semiconductoras se encuentren homogéneamente dispersas en el seno del medio
circundante que se quiere trasformar. Para ello, se recurre a la síntesis de nanocompuestos
fotoactivos en los que las nanopartículas semiconductoras crecen adheridas a la superficie del
compuesto, llamado soporte catalítico, en forma homogénea y dispersa como se ilustra en la figura 1.
Los procesos catalíticos realizados con fotocatalizadores nanoestructurados activados con luz,
se designan nanofotocatálisis heterogénea y se ha demostrado su gran eficiencia en aplicaciones
tecnológicas. Entre éstas destacan el tratamiento de aguas contaminadas para lograr la erradicación
de agentes biológicos y la mineralización u oxidación de compuestos orgánicos; la conversión de
agua a gas hidrógeno por disociación, el desarrollo de vidrios y pinturas de auto-limpieza, la
conversión de dióxido de carbono en gases de hidrocarburos, la esterilización de instrumentos
quirúrgicos, sensores químicos, así como la generación de energía aprovechando la luz solar.
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¿CÓMO FUNCIONAN LAS PELÍCULAS ANTIRREFLECTORAS EN CÁMARAS
FOTOGRÁFICAS Y BINOCULARES?
Roberto Machorro Mejía
Todos hemos visto el reflejo en un cuerpo de agua o en una ventana de vidrio.
Particularmente, de noche dentro de una habitación, si está oscuro en la parte exterior, veremos
nuestra imagen reflejada en los vidrios de las ventanas.
En el lente de una cámara, aun de las más económicas, o de unos binoculares o anteojos, notamos un
reflejo con cierto tinte que puede ser verde, rojo o violeta. ¿Cuál es el origen de este reflejo?
Cuando la luz cambia de medio, reflexión y transmisión
Tratemos de explicar la primera idea: la luz se refleja cuando cambia de medio. Cuando
nuestro rostro refleja la luz del Sol o de la lámpara, ésta viaja por el aire hasta llegar a la ventana
hecha de vidrio. Parte de la luz se transmite, y por eso nos pueden ver en el exterior, parte se refleja,
y nos vemos nosotros mismos.
Figura 1
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Entre mayor sea el cambio, más grande es la reflectancia R. El cambio se refiere a las
propiedades ópticas de cada material. Esa propiedad se define como índice de refracción, n, y
expresa el comportamiento macroscópico de la interacción entre el campo electromagnético de la
luz que ilumina y los átomos y moléculas del material. Se relaciona con la velocidad de propagación
en el medio, v, relativa a la velocidad en el vacío, c, en la forma � = � �⁄ .
La luz es una onda electromagnética y debe cumplir condiciones en la frontera entre los dos
medios (1 y 2) como se ilustra en la figura 1. Las condiciones que nos interesan son las siguientes:
las componentes del vector eléctrico E tangenciales a la interfaz y las componentes del vector
magnético B normales a la interfaz son continuas, es decir, justo en la frontera, en cada uno de los
dos materiales, son iguales.
El balance de campos en la interfaz, lleva a las relaciones de Fresnel
� ≡ �= �� ��
����� , � ≡ �
= ���
����� ,
donde r y t son los coeficientes de reflexión y transmisión, y Ei, Er, y Et, se refieren a los
campos eléctricos incidente, reflejado, y transmitido, respectivamente. Con ello se definen la
reflectancia R y la transmitancia T, referidas a las fracciones de energía luminosa reflejada y
transmitida, respectivamente, a través de las ecuaciones
� = �� y � = ������ , cuyos valores se expresan en porcientos.
Ejemplo:
Para un vidrio (�� = 1.5) rodeado de aire (��= 1), se calcula
� = �.� ����.�
= �. �, y � = ����.�
= �. �, de modo que R = 4 % y T = 96 %.
Es decir, lo que vemos reflejado en una ventana es apenas el 4 % de la irradiancia incidente,
pero si afuera está obscuro será suficiente para vernos reflejados.
Quizá recuerden la historia del hombre invisible, el cual es casi como nosotros, excepto
porque no lo podemos ver. De acuerdo con las relaciones de Fresnel, el hombre invisible debería ser
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ciego, o no sería del todo invisible; al menos veríamos la lente del ojo. Claro que la historia tiene
muchas otras fallas físicas para ser real.
Influencia de una capa delgada
Como hemos visto, el reflejo en un vidrio es apenas el 4 % de la luz incidente, lo que parece
no tener mucha importancia. Sin embargo, cuando usamos una lente de cámara, sobre todo las de
alta calidad, que pueden tener 8 o 12 lentes, y como cada interfaz refleja el 4 % de la energía
incidente, entonces tendremos que la transmisión total se reduce en T 8 = 72 % o en T 12 = 61 % con
respecto al 96 % de transmitancia en una sola interfaz.
Alguien podría argumentar que no es tan grave. Pero la luz reflejada en cada interfaz ya no
forma una imagen enfocada y nítida en el plano del detector debido a los múltiples rebotes entre las
caras de las lentes, lo que da lugar a un halo de luz difusa que degrada la calidad final de nuestra
imagen. Es decir, el problema no es sólo una reducción de la energía que llega sino también de la
calidad de la imagen. El halo h es una medida del grado de luz difusa que se superpone a la imagen
principal y que puede ser también expresada en porcientos. Al cociente entre la transmitancia y el
halo � �⁄ lo designamos como la razón de luz útil.
Figura 2
Por ejemplo, una lente comercial realmente puede consistir de un arreglo de hasta 15 lentes
configuradas en 24 interfaces aire-vidrio. El desempeño de este sistema sin antirreflectoras sería de
T ~ 20 % y h ~ 18% lo que da una razón de luz útil de � �⁄ ~ 1, es decir, la transmitancia es casi
65
igual al halo y tendríamos una imagen totalmente degradada de objeto. En cambio, el desempeño
con antirreflectoras tiene una T ~ 80%, un h ~ 2%, suponiendo que R = 1%. En este caso, la razón
� �⁄ ~40, es decir, la transmitancia, aumenta, el halo baja y la mejoría es de ¡40 veces! En una lente
de alta calidad, la reflectancia puede llegar a R ~ 0.1%, con lo que � � = 97.6% 3%⁄⁄ , o sea una
razón útil de ¡¡¡ ~325!!!
El problema se resuelve introduciendo un material, con propiedades físicas adecuadas, de
manera muy uniforme sobre el vidrio, de tal forma que, al reflejarse la luz en ese material y también
en el vidrio, las dos ondas se superpongan destructivamente, es decir, se anule una con la otra, dando
reflectancia cero. Para controlar la relación de fase entre las ondas, el espesor debe ser de escala
nanométrica, típicamente de 60 a 100 nanómetros. El detalle de este proceso de interferencia lo
veremos en las siguientes secciones.
Interferencia de ondas. Constructiva y destructiva
Hasta aquí la reflexión en una interfaz. ¿Cómo funciona una película delgada? Sobre un
soporte, que puede ser la lente de la cámara o los anteojos o cualquier vidrio, se crece un material de
propiedades ópticas adecuadas (veremos eso enseguida) y espesores muy pequeños, decenas de
nanómetros. Ahora tendremos dos interfaces, una entre el medio incidente �� y la capa crecida ��, y
la otra entre la capa con el soporte � , como se muestra en la figura 3. En cada interfaz se refleja (y
transmite) una onda. La figura 3 muestra tanto la onda incidente como las reflejadas.
Figura 3
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Si la capa tiene índice mayor que el sustrato (�� ! � ), las ondas reflejadas estarán en fase y
se superpondrán constructivamente. Si el índice de la capa es menor al del sustrato (�� " � ), las
ondas reflejadas estarán corridas en media onda, desfasadas 180°, por lo que se superpondrán
destructivamente. Ambos casos se ilustran en la figura 4.
Figura 4
La figura 4 muestra la forma en que varía la reflectancia con el espesor óptico (EO), definido
por el producto del espesor físico d multiplicado por el índice de refracción, EO = n d. Cuando
hablamos de espesor óptico de un cuarto de onda, nos referimos a una cuarta parte de la longitud de
onda empleada para iluminar. Por ejemplo, si iluminamos con luz verde, λ = 550 nm, el espesor
óptico de un cuarto de onda es EO = λ/4 = 137.5 nm. Despejando al espesor físico, obtenemos que,
para un material con n = 1.35, la capa debe tener un espesor de d = EO/n = 137.5 nm/1.35 = 101.85
nm.
¿Qué ocurre si iluminamos dicha capa con luz de diferente longitud de onda? ¿Habrá
igualmente un mínimo de reflectancia cuando iluminamos con otro color? Para otro color, digamos
el rojo de 650 nm, el valor del espesor óptico expresado en fracciones de λ será de EO = λ/x = 650/x;
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y como EO = n d = 1.35 × 101.85 nm; entonces, igualando y despejando x encontramos que x = 650
nm/(1.35 × 101.85 nm) = 4.73. Es decir, para el rojo, el espesor óptico ya no es un cuarto de onda,
por lo que la reflectancia no tendrá un mínimo coincidente con el del verde (ver la figura anterior).
Para el violeta, 400 nm, x = 2.9, tampoco el EO es un cuarto de onda y su mínimo de reflectancia
tampoco coincidirá.
Resumiendo, la reflectancia tiene un mínimo para cierta la longitud de onda cuando se emplea
una capa con el espesor y el índice de refracción adecuados; para longitudes de onda de valores
cercanos ya no funciona tan bien. Esto puede mejorar con más de una capa, como veremos en la
siguiente sección.
El desfasamiento entre las dos ondas reflejadas, de apenas una fracción de longitud de onda
requiere espesores muy pequeños de decenas de nanómetros. El índice de refracción ideal, que hace
que la reflectancia sea cero, debe cumplir con �� =#��� . Si ponemos ��= 1 y � = 1.5, resulta
��= 1.22; pero no existe en el visible un material con esta característica; el índice más cercano es
��= 1.35, que da una reflectancia residual de ~ 1 %. En la siguiente sección se da un ejemplo en el
que, a pesar de la limitación de materiales, puede superarse este límite.
Al momento de crecer las capas es muy práctico usar cuartos de onda, ya que la reflexión o
transmisión llegan a extremos, máximos o mínimos, y es allí donde se detiene el crecimiento de esa
capa.
Multicapas antirreflectoras
Las capas antirreflectoras de plástico CR-39 que ponen en los anteojos, reducen la reflexión
normalmente de 4 % a un promedio de 0.5 % en todo el visible. Por cuestiones del diseño, llamado
tipo W debido al perfil de la curva, hay un pequeño máximo en la zona del verde, 530 nm, de ahí
que puede apreciarse esa tonalidad en los lentes recubiertos. Aunque hay la posibilidad de reducirla
aún más, no es costeable y dejan como argumento la cosmética: el verde se ve “bonito”.
En cada capa de la figura 5 (izquierda) se anota el material del que está constituida y el
espesor correspondiente. En sistemas ópticos más complejos sí es conveniente mantener la
reflectancia lo más cercana a cero, como en las cámaras, binoculares, espectrómetros y otros.
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Figura 5
Conclusiones
El mundo actual sería imposible sin las películas delgadas, tanto para la óptica como para la
electrónica. La microelectrónica, las computadoras, las comunicaciones, la fotónica no serían
concebibles sin capas delgadas. La tendencia es hacia capas más delgadas cada vez, en especial,
para las aplicaciones en electrónica.
Lectura adicional
E. Hecht, Óptica, 3a Ed., Addison Wesley, 1998.
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¿POR QUÉ UTILIZAR NANOPARTÍCULAS DE SILICIO PARA EL DESARROLLO DE
NUEVOS DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS?
Mario A. Curiel Alvarez, Jesús M. Siqueiros Beltrones y Jesús L. Heiras Aguirre.
Los dispositivos electrónicos están fabricados, en su gran mayoría, de un tipo especial de
materiales llamados semiconductores. El origen de su nombre se debe a que su conductividad
eléctrica tiene valores intermedios entre los de los aislantes y los de los metales.
La electrónica es probablemente la industria de evolución más rápida en el mercado.
Continuamente aparecen nuevos dispositivos que introducen mejoras respecto a versiones
anteriores, mejoras que principalmente tienen que ver con la velocidad de respuesta, la eficiencia, el
consumo de potencia, el factor de forma y la capacidad de los dispositivos. Para poder satisfacer
estas demandas, los fabricantes se enfrentan con importantes retos físicos y tecnológicos, que
implican procesos de manufactura y de prueba más sofisticados. La nanotecnología es una de las
posibles soluciones a esta problemática y, actualmente, apuestan por ella la mayoría de los expertos.
La nanotecnología se refiere a los productos y procesos desarrollados en la escala nanométrica. Uno
de los principales objetivos de la nanotecnología es fabricar sistemas electrónicos novedosos con el
fin de optimizar la confiabilidad y la densidad de integración de los dispositivos de hoy en día.
En la mayoría de los casos, los sistemas nanotecnológicos utilizan en su diseño películas o
capas muy delgadas y, por eso, los fenómenos asociados al funcionamiento de estos dispositivos son
de naturaleza interfacial; esto es, la relación entre el número de átomos de la superficie y los del
cuerpo de la superficie delgada es muy cercana a uno. Por lo tanto, es necesario un buen
entendimiento de las propiedades del material sintetizado en forma de película delgada para poder
interpretar los fenómenos que ocurren en las interfaces de este material y los demás componentes
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del dispositivo. Una opción alternativa es la de trabajar con nanopartículas en este tipo de sistemas.
Al hablar de una nanopartícula, hablamos de una partícula cuyas tres dimensiones son nanométricas.
Una ventaja muy valorada en la fabricación de películas delgadas de SiO2 y nanopartículas de
Si, es su amplia compatibilidad con la tecnología o infraestructura de la microelectrónica actual, ya
que estos dos materiales son desde hace algunas décadas los más utilizados para la fabricación de
dispositivos convencionales, lo que los hace integrables, sin mayor problema, a sistemas y procesos
ya existentes en la industria electrónica.
Por las razones anteriormente discutidas, estructuras del tipo metal-aislante-semiconductor
(MIS, del inglés metal-insulator-semiconductor) que contienen una delgada capa de nanocristales de
silicio (Si NCs, del inglés silicon nano-crystals) dentro de su película aislante (SiO2), son
presentadas a continuación para reflexionar sobre su potencial aplicación en dispositivos
electrónicos tales como celdas solares y dispositivos de memoria no volátil.
Figura 1. Esquema de la estructura MIS con nanopartículas de Si.
Dispositivos de memoria
Las memorias flash convencionales son de tipo no volátil, esto es, la información que
almacenan no se pierde, aun cuando la memoria se desconecte de la fuente de alimentación; ésta es
una característica muy valorada en este tipo de memoria. Las memorias flash se han convertido en el
sistema de almacenamiento y transporte personal de datos más utilizado, desplazando a los disquetes
y a los discos compactos (CD’s). La creación de una nueva versión funcional de este tipo de
dispositivo representa un gran avance en la búsqueda de sucesores para la tecnología de compuerta
flotante utilizada actualmente en los dispositivos de memoria flash.
Metal
SiO
2 Si NCs
Substrato de silicio (Si)
Aislante (SiO2)
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Figura 2. Dispositivos de memoria flash utilizados actualmente.
El uso de los nanocristales de silicio (Si NCs) como nudos de almacenamiento de carga
discreta, ofrece mayor confiabilidad en el dispositivo si se compara con los dispositivos de memoria
convencionales utilizados actualmente, en los que la compuerta flotante está hecha de un material
continuo, por tanto, con el más mínimo defecto en el material dieléctrico circundante la información
almacenada se verá afectada. Las principales ventajas de utilizar nanopartículas en este tipo de
dispositivos son la simplificación del proceso de fabricación, la reducción del espesor de las capas
dieléctricas y, por tanto, el aumento de las velocidades de procesamiento (escritura y borrado). De
manera análoga, al reducir proporcionalmente las dimensiones de un dispositivo, los voltajes de
operación se reducen, permitiéndonos desarrollar dispositivos de bajo consumo de potencia.
Celdas Solares
Actualmente, la mayoría de las celdas solares comerciales están hechas a base de silicio
monocristalino. Sin embargo, el uso de Si o de cualquier otro semiconductor convencional en
dispositivos fotovoltaicos se encuentra, por el momento, limitado por los altos costos de producción.
La fabricación de la celda solar más sencilla es aún un proceso complicado que se lleva a cabo bajo
condiciones rigurosamente controladas. Por tal motivo, los costos de producción de estos
dispositivos son todavía muy altos y deben reducirse de tal manera que puedan remplazar de manera
efectiva el uso de combustibles no renovables.
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Figura 3. Panel de celdas solares convencionales utilizado para alumbrado público.
Una celda solar convencional de Si genera sólo un electrón por fotón de luz solar absorbido.
Algunos otros materiales compuestos a base de plomo, cadmio o indio son capaces de producir
múltiples electrones por fotón pero, generalmente, son tóxicos o de fuentes limitadas.
Recientemente, se ha visto que los nanocristales de Si son capaces de producir dos o tres electrones
por fotón de luz solar. Este efecto nos permite producir un novedoso tipo de celdas con bajo costo de
fabricación y, al mismo tiempo, obtener más del doble de eficiencia que con las celdas solares
convencionales.
Los electrones adicionales generados por estos dispositivos, provienen de fotones de la luz
azul y ultravioleta, los cuales poseen mucha mayor energía que los de la luz roja e infrarroja. En la
mayoría de las celdas solares de hoy en día, la energía de los fotones de alta energía es desperdiciada
al disiparse en forma de calor. Sin embargo, el tamaño reducido de los nanocristales de Si, nos
conduce a efectos adicionales que convierten esta energía en electrones de forma más eficiente. Al
generar varios electrones a partir de fotones de alta energía, este tipo de celdas teóricamente podrían
convertir entre el 40 y 60% de la energía de la luz incidente en energía renovable, en contraste con
los paneles solares utilizados comercialmente que sólo poseen un 20% de eficiencia.
En conclusión, la fabricación de dispositivos semiconductores modernos a base de
nanocristales de Si puede ser extremadamente económica, dando lugar a ventajas significativas
sobre otros enfoques para sustituir a los dispositivos convencionales. Además de estas razones, el Si,
que es por mucho el material más común utilizado actualmente en la industria de los
semiconductores, es uno de los materiales más atractivos para el desarrollo básico de una amplia
gama de dispositivos en un futuro cercano.
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Lectura adicional
Silicon Nanocrystals: Fundamentals, Synthesis and Applications. Lorenzo Pavesi and Rasit Turan,
Wiley-VCH; 1st edition (May 11, 2010)
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¿CÓMO SE RELACIONAN LA NANOTECNOLOGÍA Y LA MEDICINA?
Francisco Rafael Castiello Flores
Una de las ramas de la ciencia de materiales que recién comienza su desarrollo en nuestro país
y que crece a un ritmo acelerado es la de los nanobiomateriales. Países como Inglaterra, Francia,
Japón y Estados Unidos llevan la delantera en esta novedosa rama altamente interdisciplinaria de la
ciencia de los materiales. La idea principal de esta disciplina es combinar los conocimientos de la
física, la química, la biología y la medicina para desarrollar herramientas y tecnologías a escala nano
capaces de mejorar la calidad de vida del ser humano.
Las principales áreas en la que se trabaja actualmente son: biosensores, implantes y prótesis,
entrega de fármacos, bioetiquetado y creación de andamios para el crecimiento de células.
Los biosensores no son nuevos en la ciencia. El uso de microorganismos, biomoléculas o
estructuras subcelulares es bien conocido desde hace muchos años. Sin embargo, al lograr crear
nanomateriales capaces de responder a estímulos sumamente pequeños (gracias a efectos cuánticos
como el plasmón y la conducción balística), ya sea de carga eléctrica, presión o fuerza y al
combinarlos con biomoléculas o microorganismos, se logran medir concentraciones minúsculas que
hasta el momento eran imposibles de detectar. Un ejemplo de este tipo de tecnología, en la que
actualmente se trabaja en el Centro de Nanociencias y Nanotecnología de la UNAM, es la
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combinación de nanotubos de carbono y macromoléculas como los éteres corona y las
ciclodextrinas.
Figura 1. Pequeño robot nanométríco dentro del cuerpo humano (la utopía de la nanociencia, una idea que en la actualidad se cree posible y que alguna vez solo existió en la imaginación de algunos escritores de ciencia ficción), el cual será capaz de luchar contra bacterias y virus directamente y de una manera más eficiente que los medicamentos actuales (Autor: Nestor, I.E.S Marco Fabio Quitiliano, Calahorra, La Rioja [1].
Las ciclodextrinas, son una familia de macromoléculas compuesta por oligosacáridos cíclicos
cuya forma asemeja a la de un cilindro cónico o un vaso (Figura 2b). Los éteres corona, son
compuestos orgánicos con forma de anillo, normalmente con más de doce átomos en su
composición, que contienen oxigeno, nitrógeno y azufre (Figura 2a). Estas macromoléculas tienen la
peculiaridad de poder atrapar en su interior iones metálicos y moléculas orgánicas. Cuando un ión o
una molécula orgánica queda atrapada en su interior se genera una pequeña diferencia de potencial
químico (cambio de energía entre la macromolécula en su estado base y la macromolécula que
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forma un complejo con el ión o molécula huésped) el cual se traduce en un impulso eléctrico que
pasa por el nanotubo de carbono de una manera eficiente debido a su baja resistividad eléctrica, lo
cual no ocurriría normalmente con cualquier otro tipo de materiales en escalas mayores a la nano, ya
que éstos poseen mayor resistividad eléctrica. En la práctica, se espera que este tipo de biosensores
sirvan para poder medir, por ejemplo, el nivel de glucosa en el cuerpo humano a través de la saliva o
la piel sin la necesidad de extraer sangre.
Figura 2. a) Nanotubo de carbono con un éter corona anclado químicamente, b) Nanotubo de carbono con una molécula de ciclodextrina anclada químicamente, c) Ejemplo del proceso de inclusión de una moléculas de p-xileno en una molécula de ciclodextrina (la cual asemeja la forma de una vaso), los pequeños círculos representan moléculas de agua. Imagen de Jerry L. Atwood, Jonathan W. Steed, Encyclopedia of Molecular Chemistry, CRC Press, 2004.
Los implantes y las prótesis son un área en la que el desarrollo de nuevos materiales ha
permitido aumentar la esperanza de vida del ser humano, debido a que, conforme las personas
envejecen, algunas partes del cuerpo comienzan a deteriorarse. Desde hace tiempo se busca la
creación de materiales que sean resistentes a la oxidación que se produce al exponer materiales a
fluidos fisiológicos, los cuales son ricos en oxígeno y a la vez sean biocompatibles, esto quiere
decir, que no sean rechazados por el cuerpo humano y que sean capaces de llevar a cabo la función
para la que fueron diseñados. Los implantes fabricados en la actualidad como son las articulaciones,
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implantes dentales y aparatos cardiovasculares, están compuestos de metales, polímeros y materiales
cerámicos. La nanotecnología, a su vez, ha ayudado a mejorar la biocompatibilidad de este tipo de
implantes y prótesis al manipular la estructura superficial de éstos, obteniendo una mayor
resistencia a la oxidación, evitando el rechazo por parte del sistema inmunológico del cuerpo o
activando ciertas respuestas benéficas de las células que rodean al implante, aumentando así, su
biocompatibilidad. Por ejemplo, la compañía BIOMET 3i ha logrado recubrir implantes
odontológicos de titanio con pequeños nanocristales de fosfato de calcio, los cuales favorecen la
integración de la nueva pieza dental, mejorando a su vez, la estabilidad de la misma y reduciendo el
tiempo de tratamiento a la mitad.
Figura 3. Imagen de microscopio electrónico de barrido (SEM, scanning electron microscope) en la que se pueden observar pequeños nanocristales de fosfato de calcio en la superficie del implante de titanio, imagen obtenida de Vanessa C. Mendes, Rahim Moineddin, John E. Davies, revista Biomaterials, Vol. 28, Ed. 32, 2007, páginas 4748-4755.
La entrega de fármacos dentro del cuerpo humano y su liberación prolongada es un tema de
suma importancia para la medicina actual. Gracias a los avances logrados en la manipulación del
mundo nano es posible alargar el efecto de los medicamentos como antigripales, antibióticos,
analgésicos y desinflamatorios sin tener que incrementar la dosis. Esto se logra al crear
nanobiomateriales capaces de mantenerse circulando dentro del cuerpo liberando poco a poco el
medicamento que llevan en su interior. También, se ha conseguido aumentar la eficiencia de los
tratamientos contra el cáncer entregando el fármaco de manera directa sobre las células cancerosas.
Por ejemplo, actualmente en la universidad de Sheffield en Inglaterra, se investigan y prueban
nanomicelas de polímeros, las cuales llevan el medicamento en su interior. Una vez que estas llegan
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al interior de las células cancerosas, se rompen, en respuesta a un cambio de pH y liberan el
tratamiento sin dañar a las células sanas. Adicionalmente a esto, es posible llevar nanopartículas
metálicas hasta las células de un tumor. Las nanoparticulas están diseñadas para ser luminiscentes y
adherirse a las células dañadas, dejándolas marcadas y permitiendo al médico visualizar, de una
manera sencilla, el tumor, para extirparlo posteriormente sin tener que quitar un exceso de tejido
sano.
Figura 4. Esquema que muestra la entrega de fármacos a través de la membrana celular mediante polimerosomas de escala nanométrica, de Marzia Massignani, Irene Canton, Tao Sun, Vanessa Hearnden, Sheila MacNeil, Adam Blanazs, Steven P. Armes, Andrew Lewis, Giuseppe Battaglia, Plosone, Vol. 5, Ed. 5, e10459.
Por último, pero no menos importante, la nanotecnología ha ayudado a dar grandes pasos a la
medicina regenerativa, en donde se ha descubierto que los nanomateriales forman excelentes
andamios para el crecimiento de células de distintos tipos de tejido. Por ejemplo, se han desarrollado
andamios nanoestructurados de hidroxiapatita, colágeno y otros biopolímeros, los cuales han
demostrado superioridad ante sus homólogos no nanoestructurados para la adhesión, crecimiento y
migración de células en la creación de huesos, cartílagos y nervios sintéticos. Algo curioso es que
aún no se entiende del todo por qué las células del cuerpo que habitan a una escala micrométrica
crecen de manera más eficiente en materiales nanoestructurados.
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Lecturas adicionales
[1] Fundación Española para la ciencia y la tecnología, Nanociencia y Nanotecnología. Entre la
ciencia ficción del presente y la tecnología del futuro, 2009, publicación gratuita en formato pdf en
la página web: http://www.fecyt.es en el apartado de publicaciones.
[2] Seeram Ramakrishna, M. Ramalingam, T .S. Sampath Kumar, Biomaterials: a nano aproach,
CRC Press, Estados Unidos, 2010.
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¿QUÉ ES UN BIOMARCADOR?
Mariana J. Oviedo Bandera, Oscar E. Contreras López y Gustavo A. Hirata Flores
Figura 1
Aplicaciones de los biomateriales. (a) restauración y sustitución de dientes por medio de
materiales metálicos1 y (b) Simulación de nanopartículas de oro radiactivo que, fijadas a un
medicamento, se dirigen a abatir células de cáncer de próstata2.
Los biomateriales se pueden definir como todo material que tiene interacción con algún sistema
biológico. En el humano, la inserción de biomateriales para mejorar algún aspecto de su salud se ha
llevado a cabo desde tiempos muy antiguos. A lo largo de la historia humana, los biomateriales se
han utilizado para reemplazar órganos deteriorados y restaurar funciones perdidas. Por ejemplo, las
aplicaciones odontológicas de madera, de plata y de oro, así como el uso del vidrio para mejorar la
visión se remontan a más de dos mil años de antigüedad y se siguen utilizando en la actualidad
(Figura 1). A finales del siglo XIX y principios del XX, se desarrollaron los primeros biomateriales
1 Biomateriales en Cirugía Maxilofacial, 2007. CanalDental.com
2 Tratamientos de cáncer con nanopartículas de oro, 2010. Nanotecnología México
Célula cancerígena
Nanopartícula
Medicamento
81
sintéticos. Algunos ejemplos son materiales como el polímero polimetilmetacrilato (PMMA) que
desde 1930 es utilizado por los dentistas como resina para la fabricación de prótesis dentales; el
acetato de celulosa, desde 1940 empleado para los tubos de diálisis; el dacrón que hoy en día se usa
para injertos vasculares y el poliuretano empleado como material cardíaco, por ejemplo, para
marcapasos. Una característica fundamental de los biomateriales es que deben ser biológicamente
inertes para poderse incorporar a un sistema vivo y reemplazar o restaurar alguna función,
permaneciendo en contacto permanente o intermitente con los fluidos corporales sin deteriorarse ni
interaccionar con el sistema vivo en cuestión. Debido al uso que se les da, la biocompatibilidad es
la más importante de las propiedades que deben presentar los biomateriales; otras son sus
propiedades mecánicas y su adaptabilidad al medio. El progreso actual en la ciencia de los
materiales ha hecho posible el mejoramiento de los biomateriales así como el diseño de nuevas
aplicaciones que incluyen biomateriales que se usan como medicamentos y dispositivos biomédicos.
El ímpetu de elaboración de nuevos biomateriales ha generado una tendencia hacia la
miniaturización. En los últimos años, esta tendencia ha alcanzado una nueva dimensión en el campo
de la síntesis de biomateriales con tamaños entre 1 y 100 nanómetros, conocidos como
nanobiomateriales. Una de las maneras de fabricar nanobiomateriales es mediante procesos
llamados de “abajo hacia arriba”: se inicia con bloques de construcción a escala atómica que se
ensamblan de manera controlada para obtener un producto con las características deseadas. De esta
forma, actualmente se busca sintetizar nanobiomateriales con propiedades mejoradas de
biocompatibilidad, mecánicas y de adaptabilidad.
Por otra parte, un biomarcador o marcador bioquímico es una sustancia presente en la sangre,
algunos líquidos del cuerpo como la orina o la saliva y algunos tejidos, cuya presencia o cantidad es
indicadora de enfermedad o de intoxicación. Este tipo de molécula biológica indica cambios que
podemos medir, ya sean bioquímicos, fisiológicos o morfológicos, y que se asocian a alguna
enfermedad o a la exposición a una sustancia tóxica. En la actualidad se presenta una tendencia a la
fabricación de biomarcadores sintéticos que indiquen un cambio dentro de un ser vivo, es decir, que
realicen el mismo trabajo y que posean las mismas propiedades de adaptabilidad al medio biológico
que los biomarcadores naturales. El objetivo de un biomarcador sintético es su multifuncionalidad,
por ejemplo, se pueden utilizar para detectar enfermedades degenerativas, obteniendo un
diagnóstico temprano por medio de fluorescencia; también como sistemas de entrega de
medicamentos en sitios específicos, sin causar efectos adversos.
82
Figura 2. Diagnóstico de células tumorales por medio de un biomarcador sintético. El biomarcador consiste en nanopartículas de germanato de bismuto funcionalizadas con anticuerpos3.
La fluorescencia nos provee una importante herramienta para la investigación de estructuras
biológicas. La fluorescencia es un fenómeno de luminiscencia en el que los átomos o las moléculas
se excitan porque absorben la radiación electromagnética y, al estar excitados, emiten luz. La alta
sensibilidad de los materiales fluorescentes a la radiación, combinada con técnicas avanzadas de
medición, permite detectar cantidades ultra-pequeñas de algunas sustancias en los sistemas
biológicos. El análisis por microscopía fluorescente de células o tejidos es cada vez más común. Los
materiales luminiscentes se aplican en biomedicina y biotecnología como identificadores o
biomarcadores sintéticos (Figura 2).
Algunos materiales inorgánicos que se han utilizado como biomarcadores sintéticos son los
puntos cuánticos que poseen alta luminiscencia y sirven para identificar sitios específicos dentro de
un organismo (células o tumores). Se han utilizado para identificar células tumorales in vivo. Sin
embargo, los puntos cuánticos tales como CdS (sulfuro de cadmio) o CdTe (telenuro de cadmio)
presentan alto grado de toxicidad y no son biodegradables. Además, su espectro de excitación se
encuentra en longitudes de onda del ultravioleta cercano (λ= 245-270 nm) y éstas son muy agresivas
para la piel.
Un ejemplo de un biomarcador sintético que es biocompatible son las nanopartículas
luminiscentes de silicio poroso. La ventaja de utilizar este tipo de nanopartículas luminiscentes es
que es posible fabricarlas de un tamaño aproximado de 5-8 nm. Esto permite que sean eliminadas
3 Mariana J. Oviedo Bandera. Thesis: Luminescent Materials for Biomedical Applications. CICESE. 2012
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por el cuerpo de manera eficiente y rápida. Sin embargo, las propiedades luminiscentes de las
nanopartículas de silicio se degradan rápidamente al contacto con un tejido biológico.
Actualmente, en el CNyN se busca desarrollar nuevos materiales luminiscentes de tamaño
menor a los 200 nm y con un longitudes de onda de excitación mayores a λ= 365 nm, procurando
asimismo que las nanopartículas tengan mayor biocompatibilidad y, con ello, más posibilidades de
uso en los seres vivos.
ANEXOS
II
GLOSARIO
Analito: Es el componente en una mezcla cuya presencia o concentración se va a analizar. Área superficial: Extensión de superficie de un material expuesta a un medio; incluye la superficie
externa y la de los poros que se encuentran dentro del material.
Aromático: Compuesto orgánico cíclico que posee dobles enlaces en resonancia.
Autoclave: Recipiente metálico de paredes gruesas y cierre hermético que permite trabajar a alta
presión y a temperaturas controladas para realizar una reacción industrial o de laboratorio, una
cocción o una esterilización con vapor de agua.
Banda de conducción: Última banda de energía con la característica de estar parcialmente ocupada.
Los electrones cuyos valores de energía están en una de estas bandas participan en la conducción
eléctrica.
Bandas de energía: Espectro de energía electrónica de un sólido. Consiste de intervalos continuos
de energías permitidas, separados por intervalos de energías prohibidas. Esta estructura se forma
como resultado de las interacciones entre los átomos y difiere del espectro discreto característico de
un átomo aislado.
Biomarcador: Biomaterial orgánico o sintético que sirve como indicador de cambios en un
organismo vivo.
Biomaterial: Material tolerado por el organismo vivo, utilizado para hacer prótesis o dispositivos
que interactúan directamente con el organismo.
Biomedicina: Rama de la medicina que comprende la investigación del funcionamiento de los
organismos vivos, basándose en los principios de las ciencias naturales como la biología, la química,
la física y ciencias afines. En la biomedicina es materia importante la investigación de métodos para
tratar diversas enfermedades.
Catálisis: Proceso que incrementa la velocidad de una reacción química por la presencia de un
catalizador.
III
Catalizador: Sustancia que no se consume en el proceso de una reacción química, pero que, por su
presencia en la mezcla de reactivos, modifica la velocidad de la reacción. El catalizador puede ser
inorgánico, orgánico, enzimático ó biológico.
Celda unitaria (celda unidad, celda cristalina o celda elemental): Paralelepípedo que contiene un
arreglo de cierto número de moléculas de un compuesto con el cual se puede reproducir la estructura
cristalina de los materiales sólidos así como describir sus propiedades físicas microscópicas y
macroscópicas.
Celda fotovoltaica: Celda solar, actualmente fabricada con materiales semiconductores, en la que la
energía de los fotones provenientes del sol es absorbida por el dispositivo que genera, mediante el
efecto fotoeléctrico, un flujo de electrones libres cuya energía puede ser almacenada en baterías o
utilizada directamente en la alimentación de circuitos electrónicos.
Celda solar: Dispositivo que convierte o trasforma la energía de la luz solar en energía eléctrica. Centrosimétrico: Se dice de un material cristalino cuyas propiedades físicas son invariantes ante la
inversión de coordenadas.
Coloide: Sistema fisicoquímico formado por dos o más fases, principalmente por una fase continua
y otra dispersa en la primera en forma de nano- o micropartículas. Por lo general, la fase continua es
un líquido (aunque puede ser gaseosa o sólida) y la fase dispersa puede estar en estado gaseoso,
líquido o sólido.
Coherencia: Es la propiedad que posee un proceso que mantiene una relación de fase definida. Por
ejemplo, cuando interfieren ondas cuyas fases guardan una relación de fase constante se dice que el
proceso es coherente; si, por el contrario, la superposición se forma con ondas cuya fases varían en
forma aleatoria, el proceso es incoherente.
Combustible limpio: Combustible, libre de contaminantes que pueden afectar el medio ambiente,
como el azufre, el plomo o los compuestos aromáticos, entre otros.
Compuerta flotante: Electrón. Una parte de las estructuras de ciertos dispositivos de efecto de
campo, variantes de los transistores MOSFET, que consiste en un material conductor que se integra
IV
eléctricamente aislado en la zona de la compuerta del dispositivo. Tales compuertas son empleadas,
por ejemplo, en las memorias flash.
Compuesto químico: Sustancia constituida por la unión de dos o más elementos químicos de la
tabla periódica con proporción fija.
Conductor eléctrico: Material que ofrece muy baja resistencia al paso de la corriente eléctrica. Conversión de energía: Proceso fisicoquímico en el cual un tipo de energía se transforma en otro.
Ejemplo, la energía de la luz solar se transforma en energía eléctrica por medio de una celda
fotovoltaica.
Cristalofísica: Rama de la cristalografía que estudia las propiedades y los fenómenos físicos de los
materiales cuyos átomos presentan una estructura cristalina.
Cristalografía: La cristalografía es el estudio de la geometría y las propiedades de las estructuras
cristalinas.
Densidad de integración: Número de componentes electrónicos (resistores, capacitores, diodos,
transistores, entre otros) que pueden ser integrados en un mismo dispositivo o circuito integrado.
Diodo: Dispositivo electrónico que deja pasar corriente en una dirección mientras que la bloquea en
la dirección opuesta.
Diodo túnel: Diodo en el que la corriente que pasa se establece por medio del efecto túnel, esto es,
por la probabilidad de una partícula de atravesar una región del espacio que estaría prohibida según
las leyes de la física clásica.
Dominio ferroeléctrico: Región cristalina de un material ferroeléctrico, eléctricamente polarizada,
donde el vector de polarización de cada celda unitaria tiene la misma dirección y sentido.
Efecto fotoeléctrico: Emisión de electrones de un material que ocurre cuando sobre éste incide un
haz de fotones que tienen suficiente energía para arrancar a los electrones de los átomos e
impulsarlos fuera del propio material.
V
Elasticidad: Propiedad mecánica de ciertos materiales de sufrir deformaciones reversibles cuando
se encuentran sujetos a la acción de fuerzas exteriores.
Espectro: Es el conjunto de valores posibles de la energía de un sistema. Comúnmente, la palabra
se emplea para referirse al resultado de una espectroscopía: espectro de excitación, de emisión, de
rayos X , de impedancia, entre otros.
Espectro electromagnético: Es el conjunto de longitudes de onda de todas las ondas
electromagnéticas.
Estabilidad térmica: Resistencia de un material a la descomposición o deterioro causados por
cambios de temperatura.
Entrecruzamiento: Unión entre dos cadenas poliméricas para formar una red tridimensional. Fluorescencia: Emisión de luz de longitud de onda visible (250 a 660 nm) que emiten algunos
compuestos cuando sus átomos o moléculas son irradiados por luz de longitudes de onda más cortas
(rayos X, luz ultravioleta).
Fotón: Partícula elemental, sin masa, con energía hν, que cuantifica la energía de una onda
electromagnética de frecuencia ν, y donde h es la constante de Planck.
Gel: Estado intermedio entre sólido y líquido formado por una matriz en la que se encuentra
embebido un líquido. Dicho de otra manera, un gel es un coloide en el que la fase continua es sólida
y la dispersa es líquida (ver Coloide).
Grupo funcional: Átomo o grupo de átomos que caracteriza a una clase de compuestos orgánicos.
Cada grupo funcional determina las propiedades químicas de los compuestos que lo poseen, es
decir, determina su función química. Por ejemplo, el grupo funcional hidroxilo (-OH) es
característico de los alcoholes.
Histéresis: Comportamiento cíclico de algunas propiedades de los materiales en función de una
magnitud física aplicada como estímulo externo y en el que los materiales tienden a conservar cierto
valor de la propiedad, aun sin la presencia del estímulo. La histéresis es una característica que
depende fuertemente de la historia precedente del material. Algunos materiales típicos que exhiben
VI
histéresis son los ferromagnéticos como los imanes permanentes, los ferroeléctricos empleados en
capacitores de alto voltaje, o los ferroelásticos empleados como memorias de forma.
Hidroprocesamiento: Tratamiento de los productos obtenidos por el proceso de refinación del
petróleo con hidrógeno a altas temperaturas y presión. Se emplea para eliminar los contaminantes.
Interfacial: Se dice de los fenómenos que ocurren en la frontera común entre cuerpos, regiones,
sustancias o fases adyacentes.
Interfase (pl. interfases): Quím. Superficie o separación entre dos fases físicas o químicas
diferentes; por ejemplo, entre agua y aceite o entre agua y hielo.
Interfaz (pl. interfaces): Fís. Región de contacto de dos superficies. Electrón. Puerto por el cual se
envían o reciben señales desde un sistema hacia otros; por ejemplo, la interfaz USB, interfaz SCSI,
interfaz IDE, interfaz puerto paralelo o serial. Dispositivo capaz de transformar las señales emitidas
por un aparato en señales comprensibles por otro. Zona de comunicación o acción de un sistema
sobre otro.
Lisis: Destrucción de una célula o de un organelo celular mediante el rompimiento de su membrana
celular.
Luminiscencia: Emisión de luz de longitudes de onda visibles que ocurre cuando los electrones de
un material son excitados por una fuente de energía externa lo que los posiciona en niveles de mayor
energía; posteriormente, durante el proceso de relajación de los electrones a niveles de menor
energía, éstos emiten fotones.
Material compuesto: Cuerpo sólido constituido por una mezcla de dos o más tipos diferentes de
materiales y/o compuestos químicos.
Micelas: Conglomerados de moléculas que constituyen una de las fases de los coloides. Estas
moléculas constan de dos partes, una hidrofóbica (que repele al agua) y una hidrofílica (que es afín
al agua). Las micelas son similares a burbujas; sus moléculas se orientan por la afinidad que tiene
cada parte con el medio en el que se encuentran. Por ejemplo, en el agua, la parte hidrofílica de las
moléculas está orientada hacia fuera de la micela y la hidrofóbica hacia adentro. En las grasas, las
VII
moléculas se orientan al revés, la parte hidrofóbica hacia afuera de la micela y la hidrofílica hacia
adentro.
Nanocompuesto (nanocompósito o nanocomposito): Material compuesto cuyas partes
constituyentes se caracterizan porque una o más de sus dimensiones están en el orden de los
nanómetros (entre 0.1 y 100 nm).
Nanoestructura: Arreglo de átomos cuya arquitectura tiene al menos una de sus tres dimensiones
en el orden de los nanómetros (entre 0.1 y 100 nm).
Onda electromagnética: Onda formada por un par de entidades físicas acopladas, denominadas
campo eléctrico y campo magnético; es generada por cargas en movimiento, puede propagarse en el
vacío o en un medio material y transportar energía o ejercer presión.
Oxidación: Reacción química que es una parte de la reacción de oxidación-reducción. En esta
reacción uno o más pares de electrones se transfieren entre los reactivos, el agente oxidante y el
agente reductor, provocando un cambio en sus estados de oxidación. Estas dos reacciones siempre
ocurren juntas, es decir, cuando una sustancia se oxida, siempre va acompañada de otra que se
reduce.
Partes por millón: Medida de concentración. Se refiere a la cantidad de unidades de una sustancia
que hay por cada millón de unidades del conjunto.
Película ultrafina: Capa muy delgada crecida sobre un sustrato y cuyo espesor es de unos cuantos
nanómetros.
Permitividad: Propiedad física de los materiales que indica cómo y cuánto se redistribuyen las
cargas del material bajo la acción de un campo eléctrico externo. La permitividad relaciona
proporcionalmente al vector desplazamiento eléctrico con el campo eléctrico externo.
Plasmón - Es una oscilación colectiva coherente de electrones, que conforma una onda de densidad
de carga eléctrica con un campo electromagnético asociado. Puede existir en el interior de un metal
o viajar sobre su superficie.
VIII
Polímero: Macromolécula formada por unión de varias unidades repetitivas de monómeros.
Polimerización: Reacción química para producir polímeros a partir de monómeros. Polimerosoma: Vesícula esférica cuya membrana es una doble capa compuesta por polímeros. Radiación electromagnética: Nombre genérico de las ondas electromagnéticas en todo el espectro
conocido de longitudes de onda, frecuencias o energías. Por ejemplo, la radiación en la parte visible
(para los ojos humanos) del espectro electromagnético comprende ondas con longitudes de onda en
el intervalo de 400 nm (ultravioleta) a 750 nm (infrarrojo).
Refinación: Procesos de tratamiento que incluyen el fraccionamiento y las transformaciones
químicas del petróleo para la obtención de los productos de alto valor comercial.
Resistencia mecánica: Capacidad de los materiales para resistir esfuerzos y fuerzas aplicadas sin
romperse.
Semiconductor: Material que se puede comportar como conductor o como aislante eléctrico,
dependiendo de factores como la temperatura, la presión o la radiación que incide sobre él.
Sinergia: Fenómeno en que el efecto de la influencia de dos o más agentes que actúan en conjunto
es mayor al esperado, considerando la suma de la acción de los agentes por separado.
Soporte: Apoyo o sostén. Quím. Sustancia inerte que en un proceso proporciona la adecuada
superficie de contacto o fija alguno de sus reactivos. Catál. Sustrato que sostiene o sobre el cual se
crece el catalizador, y donde, además, puede participar en los procesos químicos que suceden antes,
durante y después de un proceso catalítico.
Sustrato: Estrato que subyace a otro y sobre el cual puede influir. Biol. Lugar que sirve de asiento a
una planta o a un animal fijo. Bioquím. Sustancia sobre la que actúa una enzima. En relación con las
películas delgadas, es el soporte sobre el que se elige depositarlas, aprovechando sus propiedades
mecánicas, estructurales y conductivas, entre otras.
Tensión interfacial: Fuerza que existe en la zona de contacto de dos líquidos inmiscibles separados
por una interfase, por ejemplo, el agua y el aceite. Esta fuerza es consecuencia de la tensión
superficial de los dos líquidos.
IX
Transportador: Entidad capaz de acarrear de un lugar específico a otro materiales que incluyen
desde especies biológicas y compuestos químicos hasta cargas eléctricas.
Zona interfacial: Frontera común entre cuerpos, regiones, sustancias o fases adyacentes.
X
AUTORES
Brenda Acosta Ruelas, M. Sc., estudiante del doctorado en Física de Materiales, CICESE y CNyN-UNAM, [email protected]. Joel Antúnez García, Ph. D., Departamento de Fisicoquímica de Nanomateriales, CNyN-UNAM,
Francisco Rafael Castiello Flores, estudiante de maestría en Ciencia e Ingeniería de Materiales,
CNyN-UNAM, [email protected].
Oscar E. Contreras López, Ph. D., Departamento de Nanoestructuras, CNyN-UNAM, [email protected]. José Manuel Cornejo Bravo, Ph. D., Facultad de Ciencias Químicas e Ingeniería, UABC campus Tijuana, [email protected] Ernesto Cota Araiza, Ph. D., Departamento de Fisicoquímica de Nanomateriales, CNyN-UNAM, [email protected]. Mario A. Curiel Álvarez, Ph. D., Departamento de Materiales Avanzados, CNyN-UNAM, [email protected]. Alejandro Durán, Ph. D., Departamento de Materiales Avanzados, CNyN-UNAM, [email protected]. María de la Paz Cruz, Ph. D., Departamento de Materiales Avanzados, CNyN-UNAM, [email protected]. Miguel Ángel Estrada, M. Sc., estudiante del doctorado en Física de Materiales, CICESE y CNyN-UNAM, [email protected]. Viridiana Evangelista. M. Sc., estudiante del doctorado en Física de Materiales, CICESE y CNyN-UNAM, [email protected]. Sergio Fuentes, Ph. D., Director del CNyN, [email protected]. Jesús L. Heiras Aguirre, Ph. D., Departamento de Materiales Avanzados, CNyN-UNAM, [email protected].
XI
Gustavo A. Hirata Flores, Ph. D., Departamento de Fisicoquímica de Nanomateriales, CNyN-UNAM, [email protected]. Oscar Eugenio Jaime Acuña. M. Sc., estudiante del doctorado en Física de Materiales, CNyN-UNAM, [email protected]. Catalina López Bastidas, Ph. D., Departamento de Física Teórica, CNyN-UNAM, [email protected]. Eder Lugo Medina, Ph. D., Departamento de Nanocatálisis, CNyN-UNAM, [email protected] Roberto Machorro Mejía, Ph. D., Departamento de Materiales Avanzados, CNyN-UNAM, [email protected]. Domingo Madrigal Peralta, Ph. D., Centro de Graduados, ITT, Baja California, [email protected]. Jesús Alberto Maytorena Córdoba, Ph. D., Departamento de Física Teórica, CNyN-UNAM, [email protected]. Leonardo Morales de la Garza, Ph. D., Departamento de Nanoestructuras, CNyN-UNAM, [email protected]. Gabriel Alonso Núñez, Ph. D., Departamento de Nanoestructuras, CNyN-UNAM, [email protected]. Amelia Olivas Sarabia, Ph. D., Departamento de Nanocatálisis, CNyN-UNAM, [email protected]. Óscar Germán Olvera Olmedo, Ph. D., Departamento de Nanocatálisis, CNyN-UNAM, [email protected]. Mariana J. Oviedo Bandera, M. Sc., estudiante del doctorado en Física de Materiales, CICESE y CNyN-UNAM, [email protected]. María Isabel Pérez Montfort, Biól., Secretaría Académica, CNyN-UNAM, [email protected]. Oscar Raymond Herrera, Ph. D., Departamento de Materiales Avanzados, CNyN-UNAM, [email protected].
XII
Pamela Rubio Pereda, M. Sc., estudiante del doctorado en Física de Materiales, CICESE y CNyN-UNAM, [email protected]. Andrey Simakov, Ph. D., Departamento de Nanocatálisis, CNyN-UNAM, [email protected]. Jesús María Siqueiros, Ph. D., Departamento de Materiales Avanzados, CNyN-UNAM, [email protected]. Elena Smolentseva, Ph. D., Departamento de Nanocatálisis, CNyN-UNAM, [email protected]. Eunice Vargas, M. Sc., estudiante del doctorado en Ciencias e Ingeniería del área de Nanotecnología, UABC, [email protected]. Trino Zepeda, Ph. D., Departamento de Nanocatálisis, CNyN-UNAM, [email protected].
CNyN: Centro de Nanociencias y Nanotecnología UNAM: Universidad Nacional Autónoma de México CICESE: Centro de Investigación y de Educación Superior de Ensenada UABC: Universidad Autónoma de Baja California ITT: Instituto Tecnológico de Tijuana
XIII
ÍNDICE TEMÁTICO
bioetiquetado: 74
biomarcador: 80-82, II
biomaterial: 74, 77, 79-81, II
biomedicina: 90, II
biosensor: 74, 76
campo cercano: 22-24
catálisis: 11-12, 30-31, 38-39, 52, 57-61, II
catalizador: vii, 30, 36-37, 48, 50, 52-53, 57-61, III
celda fotovoltaica: III
celda solar: 71-72, III
combustible limpio: III
compuesto: 2, 7-12, 16, 30, 36, 41, 50, 51, 57-61, 72,
75, 77, IV, VII
conversión de energía: 55, IV
core-shell: 29
emulsión: 45-48
entrega de fármacos: 74, 77-78
fármaco: 30, 38, 41, 43, 44, 48, 74, 77-78
fotocatálisis: 11-12, 57-61
fotón: 22, 43, 57-58, 68, 72, V
fotoquímica: 57
gel: 11, 42-45, V
grupo funcional: V
hidroprocesamiento: 56, VI
implante: 43, 74, 76-77
luminiscencia: 60, 82, VI
macromolécula: 38, 75, VII
nano-óptica: 22
nano-oro: 34-36
nanobiomaterial: 74, 77, 81
nanocatalizador: vi, 36-37, 48, 50, 53
nanocompuesto: 7-12, 57, 60-61, VII
nanoemulsión: 45, 47-48
nanoestructura: v, vii, 8, 23-25, 27, 29-31, 43, 56-57,
60-61, 78, VII
nanofotocatálisis: 11, 57, 60, 61
nanomaterial: v, 4, 74, 78
nanopartícula: vii, 2, 5, 10-12, 24-27, 35-37, 41, 43, 56,
58, 60-61, 69-71, 78, 80, 82-83
nanopartículas de silicio: 69, 83
nanoreactor: 28-32
nanotecnología: v-vii, 3, 5, 8-9, 16, 26, 31, 37, 41, 43,
53-55, 69, 74, 77-79, 80
núcleo-cápsula: 29-32
onda electromagnética: 22, 63, VII
oro: iv, vi, 4, 34-37, 75, 80
plasmón: 22, 25-27, 74, VII
polímero: 7, 30, 41-43, 77-78, 81, VII, VIII
refinación: 50, 52-53, VIII
resonancia: 15, 26, 41, II
semiconductor: 10-14, 23, 57-61, 69-72
síntesis de Fischer-Tropsch: 56
surfactante: 46-48
transportador: 44, IX
XIV
Dr. José Narro Robles
Rector
Dr. Eduardo Bárzana García
Secretario General
Lic. Enrique del Val Blanco
Secretario Administrativo
Dr. Francisco José Trigo Tavera
Secretario de Desarrollo Institucional
M.C. Miguel Robles Bárcena
Secretario de Servicios a la Comunidad
Lic. Luis Raúl González Pérez
Abogado General
Enrique Balp Díaz
Director General de Comunicación Social
