1er conversatorio del ciclo b2011 la nanociencia y la nanotecnología

Nanociencia y la Nanotecnología

Dr. Noboru Takeuchi

Centro de Nanociencias y Nanotecnología

Universidad Nacional Autónoma de México

Campus Ensenada

Red "José Roberto Leite"

de Divulgación y Formación en Nanotecnología

Educación

Centro de Nanociencias y Nanotecnología

Centro de Nanociencias y NanotecnologíaUNAM-Campus Ensenada

Investigación

Nanoestructuras

Materiales Avanzados

Nanocatálisis

Fisicoquímica de superficies

Física Teórica

Bionanotecnología

EducaciónPosgrados:Física de Materiales CICESECiencias e Ing. Materiales UNAMCiencias Fisicas UNAM

PregradoCarrera de Nanotecnología

Nanobots

Existen?

Los nanobots como los de las películas no existen todavía.

Pero si existen la Nanociencia y la Nanotecnología

Museo de Delicias Chihuahua

Nano viene del griego y significa enano

¿Qué quiere decir nano?

Nano= 10-9 = 1/mil millones

Nanometro: 10-9 metros

1metro/mil millones

1 milimetro dividido en un millon

¿Que tan enano es un nano?

Para tener una idea del tamaño de un nanómetro:

Diámetro de un glóbulo rojo

Diámetro de un cabello humano

~75,000 nm,

Diámetro de un glóbulo rojo

~ 3,000 nm

Diámetro del virus de la influenza

~ 200 nm

Nanoestructuras: objetos de tamaño entre 1 y 100

nanómetros.

La nanociencia estudia las nanoestructuras y los

procesos fundamentales que ocurren en escalas entre

1 y 100 nm.

DEFINICIONES

1 y 100 nm.

La nanotecnología aplicaciones de la nanociencia en

productos utiles.

En muchas ocasiones se denomina nanotecnología a

la habilidad de controlar la materia átomo por átomo

¿Qué tiene de especial la nanoescala?

Primero hablemos de las propiedades de los materiales

macroscopicos

Ejemplo:

El Oro.

Es un metal,

buen conductor de la

electricidad,

maleable

Dorado!

mm micras

Si cortamos una moneda de oro a la mitad, sus propiedades

no cambian. Media moneda es metálica, conductora,

DORADA.

Si repetimos el proceso, las cosas no cambian

podemos llegar hasta las micras sin que se modifiquen las

propiedades del oro.

Si pudiésemos seguir cortando la

moneda,

al llegar a los nanómetros nos

sorprenderíamos:

Oro nanoscopicoOro nanoscopico

Propiedades distintas!!

Depende del tamaño

No es dorado

Los nanomateriales tienen un área superficial muy grande,

propiedad que presenta ventajas significativas en procesos como la

absorción de la luz y de separación de carga en semiconductores y en

la actividad catalitica.

Una segunda ventaja de las nanopartículas es la dependencia de sus

propiedades ópticas con su tamaño. Cuando los electrones están

Ventajas de los nanomateriales para lasaplicaciones

propiedades ópticas con su tamaño. Cuando los electrones están

confinados en una partícula muy pequeña (tamaño nanométrico)

sólo pueden ocupar niveles de energía bien definidos y la separación

entre estos niveles de energía depende del tamaño de la partícula.

Esto se conoce como el efecto de confinamiento cuántico y en este

caso las nanopartículas se denominan puntos cuánticos.

En tercer lugar, los dispositivos basados en nanomateriales puedes

ser más baratos de fabricar.

METODOS PARA EL ESTUDIO DE

LAS NANOESTRUCTURASLAS NANOESTRUCTURAS

Los microscopios

Resolución α λ

Centro de Nanociencias y NanotecnologíaUNAM-Campus Ensenada

Resolución α λ

Luz visible λ ~3800-7800 Å

Microscopios electrónicos

� Debido a la dualidad partícula onda los electrones tienen propiedades ondulatorias

� La longitud de onda del electrón es de aproximadamente λ ~0.5Å

Se puede tener resoluciones atómicas� Se puede tener resoluciones atómicas

Centro de Nanociencias y NanotecnologíaUNAM-Campus Ensenada

Microscopio electrónico de Transmisión

(TEM)

Centro de Nanociencias y NanotecnologíaUNAM-Campus Ensenada

Nanoestructuras de 0D

Microscopio electrónico de

Barrido (SEM)

Centro de Nanociencias y NanotecnologíaUNAM-Campus Ensenada

NO TIENE RESOLUCION ATOMICA

Microscopio de tunelamiento

electronico (STM)

Se basa en el efecto

tunel

(efecto cuantico)

Scanning tunneling microscope

Con el STM podemos ver los átomos

Cada punto brillante corresponde a un átomo

Muchas veces no es posible identificar los átomos en los microscopios

Simulaciones por computadora:

Cálculos de primeros principios (ab initio)

Crecimiento en la capacidad de cómputo

Nuevos métodos de cálculo, problemas más complicados

1011

1012

1013

1014

1015

1016

Intel

IBM Roadrunner

Teraflop

Petaflop

IBM Blue Gene L

NEC Earth Simulator

Intel ASCI White

Intel ASCI Red

Fujitsu NWTHitachi CP-Pacs

1960 1970 1980 1990 2000 2010105

106

107

108

109

1010

1011 Intel

Año

Gigaflop

Fujitsu NWTHitachi CP-Pacs

TM CM5NEC SX3

ETA 10Cray2Cray XMP

CDC-Cyber205Cray1

CDC-Star100CDC7600

CDC6600

IBM7030

Flo

ps

Computadora Roadrunner

Los Alamos National Laboratory

1.105 petaflop/s

Synapsys in the brain 1015

1997

Se decia que el ajedrez era un juego tan complicado que necesitaba de la inteligenciahumana y que una computadora jamas podriavencer a un buen jugador.

2010 80 Teraflops

Que sigue?

Espectroscopías

� Infrarroja

� Raman

� Ultravioleta

Radiación inicidente Radiación saliente

� Ultravioleta

� Auger

Muestra

Infrarroja Si iluminamos nuestra muestra con radiación infrarroja de una determinada frecuencia, podemos observar que en algunos casos la radiación es absorbida casi completamente.

Sabemos que a cada frecuencia de la luz le corresponde una energía. corresponde una energía.

Si la radiación es adsorbida para una frecuencia particular cuando pasa por la muestra, significa que la energía es transferida al material, cambiando el modo de vibración de las moléculas.

La frecuencia depende del enlace de la molecula

Espectro infrarrojo del Formaldehido, H2C=O

Raman

Radiación inicidente Radiación saliente

Se hace incidir radiación de una sola frecuencia (normalmente de un láser) sobre una muestra. Se mide entonces la frecuencia de la radiación saliente, la cual pude ser igual o diferente a la frecuencia de la radiación incidente.

Muestra

radiación incidente.

En el segundo caso, el cual es el que nos interesa, la molécula termina vibrando en un modo diferente.

A partir de la diferencia de frecuencias podemos obtener información sobre las moléculas y su estado

� Espectro Raman de Caucho de Estireno/Butadiene.

Hay muchas otras espectroscopias:

Auger

UVUV

Rayos X

METODOS DE FABRICACION

DE NANOESTRUCTURAS

• METODOS FISICOS

• METODOS QUIMICOS

• METODOS BIOLOGICOS

Otra vez el:

Microscopio de tunelamiento

electronico (STM)

Con el STM se pueden manipular o mover atomo por atomo

Pagina web de la IBM

Ejemplo:Ejemplo:Palabra Atomo en caracteres kanji

Fe sobre Cu:

Esta es la forma como se pueden mover los átomos con el STM

Se acerca la punta

átomos con el STM

Creacion de un corral

cuantico usando el STM

Prof. Prof. Saw Hla

U. Ohio

Se puede usar el STM para fabricar dispositivos

Mediante la inyección de electrones a la molécula de la clorofila, ésta adquiere cuatro posiciones diferentes que varían de lineal a varían de lineal a completamente curvada, las cuales pueden ser controladas, creando así un interruptor molecular de cuatro pasos con precisión atómica.

Crecimiento MBE, Epitaxia de haces moleculares:

hay un control capa por capa

En forma similar a como se pinta con un aerosol

pintamos las superficies con atomos

Los “chips” de computadoras son fabricados usando un método

Luz

Lentecondensador

Litografía y Nanolitografía

Litografía se refiere a la impresión con tinta de una imagen grabada en una matriz o molde de piedra sobre un papel.

fabricados usando un método llamado fotolitografía. En lugar de tinta se usa luz

Máscara

Lente deenfoque

Sustrato

Con luz ultravioleta se tiene líneas de 100 nm de anchoCon luz del extremo ultavioleta se tienen lineas de 14 nmUsar electrones en lugar de luz

Nanolitografia usando una punta de un

microscopio de fuerza atomica

Punta del AFM

Dirección de escritura

Sustrato

METODOS DE FABRICACION

DE NANOESTRUCTURAS

• METODOS FISICOS

• METODOS QUIMICOS

• METODOS BIOLOGICOS

Los métodos físicos son muy caros.

En la década de los 90 se comenzaron a usar métodos químicos- para fabricar nanopartículas en forma fácil y económica.

Muchos de los métodos tradicionales de la química resultaba en la fabricación de nanoestructuras

Método de microemulsiones.

Aceite

Agua

Aceite

No se mezclan

Surfactanteo

detergenteMicroemulsiones

Se disuelven los reactivos adecuados (A y B) en diferentes micoremulsiones cada uno. Por ejemplo, si queremos fabricar nanopartículas de oro, A podría sería una sal de oro, y B un reductor.Hydracine N2H2

Ha sido aplicada para fabricar partículas metálicas puras (Pt, Pd, Ir, Rh, Au, etc), binarias (Pt/Pd, Pt/Ru, Pt/I, etc) y

Nanopartículas de rutenio fabricadas por el método de micoremulsiones.

(Pt/Pd, Pt/Ru, Pt/I, etc) y también pude ser usada para fabricar nanopartículasmultimetálicas.

Metodo de Aspersión Pirolítica o spray

pyrolysisGas inerteSolución

Sobre un sustrato (metal, vidrio, etc) colocado dentro de un calefactor al cual se le puede graduar la temperatura.

Superficie donde se crece la nanoestructura

Calefactor

temperatura. Le hacemos incidir un sprayformado por un gas portador (inerte al sistema) más una solución que contiene una sustancia, la cual al descomponerse sobre la superficie del sustrato, producirá la naonopartícula.

� Imagen de microscopía electrónica de transmisión de un nanotubo de carbón fabricado con spray pirólisis.

METODOS DE FABRICACION

DE NANOESTRUCTURAS

• METODOS FISICOS

• METODOS QUIMICOS

• METODOS BIOLOGICOS

En la búsqueda por hacer más eficiente y barata la fabricación de nanoestructuras, se está explorando el uso de organismos vivos, los cuales se pretenden que remplacen las herramientas de alta tecnología que remplacen las herramientas de alta tecnología que usamos actualmente.

Materiales nano-estructuradosy la biología

Nanoestructuras que se Nanoestructuras que se encuentran en los seres vivos

Materiales nano-estructuradosNanoporos

Poros o cavidades de cavidades de tamañosnanoscópicos

En los seres vivos tenemos

Las diatomeas son formas microscópicas unicelulares de vida marinaEl cuerpo celular de las diatomeas está encerrado por paredes de sílice (óxido de silicio), las cuales constituyen una especie de “esqueleto” que recibe el nombre de frústula.

NanotubosDiámetro de algunos nanómetros

En los seres vivos tenemos

Tubos vasculares

NanopartículasDiámetro de algunos nanómetros

Virus

Uso de los seres vivos para fabricar nanoestructurasfabricar nanoestructuras

Plantas

J.L Gardea-Torresdey, et al.Nano Letters vol 2, (2008).

Nanoestructuras de oro cuando se crecen plantas de alfalfa en un ambiente rico en cloruro de oro

Bacterias

� Imagen de miscroscopía de varias bacterias magnetostáticas y

magnetosomas.

Nanofibras

Producidas por Shewanella

El hongo fusarium oxysporum puedesintetizar puntos cuánticos de CdSe conuna alta luminiscencia mediante laincubación en una mezcla de CdCl2 y SeCl4.

La capacidad de bio-mineralización de las diatomeaspuede ser controlada parafabricar biológicamentemateriales nanoestructurados desilicio y germanio. Investigadorespudieron insertarmetabólicamente metalesforáneos (por ejemplo germanio)

Materiales luminiscentes usando diatomeas

foráneos (por ejemplo germanio)en la frústula (de sílice) de lacélula de una diatomea viva paraluego producir copias en formamasiva (aproximadamente unmillón por milímetro desuspensión líquida de cultivo decélula). Estos materiales poseenpropiedades optoelectónicasincluyendo una fuerteluminiscencia en la región azul.

� Gracias por su atención

� takeuchi@cnyn.unam.mx

� cienciapumita@hotmail.com