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TEMA 11A: INTRODUCCIN A LA NANOTECNOLOGA Y A LOS

MATERIALES NANOESTRUCTURADOS

1. INTRODUCCIN Y BREVE EVOLUCIN HISTRICA

El prefijo nano significa una milmillonsima (10-9) y el prefijo micro significa una millonsima

(10-6). Luego los materiales nano y microestructurados son aquellos en los que el

ordenamiento se encuentra a estos niveles.

La nanotecnologa trata sobre las diferentes estructuras de la materia con dimensiones del

orden de la milmillonsima parte del metro. Aunque la palabra nanotecnologa es

relativamente nueva, la existencia de estructuras funcionales de dimensiones nanomtricas no

lo es; adems, tales estructuras han existido en la naturaleza desde el mismo origen de la vida.

El molusco llamado oreja de mar (tiene unidades de carbonato clcico con una distribucin

nanomtrica de carbohidrato y protena, es lo que llamamos nanomaterial) construye conchas

muy resistentes, cuyas superficies interiores son iridiscentes, mediante la organizacin del

carbonato de calcio en forma de unidades nanoestructuradas unidas entre s mediante un

pegamento hecho con una mezcla de carbohidrato y protena. Aunque se formen grietas en el

exterior de la concha estas no pueden atravesarla totalmente gracias a estas unidades

nanoestructuradas. Estas conchas son una evidencia que las estructuras fabricadas de

nanopartculas pueden ser ms fuertes.

Histricamente no es fcil establecer cuando los humanos comenzaros a aprovechar las

ventajas de los materiales estructurados a nivel nanomtrico. Se sabe que en el siglo IV (a.C)

los vidrieros romanos fabricaban cristales que contenan metales nanometricos. Un ejemplo de

esto es "la copa de licurgo" situado en el museo britnico, que representa la muerte del rey

Licurgo, hecha de vidrio de sosa y cal que contiene nanopartculas de oro y plata. El color de la

copa vara de verde a rojo intenso cuando se introduce una luz en su interior.

En 1857 Michel Faraday public un artculo en la revista Philosophical Transactions of the

Royal Society, en el que trat de explicar cmo las nanopartculas influyen en el color de los

ventanales de las iglesias. Posteriormente Gustav Mie fue el primero que explic en la revista

Annalen der Physik (Leipzig 1908) cmo el color de los vidrios depende del tipo y tamao del

metal.

Las nanoparticulas son extremadamente inestables, porque tratarn de volver al contenido

energtico mnimo despus de que hayan almacenado toda la energa del proceso de

reduccin de tamao.

El gran qumico irlands Robert Boyle reconoci la potencial importancia de los cmulos en su

obra Sceptical Chymist (1661). En esta obra Boyle critica la teora aristotlica de que la materia

est formada por cuatro elementos (tierra, fuego, agua y aire) sugiriendo que pequeas

partculas de materia se combinan para formar lo que l denomin corpsculos, a los que se

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refiere como diminutas masas o cmulos que no son fciles de disipar en las partculas que las

formaron.

La fotografa convencional es una tecnologa madura y avanzada, cuyo desarrollo se produjo

en los siglos XVIII y XIX, que depende de la produccin de nanopartculas de plata sensibles a

la luz. La pelcula fotogrfica est formada por una emulsin (una capa fina de gelatina que

contiene bromuro de plata) depositada sobre una base de acetato de celulosa transparente. La

luz descompone los haluros de plata produciendo nanopartculas de plata, que son los pxeles

de la imagen. A lo largo del s XIX un buen nmero de cientficos franceses e ingleses trabajaron

en la metfora de la tecnologa fotogrfica.

En 1883 el investigador G. Eastman construy una pelcula formada por una tira de papel

recubierta por haluros de plata, y posteriormente la hizo enrollable, con lo que la fotografa

pas a popularizarse. Posteriormente fundara Kodak.

Richard Feynman recibi el premio nobel de fsica en 1965 por sus trabajos en electrodinmica

cuntica, una temtica alejada de la nanotecnologa. Al leer su libro autobiogrfico "surely

you're joking, Mr Feinman" se puede apreciar lo amplio y variado de sus intereses y su

extraordinario ingenio. En 1960 present una conferencia proftica titulada "There is plenty of

room at the bottom" (hay bastante espacio en el fondo) donde especul sobre las

posibilidades de los materiales nanomtricos. Propuso manipular tomos individualmente

para poder construir estruturas con propiedades diferentes a las de materiales masivos, esto

ha sido posible mediante el uso de la AFM, lo que se comentar. Feynman intent construir

circuitos a escala nanomtrica para su uso en ordenadores ms potentes. Concibi la

formacin de lineas con una anchura de unos pocos tomos, avanzando as la posibilidad de la

litrografa de haz de electrones, utilizadas hoy dia para producir chips de silicio. Reconoci la

existencia de nanoelementos y nanotecnologa en los sistemas biolgicos. Muchas de las

ideas se han hecho realidad, pero sus ideas no tuvieron resonancia en aquella poca; fue tan

adelantado a su tiempo que ha sido necesario que pasen muchos aos para que haya podido

conectar con la gente.

No significa que antes de Feynman no se estuviese trabajando sobre pequeas partculas

metlicas, lo que sucede es que no se haba inventado la palabra nanotecnologa.

Uhlir en 1956 inform sobre el silicio poroso, lo que sucede es que hasta 1990 no se observ

su fluorescencia a temperatura ambiente.

En los aos 60 se obtuvieron nanopartculas de metales alcalinos por vaporizacin de sodio o

potasio metlico y su posterior condensacin sobre un material ms fro que actuaba como

sustrato.

Otra rea de actividad de los aos 60 estuvo centrada en la Resonancia Paramagntica

Electrnica (RPE) de electrones conductores en partculas metlicas nanodimensionales,

denominadas coloides en aquellos tiempos. Las nanopartculas se obtenan por

descomposicin trmica y por irradiacin de slidos con iones. Esta descomposicin por calor

de slidos es una de las tcnicas para obtener nanopartculas metlicas, como se tendr

ocasin de exponer.

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En los aos 70 se esclarecieron muchos aspectos de la estructura de nanopartculas metlicas

y la existencia de "nmeros mgicos". Herman y col. midieron el potencial de ionizacin de los

cmulos de sodio en 1978 y observaron que dependa del tamao del cmulo, lo cual condujo

al modelo "cuajante" (jellium) de cmulos que se discutir en captulos posteriores.

A principios de la dcada de los 70 diferentes grupos de los laboratorios Bell e IBM

desarrollaron el primer pozo "cuntico" bidimensional. Mediante una tcnica de crecimiento

epitaxial de una pelcula delgada lograron una capa semiconductora construida tomo a

tomo. Este fue el inicio del desarrollo de los puntos cunticos.

En los aos 80 aparecieron los mtodos apropiados para la fabricacin de nanoestructuras, lo

que origin un aumento notable de la investigacin y en los resultados. En 1982 se desarroll

un mtodo para obtener cmulos metlicos mediante el uso de un lser de potencia que

permita evaporar metales a plasma caliente. Una rfaga de helio enfraba los vapores

condensando los tomos metlicos en cmulos de diversos tamaos. En 1985 se utiliz este

mtodo para obtener fullereno (C60), material que tiene una geometra esfrica, formada por

60 tomos de carbono (uniones hexagonales y pentagonales), cosa increble ya que en esta

poca se crea que los tomos de carbono solo podan tener hibridaciones sp, sp2 y sp3.

En 1987 los irlandeses BJ. Van Wess y H. van Houten y los britnicos de la universidad de

cambridge D. Wharam y M. Pepper observaron mesetas en las curvas corriente-potencial de

pequeos puntos de contacto. Esto fue la primera observacin de la naturaleza cuntica de la

conductancia. En la misma poca T.A. Fulton y G.J. Dolan de los laboratorios Bell construyeron

un transistor de un solo electrn y observaron el bloqueo de Coulomb, lo que se explicar en

un captulo posterior.

Como ya se ha dicho este periodo ha quedado marcado por el desarrollo de mtodos de

fabricacin, tales como la Litografa de Haz de electrones, capaz de producir estructuras de

dcimas de nanmetros. En esta dcada tambin se fabricaron capas alternantes de metales

magnticos/materiales no magnticos, que poseen la propiedad de comportarse como

resistencias magnticas gigantes. Estas capas tenan 1 nm de espesor y poseen una importante

aplicacin en dispositivos de almacenamiento magntico de los ordenadores.

Aunque el concepto de cristales fotnicos se formul tericamente en los aos 80, no fue

hasta 1992 cuando Yablonovitch fabric el primer cristal fotnico peridico que posea un gap

de banda (zona prohibida) completo.

En los 90 Ijima obtuvo nanotubos de carbono y se encontr con que el C60 puede presentar

superconductividad y ferromagnetismo. Tambin se iniciaron los trabajos para obtener

conmutadores moleculares y medir la conductividad elctrica de las molculas.

Se demostr el efecto de campo de un transistor basado en nanotubos de carbono. Se

intensific el estudio del autoensamblaje de molculas a superficies metlicas

espontneamente, con la formacin de un ordenamiento organizado de molculas en la

superficie.

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En 1996 varias agencias gubernamentales bajo la direccin de la National Science Foundation

(NSF), organiz un estudio para evaluar el estado actual de la nanociencia y la nanotecnologa:

DOS OBSERVACIONES

Cualquier material es susceptible de obtenerse a nanoescala (para obtener

propiedades o aplicaciones novedosas). La base de esta consideracin es que para

cualquier propiedad de un material vamos a tener una longitud caracterstica o critica

asociada (longitud dispersante).

Por ejemplo, la resistencia de un material resultante de la conduccin de los

electrones, por colisiones con tomos que vibran y con impurezas, se caracteriza por

una longitud denominada longitud dispersante. Esta longitud corresponde a la

distancia promedio que viaja un electrn antes de desviarse (recorrido libre medio).

Las leyes fundamentales de la fsica y la qumica cambian cuando las dimensiones del

slido son comparables a estas "longitudes crticas" que son del orden nanomtrico

(en el campo de la nanotecnologa las longitudes crticas siempre son nanomtricas). Al

respecto uno de los ejemplos ms importantes es lo que sucede cuando el tamao de

un material semiconductor se encuentra en el orden de magnitud de la longitud de

onda de los electrones o huecos que conducen la corriente.

En este caso la estructura electrnica cambia completamente. Esta es la base de los

puntos cunticos, que es una aplicacin madura de la nanotecnologa que ha dado

lugar a los lseres de punto cuntico que se usan para leer los discos compactos CD.

Pero el nmero de dimensiones nanomtricas y los propios tamaos influyen

fuertemente sobre la estructura electrnica.

Si solamente una de las dimensiones de una nanoestructura tridimensional es

nanomtrica, a esta estructura se la llama POZO CUNTICO. Cuando son dos, las

dimensiones de magnitud nanomtrica se llama ALAMBRE CUNTICO. Un PUNTO

CUNTICO tiene las tres dimensiones nanomtricas. Los cambios en las propiedades

electrnicas segn el tamao se expresan principalmente en las propiedades pticas

de los materiales nanomtricos.

La segunda observacin general fue el reconocimiento de la gran variedad de

disciplinas que contribuyen al desarrollo de la nanotecnologa naturaleza

interdisciplinar.

2. NANOCMULOS METLICOS

2.1. Nmeros mgicos

La figura 1. Corresponde a la ilustracin de un dispositivo usado para formar cmulos de

tomos metlicos. Un rayo laser de alta intensidad incide sobre el disco metlico y provoca la

evaporacin de tomos de la superficie del metal. Entonces los tomos son barridos por un

chorro de helio y pasan al vaco a travs de un orificio donde el gas se expande, lo que provoca

su enfriamiento y la formacin del cmulo de tomos metlicos. Estos cmulos son ionizados

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por radiacin UV y pasados a un espectrmetro de masa que determina sus relaciones masa/

carga (pico).

Fig 1. Aparato para obtener nanopartculas por evaporacin inducida por rayo lser de tomos de la superficie de un metal.

Cuando se forman cmulos de un determinado nmero de tomos e iones no se forman

cmulos cualquiera, sino que hay algunos que son ms comunes. A esos cmulos se les

denomina nmeros mgicos: Los nanomateriales forman cmulos con un nmero de tomos

determinado en cada cmulo nmeros mgicos. Los dems se formaran con menos

abundancia.

La figura 2. muestra el espectro de masa de cmulos de plomo formados en un experimento

de este tipo, donde el nmero de iones (conteo) se presenta como una funcin del nmero de

tomos en el cmulo. Los datos muestran que los cmulos de 7 y 10 tomos son ms

probables que otros cmulos, lo que significa que esos cmulos son ms estables que los de

otros tamaos.

Fig2. Espectro de masa de cmulos de Pb

La fig. 3a corresponde a un grfico de potencial de ionizacin de tomos como funcin del

nmero atmico Z, que corresponde al nmero de electrones en cada tomo. El potencial de

ionizacin es la energa necesaria para desprender el electrn ms externo de un tomo. El

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mximo en los potenciales de ionizacin se alcanza para los gases nobles: Helio, Nen y Argn,

debido a que sus orbitales "s" y "p" ms externos estn llenos. Se requiere ms energa para

desprender un electrn de orbitales llenos que uno de orbitales parcialmente ocupados.

La fig. 3b presenta el potencial de ionizacin de cmulos de sodio, en funcin del nmero de

tomos en el cmulo. Se pueden observar picos para los cmulos que poseen 2 y 8 tomos.

Estos nmeros se llaman nmeros mgicos electrnicos, y este resultado motiv el desarrollo

del modelo "jellium" de los cmulos. En el caso de la estabilidad de cmulos mayores, viene

determinada adems por la estructura, y los nmeros mgicos corresponden a los nmeros

mgicos estructurales.

Fig.3 Grfico de la energa de ionizacin de tomos solitarios frente al nmero tomico

2.2. Modelizacin de nanopartculas

El modelo jellium analiza un cumulo de tomos como un tomo grande. Se acepta as que la

carga nuclear positiva de cada tomo en un cumulo se encuentra uniformemente distribuida

sobre una esfera del tamao del cumulo. Se utiliza un pozo de potencial con una simetra

esfrica para representar el potencial que describe la interaccin del electrn con la

distribucin esfrica de carga positiva. Por tanto, se puede obtener los niveles de energa se

resuelve la ecuacin de Schrdinger para este sistema, de forma anloga a como se hizo para

el tomo de hidrogeno. La fig. 4 compara el esquema de niveles de energa para el tomo de

hidrogeno con el de una distribucin esfrica de carga positiva. Los subndices se refieren al

nmero de electrones que llenan un nivel de energa en particular. El nmero mgico

electrnico corresponde al total de electrones en el supertomo cuando el nivel superior est

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lleno. Debera notarse que el orden de los niveles en el modelo jellium es diferente del

correspondiente al tomo de hidrgeno. En este modelo, los nmeros mgicos corresponden a

aquellos cmulos que poseen un tamao para el que los niveles de energa estn llenos.

Fig.4 Comparacin de los niveles de energa del tomo de hidrgeno y los del modelo jellium de un cmulo.

Otro modelo alternativo, que se ha usado para calcular las propiedades de los cmulos, es

considerar los cmulos como molculas y utilizar las teoras de orbitales moleculares, como

por ejemplo la teora de los funcionales de la densidad, para calcular las propiedades. Esta

aproximacin se puede utilizar para calcular las estructuras geomtricas y electrnicas de

cmulos metlicos pequeos.

Segn la teora cuntica del tomo de hidrgeno, el electrn circulando alrededor del ncleo

se describe por una onda. La funcin matemtica de esta onda se obtiene mediante la

ecuacin de Schrdinger, que incluye el trmino potencial electrosttico entre el electrn y el

ncleo cargado positivamente. El cuadrado de la amplitud representa la probabilidad de

encontrar el electrn en alguna posicin relativa al ncleo. La funcin de onda de menor nivel

del tomo de hidrgeno, designado como nivel 1s, tiene la forma:

donde "r" es la distancia entre el electrn y el ncleo y "p" es el radio de la primera orbita de

Bohr.

En el caso de una molcula tal como el ion (H2+) la teora de orbitales moleculares acepta que

la funcin de onda del electrn, que gira alrededor de los dos ncleos H, se puede describir

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como una combinacin lineal de la funcin de onda de tomos de hidrogeno aislados. Por

tanto la funcin de onda de los electrones en el estado fundamental o base todava mantiene

la forma:

Estos mtodos de orbitales moleculares, con algunas aproximaciones, se han aplicado a las

nanopartculas metlicas. Mediante los modelos se puede obtener la energa, que es lo nico

que puedo medir.

2.3. Reactividad

Puesto que la estructura electrnica de las nanopartculas depende del tamao de la partcula,

la capacidad del cmulo para reaccionar con otras especies tambin depender del tamao del

cmulo, lo que tiene implicaciones en el diseo de agentes catalticos.

Existe evidencia experimental para el efecto del tamao en la reactividad de las

nanopartculas. Su reactividad con varios vapores se puede estudiar con el aparato que

esquematizamos en la figura 1, en el que se introducen gases en la regin del haz de cmulos

(antes de que las partculas del haz de cmulos entren en el espectrmetro de masas se

introducen varios gases).

2.4. Cmulos magnticos

Aunque no es exactamente correcto, un electrn en un tomo puede considerarse una carga

puntual que gira alrededor del ncleo. Este movimiento alrededor del ncleo genera un

momento angular orbital y produce un campo magntico (excepto para los estados "s"). Se

dice que el electrn posee un momento magntico orbital. Hay otra contribucin ms del

momento magntico que surge del hecho de que el electrn posee un espn. Clsicamente se

puede considerar al electrn como una esfera cargada rotando alrededor de un eje. Por tanto

existe un momento de espn, adems de un momento magntico orbital, que pueden sumarse

para dar el momento magntico del electrn.

El momento total del tomo ser el vector suma de los momentos de cada electrn en el

tomo. En los niveles de energa llenos, con un nmero par de electrones, los momentos

magnticos de los electrones se encuentran pareados en sentido contrario, con un momento

magntico neto cero. Por tanto, en los slidos, la mayora de los tomos no presentan un

momento magntico neto. Sin embargo, existen algunos tomos de metales de transicin,

tales como el hierro, el manganeso y el cobalto, que presentan niveles de orbitales d

parcialmente llenos que, por tanto, si poseen un momento magntico neto.

Al tratar las propiedades magnticas de los nanocmulos de tomos metlicos que presentan

momento magntico neto, veremos que los momentos magnticos de cada tomo van a

interaccionar con los momentos magnticos de otros tomos y puede forzar a que todos los

momentos magnticos se alineen en una sola direccin, con respecto a algn eje de simetra

del cmulo. El cmulo poseer momento magntico neto y se dice que se encuentra

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magnetizado. El momento magntico de tales cmulos se puede medir mediante el

experimento de Stern-Gerlach, ilustrado en la figura 5.

Fig. 5 Experimento Stern-Gerlach usado para medir los momentos magnticos de las nanopartculas

Las partculas de cmulos se introducen en una regin donde existe un campo magntico no

homogneo que separa las partculas en dependencia de si su momento magntico est

orientado hacia arriba o hacia abajo. De la deflexin del haz, y con un conocimiento de la

fuerza y el gradiente de campo magntico, se puede determinar el momento magntico.

Sin embargo, para las nanoparticulas magnticas se ha encontrado que el momento magntico

medido es menor que el valor correspondiente a una alineacin paralela perfecta de los

momentos en el cmulo. Los tomos en el cmulo vibran, y esta energa de vibracin aumenta

con la temperatura. Estas vibraciones provocan algunas desalineaciones en los momentos

magnticos de los tomos individuales del cmulo, por lo que el momento magntico neto del

cmulo resulta menor que el que se debera encontrar si todos los tomos tuvieran sus

momentos alineados en la misma direccin.

Cuando se aplica un campo externo lo ms probable es que el momento magntico de un

cmulo se alinee en la direccin paralela al campo que en la direccin antiparalela. El

momento resultante ser menor a temperaturas superiores y por esta razn el llamado

superferromagnetismo se producir a temperaturas bajas (las cercanas al cero absoluto).

Vamos a tener mejores propiedades a temperaturas bajas que a altas.

Una de las propiedades ms interesantes que se han observado en las nanopartculas es que

los cmulos constituidos por tomos no magnticos pueden presentar un momento magntico

neto. Por ejemplo, cmulos de renio muestran un pronunciado incremento en sus momentos

magnticos cuando contienen menos de 20 tomos

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3. TRANSICIN DE LO MASIVO A LO NANO

Uno puede preguntarse con cuntos tomos un cmulo adquiere las propiedades de los

materiales masivos?

4. FOTOFRAGMENTACIN

La fotofragmentacin consiste en hacer incidir haces de energa muy elevados para conseguir

la fragmentacin de cmulos (se forman cmulos diferentes ya que se rompen).

Se ha observado que las nanoparticulas de silicio y germanio pueden fragmentarse cuando se

someten a la luz de un laser Nd-YAG conmutado Q. Los productos dependen del tamao del

cmulo, de la intensidad del lser y de la longitud de onda. Si representamos, por ejemplo, la

probabilidad de que se rompa el cmulo con una luz laser de 532 nm frente al tamao de un

fragmento de Si se puede ver que ciertos tamaos de fragmentos tienen ms tendencia a

disociarse que otros.

Se ha observado que cuando el tamao de cumulo es mayor de 30 at. la fotofragmentacion

ocurre de forma explosiva explosin Coulombiana.

La energa que se libera es similar a la de una reaccin nuclear se fisisorcin.

5. EXPLOSIN COULOMBIANA

La ionizacin mltiple de los cmulos provoca que se hagan inestables y como resultado se

dan disociaciones rpidas de alta energa o explosiones ya que las velocidades que alcanzan los

fragmentos son muy altas. A este fenmeno se le llama "explosin coulombiana". Las

ionizaciones mltiples de un cumulo provocan una rpida redistribucin de las cargas en los

tomos del cumulo y cada tomo se hace ms positivo.

Si la fuerza de repulsin electrosttica entre los tomos es mayor que la energa de enlace

entre ellos, los tomos rpidamente se separarn entre s a altas velocidades.

El nmero mnimo de tomos N requerido para que un cumulo de carga Q sea estable

depende del tipo de tomo y de la naturaleza del enlace entre los tomos del cmulo.

La tabla 1 da los tamaos ms pequeos que son estables para cmulos doblemente cargados

de diferentes tipos de tomos y molculas. La tabla tambin muestra los cmulos ms grandes

que se estabilizan ms fcilmente a altos grados de ionizacin. Los cmulos de gases nobles

tienden a ser mayores porque sus tomos tienen sus capas totalmente llenas, lo que provoca

que se atraigan entre si por fuerzas mucho ms dbiles, llamadas fuerzas de Van der Waals.

Las fuerzas de atraccin entre los tomos de un cmulo pueden sobrepasarse por la repulsin

electrosttica entre los tomos cuando resultan cargados positivamente como resultado de la

fotoionizacin. Una de las manifestaciones de una explosin Coulombiana se inform en la

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revista Nature al observar la fusin nuclear en cmulos de Deuterio sometidos a pulsos de

laser de femtosegundos (10-15s). Los cmulos se obtuvieron de la forma usual descrita arriba, y

fueron sometidos a un pulso de lser de femtosegundos de alta intensidad. Los fragmentos de

la disociacin tienen energas de hasta un milln de electronvoltios (MeV). Cuando los

fragmentos de deuterio colisionan poseen la energa suficiente para realizar la fusin nuclear.

Esta reaccin libera un neutrn con 2.54 MeV de energa. La evidencia de que la fusin tuvo

lugar estriba en la deteccin de neutrones, mediante detectores de centelleo de neutrones

acoplados a tubos fotomultiplicadores.

Tabla 1. Algunos ejemplos de diferentes tipos de los cmulos multicargados ms pequeos que se puedan

obtener (cmulos ms pequeos an explotarn).

6. POZOS, ALAMBRES Y PUNTOS CUNTICOS

Cuando se reduce continuamente el tamao de un material, desde dimensiones

macroscpicas hasta las ms pequeas, inicialmente las propiedades se mantienen iguales, y

despus comienzan a aparecer pequeos cambios; finalmente cuando el tamao cae por

debajo de los 100 nm aparecen bruscas variaciones en sus propiedades

Si se reduce una dimensin a un orden nanomtrico, mientras que las otras dos se

mantienen grandes, obtenemos la estructura que se conoce con el nombre de POZO

CUNTICO.

Si son dos las dimensiones las que se reducen, mientras que la tercera se mantiene

grande, la estructura se llama ALAMBRE (o hilo) CUNTICO.

Si son las tres dimensiones las que se reducen se llama PUNTO CUNTICO (quantum

dot).

En los tres casos de nanoestructuras se les denomina cuntico ya que los cambios en las

propiedades surgen de la naturaleza mecanocuntica de la fsica en los dominios

ultrapequeos. La fig. 6 ilustra estos procesos de disminucin de tamao para el caso de una

geometra rectilnea, mientras que la fig. 7 presenta las correspondientes reducciones en una

geometra curvilnea.

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Fig. 6 Generacin progresiva de nanoestructuras rectangulares

Fig. 7 Generacin progresiva de nanoestructuras curvilneas

7. PREPARACIN DE NANOESTRUCTURAS CUNTICAS

Un enfoque en la preparacin de una nanoestructura, llamado "enfoque de abajo hacia

arriba" consiste en formar estructuras a partir de tomos o molculas individuales. Esto se

realiza por una secuencia de reacciones qumicas controladas normalmente por un catalizador.

Este proceso tiene su origen en la biologa donde por ejemplo, los catalizadores llamados

enzimas ensamblan aminocidos para construir tejidos vivos que forman los rganos del

cuerpo.

El enfoque contrario en la preparacin de nanoestructuras es el mtodo de arriba hacia

abajo, que parte de un objeto o un patrn a macroescala al que se le reducen

progresivamente las dimensiones. Esto se puede conseguir mediante por ejemplo la litografa,

que consiste en irradiar, a travs de una plantilla , una superficie recubierta con un material

protector sensible a la radiacin (fotosensible), tal como el PMMA de alto peso molecular.

Una vez irradiada, esta sustancia se retira y entonces se trata qumicamente la superficie para

producir la nanoestructura.

El primer paso en el proceso litogrfico 8a consiste en colocar un protector que sea sensible a

la radiacin sobre la superficie del sustrato de la muestra.

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Entonces se irradia la muestra con un haz de electrones en la regin donde quedar localizada

la nanoestuctura, como se muestra en la fig 8b. Esto se puede hacer mediante una plantilla de

radiacin que contiene el patrn de la nanoestructura, como aparece en la figura o bien

mediante un barrido de haz de electrones que impacte la superficie solo en la zona deseada.

La radiacin modifica qumicamente el rea expuesta con lo que se hace soluble en un

revelador (aguafuerte). Este es precisamente el tercer paso 8c, la aplicacin del revelador para

extraer la porcin irradiada del protector. El cuarto paso 8d, es la insercin de una cscara

protectora en la cavidad formada, y el quinto paso 8e es eliminar el resto de las partes del

protector. El sexto paso 8f se eliminan qumicamente con aguafuerte las reas del pozo

cuntico no recubiertas por la mscara protectora para producir la estructura cuntica

presentada cubierta con la mscara protectora. Finalmente, si fuera necesario se retira esta

mascara protectora para obtener la estructura cuntica deseada 8g, que puede ser alambre

cuntico o puto cuntico.

Fig. 8 Pasos en la formacin de un alambre cuntico o un punto cuntico por litografa de haz de electrones

El proceso ms comn es la litografa de haz de electrones que utiliza un haz de electrones

para irradiar. Otros tipos de litografa emplean haces de tomos neutros (Li, Na, K, Rb, Cs),

haces de iones cargados o REM (como luz visible, UV, Rayos X). Cuando se utilizan lseres los

duplicadores pueden provocar longitudes de onda de 150 nm tiles para la fabricacin de

puntos cunticos.

8. NANOESTRUCTURAS DEL CARBONO

Es precisamente la diversidad en la naturaleza del enlace del carbono lo que permite que ste

forme algunas de las nanoestructuras ms interesantes, particularmente los nanotubos de

carbono.

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8.1. Nuevas estructuras del carbono

Hasta el ao 1964 se crea de forma generalizada que no era posible la existencia de otros

ngulos de enlace en los hidrocarburos, esto es, en compuestos que slo contienen tomos de

carbono e hidrgeno. Ese ao, Phil Eaton, de la universidad de Chicago, sintetiz una molcula

cbica de carbono C8H8 llamada cubano, que aparece en la figura 9a.

En 1983, L. Paquette de la universidad estatal de Ohio, sintetiz la molcula C20H20, con forma

dodecadrica, mostrada en la figura 9b, con los carbonos enlazados formando pentgonos y

con angulos de enlace entre 108 y 110. La sntesis de estas molculas de hidrocarburos, con

ngulos de enlace del carbono diferentes de los valores convencionales tiene importantes

implicaciones en la formacin de nanoestructuras de carbono, que tambin requeriran

ngulos de enlace diferentes.

Fig. 9: Estructura cbica del cubano C8H8 (a) y estructura dodecadrica del C20H20 (b)

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8.2. Cmulos de carbono

8.2.1. Pequeos cmulos de carbono

La evaporacin lser de un sustrato de carbono en un pulso de helio gaseoso, permite obtener

cmulos de carbono. El haz de cmulos neutros obtenido se ioniza con un lser UV y se analiza

en un espectrmetro de masa.

Cuando la luz de una estrella lejana atraviesa el cosmos y llega a la tierra, se reduce la

intensidad de la radiacin extincin ptica.

8.2.2. Estructura del C60 y su cristal

La molcula C60 recibi el nombre de fullereno, nombre proporcionado por el arquitecto e

inventor R. Buckminster Fuller, quien dise la cpula geodsica que se asemeja a la

estructura del C60. Originalmente la molcula se denomin buckminsterfullerene, pero

resultaba un nombre demasiado largo, asi que se acort a fullereno. Una representacin de la

molcula se muestra en la fig. 10. Posee 12 caras pentagonales y 20 hexagonales

simtricamente distribuidas para formar un baln molecular. Estas molculas con forma de

baln se asocian entre s en un slido para formar una red cristalina con una estructura cbica

centrada en las caras. En la red, cada molcula de C60 est separada de su vecina ms cercana

por 1nm (distancia entre sus centros) y se mantienen unidas por dbiles fuerzas de Van der

Waals. Como el C60 es soluble en benceno se pueden obtener cristales sencillos por simple

evaporacin lenta de disoluciones de benceno.

Fig. 10 Estructura de la molcula de Fullereno C60

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8.2.3. Superconductividad del C60

La superconductividad es un estado de la materia en el que la resistencia de una muestra se

hace cero y entonces no puede penetrar un campo magntico. Esto ltimo se manifiesta como

una reduccin en la susceptibilidad magntica X de la muestra hasta X= -1 (en el sistema

mtrico).

El C60 presenta superconductividad a baja temperatura (18 K). Mientras que mediante la

accin de dopado podemos conseguir superconductividades a temperaturas ligeramente

superiores (33 K).

La cada en la magnetizacin indica presencia de superconductividad.

8.3. Nanotubos de carbono

Quizs las nanoestructuras ms interesantes y con mayor potencial de aplicacin sean los

nanotubos de carbono. Se podra pensar en un nanotubo de carbono como en una lmina de

grafito enrollada para formar un tubo, con enlaces al final de la lmina para sellar los

extremos.

Un nanotubo de pared simple (SWNT) puede tener un dimetro de 2 nm y una longitud de

0,1 mm (100 micras), lo que efectivamente es una estructura unidimensional llamada

nanoalambre o nanohilo.

Los nanotubos de pared simple se fabrican a partir de los catalizadores que introducimos (si no

ponemos catalizador no se forman). El tipo de nanotubo va a depender del tipo de catalizador

que introduzcamos.

Al mecanismo de formacin de nanotubos se le conoce como mecanismo de patn, porque se

forma a travs del catalizador pegndose el grafito a la pared.

Cuando no utilizamos catalizador los planos de nanotubos se van anidando unos con otros (un

nanotubo est dentro de otro). El nanotubo curiosamente es ms pequeo.

Los nanotubos de pared mltiple tienen dimetros de 2 hasta 25 nm. Son ms econmicos.

Fig.11 Nanotubo de pared simple (A) y nanotubo de pared mltiple (B)