Los materiales nanoestructurados

Por Jorge Cazallas 

¿Que son los materiales nanoestructurados?

  • Una clase general de estos materiales son aquellos con una microestructura modulada de cero a tres dimensiones con un tamaño de escala menor de 100 nm.
  • Materiales con átomos agrupados ordenadamente en agrupaciones de tamaño nanométrico, los cuales son la base para construir estructuras mayores de este tipo de materiales.
  • Cualquier material con una dimensión menor de 1-100nm.

    Los materiales convencionales tienen un tamaño de grano que va desde los micrómetros a cientos de milímetros y contiene cientos de billones de átomos cada uno. Con un tamaño de grano nanométrico tan sólo contiene 900 átomos cada uno. Como el tamaño del grano es pequeño, hay un significativo incremento en la fracción de intercaras y fronteras de grano por volumen. Dicho de otra forma, los granos nanoestructurados son entre mil y cien veces más pequeños que los de un material común, y además, dentro del mismo volumen poseen el 0.001 por ciento de átomos. Esta característica influye en las propiedades fisico-químicas del material. Usando una variedad de métodos de síntesis, es posible producir materiales nanoestructurados en forma de películas delgadas, envolturas de materiales, en polvos y prácticamente con cualquier forma.

   Richard W. Siegel es uno de los pioneros mundiales en la investigación, fabricación y promoción de los materiales nanoestructurados. En el año 1985 comenzó su experimentación en el campo de la nanoestructuración dentro de las instalaciones del Laboratorio Nacional de Argonne. Debido al éxito que obtuvo en su trabajo, decidió explotar comercialmente sus descubrimientos con la creación de una empresa que llamó Nanophase Technologies Corporation, la cual es actualmente líder mundial en el campo de la industrialización y comercialización de materiales nanoestructurados. Clases de materiales nanoestructurados:     Hay cientos de tipos diferentes de materiales nanoestructurados. Esa gama va desde agrupaciones de átomos cero dimensional a una estructura ordenada en tres dimensiones. Cada una de estas clases tiene una dimensión en torno a un tamaño de nanómetros, como se ve en la figura 1. Las agrupaciones de átomos son definidos como una formación cero dimensional. Cualquier material formado por multitud de capas, con cada capa de un grosor en el rango de los nanómetros se clasifica como una estructura con una dimensión. Los materiales formado por una única capa que contiene un grano en su estructura extra fino (de diámetro en torno al nanómetro) se le denomina estructura con dos dimensiones. La última clase es la consistente en la estructura tres dimensional que son microestructuras o materiales en nanofase.

materiales-nanoestructurados.jpg 

Síntesis:

  Los métodos empleados para producir materiales nanoestructurados son numerosos, con cada método tenemos ventajas y desventajas. Las agrupaciones de átomos son típicamente sintetizadas vía condensación de vapor, el cuál consiste en la evaporación de un metal sólido seguido de una rápida condensación para formar agrupaciones del tamaño nanométrico. Siegel fue quien aplicó por primera vez este método para crear materiales nanoestructurados en cantidades industriales, el cuál patentó llamándolo como Síntesis Física de Vapor.  De este proceso resultan polvos que son esencialmente aglomeraciones de agrupaciones de átomos de tamaño nanométrico. Estos polvos pueden ser usados como masilla para componer otros materiales o consolidar la mayor parte de él. Lo más importante de este proceso es que mediante el control del ritmo de evaporación, la determinación del tipo correcto de gas y el manejo adecuado de su presión atmosférica, se puede modificar la resistencia a la fractura, la plasticidad, la elasticidad, el color, la transparencia, la resistencia a la corrosión, la reacción química, el comportamiento eléctrico y magnético, y la resistencia térmica y acústica de cualquier material nanoestructurado.

  physical-vapor-synthesis.jpg

  Cientos de diferentes métodos han sido desarrollados usando la condensación del vapor. Esto incluye condensar gas inerte, condensar vapor de elementos químicos, ablación láser, deposición de un haz de electrones…

Ejemplos: 

  Síntesis química: Ambos, metales y cerámicas pueden ser producidos usando una variedad de enfoque químico en la forma de sol gel (es una ruta química que permite fabricar materiales amorfos y policristalinos de forma relativamente sencilla) o descomposición térmica. Estos métodos proveen de grandes cantidades de aglomeraciones de tamaño nanométrico a bajo coste. El proceso químico también permite un control efectivo de la estequiometria del producto final. Sin embargo, el precursor químico puede dejar residuos que contaminen la superficie de la partícula, lo que puede llevar a dar problemas en la compactación y sinterización. Por otra parte, los polvos producidos por medio de técnicas químicas en ambiente húmedo a menudo tienen dificultades con aglomerarse.

Otros métodos:

   Un método común para producir nanoestructuras en forma de polvos es a través de la deformación mecánica. Este proceso produce materiales nanoestructurados a través de una gran deformación mecánica que produce un alargamiento del grano beta precursor del material. El tamaño final del grano es función de la cantidad de energía aportada durante el proceso, la temperatura y la atmósfera, también influye en el tamaño del grano final. La mayor desventaja de este método es la posibilidad de contaminar durante el proceso por las grandes fuerzas y energías que se ven envueltas.

    Los materiales nanoestructurados en tres dimensiones son también sintetizados a través de cristalización térmica de un material amorfo. Mediante el control de la nucleación y crecimiento durante el recocido de un material amorfo, uno puede producir la mayor parte del material con un tamaño de grano menor de 20nm. Este proceso está limitado por la composición del material el cuál en forma de cristal metálico tiene una microestructura amorfa. Aplicaciones:     La empresa Nanophase Technologies Corporation fabrica y comercializa una línea de producción que abarca actualmente materiales abrasivos, catalizadores, cosméticos, magnéticos, pigmentos y recubrimientos, componentes electrónicos y cerámicas estructurales. Este último conjunto de productos permite la fabricación de partes estructurales mediante el proceso de moldeo en malla que, en un futuro inmediato, será utilizado principalmente por la industria automotriz y aeroespacial en la construcción de estructuras, motores y laminados.

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6 Comentarios to “Los materiales nanoestructurados”

  1. Marta Valien on 2007-06-30 10.25 am

    Los materiales nanoestructurados se caracterizan por una dimensión crítica de sus bloques elementales del orden de los nanómetros.
    Para estas dimensiones aparecen una serie de propiedades nuevas que permiten el desarrollo de dispositivos novedosos o la potenciación de ciertas prestaciones de dispositivos clásicos.
    Los diversos procedimientos de síntesis permiten generar en forma controlada una gran cantidad de morfologías individuales, tales como hilos, tubos, esferas, etc. que a su vez pueden autoensamblarse en arreglos tridimensionales más complejos.
    Las futuras aplicaciones que se le dan a los materiales nanoestructurados son infinitas, gracias a las propiedades que exhiben a esa escala. Una de ellas por ejemplo es evitar el desgaste de máquinas de herramientas, máquinas rotativas de plantas industriales, etc. Se basa en el empleo de nuevos sistemas nanoestructurados lubricantes, formados a partir de unidades nanométricas, que se genera la modificación de las superficies mediante impregnación con nanopartículas metálicas protegidas de un material surfactante. Este es un proyecto que todavía no se ha desarrollado pero que ya se trabaja en ello.
    http://investigacion.universia.net/new/verFichaPI.do?idPI=200117
    http://www.invenia.es/profit:2004.1864
    http://www.nano-renac.com/noticias.php?Ididioma=0&IdCatNot=301&IdNoticia=426

  2. Anahí on 2007-06-30 12.59 pm

    Me ha llamado especialmente la atención del artículo la obtención de los materiales nanoestructurados.
    He investigado acerca de las técnicas de ablación láser. La ablación láser consiste en la obtención de películas delgadas utilizando un haz láser a altas densidades de energía.
    El experimento para la obtención de estas láminas es muy sencillo , pero la física en la que se basa el proceso es muy complicada.
    El experimento consiste en hacer incidir un haz láser de latas densidades sobre un blanco . Este blanco , dependiendo del material del que esté hecho ( es decir, el tipo de enlace con el que estén formadas las partículas ) , dará lugar a partículas resultantes con diferentes propiedades. La principal ventaja que tiene esta técnica es que podemos obtener partículas que se encuentran fuera del \’equilibrio\’.

    http://fisica.unmsm.edu.pe/simposio/resumenes1/node227.html
    http://www.ccmc.unam.mx/ablacion/QueEsPLD.html
    http://www.fi.uba.ar/laboratorios/ablaser/

  3. jose javier on 2007-07-08 6.14 pm

    esta bacan

  4. jose javier on 2007-07-08 6.15 pm

    esta bien sintetisados

  5. Rafa on 2007-08-26 3.21 am

    Como decía uno de los primeros anuncios de telefónica:” Bienvenidos al futuro”

  6. Elizabeth on 2011-11-29 5.05 am

    Leí el documento y me pareció un excelente documento, pero queda una duda con respecto a esta pregunta: Describa y de ejemplos sobre ventajas y desventajas tiene el uso de la simulación de sistemas nanoestructurados (exactitud, rapidez, tamaño). Si consideramos una molécula de C60 (fullereno) con otras moléculas de 60 átomos de carbono, su energía total es la mas baja de todas, que significa esto? Que posibles aplicaciones tendría esto?

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