Nanotecnología

Por FERNANDO HERNÁNDEZ CÁCERES 

 La demanda de materias primas para satisfacer lo que algunos han llamado revolución nanotecnológica, tales como nanopartículas, nanotubos de carbono, fullerenos o puntos cuánticos ha aumentado exponencialmente en los  últimos años. El abastecimiento de las mismas ha pasado de una escala taller a una escala de producción industrial, lo cual ha hecho que los precios de las materias primas hayan descendido de forma considerable. Por ejemplo, un kilogramo de nanotubos de carbono multicapa costaba decenas de miles de euros hace pocos años, y ahora ese precio ha caído a unos cuantos cientos de euros. La tendencia de este tipo de materias primas es la de convertirse en simples bienes de consumo, siendo ahora una de las principales cuestiones la limitación de los recursos disponibles. Por ejemplo, el indio, utilizado en los monitores de pantalla plana, escasea cada vez más, por lo que la tecnología de óxido de indio y estaño (ITO) empleada en la producción de este tipo de monitores podría encontrarse en un callejón sin salida de cara al futuro. Algo parecido ocurre con los combustibles fósiles y, más concretamente, con el petróleo. Las recientes investigaciones en torno al biodiésel son un ejemplo de cómo la escasez de las materias primas obliga a la sociedad a avanzar en otra dirección. En el caso del biodiesel, por sí solo no soluciona el problema de la contaminación, y además su producción entra en conflicto con la producción alimentaria, de modo que a día de hoy estaríamos solventando un problema para crear otro aunque, y como muestra este artículo del blog, se está desarrollando biodiésel a partir de aceites animales y vegetales ya usados. En la naturaleza existen cantidades ingentes de materiales útiles y desaprovechados. Algunos, como las rocas y piedras, podrían cumplir un papel relevante en el campo de la nanotecnología. En este sentido, investigadores de Alemania han descubierto que la utilización de algunas nanoestructuras naturales presentes en rocas volcánicas se pueden emplear en la síntesis de nanomateriales y en la catálisis productora de butadieno y estireno. "El mensaje clave de nuestro trabajo es la utilización de partículas de óxido de hierro abundantes en minerales como catalizadores naturales para la formación de nanotubos, sin tratamiento previo de la lava; y el uso de compuestos de nanofibras de carbono como catalizadores, también sin tratamiento previo". El doctor Dang Sheng Su afirma que han demostrado un comportamiento correcto y estable del compuesto sintetizado en reacciones catalizadas. Debido a que el hierro existe en un gran número de minerales, arcillas y tierras, incluso en plantas, se abriría una nueva era para la producción económica de CNTs (nanotubos de carbono) inmovilizados y se extendería la aplicación potencial de CNTs, debido a su bajo coste, a otras áreas como la catálisis. Dang Sheng Su, un científico del Fritz Haber Institute of the Max Planck Society en Berlín, Alemania, junto con colegas de su instituto y miembros del Laboratorio de Física Molecular del Instituto Rudjer Boskovic de Zagreb, Croacia, han publicado sus descubrimientos en la edición online de Advanced Materials del 27 de agosto de 2008 bajo el nombre "Nanocarbonos de Lava-Monte-Etna para reacciones de dehidrogenación oxidativa". Además, trabajos anteriores de Dang Sheng Su abarcan la utilización de lava como soporte y catalizador de la síntesis de CNT y CNF (Nanofibra de carbono). En sus últimos experimentos, los investigadores encontraron la producción de CNT altamente eficiente, en escala de laboratorio, sin tratamiento químico previo de la piedra volcánica destrozada: 1.05 gramos de nanocarbonos pueden ser inmovilizados en 0.2 gramos de lava. La inmovilización de CNTs/CNFs sobre minerales sin preparación previa es "muy motivadora" en palabras de Su, ya que CNTs y CNFs son catalizadores altamente activos en reacciones químicas. En cualquier caso, los problemas técnicos, como puntos calientes o descensos de presión en un reactor, inducen el descenso de la reacción catalizadora, lo cual podría ser evitado mediante la inmovilización de nanocarbonos sobre el soporte. Por otra parte, la sintetización de CNTs y catalizadores para reacciones químicas en un paso y utilizando abundantes y naturales catalizadores reduciría drásticamente los costes de producción de CNTs.

En reacciones de prueba, los científicos de Max Planck eligen la dehidrogenación oxidativa de hidrocarbonos (ODH), esto es, la producción de butadieno a partir de 1-buteno, y estireno a partir de etilbenceno. La reacción posterior es una de los diez procesos de química industrial más importantes del mundo. El profesor Su indica que para una reacción 1-buteno a butadieno se observa una conversión de 1-buteno que llegue al 65% al comienzo de la reacción, mientras que esta cantidad aumenta y se estabiliza hasta el 80% tras diez horas. Después del periodo de activación se obtiene un betadieno estable de más del 50%. Para la producción de estireno a partir de etilbenceno, el ratio de conversión del etilbenceno se estabiliza en torno al 30% después de un breve periodo de desactivación al comienzo de la reacción; se logra una alta selectividad del estireno de más del 85% dado un campo de estireno del 25% aproximadamente. La lava pura no muestra ninguna reactividad significativa en la reacción de la muestra. Además, los científicos han descubierto que el ratio de reacción es mucho más acelerado cuando se usan CNTs, indicando la ventaja de CNTs inmovilizados para la catálisis. De forma similar, el ratio de reacción para el etilbenceno a estireno sobre CNTs inmovilizados es también mayor que cuando sólo se utilizan CNTs sueltos. Adicionalmente, el ratio de reacción obtenido para esta reacción es también superior que el de los catalizadores estudiados hasta la fecha. Aunque se trata de pruebas, parece que los catalizadores híbridos de carbono como los utilizados por los científicos de Max Planck tienen potencial para competir con los sistemas optimizados industrialmente y, más generalmente, que los abundantes materiales naturales desaprovechados pueden ser materiales útiles para la química, las catálisis y la nanotecnología.

Por Angela Llavona 

 La nanotecnología persigue la fabricación y manipulación de estructuras muy pequeñas, de dimensiones del orden de los nanometros. Está considerada como una de las áreas más punteras y recientes de la investigación actual. Sin embargo, algo que es reciente para el ser humano y que le está costando mucho esfuerzo y dinero, no lo es para la Naturaleza. ¡Hay organismos vivos que llevan miles de millones de años fabricando nanopartículas!.

   Las síntesis de estos nanomateriales es limpia, no tóxica y respeta el medio ambiente, lo que se denomina "química verde". Tanto organismos unicelulares como pluricelulares pueden producir nanomateriales, tanto intracelularmente como extracelularmente. Un ejemplo interesante es la bacteria magnetostática (M. gryphiswaldense), la cual fabrica nanopartículas (NPs) de óxido de hierro, denominadas magnetosomas. Estas estructuras se forman intracelularmente dentro de la bacteria y le sirven como sistema de navegación y orientación espacial debido a la interacción que tienen con el campo magnético terrestre. Los magnetosomas son partículas de Fe₃O₄ de unos 35-120 nm recubiertas de una membrana, la cual evita la aglomeración de las NPs y las hace biocompatibles. Por lo general se colocan linealmente a lo largo del citoesqueleto de la bacteria.

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Por Guillermo Serrano 

Para ello se llevó a cabo un estudio en la Universidad de Dresden (Alemania) sobre una espada de Damasco auténtica forjada en el siglo XVII por el herrero Assad Ullah. Se utilizó un microscopio electrónico de alta resolución para analizar la muestra cedida por el Museo Histórico de Berna (Suiza). La microestructura de estas armas ya había sido estudiada anteriormente, pero los investigadores alemanes tuvieron el acierto de disolver el acero en ácido clorhídrico haciendo así evidentes los nanotubos de carbono y cementita. "Hasta dónde nosotros sabemos, ésta es la primera vez que se detectan los nanotubos de carbono en acero antiguo", explica Peter Paufler, uno de los autores del estudio como publica  EL MUNDO.

  Figura 2. La espada del estudio

Algunos restos muestran pruebas de nanofibras de cementina que no se habían disuelto completamente, lo que indica que estas sustancias podrían haber estado encapsuladas y protegidas por los nanotubos de carbono. "Creemos que estos nanotubos se formaron como consecuencia de la acción combinada de ciertas impurezas (metales de transición) e hidrocarburos, que han actuado como catalizador. Estas impurezas formaban ya parte de las antiguas fórmulas", prosigue el científico. Según el estudio, al tratar de optimizar el procedimiento de la forja, los artesanos acabaron utilizando nanotubos hace más de 400 años.

Algunos químicos discutieron que el acero normal pudiese poseer también estos nanotubos, pero Robert Curl Jr., premio Nobel de Química en 1996 por el descubrimiento de otro tipo de nanocompuestos de carbono (los fullerenos) se ha alineado con los alemanes. "Nuestros antepasados han estado inconscientemente usando la nanotecnología del carbono durante 2000 años", puntualiza a este respecto.

Se han registrado progresos considerables para descubrir las fórmulas originales con las que se fabricaban estas armas, pero los productos finales "difieren todavía en detalle de las espadas originales", admite Paufler. Nos acercamos a unas reproducciones más exactas de estas maravillas de la ingeniería bélica medieval, que aún se oponen a mostrarnos todos los secretos que contienen. Para los que queráis saber más de cómo eran sus propiedades mecánicas (superplasticidad etc) os recomiendo este árticulo.

Por Guillermo Serrano 

Por todo el Mundo Antiguo corría la voz de que existían unas espadas tan afiladas que podían cortar un pañuelo de seda flotando en el aire y de una dureza capaz de partir una roca sin astillarse. Abundaban las leyendas que afirmaban que los flexibles aceros de Damasco fueron desarrollados en el continente perdido de Atlantis y que tenían poderes especiales de curación. Se asociaban a grandes conquistadores como Alejandro Magno. El hecho de que los europeos no consiguiesen nunca obtener aceros iguales, ni siquiera a partir de las mismas materias primas, no hizo más que acrecentar la leyenda acerca de este material, símbolo de poder y riqueza, que fue celebrado a lo largo y ancho del mundo hace ya 2000 años.

Figura 1. Espada persa      

La descripción más antigua de estas espadas de la que tenemos constancia data del año 540 de nuestra era, pero algunos indicios permiten aventurar que ya se hablaba de este material hacia 300 AC. Por lo tanto serían contemporáneas con Alejandro Magno. El acero que servía para fabricarlas estaba hecho en la India, donde se denominaba wootz. Se comercializaba en forma de coladas del tamaño de discos de hockey sobre hielo. Las mejores espadas se forjaban en Persia a partir de wootz indio, que se usaba también para escudos y armaduras.

Como en todos los procesos de fabricación de acero, la manufactura de wootz implicaba la extracción del oxígeno del material del hierro, que es un óxido. Para ello se mezclaba el hierro con carbono (en forma de carbón, madera u hojas) y se calentaba: en función de la cantidad de carbono se obtenía un tipo de acero u otro. Los detalles del proceso llevado a cabo por los indios son poco conocidos, como es habitual con los secretos de los fabricantes y artesanos, que pasan de generación en generación. Akihira Miyaira, considerado como el mejor fabricante de espadas japonesas actualmente lo confirma: "Los antiguos sabían dónde ir a por mineral de hierro rico, pero no mantenían registros".

En el paso de forjado, una vez obtenido el wootz, el herrero utilizaba el color que irradiaba el metal caliente como guía para el control de la temperatura en el forjado y el tratamiento. Tampoco sobre esto hay registros y se usa la intuición, más que la lógica, para realizar este paso, que es el más importante de la manufactura.

Los herreros orientales obtenían una calidad excepcional mientras que los europeos fueron incapaces de repetir el proceso y su secreto… hasta hoy, cuando científicos alemanes han detectado nanotubos de carbono en el acero con el que se forjaron las espadas de Damasco, lo que podría explicar perfectamente las propiedades que hicieron legendarias estas armas en tiempos de los cruzados.

Por Guillermo Serrano  

Normalmente en la producción de biodiésel en los EEUU se hace reaccionar aceite de soja con metanol usando un catalizador tóxico, corrosivo e inflamable: el metóxido de sodio. Para obtener el biodiésel a partir de la mezcla química se precisa una neutralización ácida, un lavado con agua y diversas etapas de separación. "Es un proceso tedioso que disuelve los catalizadores de manera que no pueden ser reutilizados", aclara Lin.   Por ello Lin y su equipo comenzaron su búsqueda de una tecnología que permitiera la obtención de biodiésel mediante un proceso más fácil, eficiente y económico. También buscaban tecnologías que permitieran obtener biodiésel de materiales no procesados como aceites de restaurante o grasas de animales - materiales mucho más económicos que el aceite de soja pero que también contienen ácidos grasos que no pueden convertirse en biodiésel por los métodos de producción actuales-. 

    Lin ha desarrollado una nanotecnología que controla con precisión la producción de minúsculas partículas de sílice uniformes. Las partículas, con forma de panel de abeja, pueden cubrirse de un catalizador que reacciona con el aceite de soja para crear biodiésel. También pueden cargarse de manera que fomenten la entrada del aceite de semilla de soja en los canales dónde la reacción tiene lugar. Los resultados incluyen una conversión más rápida a biodiésel, un catalizador que puede ser reciclado y una eliminación de la etapa de lavado en el proceso de producción. Las nanopartículas de Lin pueden ser usadas también como catalizadores para convertir eficientemente las grasas animales en biodiésel creando catálisis óxida mixta con centros activos catalíticos ácidos y básicos. Los catalizadores ácidos en la partícula pueden convertir los ácidos grasos libres en biodiésel, mientras que los básicos convierten el aceite en combustible. Además las partículas son seguras para el medio ambiente ya que están hechas de cálcio y arena."Estamos muy emocionados con esto", admite Lin, "sirve de ejemplo sobre cómo la nanotecnología puede ser útil para hacer avanzar la industria que no pertenece a la alta tecnología". Larry Breeding, el encargado general de las operaciones de biodiésel de la Cooperativa West Central afirma que esta tecnología promete mejorar la eficacia de la producción de biodiésel, pero todavía se necesita testarla a escalas mayores para comprobar si los beneficios económicos siguen ahí, "las pruebas también necesitan determinar si esta tecnología funciona en estado estacionario", puntualiza. "Esta investigación es un verdadero hallazgo para nosotros", admite L. Breeding.

Por Guillermo Serrano   

  Se define como biocombustible todo combustible de origen biológico obtenido de manera renovable; se trata pues de combustibles alternativos a los combustibles fósiles. Hoy en día son una realidad y las compañías petrolíferas invierten en plantas: esto es muy significativo ya que si hay un mercado, hay demanda y consumo y consecuentemente beneficios económicos. El biodiesel se obtiene actualmente de sebo animal tratado y de aceites vegetales (soja, colza, girasol, palma…). Las ventajas en su uso son:

-   no altera la cantidad de CO₂, CO, SO₂ e hidrocarburos aromáticos polinucleares que van a la atmósfera

-   nos permite disponer de los combustibles fósiles únicamente como materia prima.

-   globaliza la energía, a diferencia de los combustibles fósiles que están distribuidos puntualmente.

   El biodiésel puede ser mezclado directamente con gasolina diesel, el problema en su obtención radica en el tipo de ácido graso utilizado, es decir en la materia prima de la que se parte. Brasil y EEUU son los países líderes en la obtención de este producto. La planta más eficaz es la palma, pero el biodiésel derivado solidifica a bajas temperaturas.

    Aún así la fabricación de biodiésel es una actividad en auge y muestra de ello son las investigaciones de las que es protagonista directo. Una de ellas es particularmente relevante para nosotros debido a la gran mejora que introduciría en el sector si se consigue, ya que su procedimiento se basa en el uso de nanopartículas. Los investigadores del estado de Iowa trabajan en una nueva catálisis de alta tecnología que elimina parte de la energía, trabajo y productos tóxicos de la producción de biodiésel. Esta tecnología se ha mostrado efectiva en el laboratorio, ahora queda llevar a cabo el cambio de escala a planta industrial piloto con la ayuda de la West Central Cooperative en Ralston (Nebraska). También se trabaja para establecer una compañía que pueda introducir esta nueva tecnología en las biorrefinerías. El equipo de investigación del Estado de Iowa está liderado por Victor Lin, profesor asociado de Química. El equipo cuenta también con George Kraus y John Verkade, ambos profesores de la Universidad de Iowa. Los investigadores forman parte del Centro de Catálisis del mismo estado. El proyecto está financiado por tres subvenciones de 1,8 millones, 120.000 y 140.000 dólares aportadas por el Departamento de Agricultura de los EEUU, el Departamento de Energía y la Fundación Grow Iowa Values, respectivamente.

Por Pedro Feijoó 

En un artículo publicado por Japanese Journal of Applied Physics, Yijan Chen propone un método de fabricación de transistores de efecto campo mediante nanopuntos. Lo novedoso de este artículo es que tiene en cuenta la aleatoriedad del tamaño y de la posición de estas nanoestructuras en su proceso de fabricación.

En la figura está representado un transistor de efecto campo basado en nanopuntos. En él, dos capas de material (fuente y drenador) están conectadas mediante numerosos nanopuntos de material semiconductor. Los nanopuntos sólo conducen la electricidad cuando el material que los rodea (la puerta) está a un potencial que cumple una determinada condición. En la figura se puede observar que los nanopuntos más pequeños no llegan a conectar la fuente y el drenador. Sin embargo, se supone que en cada transistor hay tantos nanopuntos como para asegurar estadísticamente una conexión suficiente.

El material propuesto para realizar el transistor es silicio. Para un transistor tipo n, la fuente y el drenador son capas de silicio muy dopado tipo n y los nanopuntos, silicio dopado tipo p, que cumplen la función de canal. La puerta, que rodea a los nanopuntos, puede ser un metal o poli-silicio muy dopado. La puerta debe estar separada por un dieléctrico del canal, de la fuente y del drenador. En este caso, el dieléctrico más adecuado es el óxido de silicio.

Para fabricar el dispositivo deben darse una serie de pasos detallados en el artículo. En un principio, hay que crecer nanopuntos de silicio sobre una superficie de silicio muy dopado mediante algún método efectivo y fiable. Se pueden usar métodos como el auto ensamblaje o la implantación por haz de iones. Esta parte del proceso es la que más hay que desarrollar. Tras ello, hay que utilizar métodos típicos de la fabricación de los dispositivos de la nanoelectrónica actual que se han desarrollado en las últimas décadas, como son la deposición química de vapor (CVD), el pulido mecánico químico (CMP) y el ataque químico (etching).

Para el cálculo de parámetros importantes del transistor, como el área activa, se supone que el área total del transistor encierra un número muy grande de nanopuntos, cuyos tamaños siguen una determinada distribución de probabilidad. Por tanto, se pueden hallar valores esperables de las características del transistor a través de esta distribución de probabilidad determinada experimentalmente y que dependerá del proceso de fabricación de estas nanoestructuras.

Por otro lado, el autor del artículo desarrolla un modelo de la física del dispositivo. Resuelve la ecuación de Poisson  en el interior de los nanopuntos consiguiendo una solución general analítica. La condición de contorno necesaria es que el potencial en el radio exterior del nanopunto es el potencial de la puerta.

Por Guillermo Serrano  

Los días 28 y 29 de mayo del 2008 se celebrará en Londres (Reino Unido) el congreso Nanotecnología: hacia una reducción de las pruebas con animales, convocado por el Institute of Nanotechnology, fundado en 1994, y The Royal Society.

   Debido a las limitaciones y los costes de la experimentación con animales, además de las enormes cuestiones éticas y morales que este tipo de métodos conllevan siempre, se están llevando a cabo gran cantidad de investigaciones para encontrar alternativas viables y efectivas. En un informe reciente (Toxicity Tetsing in the Twenty-first Century: A Vision and a Strategy) la Academia Nacional de Ciencias Inglesa declara: "Los tests de toxicidad están aproximándose a un punto de inflexión […] Están encaminados a aceptar las ventajas que ofrecen las revoluciones en biología y biotecnología […] Los avances en toxicogenómicos, bioinformática y toxicología computacional, entre otros, podrían transformar los tests de toxicología de un sistema basado en pruebas con animales a uno fundamentado en métodos in vitro". El campo de la nanotecnología está en posición de convertir esta visión en una realidad, de acuerdo con Samantha Dozier, doctora en Investigación sobre Nanotecnología.

   En este congreso se destacarán algunas aplicaciones posibles en el campo de la nanotecnología para reducir los experimentos con animales mientras se mantiene la seguridad para pacientes y consumidores. Entre los temas que se abordarán figuran:

• una revisión de algunos de los modelos in-vitro más prometedores basados en células humanas
• sistemas novedosos de laboratorio en un chip y de sistemas de biorreactor para estudios de detección, de toxicología y de reconocimiento
• modificación de la superficie a nanoescala con el fin de mejorar los biosensores y los sistemas de prueba in-vitro
• nuevas estrategias posibles para aplicar la nanotecnología a alternativas
• la función del Centro Europeo para la Validación de Métodos Alternativos (CEVMA)

   Como podemos observar, se cuenta con la presencia de científicos tan eminentes como Antonio A. García, Director del Centro Hispano de Investigación y profesor de Bioingeniería en la Fulton School of Engineering de la Universidad de Arizona, Béatrice Schaack de la Comisaría de la energía atómica (CEA) de Grenoble, Ken Donaldson de la Universidad de Edinburgo y Anna Price del Centro Europeo para la Validación de Métodos Alternativos (ECVAM), entre otros.

   Cabe destacar que, como se indica en la conferencia Nanodevices: where animal tests fail to meet testing needs, la experimentación con animales conlleva numerosos problemas, por lo que, como aseguran muchas organizaciones ecologistas, no se trata de pruebas infalibles e irremplazables. En efecto nos encontramos con que la reacción del espécimen en estudio ante un agente externo puede ser diferente a la de un paciente humano, por ejemplo.

   Uno de los aspectos en los que más ahonda este congreso, en conferencias como Molecular Diagnostics Using A Simple Drop of Biological Fluid, Toxicity Assays in Nanodrops combining Bioassay and Morphometric Endpoints o An In Vitro Human Tissue Equivalent Model of Respiratpry Epithelia for Toxicological Screening of Inhaled Nanoparticles; es en la reproducción de tejidos celulares o medios fisiológicos con el uso de la nanotecnología. Por ejemplo, en el proyecto TOXDROP se ensaya una tecnología de célula en chip, para el estudio de toxicología usando células cultivadas en nanogotas. Un primer prototipo de este proyecto está constituido por una superficie de vidrio con áreas hidrofílicas e hidrofóbicas adaptadas para la precisa posición de las gotas de 500 micrometros de diámetro. Cada gota contiene 100 células, disponiendo de 100 gotas por cm². Cada gota es independientemente detectada y analizada con la ayuda de programas bioinformáticos.

   Otro proyecto interesante es el desarrollo de un nuevo método microfluídico basado en campos magnéticos para controlar el movimiento de las gotas en superficies superhidrofóbicas mediante la introducción en el líquido de nanopartículas magnetizables. Las medidas electroquímicas en estas gotas son muy precisas, lo que hace posible el uso de una sola gota de sangre de la cola de un ratón en lugar de sacrificar al animal debido a la gran cantidad de muestra necesitada para llevar a cabo la amplia variedad de análisis moleculares necesarios.

   Podemos concluir que la tendencia, a la vista de la celebración de congresos como éste, parece estar encaminada a la disminución de las pruebas en animales de productos, técnicas o afines en cualquier rama de la ciencia.

Algunas contribuciones al congreso pueden encontrarse en estas direcciones:

http://www.nano.org.uk/conferences/alt_Animals/abstracts/Bhogal.htm

http://www.nano.org.uk/conferences/alt_Animals/abstracts/Schaack.htm

http://www.nano.org.uk/conferences/alt_Animals/abstracts/Garcia.htm

   Últimamente se están desarrollando distintas aplicaciones para este tipo de nanomateriales. Por ejemplo, se han creado nanoláseres de nanohílos de ZnO y GaN. Estos nanohílos pueden funcionar como medio activo y como microcavidad láser emitiendo en el rango ultravioleta y a temperatura ambiente.¿Por qué se buscó reducir el tamaño del material? Se sabía que el ZnO era capaz de emitir luz en el rango ultravioleta (intervalo de energías prohibidas = 3.3eV). Sin embargo, al ser esta zanja de energías prohibidas tan ancha, se necesitaba una elevada concentración de portadores para alcanzar suficiente ganancia óptica. Podríamos recurrir a la recombinación excitónica, que es un proceso radiativo más eficaz, con un umbral de emisión estimulada mucho menor. La energía del excitón debe ser mucho mayor que la térmica a temperatura ambiente. En el caso del ZnO la energía de enlace del excitón es de 60 meV. Pues bien, al utilizar el material semiconductor con tamaño nanométrico, aumenta la densidad de estados en los bordes de banda y también la recombinación radiativa, debido a los efectos de confinamiento cuántico.

Generalmente el crecimiento de estos nanohilos se realiza sobre sustratos de zafiro o silicio mediante un proceso en fase vapor a través de un crecimiento epitaxial catalizado por películas delgadas de oro (aunque también existen otros métodos). Puede conseguirse que estos nanohílos crezcan orientados verticalmente en las zonas cubiertas por oro. El tamaño depende del tiempo de crecimiento y oscila entre 20-150 nm de diámetro y de 2-10 µm de largo. Tienen la sección trasversal hexagonal y al estar bien facetados tanto lateralmente como en las caras superior e inferior favorecen su uso como cavidad resonante.

Otra aplicación de los nanohílos de ZnO es la de funcionar como generadores de corriente eléctrica aprovechando sus propiedades piezoeléctricas y semiconductoras. Podrían sustituirse las baterías actuales, mucho más voluminosas, y crear dispositivos más pequeños. Un buen desarrollo llegaría a convertir la energía mecánica del movimiento del cuerpo, la contracción muscular o corrientes de fluidos en electricidad. Los nanogeneradores utilizan la electricidad producida al doblar y liberar los nanohílos de ZnO. Para obtener energía suficiente para alimentar un dispositivo nanométrico deben construirse series ordenadas un gran número de estos nanohílos. Además de poder usar estos dispositivos dentro del cuerpo, puesto que el ZnO es biocompatible, también podrían usarse allí donde exista una fuente de energía mecánica.

Estos nanohílos pueden funcionar tanto en soportes de cristal como en superficies flexibles (polímeros) y pueden doblarse hasta 50 º sin romperse.

También se han conseguido desarrollar prendas de vestir con estos nanomateriales capaces de abastecer de energía pequeños dispositivos portátiles. Por ejemplo, el ejército ha usado este tipo de tecnología para los trajes de los soldados. Investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia propusieron utilizarlos con finalidad médica, podrían implantarse dentro del cuerpo humano y servir como fuente de alimentación de marcapasos o válvulas gracias al movimiento muscular.

 Por Blanca de la Cruz 

En 1991, el doctor Sumio Iijima observó y caracterizó unas extrañas fibras nanoscópicas depositadas sobre una mota de hollín. Constituidas por carbono, estas finas macromoléculas de forma tubular recibieron el nombre de nanotubos. Aunque se crean espontáneamente en cualquier hoguera, se han descubierto varias formas de sintetizar estas estructuras tubulares. Sin embargo estos métodos sufren algunas limitaciones importantes: producen mezclas de nanotubos con una amplia gama de longitudes, muchos defectos y variedad de torsiones. Hay varios métodos de obtención pero los tres más importantes son:

Cámara de descarga de arco eléctrico: Este método consta de dos electrodos de grafito conectados a una fuente de alimentación y separados unos milímetros. Los electrodos están sumergidos en una atmósfera de helio o argón a baja presión, de manera que cuando se hace circular una corriente de 100 Amperios, salta una chispa que crea un plasma. El carbono del ánodo se evapora en el plasma, debido a su alta temperatura alcanzada, pero se deposita a su vez en el ánodo. El material depositado está compuesto por nanotubos y otras nanopartículas de carbono.

Los nanotubos obtenidos son de pared simple aunque introduciendo ciertos elementos de transición como el Fe, Co, Ni se llega a catalizar nanotubos de pared múltiple.

 

 

Sin embargo, aunque la producción de nanotubos mediante este método resulta sencilla y barata, tiene limitaciones para obtener cantidades de nanotubos de carbono de alta calidad. Además los nanotubos tienden a ser cortos y a depositarse en formas y tamaños aleatorios.

CVD (Chemical Vapor Deposition): Consiste en colocar, en una cámara, un sustrato con una capa de partículas de un metal catalítico (Fe, Co, Ni y otros), que se calienta hasta aproximadamente 700 ºC. Posteriormente se introduce en la cámara un gas de un hidrocarburo como el metano. Al descomponerse el gas, libera átomos de carbono que se irán depositando sobre las partículas catalíticas del sustrato para dar lugar a los nanotubos. Los diámetros de los nanotubos que se forman están relacionados con el tamaño de las partículas de metal. Este tamaño se puede controlar por deposición de patrones (o mascaras) de metal.

Esta técnica es la más sencilla para su aplicación a nivel industrial. Sin embargo los nanotubos fabricados así suelen ser de pared múltiple y presentan gran cantidad de defectos.

Ablación láser: Consiste en el bombardeo de una barra de grafito con pulsos intensos de haz láser, en un reactor a alta temperatura y en presencia de un gas inerte. Así se genera el gas caliente de carbono a partir del cual se forman los nanotubos al condersarse en las paredes frías del reactor.

Los nanotubos obtenidos son de pared única con una gama de diámetros que se puede controlar variando la temperatura de reacción. Es un método con un buen rendimiento pero es muy costoso ya que requiere laceres de alta potencia.

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