Archivo para la categoría 'Superficies y nanotecnología'

El grafeno como motor de los ordenadores

Por: Sandra Hernández Martín

El grafeno es una estructura laminar plana, de un átomo de grosor, compuesta por átomos de carbono densamente empaquetados, en una red cristalina en forma de panal de abeja, mediante enlaces covalentes que se formarían en la superposición de carbonos enlazados. La alta conductividad térmica y eléctrica, así como una alta elasticidad y dureza, alta resistencia, menor efecto Joule, son sus propiedades más destacadas, entre otras muchas.

El premio Nobel de Física 2010 fue otorgado a  Andre Geim y Konstantin Novoselov por sus revolucionarios descubrimientos sobre el material bidimensional grafeno, un nuevo material bidimensional de características únicas que podría revolucionar los dispositivos electrónicos en pocos años.

Aunque algunos expertos aún se muestran cautos, otros apuntan a que el grafeno podría llegar a sustituir al silicio, con el que se fabrican los microchips. Se trata de un material extremadamente flexible y de enorme resistencia, relativamente barato y poco contaminante, con el que se podrían fabricar pantallas electrónicas enrollables. Asimismo, tiene un gran potencial en otros campos como la biotecnología o el desarrollo de paneles solares.

Una nueva técnica para el crecimiento de grafeno sobre metales relativamente inertes, que consiste en la descomposición térmica de baja energía por iones irradiados de etileno sobre superficies metálicas a elevada temperatura en ultra alto vacío. De esta manera se han hecho crecer monocapas de grafeno sobre Cu (111) y por primera vez sobre Au (111). Gracias a medidas de microscopía de efecto túnel (STM) y medidas espectroscópicas se observan interacciones débiles grafeno-metal.

irradiacion

Irradiación de etileno para la formación del grafeno sobre el metal

Para obtener grafeno sobre cristales de oro se utiliza un método distinto al tradicional. En la fórmula tradicional por deposición química se expone una superficie metálica a un gas, que se descompone dejando el carbono en el citado material y eliminando el hidrógeno.

En esta ocasión, al ser el oro un material inerte, el gas no logra ni siquiera pegarse a la superficie de oro.  Para subsanar este problema, se usa un cañón para ionizar el gas y lanzarlo contra la superficie de los cristales de oro, consiguiendo así que éste quede adherido a la superficie de oro.

grafeno

Imágenes de una muestra de grafeno crecida sobre un sustrato de oro.

Las propiedades eléctricas del grafeno, dependen del sustrato en el que está apoyado, en concreto, la principal ventaja del sustrato de oro es que éste preserva las extraordinarias propiedades electrónicas que tendría una capa de grafeno ideal. Gracias a estas propiedades eléctricas, tales como la elevada movilidad de sus electrones, se está investigando la posibilidad de fabricar ordenadores mucho más rápidos que los actuales.

El rival más fuerte del grafeno, el MoS2 (II)

Continuación del post (El rival más fuerte del grafeno, el MoS2)

Junto con otros materiales 2D o” thin-films” se podrían emplear en la fabricación de dispositivos planos luminiscentes como pantallas en ventanas de oficinas o de las casas, lentes para las gafas e incluso sensores. El material podría ser utilizado, en combinación con otros materiales 2D, para construir dispositivos emisores de luz. En lugar de producir un punto emisor de luz, una pared completa podría brillar, emitiendo luz más suave y menos fuerte. Además, investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid y la Universidad Tecnológica de Delft (Países Bajos) han caracterizado las propiedades mecánicas del disulfuro de molibdeno demostrando su potencial aplicación en dispositivos electrónicos flexibles. Por tanto, la antena y otros circuitos de un teléfono móvil podrían ser tejidos en la ropa, de tal manera que aunque se doblen seguirían manteniendo su funcionalidad.

Ventajas con respecto al grafeno

  1. El disulfuro de molibdeno tiene algunas de las propiedades similares al grafeno pero tiene una ventaja sobre éste dado que presenta un” bandgap” en su estructura electrónica que está ausente en el grafeno.
  2. La presencia de” bandgaps” hace que los semiconductores tengan  propiedades electrónicas especiales permitiendo emplearlos en dispositivos que puedan ser empleados en sistemas de encendido o apagado tales como los transistores, que son el “alma mater” de todos los dispositivos electrónicos modernos.
  3. El grafeno carece de esta zanja de energías prohibidas lo que hace de él un excelente conductor eléctrico, pero dificulta su uso directo para la fabricación de componentes electrónicos, sin embargo presenta otras propiedades increíbles y puede ser utilizado en óptica, electrónica y materiales estructurales, pero el MoS2 puede cubrir una gama de aplicaciones en electrónica que no puede hacer el grafeno.

Conclusiones

El disulfuro de molibdeno parece para ser una prometedora clase de material para la electrónica de última generación, como es que el único material 2D descubierto que tiene un “bandgp”  inherente. Con esta particularidad, el disulfuro de molibdeno allana el camino para el desarrollo de un nuevo dominio de materiales y dispositivos electrónicos. El futuro más cercano de este material es probable que vaya encaminado en diseñar la que probablemente se llamará “electrónica flexible”, por lo que la ropa inteligente e incluso las pantallas flexibles estarán un poquito más cerca de nosotros.

Punta de un AFM deformando la membrana de un micro-tambor de disulfuro de molibdeno. Imagen: Castellanos-Gómez et al.

Punta de un AFM deformando la membrana de un micro-tambor de disulfuro de molibdeno. Imagen: Castellanos-Gómez et al.

El rival más fuerte del grafeo, el MoS2 (I)

El disulfuro de molibdeno (MoS2) proviene de la molibdenita, un mineral de apariencia y tacto similar al grafito. Se produce en depósitos minerales hidrotermales de alta temperatura y es muy abundante en la Tierra.

El disulfuro de molibdeno (MoS2) es un material bidimensional (2D) que se ha utilizado durante muchos años como lubricante industrial en su forma a granel, debido a que su estructura laminar hace que tenga propiedades que lo hacen único en el campo de la tribología, de hecho el sulfuro de molibdeno se conoce desde hace unos 300 años cuando ya era empleado por artesanos en prensas y herramientas e incluso durante la segunda guerra mundial como reductor del desgaste y la fricción en las máquinas de guerra. A diferencia del grafito, que también es otro material empleado como lubricante, el MoS2 presenta menor desgaste y rozamiento. Sin embargo nunca había sido considerado como una plataforma 2D para dispositivos electrónicos, hasta que en el año pasado científicos de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne lograron producir un transistor de este nuevo material. Una de las claves de la electrónica del futuro es encontrar materiales semiconductores muy finos, duros y flexibles y probablemente el MoS2 sea un buen candidato.

Durante años, los investigadores han estado luchando con los retos técnicos de la construcción de circuitos electrónicos basados en el grafeno, pero con el disulfuro de molibdeno ya han sido capaces de desarrollar una amplia gama de componentes electrónicos. Parece ser que el primo hermano de los filosilicatos (el MoS2) podría abrir la puerta a una gama de productos radicalmente nuevos, desde paredes que brillan a ropa con dispositivos electrónicos incluidos y lentes con pantallas incorporadas. A continuación se enumeran las propiedades de disulfuro de molibdeno, que lo hacen tan atractivo en el mundo de la electrónica:

  • Es delgado y transparente.
  • Se puede depositar sobre otros materiales por técnicas bien conocidas como el CVD o el PVD.
  • Es capaz de retener grandes cantidades de tensión elástica sin fracturarse.
  • Su carácter semiconductor es natural y a diferencia del grafeno, el bandgap no es necesario inducirlo físicamente.
  • El bandgap varía con la tensión en el material, permitiendo que las propiedades electrónicas sean configurables.

A la vista de esto, se han realizado una serie de hallazgos que hacen del MoS2 un fuerte competidor del grafeno. De hecho presenta un bandgap que permite su empleo para la fabricación de transistores, así como una amplia gama de componentes electrónicos. Por ejemplo, podría ser utilizado para fabricar células solares de alta eficiencia, dado que si varía la tensión a través de una lámina de MoS2 variaría el bandgap, lo que  permitirá que diferentes partes de la célula sean capaces de absorber diferentes frecuencias de luz.

La estructura laminar del disulfuro de molibdeno. Los átomos de molibdeno se muestran en verde azulado y en amarillo en átomos de azufre. Créditos fotográficos: Wang et al, noticias de MIT.

La estructura laminar del disulfuro de molibdeno. Los átomos de molibdeno se muestran en verde azulado y en amarillo en átomos de azufre. Créditos fotográficos: Wang et al, noticias de MIT.

Recreación de un embudo de una lámina de MoS2 tensionado, para potencial aplicación en células solares. Imagen: MIT

Recreación de un embudo de una lámina de MoS2 tensionado, para potencial aplicación en células solares. Imagen: MIT

Tratamientos superficiales para herramientas de corte de metal

Por Beatriz Payo

Las herramientas de corte sometidas a fricción sufren continuos procesos de desgaste y corrosión que limitan su vida útil, para mejorar el rendimiento y aumentar la duración de estas piezas se aplican tratamientos superficiales.

Es interesante por lo tanto el uso de los recubrimientos porque mejoran la durabilidad de los sustratos en ambientes hostiles contra un desgaste abrasivo, prolongan la vida de la herramienta.

Los materiales metálicos duros que se utilizan como recubrimientos son boruros, carburos y nitruros de los metales de transición, como TiN, TiCN, CrN, ZrN, y sus aleaciones con aluminio, AlTiN, AlCrN, que se pueden combinar en multicapas del orden nanómetros y con grosores totales del orden de las micras. Además, los recubrimientos pueden mejorar sus propiedades mecánicas si se preparan mezclas de fases de cristales de tamaño nanométrico, por ejemplo TiN+a-SiN. También es posible preparar capas cuya composición varia gradualmente en profundidad, de manera que se pueda optimizar tanto el comportamiento mecánico de la superficie, con una lamina de TiN, como la adherencia del recubrimiento a la pieza metálica, con una capa de WC, utilizando una lámina intermedia de transición de TiC.

Más información: http://www.wikiteka.com/resumenes/materiales-herramientas-corte/

Entre los métodos que se pueden utilizar esta el bombardeo con haces de iones, esta técnica está basada en la formación de un vapor del material que se pretende depositar en forma de capa delgada. Para ello, el material se pulveriza directamente con la fuente de iones sobre la superficie del substrato durante el proceso de evaporación, para poder aportar más energía a los átomos evaporados y mejorar con ello la adherencia y la densidad se puede recurrir a un bombardeo con iones de la superficie del substrato durante el proceso de evaporación de las capas depositadas. Esta técnica se denomina ‘deposición asistida mediante haces de iones o IBAD.

El sistema de vacío es esta formado por una rotatoria y una difusora convencional. El equipo permite alcanzar hasta 10-7 Torr en la cámara de evaporación, el cual resulta muy adecuado cuando se necesita depositar materiales de tipo metálico con un bajo contenido en oxígeno como es el titanio. La evaporación del material se realiza mediante bombardeo con un cañón de electrones, con una potencia de 5 kW. El voltaje de aceleración es variable, hasta 10 kV, y la corriente del haz de electrones varía entre 0 y 500 mA.  La fuente de iones es de tipo Kaufmann, también denominadas de haz extenso, con un diámetro del haz de iones de 3 cm. Esta fuente permite variar la intensidad del haz entre 0 y 40 mA, con un control independiente de la energía de los iones entre 0.1 y 1.2 keV, aproximadamente. El equipo permite variar la orientación del haz respecto de la normal a la superficie del substrato, lo cual resulta muy indicado para estudiar efectos de bombardeo y de ‘sputtering’ variando el ángulo de incidencia de los iones.

La energía, el flujo y el tipo de ión se seleccionan adecuadamente para modificar la composición, estructura y morfología de las capas más superficiales de la pieza. De esta manera se consigue una capa de deslizamiento extremadamente dura y resistente al desgaste y a la corrosión.

En la preparación de recubrimientos mediante láminas delgadas o multicapas, cuando se usan recubrimientos se deposita sobre la superficie una fina capa de material de elevada dureza y bajo coeficiente de fricción  que aumenta la resistencia al desgaste de la pieza. Al reducir el coeficiente de fricción, las temperaturas de trabajo se reducen y con ello se limitan los procesos de oxidación y corrosión.

Entre las aplicaciones típicas, figuran los tratamientos de superficies de cuchillas de corte y mecanizado, engranajes y rodamientos, matrices para conformado de chapa, o moldes de inyección de plástico.

La nanotecnología en motores de combustión

Por Alejandro López Mohedano

Empecemos por su definición: “Tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química producida por un combustible que arde dentro de una cámara de combustión, la parte principal de un motor”.

Desde  las primeras aplicaciones de  los motores de combustión interna, a la época actual, vemos que el desarrollo se ha venido centrando en el perfeccionamiento de las factorías para producir más y mejores motores, e igualmente se ha venido desarrollando paralelamente materiales, lubricantes, procesos de fabricación e igualmente modificaciones al funcionamiento.

La nanotecnología se está aplicando a muchos campos, y como no, uno de dichos campos es el que vamos a tratar: los motores de combustión.

Para este caso en particular vamos a usar los nanotubos de carbono. El objetivo es disminuir el consumo de los motores, es decir, mejorar su rendimiento.

Esta mejora del rendimiento es provocada al reducir el rozamiento entre los pistones y el bloque del motor, disminuyendo las pérdidas energéticas térmicas.

Hasta ahora entre los pistones y el bloque del motor se ha colocado una camisa ya que sino el desgaste sería directamente del bloque del motor y su reemplazamiento sería más costoso.

Los componentes usados hasta ahora han sido camisas de acero o de Nikasil de unos pocos milímetros de espesor.

La aplicación de la nanotecnología es precisamente en estas camisas, que son recubiertas de hilos de nanotubos de carbono que son unidos por medio de electrólisis y son rociados en el interior de estas camisas.

Estos nanotubos quedan adheridos en forma de nanocristales, de manera que los pistones suben y bajan si registrar apenas fricción, pasan de la misma manera que a nosotros una pastilla de jabón cuando queremos cogerla con las manos mojadas.

Esta capa posee unas dimensiones de tan solo 0,1 a 0,15 milímetros de espesor.

El resultado es una reducción de la pérdida de energía por el roce del 50%

Como ventajas podemos destacar:

  • Una disminución de fricción que conlleva una disminución de consumo.
  • Estos nanotubos presentan microporos en los que se deposita el lubricante para así disminuir aun más la fricción.
  • Debido a la conductividad térmica de los nanotubos puede llegar a ser tan alta como 6.000 W/mK a temperatura ambiente (téngase en cuenta, por comparar con otra forma alotrópica del carbono, que el diamante casi puro transmite 3.320 W/mK) también hace una mejora de la refrigeración transmitiendo así el calor generado de un forma mucho más rápida pudiendo hacer trabajar los motores en un rango de temperatura mucho más exacto, prolongando la vida de éste.
  • Como resultado hace que estas piezas tengan una mayor durabilidad debido a que la fatiga tarda mucho más en aparecer.
  • La superficie generada es similar a la de un espejo debido a su brillantez y su capacidad de reflexión.
  • Otro de los beneficios de esta tecnología es que, al necesitarse componentes más finos, se logra una reducción de peso en el motor de unos 4,3 kg. En total, el ahorro de combustible que genera se cifra en un 3%.

Otros enlaces de interés con más información:

http://www.automocionblog.com

http://www.nanotubosdecarbono.com

http://www.euroresidentes.com/futuro/nanotecnologia/diccionario/nanotubos.htm

Superficies inteligentes

Por Victor Velasco

La fabricación de superficies inteligentes siguiendo ejemplos presentes en la naturaleza es un asunto de investigación importante para el futuro más cercano. Por ejemplo, hoy día, existen diversas estructuras que son capaces de adaptar sus propiedades a las condiciones ambientales, como las ventanas con grado de transmisión controlable , o las superficies autolimpiables basadas en nanopartículas fotocatalíticas de TiO2.

Superficies inteligentes - LotoOtras superficies intentan imitar algunas de las maravillas de la naturaleza, como el caso de la superficie superhidrofóbica que puede verse en la imagen de la izquierda, y que ha sido creada usando como modelo la superficie de la hoja de loto. La hoja de loto está formada por pequeñas montañas y valles de tamaño micrométrico, recubiertos a su vez de nanopartículas con caracter hidrofóbico. Las nanopartículas hidrofóbicas aseguran que el agua no pueda entrar en los valles micrométricos, de forma que la superficie de contacto de la hoja con la gota de agua se reduce enormemente, haciendo que ésta pueda deslizar por la hoja sin empaparla. Este avance fue publicado recientemente en NANOLETTERS, una revista de nanociencia de prestigio (M.Rubner, NANOLETTERS, 4, 1349, (2004)).

Por otro lado, el diseño de las superficies, unido a la optoelectrónica permite la creación de dispositivos tan interesantes y espectaculares como el ‘iBar (largest multitouch touchscreen). El 'iBar' es un sistema para la implementación de bares interactivos. La parte principal son las superficies multitáctiles en las que se proyecta cualquier contenido. Los objetos que tocan la superficie son detectados por el sistema e interactúan con las proyecciones. Se puede ver un curioso video aquí.

Superficies inteligentes - iBar

Incluso hay empresas dedicadas a la fabricación, tratamiento y optimización de superficies inteligentes debido a la cuantiosa variedad de aplicaciones tecnológicas que presentan, como es el caso de la empresa SmartSkin, dedicada al control del ruido y la vibración en superficies y estructuras superficiales.

Silicio Poroso

Siguiendo con la relación entre la nanotecnología y física de superficies, María Vila nos hablará a continuación sobre el silicio poroso, un tema de investigación que alcanzó un gran interés entre la comunidad científica hace algunos años debido a las notables propiedades de este material, debidas en gran medida a la gran relación superficie/volumen que posee.

Por María Vila

El Silicio Poroso fue descubierto en 1956 por Arthur Uhlir en los laboratorios Bell de EE.UU mientras intentaban desarrollar una técnica para pulir obleas de Silicio. Se dio cuenta de que bajo ciertas condiciones se producía una disolución parcial de la oblea, obteniendo así silicio poroso.

Publicaciones Si poroso

Fig 1. Número de publicaciones relacionadas con el Si poroso desde su descubrimiento

No fue hasta la década de los 80 cuando el silicio poroso comenzó a tener interés en la comunidad científica (Fig.1), coincidiendo con la demostración de Canham de la fotoluminiscencia a temperatura ambiente del mismo, convirtiéndose en un material prometedor para aplicaciones optoelectrónicas.

Actualmente la línea de investigación se centra en las propiedades explosivas del material, ya que se ha descubierto que el silicio poroso explota con oxígeno a temperaturas criogénicas, produciendo energías superiores a las del TNT.

Fabricación

Al principio se obtenía por strain-etching usando ácido fluorhídrico, ácido nítrico y agua. Este método es especialmente atractivo debido a su simplicidad y a que se obtienen capas muy finas de silicio poroso (25Å).
Además se puede obtener mediante anodización, usando un cátodo de platino y usando la misma oblea de silicio como ánodo. Esto se sumerge en un electrolito de ácido fluorhídrico.

Microestructura

A escala microscópica el silicio poroso está formado por nanocristales de Si, coexistiendo en una matriz de silicio puro con silicio poroso (Fig.2). Presenta numerosos defectos superficiales debido a su superficie porosa que se extiende tanto por la superficie externa como a lo largo de la dirección del flujo de corriente. La región porosa está formada por nanocristales de silicio interconectados y organizados en estructuras muy restringidas dimensionalmente.

Interfaz Si - Si poroso

Fig 2. Interfaz de Si y Si poroso.

Estado del arte

Son numerosas las líneas de investigación abiertas y las aplicaciones que se están desarrollando hoy en día, comentando algunas aplicaciones interesantes:

Filtro ultrarápido de Silicio

Usando una membrana de unos pocos nanómetros de grosor se pueden filtrar líquidos y moléculas muy parecidas en tamaño. Esta nueva membrana funciona 10 veces más rápido que las que se usan actualmente para purificar la sangre o para separar un único tipo de moléculas del resto.
Estas membranas se han crecido depositando tres capas, una de silicio amorfo entre dos de dióxido de Si, sobre una oblea de Si. Sometiendo a esta oblea a temperaturas superiores a 700 C, se consigue la cristalización del silicio amorfo, formándose los poros. Con un control exhaustivo de la temperatura son capaces de controlar el tamaño medio de los poros.

Obleas con membranas de Si nanoporoso

Fig 3. Oblea de Si con 160 membranas de silicio nanoporoso. Cada una con un grosor de 15nm.

http://www.technologyreview.com/computing/18189/?a=f

Mejora en baterías de Silicio

El equipo de Hanyang ha desarrollado un electrodo a partir de silicio poroso que podría duplicar la capacidad de carga de estas baterías, además de obtener una carga y descarga muy rápida.
La afinidad electroquímica entre el litio y el silicio hacen al silicio un candidato óptimo para ser ánodo de la batería, pero además, los electrodos de silicio poroso tienen una carga superior a 2,400mA/h·g. Por otra parte, crear silicio poroso para tal efecto es mucho más económico y sencillo.

http://www.technologyreview.com/energy/21750/?a=f

Otros avances

http://www.technologyreview.com/biomedicine/16998/?a=f
http://www.technologyreview.com/energy/25170/

Tribología

Como introdujimos en el primer artículo de esta serie de Superficies y nanotecnología, la tribología es un aspecto muy importante de la ciencia de superficies. Vamos a conocer un poco más de que se trata:

Por Marta Marcos

La Tribología es la ciencia y técnica que estudia la interacción entre superficies en movimiento y los problemas relacionados con ellos: la fricción, el desgaste, la adhesión. y la lubricación.

Para entender la tribología se requiere de conocimientos de física, química y tecnología de materiales. Las tareas del especialista en tribología (tribólogo) son las de reducir la fricción y desgaste para conservar y reducir energía, lograr movimientos más rápidos y precisos, incrementar la productividad y reducir el mantenimiento.

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Con la tribología como ciencia se estudia la fricción y sus efectos asociados, como el desgaste, tratando de prevenirlos con mejores diseños y prácticas de lubricación. Toma en cuenta, entre otros aspectos, los siguientes: el diseño de la maquinaria industrial, los materiales de las superficies en contacto, el sistema de aplicación del lubricante, el medio circundante y las condiciones de operación.
La tribología está presente prácticamente en todas las piezas en movimiento tales como por ejemplo rodamientos pistones, embragues y frenos, y ayuda a resolver problemas en maquinaria, equipos y procesos industriales tales como motores eléctricos y de combustión, compresores, turbinas, fundición, elementos de almacenamiento magnético, prótesis articulares, etc.

La tribología se centra en el estudio de cuatro fenómenos:
1. La fricción entre dos cuerpos en movimiento
2. El desgaste como efecto natural de este fenómeno
3. La lubricación como un medio para reducir el desgaste
4. La adhesión como la capacidad de mantener dos cuerpos unidos

La fricción se define como la resistencia al movimiento durante el deslizamiento que experimenta un sólido al moverse sobre otro con el que está en contacto. Esta resistencia al movimiento depende de las características de las superficies. La fricción depende de:
1. La interacción molecular (adhesión) de las superficies
2. La interacción mecánica entre las partes

Como desgaste entendemos el daño de la superficie por mover una o ambas superficies sólidas en movimiento relativo. Es un proceso en el cuál las capas superficiales de un sólido se rompen o se desprenden de la superficie. Al igual que la fricción, el desgaste no es solamente una propiedad del material, es una respuesta integral del sistema.

El deslizamiento entre superficies sólidas se caracteriza generalmente por un alto coeficiente de fricción y un gran desgaste debido a las propiedades específicas de las superficies. La lubricación consiste en la introducción de una capa intermedia de un material ajeno entre las superficies en movimiento. Estos materiales intermedios se denominan lubricantes y su función es disminuir la fricción y el desgaste. El término lubricante es muy general, y puede estar en cualquier estado: sólido, líquido, gaseoso e incluso semisólido o pastoso.

La curva de Stribeck representa las características generales de superficies lubricadas en movimiento relativo entre sí. Se puede dividir en tres zonas:
1. Zona I: lubricación hidrodinámica y elastohidrodinámica. Las superficies del rodamiento están están perfectamente separadas con una película gruesa de fluido, por lo que no hay contacto directo entre las superficies que deslizan y por tanto prácticamente no hay desgaste. A medida que la viscosidad disminuye, decrece la película hasta el punto C.
2. Zona II: lubricación mixta o elactohidrodinámica parcial. Es una transición entre la lubricación de la Zona I y la de la Zona III, generalmente observada en el arranque o en la parada de maquinaria.
3. Zona III: lubricación marginal. Donde toda la lubricación depende de los aditivos del lubricante que está inmóvil o con un despliegue de velocidad casi nula.

tribologia2.JPG

Bibliografía
1. http://www.roadhouse.es/manual/cap2.PDF
2. http://www.mantenimientomundial.com/sites/mmnew/bib/notas/friccion.pdf
3. http://es.wikipedia.org/wiki/Tribología

Desarrollo tecnológico de la física de superficies

Por Alicia Gómez Gutiérrez

Como en la mayor parte de las ramas de la física, una de las grandes limitaciones que ha frenado el avance de la ciencia ha sido la dificultad de probar experimentalmente las predicciones teóricas. De hecho, hay casos en los que la predicción teórica y su demostración experimental están separadas en el tiempo incluso décadas. El nacimiento de la física de superficies y su empujón para convertirse en una ciencia independiente viene fuertemente influenciado por el avance tecnológico que se llevó a cabo a partir de los años 60. Por ello, se puede concluir, que la ciencia de superficies nació de la unión de la CIENCIA y la TECNOLOGÍA y su crecimiento y consagración como ciencia viene de la mano del avance tecnológico como se detalla a continuación.

En los años 60 tuvo se fabricaron las primeras cámaras de ultra alto vacío, pero, ¿qué es el vacío?. Los filósofos griegos consideraban el vacío como falto de contenido pero la definición de la Sociedad Americana de Vacío lo define como un espacio lleno con gases a una presión total menor que la presión atmosférica. En la física de superficies este descubrimiento supuso la posibilidad de evitar el contacto directo de la superficie con la atmósfera y por tanto, mantener las superficies limpias evitando su contaminación. Un ejemplo muy ilustrativo es el papel de la piel de la manzana que evita la oxidación de la pulpa al aislarla de la presión ambiental.

manzana.JPG Las técnicas de vacío se han extendido a numerosos ámbitos tanto de últimas tecnologías como de nuestra vida cotidiana. Claros ejemplos son es el funcionamiento de una aspiradora , de una televisión, la conservación de la comida…

En los años siguientes numerosos avances fueron introducidos en las cámaras de UHV. Por ejemplo, el uso combinado de todo tipo de técnicas de difracción y espectroscopía como la espectroscopía de electrones Auger, la difracción de rayos X , la difracción de electrones de altas y bajas energías… dieron un gran empuje a la física de superficies permitiendo el estudio de nuevos fenómenos completamente distintos a los estudiados en el material completo o bulk. Estos avances, a su vez, suponían la renovación y mejora de técnicas conocidas desde los años 40 que posteriormente fueron aplicados a numerosos ámbitos de la industria y tecnología.

Finalmente, la introducción de la microscopía supuso el último empujón para la física de superficie. En un principio la microscopía electrónica, y más adelante las microscopías de campo próximo como la microscopía de efecto túnel (STM) y la de fuerza atómica (AFM), consiguieron no sólo obtener imágenes de la superficie, sino que llegaron, en el caso de AFM y STM, hasta resoluciones que permitían distinguir, incluso manipular los átomos, como se muestra en la imagen. En esta imagen se ha escrito la palabra ÁTOMO con átomos de hierro manipulados mediante un AFM sobre una superficie de cobre. Un caso claro del avance que supuso el uso de la microscopía en la ciencia de superficies, fue obtener en 1987 la imagen de la reconstrucción 7×7 de la superficie de silicio que fue predicha teóricamente como se puede ver en imágenes de post anteriores.

lnetras.JPG En los últimos años, la ciencia de superficie se está dividiendo en numerosas ramas centrándose en nuevos e interesantes aspectos de la física de superficie. Una de ellas, muy estudiada en la actualidad, se basa en el estudio de sistemas biológicos, para lo que se tiene que salir del UHV y realizar un estudio en atmósfera controlada. El estudio de estos sistemas puede llevar a numeras aplicaciones basadas en la imitación del comportamiento de la naturaleza como pueden ser implantes médicos, biosensores, superficies inteligentes, … Un ejemplo de esto, es la creación de una superficie totalmente impermeable y autolimpiante cuyo desarrollo ha estado totalmente basado en la imitación de la hoja de loto.

Con todo ello, se puede concluir que la aparición, desarrollo y segmentación de la física de Superficies no sólo ha contribuido al avance de la ciencia sino que su expansión ha ido acompañada de un gran desarrollo tecnológico que ha pasado a formar parte de nuestras vidas.

superficie.JPG

La superficie a escala nano

Por Yu Kyoung Ryu

La Física de Superficies está estrechamente ligada con la nanociencia en el momento en que reducimos el tamaño del sólido y la relación superficie/volumen aumenta. Los sistemas de baja dimensionalidad poseen propiedades físicas (ópticas, eléctricas, térmicas, mecánicas) que difieren completamente de las del material masivo y se comportan como verdaderos laboratorios donde podemos estudiar  importantes efectos cuánticos. La superficie a escala nanoTodos los tópicos principales de la ciencia de superficies que se pudieron desarrollar gracias a la tecnología de ultra alto vacío y la era de la microelectrónica, tales como la búsqueda de catalizadores eficaces para importantes aplicaciones industriales, sensores, o la tribología se han reciclado a escala nano y además, a fecha de hoy, con técnicas disponibles a altas presiones (STM, AFM) que permiten la caracterización in situ de la evolución de las superficies, la fabricación por nanolitografía y la entrada a aplicaciones biológicas y medicinales.

Entre los últimos avances en este campo claramente multidisciplinar se encuentra el twin-action nanosensor, un nanosensor óptico de polímero que cambia de color según detecta diversos iones metálicos a distintas temperaturas (figura 1). La gracia de usar este tipo de material es el abaratamiento en los procesos de síntesis (frente a la fabricación de sensores de nanopartículas de oro, plata o puntos cuánticos basados en semiconductores) y la posibilidad de tunear los colores según el estímulo externo. El potencial de este dispositivo como posible detector de iones y termómetro ultra sensible queda patente. Podéis leer más información sobre este sensor y otros muchos, aparte de diversos artículos relacionados en www.sensorsportal.com/HTML/…/Nanosensors.htm.

Siguiendo con los sensores, jugando con la geometría y el material con el que están fabricadas las puntas y las constantes de fuerza y frecuencias de resonancia de los cantilevers de los microscopios de campo próximo, jugando con los mismos principios La superficie a escala nano2físicos sobre los que están basados, se puede trabajar con superficies e intercaras de muy distintas características. Por ejemplo, existen sensores biológicos basados en microscopios de fuerza atómica que detectan  antígenos, anticuerpos o proteínas.

Aparte de la fabricación y la caracterización experimentales, también se desarrollan potentes cálculos teóricos ab initio con el fin de diseñar nanoclusters con una geometría y estructura electrónica determinadas que influyan sobre la reactividad de los procesos químicos que sirvan de base para la fabricación de nanocatalizadores muy efectivos y localizados.  El grupo de nanocatálisis del Brookhaven National Laboratory realiza dichos cálculos con sistemas metal-carbono (metcars): Ti8C12 y Mo8C12 (figura 2). Si entráis en su página web www.chemistry.bnl.gov/nanocatalysis/, en el apartado: Ab initio study of building blocks for nanoparticle catalysts, podéis profundizar sobre estos sistemas y además, hay otros apartados que incluyen la explicación sobre el proceso de síntesis de las nanopartículas y diversas técnicas de caracterización de la reactividad de las superficies de los nanocatalizadores obtenidos experimentalmente.

Por último, queda recordar, como siempre, que de nada serviría tener éxito en la parte de síntesis de buenos nanosistemas funcionales si no se dispusiese de técnicas de caracterización altamente sensibles a la superficie que nos permitan seguir y entender la evolución temporal y los distintos procesos químicos y físicos que tienen lugar sobre ella, tanto en ultra alto vacío -EELS, AES, XPS…- como a altas presiones -relajaciones, reconstrucciones, reactividad…-

A continuación tenéis las páginas web de distintos grupos que se dedican a la ciencia de superficies. En todas ellas se puede ver claramente el traslado de todo lo que estudiaban y publicaban hace 20 años a la escala nano en la actualidad.

www.uam.es/lasuam

www.chem.unt.edu/research/centers/ssl/

www.athena4.chemeng.upatras.gr/

www.nano.kaist.ac.kr/