Nanotecnología y Nanomateriales Usados en Ingeniería

Nanotecnologia, nanomateriales y los nuevos materiales de ingeniería. Las nuevas tendencias en la ingeniería y ciencia de los materiales.

Oliver Nuñez Bone 100046033

Semestre 2015-1

Ciencia de los Materiales

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Facultad de Ingeniería Escuela de Electromecánica Tema: Nanomateriales y Nuevos Materiales en Ingeniería Asignatura: Ciencia de los Materiales (IEM 3310) Sección: 04 Profesor: Mariano De La Cruz Vázquez Alumno: Oliver Nuñez Bone Matricula: 100046033 Fecha de entrega: 23 de mayo del 2015

Introducción Los nuevos materiales son productos de nuevas tecnologías fruto del desarrollo de la química y la física aplicada, de la ingeniería y de la ciencia de los materiales. Se han diseñado para responder a nuevas necesidades o a alguna aplicación tecnológica. Page | 2 El rápido progreso de la electrónica durante la segunda mitad del siglo XX se explica por el refuerzo mutuo entre la investigación de materiales y su aplicación industrial práctica en áreas tan distintas como la ingeniería, la medicina, la construcción, las telecomunicaciones o la informática. La ciencia de los materiales viene desde muy lejos, desde los inicios del hombre, cuando este comenzó a usar sus manos desarrollando numerosos artefactos ara defenderse de otros habitantes en el planeta. Desde ahí se ha ido mejorando cada época los materiales existentes o se han ido reemplazando por otros. La evolución en ingeniería implica evolución en los materiales; el científico investiga los principios atómicos y moleculares mientras el ingeniero busca nuevas aplicaciones y mejorar de los materiales usando la tecnología y la ciencia. A continuación presentare los aspectos más relevantes en la actualidad de la nanotecnología, en lo que tiene que ver con los nanomateriales así como los materiales que se encuentran en desarrollo en la vanguardia de la ingeniería.

INDICE Introducción ........................................................................................................... 2 1.1 Nanotecnología ................................................................................................ 4 1.2 Nanociencia ...................................................................................................... 5 1.2 TIPOS DE NANOTECNOLOGÍA ........................................................... 5 1.3 Avances De La Nanotecnología .................................................................... 7 1.3.1 Nanodiamantes ............................................................................................. 7 1.3.1 Nanomedicina e Ingeniería Biomédica ...................................................... 9 1.3.1.1 Nanorobots En La Medicina ................................................................... 9 1.3.1.2 Nanorobots inmunológicos ................................................................... 10 1.3.1.3 Nanorobots en la piel ............................................................................. 10 1.4 Nanomateriales .............................................................................................. 10 1.5 Identificación de nanomateriales ................................................................. 11 1.5.1 Materiales Nanoestructurados .................................................................. 11 1.5.2 Nanopartículas y Nanopolvos .................................................................. 11 1.5.3 Nanocápsulas .............................................................................................. 12 1.5.4 Nanotubos de Carbono ............................................................................. 12 1.5.5 Materiales Nanoporosos ............................................................................ 16 1.5.6 Nanofibras ................................................................................................... 17 1.5.7 Nanohilos .................................................................................................... 18 2. Nuevos materiales en ingeniería .................................................................... 19 2.1 En la electrónica y el sector energético ....................................................... 19 2.2 Polímeros, Fibra Óptica y materiales inteligentes ..................................... 20 2.3 Fibras de Carbono ......................................................................................... 21 2.4 El grafito ......................................................................................................... 22 2.5 El grafeno ....................................................................................................... 24 2.6 El uso de los nanomateriales en la construcción ....................................... 26 2.7 Otras aplicaciones en el campo de la energía, sostenibilidad, industria textil y arquitectura .............................................................................................. 27 Conclusión ............................................................................................................ 28 Anexos................................................................................................................... 29

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1. Nanotecnología y Nanomateriales usados en Ingeniería 1.1 Nanotecnología La nanotecnología trabaja en procesos científicos sobre tamaños de un nanómetro, o lo que es lo mismo, en tamaños mil veces más pequeños que un cabello humano, lo que le permite trabajar con átomos, moléculas y células. La nanotecnología se inserta directamente en el campo del diseño, lo que quiere decir, que conforman y sintetizan materiales a través del control de la materia a nanoescala para construir nanopartículas que tengan diferentes utilidades a las de la materia original. La nanotecnología aprovecha los nuevos fenómenos físicos relacionados con los efectos cuánticos que se presentan a esa escala de manipulación de la materia. La nanotecnología es una nueva tecnología convergente, lo que quiere decir que puede ser relacionada con otros tipos de conocimientos, lo que estimula a que aumente la potencialidad de sus aplicaciones. Las propiedades electrónicas, magnéticas, ópticas o mecánicas de las nanopartículas son muy sensibles a su tamaño y se pueden modificar variando la forma y dimensiones del compuesto. Por este motivo las nanopartículas resultan muy atractivas para fabricar dispositivos electrónicos y están destinados a tener un papel estelar en las nuevas tecnologías del siglo XXI . Este es el principio de toda esta revolución llamada nanotecnología, y aunque el premio Nobel de Física 1965 Richard Feynman planteó una idea sobre la manipulación de la materia a escala manométrica en su famosa conferencia llamada En el fondo hay espacio de sobra, tuvo problemas ya que en esa época no tenia los recursos tecnológicos para hacerlo, a pesar de ello, su idea quedó y por ello se lo llama el padre de la nanotecnología. Esta ciencia aplicada se desarrolla a nivel de átomos y moléculas. La química, la biología y la física son algunos de los campos de aplicación de la nanotecnología, que aparece como una esperanza para la solución de diversos problemas. Uno de los primeros pasos en el desarrollo de la nanotecnología ha sido la comprensión del ADN como un actor clave en la regulación de los procesos del organismo. Las moléculas, por lo tanto, demuestran ser determinantes en los procesos de vida.

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1.2 Nanociencia La nanociencia es distinta a las otras ciencias porque aquellas propiedades que no se pueden ver a escala macroscópica adquieren importancia, como por ejemplo propiedades de mecánica cuántica y termodinámicas. En vez de estudiar materiales en su conjunto, los científicos investigan con átomos y moléculas individuales. Al Page | 5 aprender más sobre las propiedades de una molécula, es posible unirlas de forma muy bien definida para crear nuevos materiales con nuevas e increíbles características [4]. Ahora bien, con el concepto anterior claro podemos definir que las nanociencias se enfocan en el estudio de las propiedades de los átomos y moléculas, tanto propiedades físicas, biológicas y químicas de las nanoparticulas, además de la forma de producirlos y la manera de ensamblarlos con el fin de poder crear los nano-objetos.

1.2 TIPOS DE NANOTECNOLOGÍA 

Según la forma de trabajo la nanotecnología se divide en:

A) Top-down: Reducción de tamaño. Literalmente desde arriba (mayor) hasta abajo (menor). Los mecanismos y las estructuras se miniaturizan a escala nanométrica. Este tipo de Nanotecnología ha sido el más frecuente hasta la fecha, más concretamente en el ámbito de la electrónica donde predomina la miniaturización. B) Bottom-Up: Auto ensamblado. Literalmente desde abajo (menor) hasta arriba (mayor). Se comienza con una estructura nanométrica como una molécula y mediante un proceso de montaje o auto ensamblado, se crea un mecanismo mayor que el mecanismo con el que comenzamos. Este enfoque, que algunos consideran como el único y "verdadero" enfoque nanotecnológico, ha de permitir que la materia pueda controlarse de manera extremadamente precisa. De esta manera podremos liberarnos de las limitaciones de la miniaturización, muy presentes en el campo de la electrónica. El último paso para la Nanotecnología de auto montaje de dentro hacia fuera se denomina "Nanotecnología molecular" o "fabricación molecular", y ha sido desarrollada por el investigador K. Eric Drexler. Se prevé que las fábricas moleculares reales sean capaces de crear cualquier material mediante procesos de montaje exponencial de átomos y moléculas, controlados con precisión. Cuando alguien se da cuenta de que la totalidad de nuestro entorno perceptivo está construida mediante un limitado alfabeto de diferentes constituyentes (átomos) y que este alfabeto da lugar a creaciones tan diversas como el agua, los diamantes o los huesos, es fácil imaginar el potencial casi ilimitado que ofrece el montaje molecular.

Según el campo en el que se trabaja la nanotecnología se divide en: Nanotecnología Húmeda  Esta tecnología se basa en sistemas biológicos que existen en un entorno acuoso incluyendo material genético, membranas, encimas y otros Page | 6 componentes celulares.  También se basan en organismos vivientes cuyas formas, funciones y evolución, son gobernados por las interacciones de estructuras de escalas nanométricas. Nanotecnología Seca  Es la tecnología que se dedica a la fabricación de estructuras en carbón, Silicio, materiales inorgánicos, metales y semiconductores.  También está presente en la electrónica, magnetismo y dispositivos ópticos.  Auto ensamblaje controlado por computadora.  Es también confundida con la microminiaturización. Nanotecnología Seca y Humeda  

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Las ultimas propuestas tienden a usar una combinación de la nanotecnología húmeda y la nanotecnología seca Una cadena de ADN se programa para forzar moléculas en áreas muy específicas dejando que uniones covalentes se formen sólo en áreas muy específicas. Las formas resultantes se pueden manipulas para permitir el control posicional y la fabricación de nanoestructuras.

Nanotecnología computacional  

Con esta rama se puede trabajar en el modelado y simulación de estructuras complejas de escala nanométrica. Se puede manipular átomos utilizando los nanomanipuladores controlados por computadoras.

1.3 Avances De La Nanotecnología 1.3.1 Nanodiamantes El diamante, el material natural más duro y resistente, se espera que con el uso de la nanotecnología amplíe y mejore sus aplicaciones. Así los nanodiamantes podrían Page | 7 conducir a la detención de contaminantes bacterianos en agua y alimentos; y a producir nanodispositivos electrónicos, que como en el caso de los nanotubos del carbón que están siendo desarrollandos y estudiados, presenten mayores ventajas que los actuales en silicio. Es decir, será posible hacer diamantes o las películas de diamante en diferentes formas y tamaños, asi como también mejorar su costo. La nanotecnología ha permitido sintetizar películas de nanodiamantes con las características físicas, químicas y biológicas mejoradas para ser aplicado en áreas tecnológicas muy diferentes.9-12 Estos nanodiamantes crecidos en diversos substratos tienen una capacidad particular para el estudio electroquímico ofreciendo alta sensibilidad, buena precisión y alta estabilidad en comparación con otros materiales como el carbón vítreo y el platino. Además de las características naturales del diamante, tales como alta conductividad térmica, alta dureza e inercia química también presenta un amplio intervalo de potencial electroquímico en medios acuosos y no acuosos, capacitancia muy baja y estabilidad electroquímica extrema. Por otra parte, se desarrollan nuevas superficies que permiten el fijar compuestos como proteínas o moléculas más simples que permitirán obtener mayor afinidad a líquidos específicos para su estudio mejorando las propiedades biológicas de dichos materiales. La nanocristalinidad de estas películas es el resultado de un nuevo tipo de crecimiento y mecanismos de nucleación, dando por resultado un nivel de nucleación alrededor de 1,010 cm-2s-1; gracias al uso de diversas técnicas de deposición, por ejemplo, del plasma asistido por microondas, descarga a baja presión, plasma inducido por laser, filamento caliente y otras técnicas.6 Típicamente, la mezcla gaseosa usada para la sintésis del diamante microcristalino o nanocristalinos es formada de hidrógeno y metano.1, 2 Sin embargo, en el logro de nano-películas, se han utilizado otras composiciones formadas de argón, hidrógeno y metano16, 17 o de helio, hidrógeno y metano;9, 10 obteniendo nanodiamantes con características específicas y con nuevas propiedades; como una mayor conductividad eléctrica, conductividad térmica y mayor área superficial potencialmente utilizable.

Algunos ejemplos de nanodiamantes pueden ser observados en las figuras 1, 2, 3 y 4; que son fotos

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Fig. 1. A) Foto de un soporte carbonoso realizada mediante microscopía electrónica de barrido (conocido por sus siglas en inglés, SEM.

Fig. 2. B) Foto del soporte de carbono con un depósito de nanodiamantes realizada mediante Microscopía electrónica de barrido. El depósito de nanodiamantes se realizó con un nivel de drogado en boro de 1018 partes por cm-3. Reimpreso de Diamond & Related Materials 14 (2005) 1673 – 1677, con permiso de Elsevier.18

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Fig. 3. Imágenes de MicroscopÍa electrónica de barrido del electrodo del diamante/soporte de carbono con un nivel de drogado con boro de 5000 ppm. (a) Morfología; (b) Sección representativa que evidencia la fibra interna

1.3.1 Nanomedicina e Ingeniería Biomédica 1.3.1.1 Nanorobots En La Medicina Definición Aunque todavía no se han fabricado nanorobots, existen múltiples diseños de éstos, incluso no pueden ser del todo robots es decir pueden hasta ser modificaciones de células normales llamadas también células artificiales. Las características que éstos deben de cumplir, entre las que se pueden mencionar: Tamaño Como el nombre lo indica, los nanorobots deben de tener un tamaño sumamente pequeño, alrededor de 0.5-3 micras ( 1micra=1*10-6) más pequeños que los hematíes (alrededor de 8 micras. Componentes El tamaño de los engranes o los componentes que podría tener el nanorobot seria de 1-100 nanómetros (1nm=1*10-9) y los materiales variaría de diamante como cubierta protectora, hasta elementos como nitrógeno, hidrógeno, oxigeno, fluoruro, silicón utilizados quizás para los engranes

1.3.1.2 Nanorobots inmunológicos El sistema inmune de nuestro cuerpo es el encargado de proporcionar defensas contra agentes extraños o nocivos para nuestro cuerpo, pero como todos los sistemas éste siempre no puede con todo. Entre estas deficiencias se encuentra que muchas veces no responde (como es el caso con el SIDA) u tras veces sobreresponde (en el caso de Page | 10 enfermedades autoinmunitarias). Cabe decir que los nanorobots estarán diseñados para no provocar una respuesta inmune, quizás las medidas que tienen estos bastaran para no ser detectados por el sistema inmune. La solución que ofrece la nanomedicina es proporcionar dosis de nanorobots para una enfermedad especifica y la subsecuente reparación de los tejidos dañados, substituyendo en medida a las propias defensas naturales del organismo.

1.3.1.3 Nanorobots en la piel Parece que con billones de nanorobots que se implantan en el cuerpo humano y que recopilan información del estado de todo nuestro cuerpo, órganos, músculos, huesos, corazón, etc. para disponer de mucha información y poder hacer un análisis en tiempo real de alto nivel. Como nos citan en Xataka: "Para mostrar el análisis, algunos de estos nanorobots se colocarían sobre la mano o el antebrazo, a unas 200 o 300 micras por debajo de la piel, y alimentándose a partir de la glucosa y el oxígeno de nuestro propio cuerpo (menudos parásitos) formarían un pequeño rectángulo de unos 5×6 centímetros. podrían lucir en diversos colores gracias a una especie de diodos que vendrían integrados con los nanorobots, pero cuando se "apagasen" la piel volvería a lucir su color normal."

Freitas ha diseñado también los microbívoros, fagotitos mecánicos concebidos para destruir cualquier microbio de nuestro torrente sanguíneo. Utilizando un protocolo digestivo y de descargas actuarán, según estima su creador, hasta 1000 veces más rápido que las defensas naturales.

1.4 Nanomateriales Los nanomateriales son materiales con propiedades morfológicas más pequeñas que 1 µm en al menos una dimensión.1 A pesar del hecho de que no hay consenso sobre el tamaño mínimo o máximo de un nanomaterial, algunos autores restringen su tamaño de 1 a 100 nm, una definición lógica situaría la nanoescala entre la microescala (1 µm) y la escala atómica/molecular (alrededor de 0.2 nm).

1.5 Identificación de nanomateriales 1.5.1 Materiales Nanoestructurados Una fracción de material comúnmente posee en su interior moléculas organizadas en granos de dimensiones por lo general de micrómetros y milímetros de diámetro, estos Page | 11 granos están constituidos habitualmente con poblaciones de miles de millones de átomos. Una misma fracción de material nanoestructurado, posee poblaciones granulares inferiores a un par de miles de átomos y en donde los granos moleculares alcanzan un tamaño máximo de 100 nanómetros de diámetro. Entonces, los materiales nanoestructurados poseen el 0.001 por ciento de átomos en comparación con un material común de igual volumen, además los granos nanoestructurados son entre mil y cien veces más pequeños que los del material original. Todo esto conlleva a una mayor ligereza de peso y ahorro de materia, además de las nuevas características que adquieren y que potencian enormemente el material. 

Aplicaciones

Cerámicas nanoestructuradas, imanes permanentes de alta temperatura para motores de aviones; materiales ferromagnéticos, almacenamiento de información, refrigeración; catalizadores basados en hidrógeno; materiales para almacenamiento de hidrógeno; sensores y actuadores.

1.5.2 Nanopartículas y Nanopolvos Las Nanopartículas tienen unidades más grandes que las de los átomos y las moléculas, cuando menos una dimensión menos de los 100nm, obviamente estas nanoparticulas son creadas artificialmente en los laboratorios. Además otra de sus particularidades es que poseen características propias, es decir que no obedecen a la química cuántica, ni a las leyes de la física clásica. En la actualidad el estudio de las nanopartículas es un área de intensa investigación científica, debido a una extensa variedad de potenciales aplicaciones. Entre los campos mas prometedores están los campos biomédicos, electrónicos y ópticos. Aunque por lo general las nanoparticulas están sirviendo para el perfeccionamiento e innovación de materiales ya existentes, existen también en el campo de la biomedicina nanoparticulas que han demostrado ser capaces de eliminar tumores y además de que éstas son biodegradables y orgánicas.

Figura 1. Nanopartículas.

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Aplicaciones.

En la Biomedicina, sirve para la liberación de fármacos, tratamientos contra el cáncer. En la Ingeniería como sensores químicos, vidrios autolimpiables, tintas magnéticas y conductoras. Para el tratamiento de aguas con procesos fotocatalíticos, sirve para Page | 12 recubrimientos textiles repelentes de agua y suciedad. En el área de la electrónica para crear memorias de alta densidad, pantallas con dispositivos de emisión basados en óxidos conductores.

1.5.3 Nanocápsulas La mayor aplicación de las nanocápsulas está sin duda en el campo de la medicina, ya sea para combatir enfermedades o ayudar con la liberación de fármacos en puntos específicos dentro del cuerpo humano. Además el desarrollo de las nanocápsulas se enfoca en intervenir las mismas para que se acumulen en un punto deseado, la principal vía para lograr este objetivo es posiblemente modificar las propiedades físico-químicas de las nanocápsulas. La investigación acerca de las nanocápsulas aspira solucionar los problemas que aparecen, como son los efectos secundarios de los fármacos además de complicaciones en el tratamiento de la enfermedad.

Figura 2. Nanocapsulas. 

Aplicaciones

Liberación de fármacos, industria de la alimentación, cosméticos, tratamiento de aguas residuales, componentes de adhesivos, aditivos aromáticos en tejidos, fluidos magnéticos.

1.5.4 Nanotubos de Carbono Tal vez uno de los nanomateriales mas interesantes y con mayor potencial de aplicación sean los nanotubos. Son estructuras cilíndricas con diámetro nanométrico. Aunque pueden ser de distinto material, los más conocidos son los de silicio pero principalmente, los de carbono ya que unas de las principales características de este último son su gran conductividad, y sus propiedades térmicas y mecánicas. Existen diferentes tipos de estructuras para formar un nanotubo, siendo la estructura, la

influencia principal que decida las características finales como lo son las eléctrica, térmicas o mecánicas del nanotubo. Debido a la importancia de los nanotubos, aquí se presenta brevemente su historia; en 1991 Sumio Iijima, descubrió los nanotubos que desde ahí han revolucionado la Page | 13 nanociencia. Él encontró un cilindro hueco que se había formado en la punta de un electrodo de grafito, tenía un diámetro de unos pocos nanómetros y una longitud de unas cuantas micras. Estaba hecha de carbono puro, había descubierto los nanotubos de carbono. Desde su descubrimiento hasta la actualidad, las aplicaciones reales y potenciales de los nanotubos van creciendo de forma impresionante. En su conjunto el material constituido es un perfecto semiconductor por lo que es posible que los nanotubos de carbono desempeñen el mismo papel que realizo el silicio en los circuitos electrónicos en su debido momento, pero ahora a escala molecular, donde los demás semiconductores dejan de funcionar. Estas características auguran que los nanotubos representan el futuro de los dispositivos en la electrónica debido a su alta velocidad de funcionamiento y además de otros usos relacionados que se les pueden dar. De momento, con los nanotubos de carbono ya se han fabricado componentes básicos de los ordenadores, siendo el próximo paso, construir circuitos electrónicos y siendo optimistas en pocos años fabricar ordenadores basados en nanotecnología.

Figura 3. Nanotubos de Carbono. Los nanotubos de carbono se consideran una gran promesa debido a sus propiedades mecánicas excepcionalmente fuertes, su habilidad para transportar de modo eficaz altas densidades de corriente eléctrica, y otras propiedades eléctricas y químicas. Los nanotubos, que son aproximadamente 10.000 veces más delgados que un cabello humano, pueden fabricarse casi perfectamente rectos en cámaras especiales de plasma gaseoso. Son las fibras más fuertes que se conocen. Un solo nanotubo perfecto es de 10 a 100 veces más fuerte que el acero por peso de unidad y poseen propiedades eléctricas muy interesantes, conduciendo la corriente eléctrica cientos de veces más eficazmente que los tradicionales cables de cobre

El grafito (sustancia utilizada en lápices) es formado por átomos de carbono estructurados en forma de panel. Estas capas tipo-panel se colocan una encima de otra. Una sola capa de grafito es muy estable, fuerte y flexible. Dado que una capa de grafito es tan estable sola, se adhiere de forma débil a las capas al lado, Por esto se utiliza en lápices - porque mientras se escribe, se caen pequeñas escamas de grafito. En fibras de carbono, las capas individuales de grafito son mucho más grandes que en lápices, y forman una estructura larga, ondulada y fina, tipo-espiral. Se pueden pegar estas fibras una a otras y formar así una sustancia muy fuerte, ligera (y cara) utilizada en aviones, raquetas de tenis, bicicletas de carrera etc. Pero existe otra forma de estructurar las capas que produce un material más fuerte todavía, enrollando la estructura tipo-panel para que forme un tubo de grafito. Este tubo es un nanotubo de carbono. Los nanotubos de carbono, además de ser tremendamente resistentes, poseen propiedades eléctricas interesantes. Una capa de grafito es un semi-metal. Esto quiere decir que tiene propiedades intermedias entre semiconductores (como la silicona en microchips de ordenador, cuando los electrones se muevan con restricciones) y metales (como el cobre utilizado en cables cuando los electrones se mueven sin restricción). Cuando se enrolla una capa de grafito en un nanotubo, además de tener que alinearse los átomos de carbono alrededor de la circunferencia del tubo, también las funciones de onda estilo mecánica cuántica de los electrones deben también ajustarse. Este ajuste restringe las clases de función de onda que puedan tener los electrones, lo que a su vez afecta el movimiento de éstos. Dependiendo de la forma exacta en la que se enrolla, el nanotubo pueda ser un semiconductor o un metal. Aspectos Innovadores De Los Nanotubos De Carbono El aspecto innovador de los materiales carbonosos de escala nanométrica, fullerenos y nanotubos, reside en que reúnen las siguientes propiedades: 1. Habilidad para trabajar a escala molecular, átomo a átomo. Esto permite crear grandes estructuras con fundamentalmente nueva organización molecular. 2. Son materiales de "base", utilizados para la síntesis de nanoestructuras vía autoensamblado. 3. Propiedades y simetría únicas que determinan sus potenciales aplicaciones en campos que van desde la electrónica, formación de composites, almacenamiento de energía, sensores o biomedicina.

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Ventajas Competitivas De Los Nanotubos De Carbono El campo de la Nanotecnología, y en particular el de los CNTs es un campo reciente, (fueron descubiertos en 1991), que puede ofrecer soluciones en campos multisectoriales y multidisciplinares y que tiene importantes implicaciones en Ciencia Page | 15 y Tecnología. Sus extraordinarias propiedades aseguran una revolución en los modos en que los materiales y productos van a ser obtenidos, siendo la investigación a nanoescala de interés para industrias tales como: productoras de cerámicas, metalurgía, láminas delgadas, electrónica, materiales magnéticos, dispositivos ópticos, catalizadores, almacenamiento de energía y biomedicina. Propiedades de los nanotubos de Carbono 

Propiedades eléctricas

Al tener en cuenta la complejidad electrónica de los nanotubos, además de las reglas cuánticas que rigen la conductividad, la conducción en los nanotubos de carbono se transforma a un tipo de conducción cuántica, en ocasiones los nanotubos incluso pueden presentar superconductividad. Normalmente en un dispositivo común si se representa voltaje frente a intensidad de corriente se obtiene una línea recta, o sea, V=IR, cosa diferente sucede con los nanotubos de carbono y la conducción cuántica que muestra no es directamente proporcional, sino que ahora su gráfica presenta una línea escalonada ya que la conductividad de los nanotubos es 3 órdenes de magnitud mayor que la de los materiales actualmente usados (respecto al cobre que es el material mas usado). Su conductividad depende de relaciones geométricas, o sea, del número de capas, su torsión o diámetro. Otro aspecto importante a resaltar es que estos valores además de la resistencia del nanotubo no dependen de su longitud, a diferencia de lo que ocurre con los cables normales en donde su resistencia es directamente proporcional a su longitud. Propiedades mecánicas Actualmente es la fibra más resistente que se puede fabricar, esta capacidad se debe a la estabilidad y robustez de los enlaces entre los átomos de carbono. Ahora bien, al hablar de deformación también este nanomaterial posee grandes ventajas ya que frente a esfuerzos de deformación muy intensos son capaces de hacerlo enormemente y de mantenerse en un régimen elástico. Esta última característica también se puede mejorar al hacer que varios tubos se unan como una cuerda, de este modo al romperse un nanotubo, la fractura no se propagaría a los demás nanotubos ya que son independientes. En general, ante pequeños esfuerzos los nanotubos pueden funcionar como resortes extremadamente firmes o pueden deformarse drásticamente y volver

posteriormente a su forma original frente a cargas mayores. En general es común aceptar que los nanotubos son 100 veces más resistentes que el acero, y 6 veces más ligeros. Propiedades térmicas Son enormemente estables térmicamente, tanto para valores en el vacío como para mediciones en el aire, estas mediciones están referenciadas a valores estándar utilizados para la medición de materiales de cualquier tipo. Además, las propiedades de los nanotubos pueden modificarse atrapando metales o inclusive gases en su interior. 

Aplicaciones

Polímeros conductores, cerámicas altamente tenaces, apantallamientos electromagnéticos, componentes para membranas y células solares, nano-osciladores en orden de giga-Hertz, puntas nanoscópicas, músculos artificiales.

1.5.5 Materiales Nanoporosos Los materiales nanoporosos vendrían a ser como esponjas pero con poros nanométricos, materiales en donde los poros ocupan una gran fracción de su volumen total y presentan una significativa cantidad de superficie por gramo. Un material tan poroso en un área lo tan pequeña posible sirve para, por un lado, porque muchas reacciones ocurren más rápido sobre determinadas superficies, y por otro, porque podemos rellenar los poros con lo que queramos: polímeros, metales o diferentes tipos de moléculas lo que lleva a descubrir peculiares comportamientos del material. Esta posibilidad de combinación de materiales abre las puertas a una variedad asombrosa de aplicaciones.

Figura 4. Materiales Nanoporos

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Aplicaciones

Catalizadores para reducir la emisión de contaminantes, aislantes, en aplicaciones medioambientales como purificación de aguas, eliminación de contaminantes, atrapadas y eliminación de metales pesados, células solares orgánicas, Page | 17 supercondensadores para almacenar energía, almacenamiento de gases.

1.5.6 Nanofibras Una nanofibra es una fibra con diámetro menor a 500 nanómetros. Cuando los átomos de carbono se unen para construir un diamante lo hacen mediante cuatro enlaces covalentes y forman una rígida red tridimensional que le confiere a la preciada gema su proverbial dureza. Cuando se unen para construir grafito, los átomos de carbono lo hacen a través de tres enlaces covalentes situados en un plano; la estructura sigue siendo muy resistente en este plano pero es débil en dirección perpendicular. Una forma de aprovechar esta resistencia es orientar estos planos de forma que las direcciones de máximo esfuerzo estén contenidas en ellos. Basta imaginar un mil hojas y tirar en la dirección paralela a las hojas en vez de hacerlo en dirección perpendicular. Arrollando estas hojas, como si fueran las de un cigarro puro, se pueden obtener fibras de carbono muy resistentes. Desde hace tiempo se han venido produciendo fibras de carbono con este material, la cuales se utilizan para fabricar implementos deportivos como palos de golf, cañas de pescar, para elaborar ciertas partes de bólidos de fórmula uno o incluso para diferentes partes aviones de combate. Otra aplicación es la de protección contra bacterias, los agentes que componen la nanofibra absorben los elementos dañinos desconocidos y los descomponen por medios químicos, pero el problema radica en que se hace difícil desechar los agentes tóxicos producidos.

Figura 5. Nanofibras

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Aplicaciones.

Filtros, tejidos, cosméticos, esterilización, separaciones biológicas, ingeniería de tejidos, biosensores, órganos artificiales, implantes, liberación controlada de fármacos. Purificar el agua obteniendo la energía para hacerlo por medio de la luz del sol.

1.5.7 Nanohilos Un nanohilo es un cable con un diámetro del orden de un nanómetro. Los nanohilos pueden ser definidos como estructuras que tienen un tamaño lateral restringido a diez o menos nanómetros por lo general, aunque científicos turcos en la Universidad Bilkent de Ankara están logrando crear nanohilos de 15 nanómetros de diámetro y de una longitud libre. Los nanohilos debido a su relación longitud–ancho han sido considerados como materiales unidimensionales, por lo que presentan llamativas propiedades que no se han visto en materiales de 3 dimensiones, ya que en estos nanohilos no se producen efectos físicos cuánticos en los bordes. Por ello también se los llama hilos cuánticos. Existen varios tipos de nanohilos, hilos metálicos semiconductores y aisladores, estos dependen del elemento con que se los produzca que puede variar desde el níquel a oro, platino, titanio o silicio... Los electrones, que transmiten la corriente, necesitan cierta cantidad de átomos juntos para transmitirse de forma fluida; cuando la anchura de su 'carretera' es menor, su movimiento se ve obstaculizado por los átomos del borde del material y se ralentiza [5]. Esto lleva a pensar que se obtendrán grandes velocidades de transmisión.

Figura 6. Nanohilos 

Aplicaciones

Tiene gran potencial para ser aplicados en electrónica, dispositivos optoelectronicos, así como a dispositivos nanoenectromecanicos.

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2. Nuevos materiales en ingeniería Esta época está caracterizada por el descubrimiento de nuevos materiales que nos está ofreciendo posibilidades tecnológicas solo soñadas en la ciencia ficción. La nanotecnología empieza a ser posible por el desarrollo de estos materiales, pues al Page | 19 lograr la miniaturización solo es posible cuando se encuentran propiedades muy especiales de ciertos elementos que permiten que se pueda manipular casi al nivel del átomo. La física, la química y la informática ,han hecho posible este avance, y uno de los elementos que ha hecho posible esta nueva generación de materiales es el Carbono, su composición es muy especial El carbono, tiene una estructura cristalina y lo encontramos en forma de grafito o del diamante, también puede convertirse en materiales con cualidades únicas que están cambiando toda la industria, pues no solo son más resistentes que el acero, sino que son extremadamente livianos, excelentes conductores eléctricos, que los hacen imprescindibles en la electrónica. De igual forma el descubrimiento de ciertas propiedades de algunos elementos o tierras raras como las denominan crean nuevas posibilidades tecnológicas que hacen posible la aparición de nuevos dispositivos con mayor eficiencia y un consumo energético cada vez menor. Veamos entonces algunas de las formas que están tomando estos materiales y como están cambiando todo el sentido de las nuevas materias primas. Los avances de la física y la aparición de la electrónica combinada con los progresos de la ciencia de los materiales han dado lugar a circuitos eléctricos y electrónicos muy reducidos capaces de controlar señales eléctricas de muy baja intensidad, gracias a nuevos materiales eléctricos como los que se presentan a continuación

2.1 En la electrónica y el sector energético • Semiconductores: Materiales como el silicio, galio o selenio, arseniuro de galio, etc., cuya resistencia al paso de la corriente depende de factores como la temperatura, la tensión mecánica o el grado de iluminación que se aplica. Con ellos se fabrican microchips para ordenadores y circuitos de puertas lógicas. • Superconductores: Materiales como el mercurio por debajo de 4 K de temperatura, nanotubos de carbono, aleaciones de niobio y titanio, cerámicas de óxidos de itrio, bario y cobre, etc., que al no oponer resistencia al paso de la corriente eléctrica, permiten el transporte de energía sin pérdidas. • Piezoeléctricos: Materiales como el cuarzo, la turmalina, cerámicas y materiales plásticos especiales, dotados de estructuras micro cristalinas, que poseen la capacidad de transformar la energía mecánica en eléctrica y viceversa. Se utilizan como sensores

y actuadores en dispositivos electrónicos como relojes, encendedores, micrófonos, radares, etc.

2.2 Polímeros, Fibra Óptica y materiales inteligentes • Siliconas: Polímeros en los que las cadenas están formadas por silicio en lugar de Page | 20 carbono. Son materiales muy flexibles, ligeros y moldeables. Son aislantes del calor y de la electricidad y no les afectan ni el agua, ni las grandes variaciones de temperatura. No sufren rechazo en tejidos vivos. Se usan para fabricación de revestimientos exteriores, tapar y sellar grietas, fabricación de prótesis e implantes, material quirúrgico, cirugía estética, etc.

• El coltán: formado por dos minerales, la columbita y la tantalita, de los que se extraen el tántalo y el niobio, metales necesarios para la fabricación de microprocesadores, baterías de móviles, componentes electrónicos, aleaciones de acero para oleoductos, centrales nucleares, etc • La fibra óptica: son fibras constituidas por un núcleo central de vidrio muy transparente, dopado con pequeñas cantidades de óxidos de germanio o de fósforo, rodeado por una fina capa de vidrio con propiedades ópticas ligeramente diferentes. Atrapan la luz que entra en ellas y la transmiten casi íntegramente. • Materiales inteligentes, activos o multifuncionales: materiales como los recubrimientos termocrómicos, capaces de responder de modo reversible y controlable a diferentes estímulos físicos o químicos externos, cambian de color según la temperatura, en caso de incendio, movimientos, esfuerzos, etc. Se utilizan como sensores, actuadores, etc. en domótica y sistemas inteligentes de seguridad. • Materiales con memoria de forma: materiales como las aleaciones metálicas de níquel y titanio, variedades de poliuretano y poliestireno capaces de «recordar» la disposición de su estructura espacial y volver a ella después de una deformación. Se utilizan en sistemas de unión y separación de alambres dentales para ortodoncia, películas protectoras adaptables y válvulas de control de temperatura. • Materiales híbridos: materiales formados por una fibra y una matriz, como fibras de vidrio y de carbono con una matriz de poliéster o matriz metálica o de cerámica. Son materiales ligeros y de gran resistencia mecánica y altas temperaturas, utilizados en la industria aeronáutica y de embarcaciones, en motores y reactores de aviación.

2.3 Fibras de Carbono Las fibras de carbono son muy pequeñas y sumergidas en un polímetro de soporte resultan un material muy liviano y sumamente resistente. Si uno lo observa a través de un microscopio, una fibra de carbono (cuyo diámetro es la Page | 21 centésima parte de un milímetro) es muchísimo más fino que un cabello humano. La fibra de carbono se incluye en el grupo de los materiales compuestos, es decir, aquellos que están hechos a partir de la unión de dos o más componentes, que dan lugar a uno nuevo con propiedades y cualidades superiores, que no son alcanzables por cada uno de los componentes de manera independiente.

En el caso particular de la fibra de carbono, básicamente se combina un tejido de hilos de carbono (refuerzo), el cual aporta flexibilidad y resistencia, con una resina termoestable (matriz), comúnmente de tipo epoxi, que se solidifica gracias a un agente endurecedor y actúa uniendo las fibras, protegiéndolas y transfiriendo la carga por todo el material; por su parte el agente de curado ayuda a convertir la resina en un plástico duro. De la combinación de estos tres componentes, se obtienen las propiedades mecánicas del nuevo material, pues aunque la malla de hilos de carbono, constituye por sí sola un elemento resistente, necesita combinarse con la resina para que la proteja de factores externos y esfuerzos físicos.

Características y aplicaciones de las fibras de carbono

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Aunque aún es un material caro, razón por la que se ve mayoritariamente en autos premium o deportivos de gama alta, los procesos de fabricación han disminuido su costo a medida que avanza la tecnología, por lo que en algún momento tendrá un precio suficientemente bajo como para ser usado en la mayoría de los vehículos, ayudando no sólo a los deportivos sino que a los autos “normales” a reducir consumos, al bajar el peso que debe mover el motor.

2.4 El grafito El grafito es una de las formas alotrópicas en las que se puede presentar el carbono junto al diamante, los fulerenos, los nanotubos y el grafeno. A presión atmosférica y temperatura ambiente es más estable el grafito que el diamante, sin embargo la descomposición del diamante es tan extremadamente lenta que sólo es apreciable a escala geológica.

Fue nombrado por Abraham Gottlob Werner en el año 1789 y el término grafito deriva del griego γραφειν (graphein) que significa escribir. También se denomina plumbagina y plomo negro. El grafito se encuentra en yacimientos naturales y se puede extraer, pero también se Page | 23 produce artificialmente. El principal productor mundial de grafito es China, seguido de India y Brasil. Propiedades Es de color negro con brillo metálico, refractario y se exfolia con facilidad. En la dirección perpendicular a las capas presenta una conductividad de la electricidad baja y que aumenta con la temperatura, comportándose pues como un semiconductor. A lo largo de las capas la conductividad es mayor y aumenta proporcionalmente a la temperatura, comportándose como un conductor semimetálico.

Aplicaciones derivadas del grafito     

    

Se utiliza para hacer la mina de los lápices. El grafito se emplea en ladrillos, crisoles, etc. Al deslizarse las capas fácilmente en el grafito, resulta ser un buen lubricante sólido. Se utiliza en la fabricación de diversas piezas en ingeniería, como pistones, juntas, arandelas, rodamientos, etc. Este material es conductor de la electricidad y se usa para fabricar electrodos. También tiene otras aplicaciones eléctricas, como los carbones de un motor, que entran en contacto con el colector. Se emplea en reactores nucleares, como moderadores y reflectores. El grafito mezclado con una pasta sirve para fabricar lápices. Es usado para crear discos de grafito parecidos a los de discos vinilo salvo por su mayor resistencia a movimientos bruscos de las agujas lectoras. Se puede crear Grafeno, material de alta conductividad eléctrica y térmica, futuro sustituto del silicio en la fabricación de chips. En homeopatía es utilizado como medicamento, el cual, después de ser extraída la tintura madre, diluida y dinamizada, se utiliza para tratar enfermedades como tristeza, inquietud, llanto fácil, desesperación, etc.

Uno de los peores enemigos a los que se enfrenta una batería, (cualquiera sea su naturaleza) en especial las basadas en Iones de Litio, es el calor. La premisa fundamental que todo diseñador electrónico respeta es evitar que una célula de

batería se caliente demasiado, ya que este acontecimiento degrada el rendimiento de la batería y en consecuencia, su vida útil se reduce. Los teléfonos móviles y coches eléctricos (aunque no lo parezca) tienen mucho en común y la utilización de difusores de calor basados en grafito están comenzando a ganar terreno por sobre el aluminio y el cobre, logrando mantener los sistemas energéticos libres de Page | 24 altas temperaturas.

2.5 El grafeno El grafeno es un nuevo material nanométrico bidimensional, obtenido a partir del grafito en 2004 por los científicos Andre Geim y Konstantin Novoselov,, es una hojuela cuasiplana con pequeñas ondulaciones, dando la apariencia de un panal de abejas, con un grosor de un átomo de carbono (0,1nm). su producción ha estado, hasta hoy, restringida a nivel laboratorio,. posee unas extraordinarias propiedades que exhibe, tales como un efecto hall cuántico anómalo, un comportamiento como semiconductor gap superficial y ausencia de localización electrónica, entre otras, las cuales vislumbran que serán de gran utilidad en computación, electrónica y ecología entre otros muchos. El grafeno fue descubierto en los principios del siglo XX a partir del grafito. Aunque en un principio se pensó que eran cosas totalmente diferentes el grafito se puede describir como una serie de capas de grafeno superpuestas una sobre la otra, a semejanza de sábanas o manteles colocados uno sobre los otros, de manera que los átomos de una “sábana o mantel” está muy unidos pero separados de los átomos de los manteles superiores o inferiores. Esto le las propiedades tan características al grafito. La importancia que ha adquirido en los últimos años el grafeno se debe a un trabajo realizaron dos investigadores uno holandés de origen ruso-alemán y otro rusobritánico que les valió el premio nobel de física por sus trabajos con este material. Una característica que se explota en el grafeno es que los electrones pueden viajar con mucha libertad a lo largo de todo el enrejado, a semejanza de lo que ocurre con los metales, convirtiéndolo en un excelente conductor eléctrico y además desde el punto de vista químico todo el enrejado se comporta como una única molécula, una macromolécula o super-molécula como la describen.

Aplicaciones del grafeno Sus propiedades son realmente extraordinarias y en parte por que se ha convertido en un tema “de moda” entre los físicos, el grafeno es noticia prácticamente todos los días. Miles de laboratorios alrededor del mundo se encuentran trabajando con este material, Page | 25 buscando aplicaciones prácticas (y rentables patentes) por lo que no es extraño que periódicamente se le descubran nuevas propiedades. Uno de los últimos hallazgos proviene de un equipo de físicos de EE.UU. (Universidad de Harvard ) y Alemania (Instituto Max-Planck de Física del Estado Sólido), liderados por Amir Yacoby, que ha descubierto en el grafeno lo que llaman “efecto Hall cuántico fraccionario” (FQHE, por fractional quantum Hall effect). [ – Este efecto tiene lugar cuando los portadores de carga (básicamente electrones) se encuentran confinados en un espacio 2D y son atravesados perpendicularmente, a lo largo del eje Z, por un campo magnético. El grafeno, como ya hemos explicado alguna vez, es una retícula bidimensional de átomos, por lo que era un buen candidato para buscar en él este efecto. Cuando se induce una corriente a lo largo del eje X de esta malla, aparece una tensión -denominada tensión de Hall– en la dirección Y. A temperaturas muy bajas, esta tensión se cuantifica en etapas diferentes o estados Hall. El FQHE difiere del efecto Hall cuántico entero más conocido. Aparece como resultado de las interacciones fuertes que se producen entre los electrones, provocando que estos portadores de carga se comportan como cuasipartículas, con una carga que es una fracción de la de un electrón. Estas cuasipartículas de carga fraccionada son las responsables del FQHE y, posiblemente, una característica muy útil para el desarrollo de futuros ordenadores cuánticos. – El grafeno ha llegado para quedarse. En varios laboratorios del mundo se está experimentando con este increíble material, que parece tener aplicaciones en campos tan diferentes como electrónica o la mecánica. Hace algunos años se necesitaba un equipo bastante complejo para producir grafeno, pero los científicos han mejorado los procesos necesarios para obtener esta molécula compuesta por átomos de carbono hasta el extremo de poder crear grafeno a partir de las típicas galletas que venden las niñas exploradoras. O al menos, eso es lo que han hecho en la Universidad de Rice. – IBM hace historia y decide dar un paso hacia el futuro con la fabricación del primer circuito integrado basado en transistores de grafeno (el material de Dios). De este modo, IBM avanza un paso más hacia la superación de los límites del silicio y abre un enorme camino potencial hacia una electrónica más flexible. En este artículo te contamos como está fabricado este dispositivo que entrará en la historia de la

electrónica y además te contamos para qué sirve este modelo conceptual, es decir, qué función podría cumplir este circuito integrado dentro un equipo. El circuito integrado está construido sobre una oblea de carburo de silicio y se compone de transistores de efecto de campo (FET) (Field Effect Transistor) hechos de Page | 26 grafeno, un conductor muy delgado y con una composición alta de carbono que se resume en una sola capa atómica de espesor. El circuito integrado también incluye estructuras metálicas, tales como inductores y los electrodos drenaje y fuente (Drain ySource) que conectan a los transistores de grafeno dentro del IC. Los investigadores comentan, en la edición de esta semana de la revista Science, que el grafeno tiene el potencial para hacer transistores que sean capaces de funcionar a velocidades del orden de los Terahertz y que podrían en un futuro, no muy lejano, reemplazar al silicio como base para los microprocesadores utilizados en ordenadores. Hasta el momento, muchos han sido los equipos de investigación que han construidotransistores de grafeno. De hecho, el equipo de IBM, el año pasado mostró un desarrollo que operaba a 100GHz, esto es, más del doble de rápido que un transistor de silicio de dimensiones comparables.

2.6 El uso de los nanomateriales en la construcción Nanotubos de carbono: los beneficios esperados son la durabilidad mecánica y la prevención de grietas (en el cemento); la mejora de las propiedades mecánicas y térmicas (en la cerámica); el seguimiento de la salud estructural en tiempo real (NEMS / MEMS); y la mediación electrónica eficaz (en las células solares). Nanopartículas de dióxido de silicio (SiO2 ): los beneficios previstos son el refuerzo de la resistencia mecánica (en el hormigón); la refrigeración, la transmisión de luz y la resistencia al fuego (en la cerámica); propiedades antireflectantes e ignífugas (en las ventanas). Nanopartículas de dióxido de titanio (TiO2 ): los beneficios esperados son una hidratación rápida, el aumento en el grado de hidratación y la auto-limpieza (en el hormigón); superhidrofilia, antiempañamiento y resistencia a la suciedad (en las ventanas); y la generación privada de energía (en las células solares). Nanopartículas de óxido de hierro (Fe 2 O 3 ): los beneficios esperados son una mayor resistencia compresiva y resistencia a la abrasión en el hormigón.

Nanopartículas de cobre: los beneficios esperados son soldabilidad, resistencia a la

corrosión y conformabilidad en el acero. Nanopartículas de plata: los beneficios esperados son actividad biocida en recubrimientos y pinturas. Puntos cuánticos: los beneficios esperados son la mediación electrónica eficaz en las Page | 27 células solares. Posibles riesgos de los nanomateriales utilizados en el sector de la construcción Los autores señalan que los nanomateriales manufacturados, en concreto, las nanopartículas y los nanotubos de carbono sintetizados, pueden ser accidental o incidentalmente liberados en el medio ambiente en diferentes etapas de su ciclo de vida. Una vez en el medio ambiente, los nanomateriales manufacturados pueden sufrir diversas transformaciones físicas, químicas y biológicas que cambian sus propiedades, impacto y destino. Por ello, según los investigadores, es esencial elaborar un perfil de exposición integral del ciclo de vida de los nanomateriales manufacturados para evaluar sus posibles efectos para la salud humana y del ecosistema, así como para mitigar riesgos innecesarios.

2.7 Otras aplicaciones en el campo de la energía, sostenibilidad, industria textil y arquitectura En el campo de la energía, la nanotecnología está contribuyendo a la construcción de células fotovoltaicas más eficientes. Avance hacia la sostenibilidad con la mejora de catalizadores, descontaminación del agua y de la atmósfera. En la industria textil, se ha logrado la fabricación de ropas elaboradas con textiles que incluyen partículas hidrófobas o bactericidas, que repelen el agua y tardan más en ensuciarse. En arquitectura, se produce la fabricación de recubrimientos que protegen paredes o cristales de pinturas indeseadas o de la corrosión metálica. Vidrios fotocrómicos que cambian de color según la luz incidente, evitando la penetración de rayos UV e IR. Sanitarios que repelen los líquidos y que se depositen bacterias, evitando la suciedad.

Conclusión Los tiempos modernos han acelerado la ejecución de las cosas, lo que demanda a su Page | 28 vez más productividad y mejor calidad de vida. Nuestra sociedad ya no soporta los mismos estándares de antes y la supervivencia de las industrias depende en gran medida de sus materiales. Los ingenieros y técnicos requieren de conocimientos de los materiales que la elite está usando ya que esto modifica la concepción de la tecnología actual. Aplicaciones como los nanotubo de carbono y los nuevos avances de física moderna sumada al entorno competitivo industrial se han vuelto conocimientos estratégicos para seguir subsistiendo económicamente fuerte, además esto aumenta nuestras posibilidades y no lleva la resolución de problemas traduciéndose en mejor calidad de vida. Podemos decir que el desarrollo futuro de la humanidad estará siempre sustentada en la ciencia e ingeniería de los materiales.

Anexos Page | 29

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