Nanomateriales

Nanomateriales
Dr. Manuel Bardají !
Universidad de Valladolid
NANOMATERIALES
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 
BIBLIOGRAFÍA
Introducción a la Nanotecnología. C. P. POOLE Y F. J. OWENS. Editorial Reverté. AÑO
2007. ISBN: 9788429179712.
Nanotecnologia Nuevas Promesas Nuevos Peligros. S., TOBY. Editorial El Viejo Topo.
AÑO 2006. ISBN 8496356868, 9788496356863
Una revolución en miniatura: nanotecnología al servicio de la humanidad/ Amador
Menéndez Velázquez, Public. De la Univ. De Valencia, 2010, ISBN 978-84-370-7840-3
Wikipedia, youtube y múltiples fuentes por Internet
NANOMATERIALES
Nanómetro: 10-9 m (10 Å)
1-100 nm
“There is plenty of room at the bottom” R. Feynman (1959),
NANOMATERIALES
Revolución científica-industrial
Miniaturización: nanomanía
Era de lo NANO
Nanoquímica
NANOMATERIALES
Nanoelectrónica
Nanotecnología:
Es el diseño, producción, caracterización y
estudio de las aplicaciones, de estructuras y
sistemas a escala nanométrica, con talla y
forma controlada, que poseen una propiedad o
carácterística nueva o superior
Nanomedicina: nanocosmética
NANOELECTRÓNICA
Microelectrónica
Circuito electrónico-chip: miniaturización (programa
espacial Apolo)
Ley de Moore
Primer chip 1971 con 2250 transistores
2007 con 250 millones de 65 nm
2008 de 45 nm
32 nm?
Láser rojo 650 nm (CD, DVD) a láser azul 405 nm
(blue-ray): 0.6-4.7 GB a 33 GB
“boli de punta más fina”
NANOMATERIALES
Número de patentes en nanotecnología: lista de 2012
Rank
Country
1
USA
2
Japan
3
South Korea
4
Taiwan
5
Germany
6
France
7
China
8
UK
9
Netherlands
10
Canada
11
Switzerland
12
Belgium
13
Australia
14
Singapore
15
Sweden
16
Italy
17
Denmark
18
India
Pat.
15695
3513
1320
1055
969
625
549
475
407
390
289
234
161
159
156
138
119
117
19
Spain
107
20
21
22
23
24
25
26
27
27
29
30
Finland
Ireland
Austria
Saudi Arabia
Norway
Luxembourg
Russia
Brazil
New Zealand
Iran
South Africa
96
63
60
48
46
39
34
25
25
22
16
NANOMATERIALES
Green Chemistry
Economía sostenible
Área prioritaria investigación:
“nanotecnologías…procesos y dispositivos de
producción”
Problemas medioambientales: absorbidos por
células vivas
NANOMATERIALES: Clasificación
Cero-dimensionales:!
Nanopartículas, puntos cuánticos o nanocristales!
Monodimensionales: !
Nanofibras, nanotubos!
Bidimensionales: !
Nanocapas, películas delgadas!
NANOMATERIALES: TÉCNICAS!
1. Microscopía de Transmisión Electrónica (TEM Transmission Electronic !
Microscopy): 1931 en Berlín (Siemens), 1939 comercial. !
!
Microscopía Electrónica de Barrido (SEM Scanning Electron Microscopy) es
una variante.!
!
Haz de electrones atraviesa la muestra; se ven átomos en la actualidad.!
!
2. Microscopía de Efecto Túnel (STM Scanning Tunneling Microscopy): !
1981 en Zurich (IBM)!
!
función de la posición de la punta, el voltaje aplicado y la densidad local !
de estados de la muestra !
0.1 nm de resolución lateral y 0.01 nm de resolución de profundidad!
!
3. Microscopía de Fuerza Atómica (AFM Atomic Force Microscopy or !
SFM scanning force microscopy): variante del anterior. !
Fuerzas aparecen entre punta y muestra.!
NANOMATERIALES: TÉCNICAS!
Microscopio óptico: resolución de 1mm a 1 micra: NANOSCOPÍA (Nobel 2014)
TEM
Resolución atómica.
Puede determinarse estructuras en 2 dimensiones.
Interacción electrones a electrones.
SEM
Resolución atómica.
Requiere vacío.
Debe cubrirse a menudo el espécimen.
Permite características superficiales.
STM-AFM
Las muestras deben ser conductoras (STM).
Algunas superficies parecen demasiado lisas
No es una fotografía de los átomos en la superficie. Lo que parece una superficie sólida es en
realidad una imagen de un conjunto de electrones.
Las imágenes también dependen de ciertos mecanismos de interacción punta-muestra
que no se entienden bien hasta la fecha.
NANOMATERIALES
Dip-Pen Nanolithography
NANOMATERIALES
50 x 25 Å
Molecular Beam Epitaxy; Molecule Man
28 CO on Pt
NANOPELICULA:
A Boy And His Atom: The World's Smallest Movie
http://www.youtube.com/watch?v=oSCX78-8-q0&feature=player_embedded#!
NANOMATERIALES
Nanopartículas: nanopartículas de oro
Dr. Manuel Bardají!
Universidad de Valladolid
NANOMATERIALES: NANOPARTÍCULAS
Quantum size effect
Top-down
Metal
masivo
NANOPARTÍCULAS
Clusters
Bottom-up
Compuestos
moleculares
NANOPARTICULAS DE ORO
colorante para cerámica y vidrio
V-IV a. de C. China (Lycurgus cup) y Egipto
Siglo XVII: Púrpura de Casio: Au+SnO2
tónicos y elixires: “or potable” (1769)
Disoluciones coloidales de metales:
Faraday con fósforo blanco en CS2/H2O (1857)
Término Coloide: 1861 Grahan
NANOPARTÍCULAS DE ORO
Número mágicos: 13, 55, 147, 309
Número de capas: 1, 2, 3, 4
Banda plasmón: teoría de Mie (1908);
QSE para 2-20 nm
Oro: 500-600 nm
Tamaño, forma, medio,
dispersión,
grado de agregación
Gap conduc-valencia si < 20 nm
NANOPARTICULAS DE ORO
Estabilización de nanopartículas
Mediante la adición de polímeros
Ligandos en la superficie: tiolatos
Electrostática con sales
NANOPARTICULAS DE ORO
1951: Turkevich con citrato: 14-900 nm
NANOPARTÍCULAS ORO-TIOL
SAM Self-Assembled Monolayers: electrodos de
oro modificados, superficies de oro.
1994: Brust-Schiffrin
sistema bifásico agua/dte. orgánico: 1-30 nm
Schmid: Au55(PPh3)12Cl6: 1.4 nm
Caracterización de nanopartículas de oro
1.  Absorción v-uv: banda plasmón. Monitorizar y caracterizar
2. Microscopía: TEM, HRTEM “ven” centro metálico
3. Diffraction Ligth Scattering (DLS): “ve” rH nanop.
4. SAXS, WAXS: Small/wide Angle X-ray Scattering
5. RMN, IR: Monitorizar y caracterizar
6. Análisis elemental: Au
7. Termogravimetría (ATG), análisis térmico diferencial (ATD),
calorimetría diferencial de barrido (DSC)
8. Espectroscopia fotoelectrónica de rayos X (XPS, ESCA)
9. Medidas de magnetismo.
Reducción térmica en presencia de oleilamina
Abundance
50
40
30
9 ± 0.5 nm
20
10
0
0 2 4 6 8 10 12 14
size /nm
0.4
Absorbance
λmax=528 nm
0.2
0.0
400
600
800
! / nm
[(PPh3Au)3
O]+ (CF
3SO3
)-
+ C18H37N (exceso)
Tolueno
reflujo
3Au0 + ...
NANOPARTÍCULAS DE ORO
Nanolitografía permite funcionalizar superficie de sílica con grupos amino sobre los que se depositan selectivamente las Nanopartículas de oro
NANOPARTÍCULAS DE ORO
TEM images of Au
nanoparticles.
(up) Nanospheres 4-40 nm
(down) Nanorods 1.3-5 aspect
ratio
Bar = 100 nm
Acc. Chem. Res., 2008, 41, 1721-1730"
NANOPARTÍCULAS
NANOMATERIALES:
DE ORO:
APLICACIONES
APLICACIONES
COLORIMETRÍA:
aprovechando la banda plasmón de nanopartículas de oro
1.  Carter-Wallace home pregnancy test: “First Response”
2. Detección de ADN: con tiolatos.
NANOPARTÍCULAS
NANOMATERIALES:
DE ORO:
APLICACIONES
APLICACIONES
COLORIMETRÍA:
Test rápido para el diagnóstico de la
infección por el virus del Ébola
En 15 minutos “ReEBOVTM Antigen Rapid
Test Kit” y esta manufacturado por Corgenix
Medical Corporation (Broomfield, USA).
Tira de nitrocelulosa
Zona I anticuerpos de conejo dirigidos contra
el antígeno buscado + oro coloidal (Ac M).
zona R-reacción anticuerpos de conejo
zona C-control anticuerpos de cabra dirigidos
contra los de conejo (AcC).
Reacción positiva: tira 2
Reacción negativa: tira 3 (control)
http://blog.medicapanamericana.com/test-rapido-para-el-diagnostico-de-la-infeccion-por-el-virus-del-ebola/
NANOPARTÍCULAS
NANOMATERIALES:
DE ORO:
APLICACIONES
APLICACIONES
Proyecto europeo Adonis
1.  Nanopartículas de oro funcionalizadas para unirse a células cancerígenas
2.  Se localizan con un láser IR
3.  Se calientan específicamente el oro para destruir la célula cancerígena
Revista Quo abril 2008.
almacenes Harrods:
Chantecaille Nano Gold Firming
Treatment
£280.00 Product Code 2074978
Chantecaille Gold Energizing
Eye Serum
£179.00 Product Code 2773293
Nanomateriales: toxicidad
Temor ante lo desconocido:
PASADO: Vacunas
PASADO-PRESENTE: Medicamentos
PRESENTE: trasgénicos
Toxicidad real por su pequeño tamaño, se introducen en células
Estudios in vivo, considerando:
tamaño-distribución,
forma,
DOSIS,
funcionalización,
para qué se usan-posibles células afectadas
Toxicidad de nanopar:culas de oro en modelos celulares de la piel Langmuir 2012, 28, 3248-­‐3258 NANOMATERIALES: APLICACIONES
Nanopartículas Superparamagnéticas de Fe3O4 (SPIONs)
2011: LUCHA CONTRA LA MALARIA, transportan vacuna
Langmuir 2011, 27, 3703-3712
NANOMATERIALES:
NANOMATERIALES
APLICACIONES en NANOMEDICINA
NANOMATERIALES: APLICACIONES en NANOMEDICINA
Nanoarmas
Nanorobots
NBQ-NBC
NANOMATERIALES: APLICACIONES en NANOMEDICINA
Tumor cerebral: se inyectan nanopartículas magnéticas
Indoloro
43 oC localizadamente
NANOPARTÍCULAS: APLICACIONES
CATÁLISIS: directamente o soportada
GRAN SUPERFICIE ACTIVA
MUY ESPECÍFICOS
Oxidaciones, hidrogenaciones selectivas
Catalizadores para automóviles
Extracción y eliminación de
contaminantes
NANOMATERIALES: aplicaciones actuales (comerciales)
Nanopartículas de plata bactericidas:
Gasas para hospitales (Weistmer)
Aditivo en lavadoras (Samsung)
Calcetines y otras ropas (varias empresas)
Nanopartículas de silicio:
Adhesivo dental (3M)
Nanohidroxiapatita
Pasta dental (regenación de huesos)
NANOMATERIALES: aplicaciones actuales (comerciales)
Nanotubos de carbono:
Frenos en Fórmula 1
Nanopartículas hidrofóbicas (BASF):
recubrimientos (repeler agua y suciedad)
Nanoemulsiones desinfectantes: contra SARS
NANOMATERIALES: Otras aplicaciones actuales (casi comerciales)
Nanomateriales superresistentes y de bajo peso:
Nanotubos de carbono, nanopartículas de wolframio
(RAQUETAS DE TENIS C+W: Nadal)
Cremas solares: nanopartículas de ZnO
Pelotas de golf y tenis
………….
NANOMATERIALES: Otras aplicaciones
http://www.euroresidentes.com/futuro/nanotecnologia/aplicaciones_nanotecnologia/
nanotecnologia_aplicaciones.htm
http://www.nanotecnologica.com/
Next-Generation Computer Chips
Better Insulation Materials
Tougher and Harder Cutting Tools
Elimination of Pollutants
High Energy Density Batteries
High-Power Magnets
Automobiles with Greater Fuel Efficiency
Aerospace Components with Enhanced Performance Characteristics
Better and Future Weapons Platforms
Longer-Lasting Satellites
Longer-Lasting Medical Implants
Ductile, Machinable Ceramics
Nanomateriales: aplicaciones actuales
Nº productos con nanopartículas en 2009 y en 2010:
Fullerenos: descubrimiento
Kroto (Sussex):
Astroquímica: condiciones estrellas gigantes de carbono:
polvo interestelar
Smalley (Texas):
láser vaporiza + masas
Investigación multidisciplinar
no aplicada
clusters C2n n = 15-300
C60 y C70
PREMIO NOBEL DE QUIMICA 1996
Fullerenos: caracterización
12 pentágonos y 20 hexágonos
13C
: 142.68 ppm
Aristas: hex-hex 1.39Å,
hex-pent 1.455Å
Diámetro: 7.1 Å;
Nanotubos de carbono
Nanotubos de carbono por S. Iijima 1991
Arco eléctrico entre dos electrodos de carbono
Paredes: hexágonos (grafito) pero se cierran con hemiesferas fullereno
(con pentágonos)
Nanotubos de carbono
Nueva piedra filosofal
  Su
longitud es de hasta 28 millones de veces su diámetro (diámetro del
orden del nanómetro).
  introducción
 
 
 
y modulación de propiedades químicas y físicas.
Alta resistencia a la tracción (mejor que el acero).
Excelentes conductores de la electricidad y del calor.
Son muy largos
Comparison of mechanical properties
Young's
Tensile strength Elongation at break
Material
modulus (TP a )
(GP a )
(%)
SWNT
~1 (from 1 to 5)
13–53
16
MWNT
0.2–0.8–0 . 9 5
11–63–15 0
Stainless steel 0.186[34]–0.214
0.38–1.55
15–50
[36]
[36]
Kevlar–29&1 4 9 0.06–0.18
3.6–3.8
~2
Nanotubos de carbono: APLICACIONES
Componente de material deportivo:
  tablas de esquiar/snow,
  Raquetas de tenis, palos de béisbol
  Componente de bicicletas
  Componente de frenos de coches (F1)
 
TOXICIDAD: en estudio.
Depende del tipo, diámetro, longitud, funciones
químicas externas/internas
Grafeno
Lámina monocapa de C
nanotubo sin enrollar
Ruptura de cristales de grafito
Exfoliación de comp. Intercalación grafito
Deposición de vapores químicos
J. Mater. Chem., 2011, 21, 3280-3294
 
 
 
Alta resistencia a la tracción
(mejor que el acero).
Excelentes conductores de la
electricidad y del calor.
Es muy largo
Andre Geim and Kostya Novoselov: nobel de Física 2010
Novoselov, K. S. et al. Science 306, 666–669 (2004)
Noticia enero 2013 :
1000 millones para el grafeno por parte de la UE
(gastar en 10 años)
http://www.graphene-flagship.eu/GF/index.php
1 CHALMERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
Sweden
2 THE UNIVERSITY OF MANCHESTER
United Kingdom
3 LANCASTER UNIVERSITY
United Kingdom
4 THE UNIVERSITY OF CAMBRIDGE
United Kingdom
5 AMO GMBH
Germany
6 CATALAN INSTITUTE OF NANOTECHNOLOGY
Spain
7 NATIONAL RESEARCH COUNCIL OF ITALY
Italy
8 NOKIA OYJ
Finland
9 EUROPEAN SCIENCE FOUNDATION
France
Noticias abril 2014 :
la velocidad de movimiento de los electrones dentro del grafeno es de las más altas que se
conocen. Las señales viajen más rápido y también poder alcanzar tiempos menores de
conmutación y así poder trabajar con frecuencias altísimas.
En el área electrónica, IBM ha creado un chip de grafeno y silicio que es 10.000 veces más
potente que los anteriores solo de silicio, y consigue trabajar a frecuencias de 100 GHz,
aunque en laboratorio han superado los 300 GHz.
La unión de la gran flexibilidad mecánica del grafeno con otros materiales como el silicio,
permite realizar microchips de grafeno que pueden ser incorporados en aplicaciones
completamente novedosas como por ejemplo pantallas flexibles. Existen ya pantallas
flexibles de 30 pulgadas.
También se están multiplicando los avances en el diseño de baterías. Sus aplicaciones
principales son los smartphones y los automóviles eléctricos, ya que el grafeno unido a los
iones de litio ha permitido conseguir densidades 3,5 veces superiores a las actuales.
Noticia diciembre 2014 :
Graphenano, empresa española que produce grafeno industrial desde 2012, la
Universidad de Córdoba y Grabat Energy, otra empresa española que
fabricará las celdas de batería crean la batería que carga el coche en ocho
minutos gracias al grafeno
http://www.elmundo.es/economia/2014/12/04/547f577fca474183058b4578.html?cid=SIN12201
Estas celdas de polímero de grafeno dan al 'e-car' una autonomía de 1.000 kilómetros
Estas baterías triplican la potencia de las de ion-litio y reducen su precio 'un 77%’
duran hasta cuatro veces más que las tradicionales de hidruro metálico y dos veces más que las de
litio.
reducir el peso de las baterías a la mitad
Especiales en periódicos como El Mundo, Expansión o El Norte de Castilla