Carlos Alvarado Chavarín

INTRODUCCION A LAS NANOCIENCIAS
M.Sc. Carlos Alvarado Chavarin
Estudiante de Doctorado de la Universidad de Duisburg-Essen, NRW, Alemania
Los avances cientificos y tecnologicos nos permiten hoy por hoy manipular la materia a
escala nanometrica (nm.), esto es, una mil millonesima de metro.
Fig 1. Escala comparativa de las dimensiones nanometricas [University of New Zeland]
Las nanociencias y nanotecnologia se encargan de estudiar todo material, dispositivo o
estructura con medidas menores a los 100 nm. Materiales como nanoparticulas de diferentes
formas geometricas; dispositivos y estructuras como transistores de nanotubos de carbono o
Sistemas Nanoelectromecanicos (NEMS por sus siglas en ingles).
a)
b)
Fig. 2. a) Imagen de un Microscopio Electronico de Transmision de nanoparticulas de SnO2 [Prof. Dr. Hermann
Nienhaus, Duisburg-Essen Universität], b) Imagen de un Microscopio de Electronico de Barrido de un
dispositivo de grafeno funcionalizado [Prof. Dr. Gerd Bacher, Duisburg-Essen Universität].
En la escala nanometrica algunos fenomenos fisicos ya no pueden ser explicados por la
mecanica clasica y es sustituida por la mecanica cuantica. La mecanica o fisica cuantica toma
su nombre del latin quantum que denomina cantidad. Esto inicia con el efecto fotoelectrico y
la teoria de que la luz es transmitida en paquetes o cuantos de luz, ahora conocidos como
fotones. En la escala cuantica los elementos solo pueden tomar valores discretos (valores fijos
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y bien definidos) llamados niveles energeticos, a todo sistema que su energia sea en valores
discretos se considera que es un “sistema cuantizado”. Esto es bien conocido en los ortbitales
atomicos, donde los electrones ocupan determinados orbitales con determinada energia
ubicando una probabilidad de encontrarlos en una region del atomo. Estos electrones pueden
pasar por los diferentes orbitales y sus energias, pero fuera de estos es imposible.
En un estudio mas profundo de la mecanica cuantica, uno puede encontrar el fenomeno de
tunelaje. Una forma de explicar este fenomeno consiste en imaginar que lanzamos una pelota
hacia una pared, la mecanica clasica, en nuestro mundo macroscopico predice lo que todos
nos imaginan: la pelota rebotara a nosotros. Sin embargo en la escala nanometrica, la pelota
tiene una probabilidad de cruzar la pared y seguir su camino sin regresar a nosotros. Una
aplicacion electronica de este fenomeno son los llamados diodos de tunelaje, los cuales
pueden trabajar a frecuencias de microondas lo cual se traduce en operaciones logicas mucho
mas rapidas.
Otro interesante y enigmante fenomeno discutido en las nanociencias es el de entrelazamiento
cuantico. La fisica cuantica describe los sistemas en formulas matematicas llamadas estados
cuanticos. Si un sistema esta formado por 2 particulas subatomicas y se describe por un estado
cuantico, donde en el sistema solo permite spin positivo y negativo, y las 2 particulas deben
tener spines diferentes, entonces se puede medir el spin de una particula y sea cual sea su
resultado inmediatamente se sabra cual es el spin de la otra particula del sistema. Una manera
diferente de ver este fenomeno seria imaginando que cortamos una moneda a la mitad, cada
mitad la ponemos en un sobre cerrado y se la entregamos a 2 personas en diferente lugares,
cuando la primera persona haga la medicion y vea si en la moneda es cara o cruz,
automaticamente y sin necesidad de medir se sabra que en el otro sobre esta el valor opuesto.
Este fenomeno es estudiado para su aplicacion en codificacion de informacion.
a)
b)
Figura 3 a) Diagrama del efecto de Tunalaje en la fisica cuantica, b) diagrama del entrelazamiento cuantico.
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El confinamiento cuantico sucede al forzar un sistema a cuantizar su energia y esto sucede al
limitar sus dimensiones, esto es, sus medidas. Si un compuesto quimico, por ejemplo un
semiconductor, es confinado (limitado) en sus 3 dimensiones (largo, ancho y profundo) se le
considera un punto cuantico. A los nanoalambres o nanotubos se les consideran confinados en
2 dimensiones. Los peliculas delgadas son consideradas confinadas en 1 dimension.
Debido a estos confinamientos, que es generalmente en la nanoescala, estas estructuras de un
semiconductor cualquiera no se comportan de la misma manera que el mismo semiconductor
sin confinamientos.
Los puntos cuanticos tienen amplias posibilidades en el area optoelectrica, debido a que
incrementan la cantidad de energia que pueden absorber y emitir, con lo que se busca
incrementar la eficiencia de dispositivos de luz.
Los nanoalambres o nanotubos, como por ejemplo los nanotubos de carbon, presentan
caracteristicas mecanicas de valores superiores a su contraparte macroscopica, asi tambiencon
los nanoalambres los cuales pueden sintetizarse con capas de diferentes semiconductores y
formar diodos emisores de luz (LED por sus siglas en ingles).
Las peliculas delgadas se consideran a las capas de un material depositadas sobre un substrato
que solo cuentan con grosores de fracciones de nanometros. Debido a su grosor tienen un
amplio uso en la industria de recubrimientos opticos, esto es, en pantallas de cristal liquido
(LCD por sus siglas en ingles) y junto con sus propiedades electricas como sensor capacitivo
en pantallas tactiles como las de los celulares.
Sin embargo las propiedades mecanicas de las peliculas delgadas de metales o materiales
como el ITO no permiten su uso en pantallas flexibles, asi tambien el alto costo y limitadas
cantidades de los quimicos necesarios, nos llevan a buscar alternativas. Entre estas posibles
alternativas encontramos al grafeno, un alotropo del carbon, el cual deriva del grafito pero se
diferencia en que el grafeno solo es una capa del grosor de un atomo.
a)
b)
Figura 4 a) Diagrama de los componentes de una pantalla tactil, b) pantalla flexible [LG laboratories]
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Debido a estas dimensiones el grafeno presenta caracteristicas diferentes a las del grafito,
como por ejemplo su transparencia de cerca del 90%, transporte termico balistico, una alta
mobilidad de electrones y una resistividad variable por medio del efecto de campo electrico
como lo es para los transistores de efecto de campo (FET por sus siglas en ingles). Para poder
utilizar estos nuevos materiales el estudio de sus propiedades a escala nanometrica es
necesario.
Diferentes herramientas son utilizadas para el estudio de las nanociencias como lo es el
Microscopio Electronico de Barrido (SEM por sus siglas en ingles) o Microscopio Electronico
de Transmision (TEM) los cuales utliza electrones acelerados para obtener imagenes a escalas
nanometricas. La diferencia entre ellos radica principalmente en las resoluciones que se
pueden obtener, ya que el TEM se reportan imagenes de fracciones de nanometro y con el
SEM de decenas de nanometros, sin embargo, la versatilidad del SEM lo hace un microscopio
de uso mas cotidiano, sus diferencias se pueden ver en la Figura 2.
Otra poderosa herramienta es el Microscopio de Fuerza Atomica (AFM por sus siglas en
ingles). El AFM a diferencia del SEM o TEM, utiliza la punta de una piramide como una
sonda para "palpar" la superficie y revelar propiedades geometricas, mecanicas, electricas o
magneticas. El radio final de estas piramides suele ser menor a los 25 nm. Dependiendo del
material o el recubrimiento de estas piramides se puede obtener informacion de sus
propiedades o incluso manipular la muestra, como por ejemplo mover de lugar nanoparticulas
empujandolas con la punta de la piramide, "rasgar" la muestra al presionar la punta hacia la
muestra o mediante un voltaje externo oxidar la muestra selectivamente.
a)
b)
c)
Figura 4 a) Diagrama del AFM, b) Imagen SEM de la punta utilizada en AFM, c) Grafeno con litografia
oxidativa con la leyenda "WET" [Imagenes por C.A. Chavarin, Duisburg-Essen Universität]
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