presentación de la nanociencia

ÍNDICE
PRESENTACIÓNDELASACTIVIDADES
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INSTRUCCIONESDEUSO
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PRESENTACIÓNDELANANOCIENCIA
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CAJA1.LANANOCIENCIAYSUCARÁCTERMULTIDISCIPLINAR
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CAJA2.UTILIDADESYAPLICACIONESDELANANOCIENCIA
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CAJA3.HERRAMIENTASPARALANANOCIENCIAYCOMPLEJIDADENSUUSO
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1
2
PRESENTACIÓNDELASACTIVIDADES
EstasactividadestienencomoobjetivointroduciralosalumnosdeESOyBachillerato
en la nanociencia, para que comprendan la importancia de esta pujante rama de la
ciencia,ysusaplicacionesenelmundoactualyparaelfuturo.
Conesteobjeto,sepresentantrescajasenlasqueseincluyendistintosexperimentos,
demostracionesyjuegos;lascajastienendistintastemáticas:
La caja nº 1 trata sobre el concepto de nanociencia y su carácter
multidisciplinar.
Lacajanº2explicalasutilidadesyaplicacionesdelananociencia.
La caja nº 3 introduce a los alumnos en la complejidad del uso de las
herramientasdelananociencia.
Esrecomendableunalecturapreviadeestaunidadporpartedelprofesor,demanera
que pueda realizar una previsión para la organización de la clase, de los medios e
infraestructurasnecesarios,asícomosupervisarquetodoelmaterialdelacajaestéen
buenestado.
Se incluyen actividades de distintos tipos, por lo que la dinámica de la clase será
distinta cuando se trate de demostraciones por parte del profesor, de actividades a
mododecompeticiónodeexperienciasdeparticipacióncolectiva.Esaconsejableque
elprofesorpreveaelformatoconelqueserealizarálaactividad.
INSTRUCCIONESDEUSO
Laguíaestádividaenlasmismasseccionesqueelmanualdelalumno:presentacióna
lananociencia,caja1,caja2ycaja3.
Estaunidadcontienelasfichasqueseentregaránalosalumnosparalarealizaciónde
las actividades, destacadas con un fondo especial, descripciones para el profesor y
recursos adicionales que pueden ser utilizados como información que complemente
lasdelaspropiasfichasdelosalumnos.
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PRESENTACIÓNDELANANOCIENCIA
¿QUÉESLANANOCIENCIA?
Esposiblequehayasoídohablardeconceptos
relacionados con la nanociencia en noticias de
la prensa o en clase. Muchas veces se oyen
referenciasalananocienciacuandosehablade
nuevos desarrollos científicos, o de
descubrimientos que van a revolucionar
camposcomolaMedicinaolaIngeniería.
Estas cajas contienen actividades mediante las
que vas a aprender muchas cosas sobre la
nanociencia,susdesarrollosactualesyfuturos,
ylasherramientasqueutiliza.
Pero lo mejor es que empecemos con una
preguntabásica:¿quéeslananociencia?
Siloconsultamosenalgúnlibrooenciclopedia
de Ciencia, lo más probable es que
encontremos definiciones como ésta: La
nanociencia y la nanotecnología son los
camposdelacienciaylatécnicaquesededican
a estudiar, diseñar, obtener y/o manipular de
manera controlada materiales, sustancias y
dispositivos de dimensiones inferiores al
micrómetro (106 m) y próximas al nanómetro
(109 m). [1 nanómetro es una millonésima
partedeunmilímetro].
¿Qué significa? Lo primero que debemos
recordar es que la materia está formada por
átomos.Losátomossonpartículasminúsculas.
Inclusoenunobjetomuypequeño,queapenas
podamos ver a simple vista, hay muchísimos
milesdemillonesdeátomos.
Paraformarlosobjetosgrandes,estasenormes
cantidades de átomos se unen unos con otros
formandoestructuras.Lasdistanciasentreesos
átomos son de un tamaño en torno al
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nanómetro,osea,comohemosdichoantes,la
millonésimapartedeunmilímetro.
Lo interesante es que los materiales tienen las
propiedades que tienen (que sean duros o
blandos, flexibles o rígidos, que se comporten
comoimanes,ocomoconductoreseléctricos,o
como aislantes del calor) por la forma en que
losátomosseunenunosconotrosenlaescala
nanométrica.
Esto es algo que los científicos ya sabían. Lo
quenohabíanpodidohacerhastahacepocoes
controlar esa estructura en la nanoescala: no
había forma de ver tamaños tan pequeños, ni
de cambiar a voluntad la forma en que los
átomosseunían.
Desde hace un tiempo, ya existen esas
herramientas: y a partir de ahí, ya se puede
hacernanociencia.
Las aplicaciones de la nanociencia se basan en
que, a escala nanométrica, los materiales
tienen distintas propiedades que a
macroescala, es decir, que al trabajar sólo con
unos pocos átomos o moléculas de un
compuesto, su comportamiento puede ser
totalmente diferente al que presenta cuando
tenemoscantidadesmayores.
Estoabreungrancampodeinvestigaciónenel
que se pueden desarrollar productos que
respondan a las necesidades de la sociedad
actual,loquehacequealgunosconsidereneste
retocomolapróximarevoluciónindustrial.
Enestaimagenpuedesverlostamañostípicos
de objetos a distintas escalas, y cuál es el
instrumentoquepodemosusarpara“verlos”.
CONTENIDOSADICIONALES
Los contenidos que siguen detallan características de la nanociencia,
referenciashistóricasodeaplicacionesactualesofuturas.Elprofesorpuedeutilizarlas
enelformatoquedeseeparaunaclasedepresentacióndelasactividades.
Como indica la ficha del alumno, la nanociencia yla nanotecnología engloban
aquellos campos de la ciencia y la técnica que estudian, diseñan, obtienen y/o
manipulandemaneracontroladamateriales,sustanciasydispositivosdedimensiones
inferioresalmicrómetro(106m)ypróximasalnanómetro(109m).[1nanómetroes
unamillonésimapartedeunmilímetro].
Las aplicaciones de la nanociencia se basan en que, en nanoescala, los
materialestienendistintaspropiedadesqueenmacroescala,esdecir,quealtrabajar
sóloconunospocosátomosomoléculasdeuncompuestosucomportamientopuede
sertotalmentediferentequeelquepresentacuandotenemoscantidadesmayores.
Esto abre un gran campo de investigación en el que se pueden desarrollar
productos que respondan a las necesidades de la sociedad actual, lo que hace que
algunosconsiderenesteretocomolapróximarevoluciónindustrial.
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Estaimagen,queapareceenlafichadelalumno,seutilizacomorecursovisual
para explicar la escala métrica: la nanotecnología opera entre 1 y 100nm (franja
marcadaenazul).Elmicroscopioelectrónicosepuedeutilizarparaobservarmoléculas
yátomosaesaescala.
Mediante la manipulación a escala atómica se consiguen estructuras
molecularesconnuevaseimportantespropiedades.Laescalaatómicahasupuestola
posibilidaddeponerenescenalaFísicacuántica,queunidoconprincipiosdeQuímica
yBiologíanospermitenprofundizarenelestudiodelasestructurasylosfenómenosa
escalananométrica.
Unejemplosonlosnanotubosdecarbono(CNTs),moléculasdiseñadasaescala
“nano”quecreanestructurasaescala“macro”másresistentesqueelacero.Sehará
referenciaaellas,yalosfullerenos,enlaprimeraactividaddelacaja1.
UNPOCODEHISTORIA…
Sepuededatareliniciodelananocienciaen1959,cuandoelpremioNobelde
FísicanorteamericanoRichardFeynmandiounacharlatitulada“Haymuchositioenel
fondo”.Enellaexplicabadistintasideasrevolucionariassobreloquesepodríallegara
realizarsisealcanzabaelcontroldelasestructurasaniveldelosátomos.
Feynmanyahablabadelaaproximación“topdown”,queconsisteencomenzar
el estudio de un material desde lo macroscópico aproximándonos hasta lo más
pequeño.
Cincuenta años después, aunque la nanotecnología sigue utilizando la
aproximación “topdown”, se va abandonando para empezar a diseñar estructuras
desdelosátomoshastalomacroscópico,loquesedenominaaproximación“bottom
up”. Feynman dijo “No me cabe ninguna duda de que si conseguimos controlar la
deposición atómica delos materiales seampliaránenormemente laspropiedades de
losmaterialesylascosasqueconellospodemoshacer”.Lainvestigaciónseaceleró
vertiginosamente a partir de la aparición del Microscopio de Efecto Túnel en 1981,
desarrollado por H. Rorher y G. Binnig (premios Nobel en 1986). A ello se unió la
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mejora de los microscopios electrónicos, y la invención de nuevos microscopios con
resoluciónnanométrica,relacionadosconelmicroscopiodeefectotúnel.
ÁMBITOSDEAPLICACIÓNDELANANOCIENCIA
El ámbito de la nanociencia tiene carácter multidisciplinar. A pesar de que
inicialmentesurgióvinculadaalaFísicaylaQuímica,prontosusdesarrollosinfluyeron
en otras ramas, como la Ingeniería o la Robótica, y hoy en día va ganando gran
importanciaenotroscamposcomolaBiología,laMedicinaoelMedioAmbiente.
Podemosdecirquelananocienciaesunadisciplinadefuturoquenosllevarágrandes
avancestecnológicosyquepodríadesencadenarenunasegundarevoluciónindustrial
en el siglo XXI. Por eso, actualmente todos los planes de investigación y desarrollo
I+D+ianivelmundialincluyenlananocienciacomoáreaprioritariaeninvestigación.
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CAJA1:LANANOCIENCIAYSUCARÁCTERMULTIDISCIPLINAR
ACTIVIDAD 1: Construcción de moléculas: Fullerenos y nanotubos de
carbono.
¿CÓMOFUNCIONA?
En esta actividad vamos a explorar unas
estructuras exóticas y tremendamente
interesantes:losfullerenosylosnanotubos.
Son sustancias con propiedades peculiares
pero, ¿de qué están hechas? Pues... ¡de
carbono!,lomismoquelaspuntasdeminade
unlapicero,oquelosdiamantes.Elcarbonoes
uno de los componentes más importantes
también de los seres vivos, de nuestro propio
cuerpo.
Pero si la sustancia es la misma, ¿por qué las
propiedadessontandiferentes?
Las propiedades de los materiales no sólo
dependen de las sustancias (átomos) que los
componen,sinotambiéndelaformaenquese
enlazan(estructura)anivelnanoscópico.Osea,
que los átomos en la mina de un lápiz, en un
diamante, o en un nanotubo son los mismos,
pero al cambiar la forma de su estructura, las
propiedadessontotalmentedistintas.
Losfullerenossonlaterceraformamásestable
delcarbono,despuésdelgrafitoyeldiamante.
Son grandes moléculas de carbono formadas
por estructuras cerradas compuestas por
decenas de átomos de carbono; en concreto
tenemos el ejemplo del C60, uno de los más
conocidos por su similitud con un balón de
fútbol. El C60 está formado por 60 átomos de
carbono dispuestos formando hexágonos y
pentágonos. Puedes ver una imagen de su
estructuraenlafigura:
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Porsuparte,Losnanotubosdecarbonoestán
formados por láminas de grafeno, que son
láminas formadas por átomos de C dispuestos
formandounareddehexágonos.
Cuando las láminas de grafeno se apilan,
formando capas planas, dan lugar al grafito
(que es el componente de la mina de un
lapicero)
Encambio,silasláminasdegrafenoseenrollan
formando un tubo de aproximadamente 1nm
de diámetro, dan lugar a nanotubos de
carbono, con propiedades completamente
distintas.
Los nanotubos de carbono tienen numerosas
aplicaciones tecnológicas debido a su ligereza
(ya que son huecos y porosos) y a su alta
resistenciamecánica,loqueloshaceútilespara
reforzar la estructura de otros materiales y la
formación de composites (estructuras
compuestas) de bajo peso, alta resistencia y
enormeelasticidad.
¿QUÉHAREMOS?
Ahora vais aconstruir vuestra propia molécula
de fullereno, para que veáis con más claridad
cómo los átomos de carbono adquieren esa
estructura en tres dimensiones a nivel
nanoscópico.
¿CÓMOLOHAGO?
La estructura del fullereno, aunque tiene
aspecto complicado, se puede reconstruir de
manerasencillaapartirdeunrecortableplano,
haciendo después los correspondientes
pliegues, y pegándolos de forma apropiada.
Paraello,recortaremoslaplantilla,doblaremos
laspiezasypegaremoslaspestañas.
Una vez construido, podéis observar cómo la
estructuraessimilaraladeunbalóndefútbol,
y como en ella se alternan pentágonos y
hexágonos.
CONTENIDOSADICIONALES:
Para introducir esta actividad, se puede realizar una demostración con los
modelosyláminas,dirigidaatodalaclase,alaquesepuedenpasarelmaterialpara
queloobservenymanipulen.
Material
x Molécula de fullereno y lámina de grafeno construidas con un kit de bolas y
varillas.
x Láminadecomparacióndetamañosfullereno/balónfútbol/Tierra
x Láminadecomparacióndetamañosnanotubo/pelo/túneldecarretera
De esta forma pueden visualizar la estructura de un fullereno, de una lámina de
grafenoydeuntubodecarbono,antesdemontarsurecortabledefullereno.Además,
para visualizar la escala se dispone de unas láminas en las que se establecen
comparacionesdetamaños.
Información sobre fundamentos e
historia: Los fullerenos son la tercera
formamásestabledelcarbono,después
del grafito y el diamante, son grandes
moléculas de carbono formadas por
estructuras cerradas compuestas por
decenas de átomos de carbono. En
concreto tenemos el ejemplo del C60,
uno de los más conocidos por su
similitud con un balón de fútbol. El C60
estáformadopor60átomosdecarbono
dispuestos formando hexágonos y
Fotografía:CúpulaBuckmisterFuller
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pentágonos. Se llaman fullerenos en honor al arquitecto Buckmister Fuller que
diseñabacúpulasconestaestructura.
Larelacióndetamañosentreunamoléculadefullerenoyunbalóndefútboles
lamismaqueentreelbalóndefútbolyelplanetaTierra.
Losfullerenostienenaplicacionesenelcampodematerialesydebiomedicina
debido a su procesabilidad y a sus propiedades particulares; por ejemplo, se han
obtenidopolímerosconpropiedadeseléctricasyópticasespeciales,yalgunosdesus
derivados organometálicos muestran actividad contra el virus que provoca la
enfermedaddelSIDA.
Los nanotubos de carbono están formados por láminas de grafeno, que son
láminas formadas por átomos de C dispuestos formando una red de hexágonos. El
grafito que constituye la mina de los lapiceros está formado por el apilamiento de
láminasdegrafeno,alescribirlasláminasdegrafenosevandeslizandoyseadhierenal
papel.
Paraformarelnanotubo,lasláminasdegrafenoseenrollanformandountubo
deaproximadamente1nmdediámetro.Losnanotubosdecarbonotienennumerosas
aplicacionestecnológicasdebidoasuligerezayaquesonhuecosyporososyasualta
resistencia mecánica, lo que los hace útiles para el reforzamiento estructural de
materialesylaformacióndecompositesdebajopeso,altaresistenciaalatraccióny
enormeelasticidad.
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La relación de grosores entre un nanotubo de carbono y un pelo es la misma
queentreelgrosordeunpeloyeldiámetrodeuntúneldecarretera.
Estascomparacionesdetamañopuedenservirparaquelosalumnosperciban
lamagnituddelaescalananométrica.
Curiosidades…Lacalculadoramáspequeñadelmundo
En 2001 James Gimzewski, de IBM, Zurich, entró en el libro Guinness de los
records por haber construido la calculadora más pequeña del mundo. Gimzewski
construyóunacalculadoradeltamañodeunospocosnanómetros,queconsisteenun
ábacohechocon10moléculasdefullerenoquepuedenmoverseconlapuntadeun
microscopiodeefectotúnel.Proporcionalmentealotamaños,estoseríaequivalentea
moverunbalóndefútbolconlapuntadelatorreEiffel.
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Descripcióndelaactividad:Recortableparaconstruirfullerenos
Material
x Plantillasparaconstruirunfullerenodepapel
x Tijeras
x Barrasdepegamento
Objetivo
Elobjetivodeestaactividadesqueconstruyanconsuspropiasmanosunamoléculade
fullerenoparaquecomprendanlaestructuraylageometríadelamolécula.
Procedimiento
Se reparte a cada alumno una
plantilla,unastijerasyunabarrade
pegamento y les explicamos que
tienen que recortar las piezas que
vanaformarlaestructura.
Tendrán que doblar las pestañas
porlalíneadepuntosycadaunode
los hexágonos por las líneas
continuas.
A continuación se pega formando
una estructura similar a la de un
balón de fútbol en la que alternan
pentágonosyhexágonos.
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ACTIVIDAD2:¿Quéhaydetrás...?
¿CÓMOFUNCIONA?
Como hemos visto en la actividad anterior, la
formaenlaquelosátomossedisponenanivel
nanoscópico es la clave para comprender las
propiedadesdecadamaterial.
Es sorprendente introducirse en un cuerpo o
materialhastallegaralananoescala,inclusolos
objetos más cotidianos tiene una forma
totalmente distinta a lo que vemos a simple
vista.
¿Crees que serás capaz de reconocer la
nanoestructuradelosdistintosmateriales?
Avercuántosaciertas...
¿QUÉHAREMOS?
Dispones de varias imágenes de objetos, bien
fotografiados a simple vista, o bien tomadas
mediante microscopios que revelan su
estructura en la nanoescala. Debes tratar de
unir las imágenes que correspondan al mismo
objeto,montandoelrompecabezas
¿CÓMOLOHAGO?
¡No hay pistas! Lo único que podrás utilizar es
tu intuición. Verás como, cuando sepas las
respuestas, te encuentras con más de una
sorpresa.
CONTENIDOSADICIONALES:
Pararealizarlastresactividadessiguientesdelacaja,seproponedividirlaclaseentres
grupos,demaneraquerealicenlastresactividadesdemanerarotatoria.
Descripcióndelaactividad:¿Quéhaydetrás?
Material
x Láminasconimágenesdemicroscopía.
x Rompecabezasconlasimágenesmacroscópicas.
Objetivo
Elobjetivodeestaactividadesvisualizarimágenesananoescalayrelacionarlasconlas
imágenesmacroscópicas,paraque,amododejuego,sevisualicequéaspectotienen
losobjetosennanoescala.
Fundamento
Es sorprendente introducirnos en un cuerpo o material hasta llegar a la nanoescala,
desdedondenosresultarácomplicadoadivinardequéobjetosetrata.
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Procedimiento
Pararealizarestaactividadsepuededividiralgrupoalqueletocaestaactividad(1/3
delaclase)endosequipos.
Estaactividadserealizaráamododejuego,comounacompeticiónporequiposenla
que ganará el equipo que antes haga el rompecabezas correcto. Se muestra a los
alumnosunaláminaconunaimagenobtenidapormicroscopíaatómicayellostienen
que adivinar a qué objeto pertenece y montar el rompecabezas con la imagen
macroscópicadelmismo.
Soluciones:
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ACTIVIDAD3:Microscópicoynanoscópico
¿CÓMOFUNCIONA?
Enelmundodelopequeñoexiste,enrealidad,
distintos tamaños. Pasa lo mismo cuando
pensamos en el tamaño de objetos grandes:
Unamontañaesunobjetomuchomásgrande
quenosotros,peromuchomáspequeñaqueel
planetaTierra,queasuvez,aunquenosparece
muygrande,esmuchomáspequeñaqueelSol.
Entre las cosas pequeñas, las hay de tamaño
microscópico,quesinembargosonmuchomás
grandesquelasdetamañonanoscópico.
Un objeto que se utiliza para observar lo muy
pequeño es el microscopio óptico. Con él,
podemos observar detalles imperceptibles a
simple vista. Aunque nos permite ver lo muy
pequeño,losdetallesquepercibimosconélson
milesdevecesmásgrandesquelananoescala.
¿QUÉHAREMOS?
Usaremos este microscopio de 100 aumentos
para acercar mucho, hasta ver detalles
microscópicos, de tu propia piel, tu ropa o
cualquierotroobjetoquetengasamano.
¿CÓMOLOHAGO?
Sólo tienes que mirar. Cuando lo hagas, verás
que se perciben detalles muy interesantes,
pero que lo que ves, no se parece a las
estructuras nanométricas de la actividad
anterior. Esasson muchísimo más pequeñas, y
para verlas, hacen falta microscopios
especiales,muchomássofisticados.
CONTENIDOSADICIONALES
Descripcióndelaactividad:MicroscopioUSB
Material
x Microscopio
x Ordenador
Objetivo
Setratadequelosalumnoscomprendanladiferenciaentreloquepodemosobservar
con un microscopio de 100 aumentos, como en este caso, y lo que se observa al
introducirnosenlananoescala(enlaactividaddelnanoreisen).
HayquedejarclaroqueconunmicroscopiocomoesteNOVAAVERIMÁGENESEN
NANOESCALA,simplementepodemosobservardistintosobjetoscon100aumentos.
Fundamento
Para poder visualizar partículas por debajo de los 100 μm es necesario utilizar
microscopía electrónica, ya que la microscopía óptica no nos proporciona suficiente
resolución.
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El microscopio óptico se sirve de la luz visible paracrearuna imagen aumentada del
objeto.Elmássimpleeslalenteconvexadobleconunadistanciafocalcorta.Algunos
microscopiosópticospuedenaumentarunobjetoporencimadelas2.000veces.
Encambio,elmicroscopioelectrónicoutilizaunhazdeelectronesenlugardeunhaz
deluzvisible.Lalongituddeondadelhazdeelectronesesmuchomáspequeñaquela
deunhazdeluzvisibleporloquelaresoluciónaumenta.Loselectroneschocanconla
muestra y se desvían; estas desviaciones son recogidas y procesadas. La imagen que
vemos se reconstruye en el microscopio a través de la información de cómo se han
desviadoloselectrones.
ACTIVIDAD 4: Un programa para adentrarse en la nanoescala:
Nanoreisen
¿CÓMOFUNCIONA?
Aunquenopodemostraeraclasemicroscopios
electrónicos o de efecto túnel, que son los
necesariosparaverlostamañosnanoscópicos,
este programa de ordenador nos muestra
estructuras nanoscópicas reales de diversos
objetos.
¿QUÉHAREMOS?
Usaremos el programa,quenos llevará por un
sorprendente viaje al interior de distintos
objetoshastallegaraminúsculasdimensiones,
obteniendoimágenesananoescala.
¿CÓMOLOHAGO?
Sigue las instrucciones del programa. En poco
tiempo te habrás familiarizado con ellas, y te
convertirás en un verdadero viajero al
Nanomundo:¡disfrútalo!
CONTENIDOSADICIONALES
Descripcióndelaactividad:Nanoreisen
Material
x Ordenadordepantallatáctil
x ProgramaNanoreisen
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Objetivo
Conestaactividadseconsiguequelosalumnos“viajen”desdeelmundomacroscópico
hastaelmundoananoescala,introduciéndoseenelinteriordedistintosobjetos,
penetrandoenelloshastaminúsculasdimensiones.
Procedimiento
El programa Nanoreisen es muy sencillo de manejar y va indicando las instrucciones
claras. Hay que ir eligiendo el objeto en el que nos queremos ir introduciendo. Las
instruccionespuedenconsultarseen:
http://www.nanoreisen.com/espanol/index.html
Paracomenzarelviajehayquepinchareneliconodelamaleta:
Acontinuaciónapareceunapantallaenlaqueparpadeancuatrorecuadros,que
correspondenaloscuatroobjetosenlosquepodemosadentrarnos:
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Al pinchar en uno de los cuadros vamos acercándonos cada vez más, como si de un
potente microscopio se tratara, hasta adentrarnos en el mundo nanoscópico. En la
parteinferiorderechaelprogramavamarcandoladimensiónenlaquenosmovemos.
En cada pantalla en la que vamos avanzando nos va dando información y además
apareceuncuadroparpadeanteenelquehayquepincharparacontinuarelviaje.
Enlaguíadelalumnoseincluyenlassiguientespreguntas,vinculadasconlas
actividadesrealizadasyconloscontenidosadicionales,quesehanpodidoutilizaren
clase.Lassolucionesalaspreguntassonlassiguientes:
OBSERVAYCONTESTA
¿Quiénfueelpadredelananociencia?
RichardFeynman
Nombratresáreasenlasquetieneimportancialananociencia
Biología, medicina, medioambiente, robótica, ingeniería, física,
química,cienciademateriales,telecomunicaciones…
¿Dequéestánformadaslasláminasdegrafeno?
Deátomosdecarbono
¿CuántosátomosdeCtieneelfullerenoquehasconstruido?
60
¿Aquétamañopuedesvisualizarelnúcleodeunacélulaconelprogramananoreisen?
A10μm
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CAJA2:UTILIDADESYAPLICACIONESDELANANOCIENCIA
CONTENIDOSRELACIONADOSCONLASACTIVIDADESDELACAJA
El objetivo de esta caja es que los alumnos vean las aplicaciones de la
nanociencia a la vida cotidiana de manera que puedan valorar el esfuerzo que se
realizaeninvestigaciónennanocienciayveansuutilidad.
Estacajacontiene4actividadesdistintas.Paracomenzar,sepuedeintroducira
losalumnosenlasdistintasaplicacionesqueofrecelananocienciaylananotecnología
alavidacotidiana.
Introducción
Existe un gran campo de aplicación de la nanociencia en múltiples ramas del
conocimiento científicotécnico y de la industria, ya que supone innovadoras
propiedadesyaplicacionesquepermitendesarrollosnuevos.
Algunosejemplosdeaplicacionesdelananotecnologíaendistintoscamposson:
Energía: se han desarrollado nanomateriales con importantes propiedades como
catalizadores para su aplicación en las pilas de combustible. También la nanociencia
aporta evoluciones en la producción y el uso eficiente de la energía, mejorando por
ejemploelaprovechamientodelaenergíasolar,mediantenanomaterialessustitutos
del silicio que permitan aprovechar las radiaciones infrarrojas y ultravioletas para
generarenergía,einclusomaterialesquepermitanlaproduccióndirectadehidrógeno
apartirdelaluzdelsol.
TICyElectrónica:lananotecnologíahapermitidolaminiaturizacióndelosdispositivos
que utilizamos, mayor funcionalidad aumentando los canales disponibles y
permitiendoutilizarfrecuenciasmásaltasenlacomunicacióninalámbrica.Tambiénla
nanotecnología se ha aplicado a sistemas de magnetorresistencia gigante para
almacenamientomagnéticodelainformación(cabecerasdeCDyDVDs)ymicrochips.
Biomedicina: Se han desarrollado nuevos sistemas de diagnóstico (diagnóstico
molecular) y terapias (nanofármacos o medicina regenerativa), se ha mejorado la
seguridad alimentaria (por ejemplo implantando sensores en los alimentos que
verifiquensuóptimoestado,gustoyaroma).
Construcción: se han desarrollado nuevos materiales, por ejemplo materiales
resistentesalacorrosiónyalahumedad,conpropiedadesignífugasoantibacterianos.
Farmacia:sehanfabricadonanosistemasparaadministracióndefármacos.
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Medioambiente: se han desarrollado sistemas para purificación y desalinización de
agua,filtrosmásselectivos,biosensoresdedistintasmoléculasogasespresentesenel
ambiente…
Química: Nuevos catalizadores nanoestructurados, membranas, pinturas y
recubrimientosespeciales.
Transporte: gracias a la nanociencia se han desarrollado vehículos más ligeros y
eficientes, sin emisiones contaminantes, más seguros e inteligentes y además
reciclables. Algunas aplicaciones ya están disponibles, y la mayoría tendrán un
desarrolloindustrialapartirde2020.
Cosmética: la nanociencia ha permitido la creación de estructuras fácilmente
absorbiblesporelcuerpo.
Uno de los ejemplos más comunes de aplicación de la nanociencia a la vida
diariaeselusodelasnanopartículasdeplataenlosproductosdeconsumo.Laplata
esintrínsecamenteantimicrobianaysehautilizadoparacontrolarlasbacteriasdesde
laAntigüedad.Alincorporarnanopartículasdeplataalostejidos,alosplásticosyalos
objetos de uso doméstico, los fabricantes pueden utilizar una pequeña cantidad de
plataparamatarlasbacteriassinqueelloafectelaspropiedadesdelosproductos.
Losnanotubosdecarbonoseutilizanparahacerloscuadrosdebicicletaylas
raquetas más ligeras y más resistentes. Las nanopartículas de dióxido de titanio y
óxido de zinc se utilizan en muchos protectores solares, para proteger la piel de la
radiacióndelosrayosultravioletasindejarunacapapastosablanca.Hayropaquees
tratada con capas de nanopartículas que impiden que se manchen. Y los microchips
con componentes a nanoescala ya son corrientes en la electrónica actual, desde
ordenadoresalectoresdemp3,cámarasdigitalesyconsolasdevideojuego.
Cadavezparecemáscercanalaposibilidaddequelananocienciaproporcione
nuevos métodos de diagnóstico. Ya se vislumbra la posibilidad de la "video píldora",
una "pastilla" cargada de nanocircuitos electrónicos y sensores, que según los casos
ingeriremosonosseráinyectada,yquesedesplazarápornuestrocuerpodetectando
posibles anomalías, crecimientos malignos, realizando análisis puntuales, etc. De la
misma manera será posible una cirugía mínimamente invasiva, con microsistemas
que,manejadosdesdeelexterior,sedesplazaránhastaelpuntodecisivopararealizar
operaciones concretas como calentar para cauterizar, reparar heridas internas,
suministrarfármacos,etc.
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Hoy en día ya se dispone de dispositivos nanoestructurados capaces de
reconocermoléculasindividualesydistinguirunasdeotras.Sepodráenpocotiempo
construir verdaderos filtros moleculares y utilizarlos para la eliminación de
contaminantesodeproductosaltamentetóxicos.
Además,lananotecnologíaabrelaspuertasalosllamadosnuevosprocesosde
fabricacióndecontaminacióncero.Alpodermanipularlamateriaátomoaátomoen
teoría se podrá evitar todo desperdicio, el reciclado será completo, y no habrá
subproductosindeseados…
Pararealizarlasactividadesqueincluyeestacaja,sepuededividiralaclaseen
cuatrogruposquepasenporlasactividadesdemanerarotatoria.
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ACTIVIDAD1:La“arenamágica”yefectohidrofóbico
¿CÓMOFUNCIONA?
Controlando la estructura en la nanoescala, la
nanotecnologíapermitefabricarmaterialescon
propiedades muy específicas, como por
ejemplolahidrofobicidad.
“Hidrofobia” es una palabra de origen griego
que significa literalmente “odio al agua”. Los
materiales, lógicamente, no pueden “odiar” al
agua: el término se utiliza para referirse a
sustancias que no se “mojan”, esto es, en las
queelaguanoescapazdeintroducirse.
La unión entre el agua y las sustancias se
produce por interacciones entre sus átomos y
moléculas a nivel nanoscópico. Cuando una
gota de agua se deposita en una superficie,
entre los átomos de la gota de agua y los
átomos del sólido se producen interacciones.
Eso es lo que motiva que se produzca un
“ángulo de contacto”, o sea, que la “gota”
encima del sólido sea más plana o más
redonda.Cuandounasuperficieeshidrofóbica,
los ángulos de contacto son muy grandes, de
hasta120º,loquehacequelazonadecontacto
entrelagotaylasuperficieseamuchomenory
por tanto esta resbale. Es el fenómeno típico
que vemos en determinadas superficies (que
llamamos a veces “impermeables”), gotitas de
forma casi redonda que resbalan sin apenas
dejartrazohúmedo.
Verificaremos estas propiedades en una
sustancia llamada “arena mágica”. Esta arena
hidrofóbica se fabricó en principio con el
objetivo de recoger vertidos de petróleo del
mar,porquelassuperficiesque“odian”elagua
generalmente adsorben muy bien los aceites.
Laarenaseunealacapaaceitosa,vaalfondoy
allíserecoge.Escapazdecaptargrancantidad
depetróleo,peroestemétodoresultósermuy
22
costoso por lo que se buscaron otras
soluciones.
También se puede utilizar en las zonas frías
para proteger y mantener a salvo del agua
tuberías o aparatos que se encuentren a la
intemperie o en presencia de humedad,
recubriéndolasdeunacapadeesteproducto.
¿QUÉHAREMOS?
Vamos a comprobar experimentalmente las
propiedades de esta arena, de aspecto normal
pero
que
tiene
unas
propiedades
completamenteinesperadas.
¿CÓMOLOHAGO?
Para darnos cuenta de las peculiaridadesde la
arenamágicaharemoslasmismasexperiencias
conarenanormal,yveremoslasdiferencias.
Añadearenanormalenunvasollenodeaguay
observaloqueocurre.Acontinuaciónvierteel
contenidosobreunabandeja,paraquelaarena
sevealibredelexcesodeagua,yobservasila
arenaestásecaomojada.
Ahora repite los mismos pasos con la arena
mágica.¿Quéocurre?
Observaycontesta:
¿Quéesuntejidohidrofóbico?
¿Qué pasa si ponemos agua en un tejido
hidrofóbico?
¿Cuálesladiferenciaentrelaarenanormaly
laarenamágicacuandoseponenencontacto
conelagua?¿Porquéocurreesto?
¿Quéocurrecuandolaarenamágicaentraen
contactoconelaceite?¿Porqué?
CONTENIDOSADICIONALES
Descripcióndelaactividad:Efectohidrofóbico
Material
x
x
x
x
x
x
Arenamágica
Arenanormal
4vasosdecristal
4Lupas
4bandejas
Aceite
Fundamento
Lananotecnologíapermitefabricarmaterialesconpropiedadesmuyespecíficascomo
lahidrofobicidad.
Entre los átomos de la gota de líquido y los
átomosdesólidodeunasuperficieseestablecen
interacciones, las fuerzas de atracción entre
átomos provocan la reducción del ángulo de
contacto entre la gota y la superficie, lo que
además se ve aumentado por el efecto de la
gravedad. En las superficies hidrofóbicas se
alcanza un ángulo de contacto de hasta 120º lo
que hace que la superficie de contacto entre la
gota y la superficie sea mucho menor y ésta
resbale.
En este caso se utilizan dos sustancias, una hidrófila (polar), arena convencional, y
arenamágica,queesarenatratadaconvaporesdetrimetilhidroxisilano(CH3)3SiOHlo
queconfierealosgranosdesílicecarácterapolar,porloqueadquierenpropiedades
hidrófobas.
Las sustancias polares tienen la propiedad de reorganizar sus cargas para establecer
interaccioneselectrostáticasconotras
moléculas;enestecaso,lasmoléculas
de sílice que forman los granos de
arenareordenansuscargasformando
dipolos eléctricos que establecen
interacciones electrostáticas con las
moléculas,tambiénpolares,deagua.
23
Aplicaciones
Laarenamágicasefabricóconelobjetivoderecogervertidosdepetróleodelmar.La
arenaseunealacapaaceitosa,vaalfondoyallíserecoge.Laarenamágicaescapaz
deabsorbergrancantidaddepetróleo,peroestemétodoresultasermuycaroporlo
quesehanbuscadootrassoluciones.
También se puede utilizar en las zonas árticas para proteger y mantener a salvo del
aguatuberíasoaparatos,recubriéndolasdeunacapadeesteproducto.
Procedimiento
Cadagrupotienequeañadir,enunvasollenode
agua,arenanormalyobservarconunalupaloque
ocurrealrededordelosgranosdearena.Laarena
normalestáformadaporpequeñosgranosde
sílice,unasustanciahidrófila,porloquetiene
afinidadporelagua.Elaguamojaalaarena.
Unavezquehanobservadoelfenómenoconuna
lupadebenverterelvasosobrelabandejayobservan
comolaarenaestámojada.
Acontinuaciónverteránsobreelvasollenodeagua
arenamágica,laarenamágica,tratadaconvaporesde
trimetilhidroxisilano(CH3)3SiOH,loqueconvierteala
arenaenunasustanciaapolaryportantohidrófoba.
Alobservarloqueocurreconunalupasevecómoel
aguanollegaamojarlaarena.
Enestecaso,alverterelcontenidodelvasosobrela
bandejasevecómolaarenaestáseca;apesardeestar
encontactoconelaguanosehamojado.
Cuidadocon…
Tantolaarenanormalcomolaarenamágicasonreutilizablesporloquenosedeben
tirardespuésdeutilizarlas,bastacondejarlassecaryguardarlasnuevamente.
Enlaguíadelalumnoseincluyenlassiguientespreguntas:
OBSERVAYCONTESTA:
¿Quépasasiponemosaguaenuntejidohidrofóbico?
Queelaguanomojaeltejido.
¿Cuálesladiferenciaentrelaarenanormalylaarenamágicacuandoseponenen
contactoconelagua?¿Porquéocurreesto?
24
Quelaarenanormalsemojaylaarenamágicano,estoocurreporque
laarenanormalespolar,aligualqueelagua,porloqueseestablecen
interaccioneselectrostáticasentreellas,encambio,laarenamágicaes
apolar y por tanto hidrófoba ya que no establece interacciones
electrostáticasentreelaguaylaspartículasdearenamágica.
¿Quéocurrecuandolaarenamágicaentraencontactoconelaceite?¿porqué?
Cuando la arena mágica entra en contacto con el aceite interacciona
conélporqueambassustanciassonapolares,alunirseelaceiteconla
arenamágicasupesoaumentaycaealfondodelvaso.
ACTIVIDAD2:Ferrofluido
¿CÓMOFUNCIONA?
Estamos acostumbrados a los materiales
magnéticos sólidos. Los imanes, por ejemplo,
atraen a los trozos de hierro o acero. Sin
embargo, la nanotecnología nos permite
obtener
sustancias
con
propiedades
inesperadas, como los líquidos magnéticos,
llamadosferrofluidos.
Los ferrofluidos son en realidad partículas
magnéticas nanoscópicas. Estas partículas
están dispersas en un líquido. La dispersión es
un proceso en el que las pequeñas partículas
están distribuidas por el líquido, pero no se
disuelven.
Losferrofluidospresentanpropiedadesqueno
se suelen dar en los líquidos. Como que sus
partículassealineanenpresenciadeuncampo
magnético.
Los ferrofluidos, además de comportarse de
una forma sorprendente, tienen muchas
aplicaciones: suelen utilizarse en altavoces,
para disipar el calor que se genera en sus
componentesyamortiguarlosmovimientosen
su interior. También se utilizan en la lucha
contra el cáncer, inyectándolos directamente
en las células cancerosas y exponiéndolas
despuésacamposmagnéticosexternos,loque
causa que la zona donde está el ferrofluido se
caliente, lo que hace que mueran esas células
cancerosas.
¿QUÉHAREMOS?
Veremos el sorprendente comportamiento de
los ferrofluidos cuando se acerca a ellos el
campomagnéticodeunimán.
¿CÓMOLOHAGO?
Toma el bote de ferrofluido (SIN ABRIRLO) y
aproximaelimán.¿Quéocurre?
Puedes acercar el imán de varias formas, con
distintos ángulos, moverlo sobre la superficie
del bote... Debes observar cuál es el
comportamiento del ferrofluido en todos esos
casos.
Observaycontesta:
¿Quépasacuandoacercamosunimánal
bote?
¿Quéocurresisumergimosunamonedaenel
ferrofluidoyacercamosunimán?
¿Elferrofluidoesunmaterialferromagnético
oparamagnético?¿Porqué?
25
CONTENIDOSADICIONALES
Descripcióndelaactividad:Ferrofluidos
Material
x 4Botesconferrofluido
x 4imanes
x PlacaPetri
x Guantesdelatex
x Pinzas
x Moneda
Fundamento
Unferrofluidoesunlíquidoquesepolarizaenpresenciadeuncampomagnético.Los
ferrofluidos se componen de partículas ferromagnéticas suspendidas en un fluido
portador, que comúnmente es un solvente orgánico o agua. Las nanopartículas
ferromagnéticasestánrecubiertasdeunsurfactanteparaprevenirsuaglomeracióna
causadelasfuerzasmagnéticasydeVanderWaals.
Los ferrofluidos, a pesar de su nombre, no muestran ferromagnetismo, pues no
retienen magnetización en ausencia de un campo magnético externo. De hecho, los
ferrofluidos muestran paramagnetismo, se identifican como "superparamagnéticos"
por su elevada susceptibilidad magnética. La diferencia entre ellos es que los
materiales ferromagnéticos pueden ser magnetizados permanentemente por la
aplicación de campo magnético externo (generado por un imán o un electroimán),
mientras que los materiales paramagnéticos como el ferrofluido son materiales
atraídos por imanes, pero que no se convierten en materiales permanentemente
magnetizados.
Los ferrofluidos se componen normalmente de partículas de magnetita, hematita o
algúnotrocompuestoconcontenidodeFe2+oFe3+.
Procedimiento
Se puede, en primer lugar, realizar una demostración de
cómoseorganizanlaspartículasdeunferrofluidoalacercar
unimán.Sedisponede4botesquecontienenferrofluidoy
llevan un imán atado con un cordón, con el imán los
alumnospuedencomprobarlaspropiedadesmagnéticasdel
fluido,paradespuésirpasándolodeunosaotros.
Acontinuaciónelprofesorpuederealizarunademostración
26
decómosepararpordensidadesconunferrofluido,paraello:
SeponeunamonedaenunaplacaPetriyconunapipetaymuchocuidadosecubre
con ferrofluido hasta que la moneda quede sumergida, a continuación se acerca el
imánalfondodelaplacayseobservacómoelferrofluidoseagrupaenelfondoyse
descubrelamoneda.
Cuidadocon…
Hayquetenercuidadoconlosbotes,yadvertiralosalumnosquenolosabranyqueel
ferrofluidonosecaiga,esunasustanciadifícildelimpiar,caraymuycomplicadade
sustituirsisepierde.Puedeserpeligrosasiseingiere.
Enlaguíadelalumnoseincluyenlassiguientespreguntas:
OBSERVAYCONTESTA:
¿Quépasacuandoacercamosunimánalbote?
Que todas las partículas del ferrofluido se alinean con el campo
magnéticoalacercarelimán.
¿Quéocurresisumergimosunamonedaenelferrofluidoyacercamosunimán?
Quealacercarelimánalfondodelaplacaelferrofluidovaalfondoy
se descubre la moneda, de manera que se separan por la distinta
densidad.
¿Elferrofluidoesunmaterialferromagnéticooparamagnético?¿porqué?
Elferrofluidoesunmaterialparamagnéticoporqueenausenciadeun
campomagnéticolaspartículasnoquedanalineadas.
ACTIVIDAD3:Metalesconmemoria
¿CÓMOFUNCIONA?
Cuandounmaterialsedeforma,escasi
imposiblehacerquerecuperelaforma
anterior.Sidoblasunalambrenormal,esmuy
difícilvolvera“doblarlo”porelmismositio
hastaquerecuperalaformainicial.Sin
embargo,existenmateriales¡conmemoriade
forma!,capacesdedeformarse,yluego
recuperarellossolossuformainicial.
Elnitinolesunmetalconmemoria,setratade
unaaleación(mezclademetales)quecontiene
níquelytitanio.Estaaleaciónescapazde
recuperarsuformainicialalcalentarlo.
Elefectomemorianorepresentaenrealidadun
logrodelananotecnología,perosebasaenel
estudiodelmovimientodelosátomosanivel
nanométrico.
Cuandounmaterialsedeforma,cambiaun
pocolaposicióndesusátomos.
Losmetalesconmemoriatienenlapropiedad
de“recordar”suformaoriginal,alaque
vuelvenalaplicarlesuncambiode
temperatura.
27
Estaspropiedadeshacenqueseanmuy
interesantesparadistintasaplicaciones:por
ejemplo,sehandesarrolladodispositivosde
aplicaciónenmedicina,comosondas,tubos
paracirugíavascularoaparatosdeortodoncia.
¿QUÉHAREMOS?
Disponemos de una material con memoria de
forma,asíquevamosaverificarcómoescapaz
de“recordar”suformaoriginal.
¿CÓMOLOHAGO?
Tomaeltrozodenitinolymoldéaloatugusto.
Elmaterialhasufridounadeformaciónestable,
que en apariencia debería ser definitiva. Una
vez que el trozo de nitinol tenga la forma
deseada, caliéntalo con ayuda de un secador.
¿Quéocurre?
Observaycontesta:
¿Quépasacuandocalientaselmetal?¿Porqué
ocurreesto?
CONTENIDOSADICIONALES
Descripcióndelaactividad:Metalesconmemoria
Material
x Nitinol
x Secador
Fundamento
Elnitinolesunmetalconmemoria,unaaleacióndeníquelytitanioquerecuperasu
formainicialalcalentarlo.
Elefectomemorianorepresentaexactamenteunlogrodelananotecnología,sinoque
se basa en el movimiento de la estructura del metal a nivel nanométrico. El cambio
estructuralqueseproducealvariarlatemperaturaesdebidoalatransiciónentredos
estructurascristalográficasdistintasdeunmismomaterial.
El mecanismo más común de transición de fase consiste en el desplazamiento de
átomosdesusposicionesdeequilibrio,medianteunprocesoconocidocomodifusión,
para adoptar una nueva estructura más estable en las condiciones de presión y
temperaturaalasqueseencuentraelmaterial.Estetipodetransicionesseproduce
generalmentedeunaformalenta.
Lasaleacionesconmemoriadeformadebensuspropiedadesaunatransicióndefase
entreunaestructuradetipoaustenitayunadetipomartensita.
28
Lamartensitaesunafasequesealcanzaabajatemperatura.Enprincipio,conservala
formadelaaustenita,perosepuededeformarfácilmenteydeunaformaplástica(la
deformación permanece). Cuando se calienta, el material recupera la estructura de
tipo austenita original, y por lo tanto la forma que el material tenía al principio. Los
metalesconmemoriatienenporlotantolapropiedadderecordarsuformaoriginal,a
laquevuelvenalaplicarlesuncambiodetemperatura.
Aplicaciones
Porsuspropiedades,sehandesarrolladodispositivosdeaplicaciónenmedicina,como
sondastubosparacirugíavascularodispositivosenortodoncia.
Procedimiento
Se reparte a cada grupo de alumnos unos trozos de nitinol, que moldearán como
quieran.Acontinuación,cadagrupocalentarásunitinolconelsecadoryobservarán
cómo,alcalentarse,elnitinolvuelveasuformainicial.
Cuidadocon..
Hayqueevitarquelosalumnossellevenlostrozosdenitinol,esunmaterialcaro,de
difícilreposición,ypuederesultarpeligrosoelusodelmaterialsincontrol.
Enlaguíadelalumnoseincluyenlassiguientespreguntas:
OBSERVAYCONTESTA:
¿Quépasacuandocalientaselmetal?
Quevuelveasuformaoriginal
¿Porquéocurreesto?
Esto ocurre porque cambia el tipo de estructura, de manera que al
aplicar calor los átomos se reordenan y vuelven a su estructura
primitiva.
29
ACTIVIDAD4:Materialesfotocrómicosytermocrómicos
¿CÓMOFUNCIONA?
Estosmaterialessonunasláminasmuyfinasde
moléculas,dispuestasenunvidrio.Esas
moléculascambiansuforma,biencuando
recibenluz(materialesfotocrómicos)ocuando
cambialatemperatura(materiales
termocrómicos).Alcambiarsuforma,también
cambiansuspropiedades,porejemplo,pueden
cambiardecoloryvolversevisibles.Enalgunos
casos,elprocesoesademásreversible,al
volveralascondicionesdetemperaturau
oscuridadanteriores,lamolécularecuperasu
formaanterior.
Estos materiales permiten obtener cambios en
elaspectodelascosasenfuncióndelaluzola
temperatura. Los materiales fotocrómicos se
utilizan en visualizadores, por ejemplo en
elementos publicitarios como carteles,
camisetas,zapatos,cordones,bolsos,folletos...
Por su parte, los materiales termocrómicos se
utilizan en muchos sistemas de seguridad: por
ejemplo,puedenservirdecontrolparasabersi
unalimentoenvasadohamantenidolacadena
delfrío(estoes,sisehamantenidocongelado
durante todo el proceso de envasado,
transporte y distribución); o para visualizar si
una tubería o conducción está demasiado
caliente o demasiado fría; o en artículos de la
cocina (envases, sartenes, placas calefactoras,
vasos,jarras,etc),parasabersiestáncalientes
ofríos;inclusoenjuguetes.
¿QUÉHAREMOS?
La actividad consiste en que verifiques por ti
mismo el comportamiento de distintos
materialesfotocrómicosytermocrómicos
¿CÓMOLOHAGO?
Con los materiales fotocrómicos y
termocrómicos que dispones, comprueba qué
ocurrealcolocarencimalamano.Lamanoesa
la vez un objeto caliente, y un objeto opaco,
que impide el paso de la luz hacia el material.
Puedes hacer pruebas con más objetos, como
unagomadeborrarountrozodepapel.¿Qué
ocurreencadacaso?
Observaycontesta:
¿Aquésedebeelcambiodecolordelos
materialestermocrómicosyfotocrómicos?
CONTENIDOSADICIONALES
Descripcióndelaactividad:Materialesfotocrómicosytermocrómicos
Material
x Láminasdematerialfotocrómicoytermocrómico
30
Fundamento
Estosmaterialessecomponende
moléculasorgánicasdispersasenpelículas
delgadasdevidrio.Laestructura(forma
enlananoescala)deesasmoléculas
orgánicascambiaalcambiareltipodeluz
queincidesobreella(materiales
fotocrómicos)oalcambiarlatemperatura
(materialestermocrómicos).
Aplicaciones
Los materiales fotocrómicos se utilizan en óptica y en materiales para la publicidad:
carteles,camisetas,zapatos,cordones,bolsos,folletos...
Los materiales termocrómicos se utilizan en señalización (etiquetado/control
temperatura), seguridad (tuberías y conducciones, elementos peligrosos, etc.),
artículos del hogar (envases microondas, sartenes, placas calefactoras, vasosjarras,
..etc)yjuguetería.
Procedimiento
Acadagrupodealumnosselereparteunaláminadematerialfotocrómicoyotrade
termocrómicoparaqueellosmismoscompruebenquéocurrealponerencima,por
ejemplo,sumano.
Enlaguíadelalumnoseincluyenlassiguientespreguntas:
OBSERVAYCONTESTA:
¿Aquésedebeelcambiodecolordelosmaterialestermocrómicosyfotocrómicos?
Al irradiar la luz o al cambiar la temperatura las moléculas que
forman parte de la lámina fotocrómica o termocrómica cambian su
estructuraproduciéndosetambiénuncambiodecolor.
31
CAJA3:HERRAMIENTASPARALANANOCIENCIAY
COMPLEJIDADENSUUSO
CONTENIDOSRELACIONADOSCONLASACTIVIDADESDELACAJA
El objetivo de esta caja es que los alumnos aprendan el fundamento de algunas
herramientasutilizadasennanociencia,enconcretoenelInstitutodeNanocienciade
Aragón (INA). También podrán hacerse una idea de la complejidad de trabajar con
entidadestanpequeñascomosonlosátomos.
Estacajaincluyetresactividadesdistintasquesimulanelusodealgunasherramientas
muyutilizadasennanocienciaypretendentransmitiralosalumnoslacomplejidaden
elusodeestasherramientas.
Enprimerlugar,sepuedeintroduciralosalumnosbrevementeenelfundamentode
algunasherramientasutilizadasennanociencia.
Introducción
Paramanejarlosmaterialesconesteniveldedetallesonnecesariasherramientasmuy
precisas.Elcontenidodelascajasserefiereaunaspocasherramientasmuyusadasen
nanociencia.
AFM – Microscopio de fuerzas atómicas: Este microscopio puede utilizarse tanto en
airecomoenlíquido,enobservacióndematerialesduros(sustanciasinertescristalinas
y amorfas) y blandos (bacterias, ADN y
virus). Además de medidas topográficas
de las superficies, este microscopio
permite medir las fuerzas magnéticas
entrelapuntaylamuestra.
Algunasaplicacionesinteresantesdeeste
equiposon:
x
Obtención de imágenes de
moléculasbiológicasaisladas.
x
Estudio de cambios estructurales
yprocesosbiológicos.
x
Cuantificación de la interacción
molecular en sistemas biológicos: AgAb,
bindingreceptor,etc.
x
Medidadelacargaeléctricasuperficial,elasticidadyviscosidad.
32
STM – Microscopio de efecto túnel: Este equipo está
diseñado para la medida a escala atómica. Para ello se
utiliza una punta muy pequeña, con dimensiones
próximasalátomo.Sepuedetrabajarendiversosmodos
de modulación de espectroscopia (STS), incluyendo
espectroscopia túnel con imagen por corriente (CITS).
Además, es el instrumento adecuado para la
manipulación a escala molecular con alta resolución.
Losrequisitospreviosobliganatrabajarencondiciones
de ultra alto vacío para evitar la contaminación de la
superficieyultrabajatemperaturaparareducirelruido
térmico.
Paratrabajarconelmaterialdeestacajasepuededividirlaclaseentresgrupos,de
forma que cada grupo realice una actividad distinta de manera rotatoria. A su vez,
cada uno de los grupos se dividiría en dos equipos, ya que conviene realizar las tres
actividadesquecontienelacajaamododejuegoocompetición.
33
ACTIVIDAD 1: Un simulador de la complejidad del uso de las
herramientasennanociencia
¿CÓMOFUNCIONA?
Trabajar moviendo átomos de manera
controlada no es sencillo: se deben manejar
una especie de “pelotitas” ¡millones de veces
más pequeñas que el grosor de un pelo!. Las
puntasdelosmicroscopiosdefuerzaatómicay
de efecto túnel, que se pueden utilizar para
manipular la nanoescala, aunque muy
pequeñas, son mucho más grandes que los
propiosátomos.Asíesmuydifícilserpreciso.
¿QUÉHAREMOS?
Los microscopios tienen un funcionamiento
bastantecomplicado.Sinembargo,lodifícilque
resulta mover de manera controlada objetos
pequeños con herramientas muy grandes se
puede experimentar con un juego sencillo de
bolas,pinzasdecocinaymanoplas...
¿CÓMOLOHAGO?
Debes ponerte las manoplas, coger las pinzas
de cocina, y tratar de mover el mayornúmero
de veces las bolitas, de una en una, sin tirar
todas las demás. Parece fácil, ¿verdad? Pues
vamosacomprobarlo:cronometratutiempoy
…
¡Quéganeelmejor!
Observaycontesta:
Tiempo:
CONTENIDOSADICIONALES
Descripción de la actividad: Simulador de la complejidad del uso de las
herramientasennanociencia
Material
x 2juegosdelsolitario
x 2pinzasdecocina
x 2cronómetros
x 2manoplasdecocina
Fundamento
Trabajar en nanoescala requiere una gran precisión en las herramientas, ya que es
necesario manipular entidades tan pequeñas como átomos. A pesar del esfuerzo
realizado en desarrollar herramientas apropiadas todavía no son tan precisas como
parapodermanipularátomosconprecisiónloquedificultaeltrabajo.
34
Procedimiento
Elprocedimientoestáadecuadamentedescritoenlafichadelalumno
ACTIVIDAD2:UnsimuladordeSTM
¿CÓMOFUNCIONA?
STMsonlassiglaseninglésde“Microscopiode
barrido túnel”, un tipo de microscopio que
también se conoce como “microscopio de
efectotúnel”.
Es un instrumento capaz de medir tamaños a
escalaatómica.
Paraelloseutilizaunapuntamuypequeña.La
punta se coloca cerca de la superficie en que
queremos estudiar. Cerca, pero separada por
unapequeñadistancia.Estoesmuydelicado,la
distancia tiene que estar en torno al
nanómetro. Cuando la punta está ahí, se
conecta un voltaje. Como la punta y la
superficie no están en contacto, no debería
pasarcorriente.Sinembargo,alestarmuy,muy
cerca, y debido a un efecto cuántico, algunos
electrones son capaces de “saltar” desde la
punta a la superficie. A este efecto se lo
denomina en Física “efecto túnel”. Como el
efecto túnel depende de la distancia, cuando
en un punto de la superficie hay un átomo, la
superficie presenta una especie de
“abultamiento”, que se acerca a la punta y
provoca un aumento de la corriente. En los
sitios donde no hay átomos, la distancia es
mayor, y la corriente disminuye. Haciendo
pasar la punta del microscopio por toda la
superficie, sabremos en qué lugares hay
abultamientos (átomos) y en cuáles no, con lo
quesepuededibujarun“mapatopográfico”de
lasuperficie.
Este microscopio tiene unos requisitos de uso
muy severos: se necesita tener de “ultraalto”
vacío(hayqueeliminartodoelaireocualquier
gasenlazonaquesequiereestudiar),yultra
baja temperatura, para reducir un efecto
llamado “ruido térmico”, que es una corriente
causada por el calor y que no tiene nada que
verconlacausadaporelefectotúnel.
¿QUÉHAREMOS?
Vasamanejarunsistemadetamañousualque
simula un proceso parecido al que se produce
enunSTMaescalananométrica.
¿CÓMOLOHAGO?
Se trata de generar la imagen del objeto que
hay en la caja con el simulador STM. El
procedimiento tiene cierta analogía con la
forma en que funciona un STM a nivel de la
nanoescala.Tendrásquedibujarlaimagenque
un miembro del otro grupo esconda en el
interiordelacajayadivinardequésetrata.
Observaycontesta:
¿Quésiluetaescondelacaja?
CONTENIDOSADICIONALES
Descripcióndelaactividad:UnsimuladordeSTM
Material
x 2SimuladoresSTM
x Folios
35
Fundamento
STM (Microscopio de efecto túnel): este
equipoestádiseñadoparalamedidaaescala
atómica. Para ello se utiliza una punta muy
pequeña, con dimensiones próximas al
átomo.
Se establece una diferencia de potencial
entre la punta del microscopio y la muestra,
de manera que aparece una corriente de
electrones por efecto túnel entre el átomo
que forma la punta del microscopio y la
muestra; la diferencia de potencial es
proporcional a la distancia, así que se va
generandounaimagentopográficadelamuestraaescalaatómica.
Elmicroscopiodeefectotúnelusaunapuntamuyfina,conductoradelaelectricidad
con un voltaje aplicado entre la punta y la muestra. Cuando la punta se acerca a la
muestra a una distancia de aproximadamente un nanómetro, los electrones de la
muestra sufren el efecto túnel y saltan de la muestra a la punta o viceversa,
dependiendo del signo del voltaje. La corriente de efecto túnel generada varía de
acuerdoaladistanciaentrelamuestraylapunta,yestaeslaseñalqueseutilizapara
crearlaimagen.Paraqueocurraelefectotúneltantolamuestracomolapuntadeben
ser conductores o semiconductores. Esto es una limitación, ya que impide tomar
imágenesdematerialesaislantes.
Procedimiento
Estaactividadseplanteacomounjuegoenelquehayquegenerarlaimagenconel
simuladorSTMrepasandoconayudadellapicerogigantelafiguraqueseescondeenla
caja.
Para realizar la actividad necesitamos que uno de los miembros de un equipo
introduzcaenlacajadelequipocontrariounafigurasinqueloveanparaque,losdel
otro equipo, adivinen qué hay dentro dibujando su silueta. Ganará el equipo que
acierteprimerolafiguraqueseescondedentrodelacaja.
36
ACTIVIDAD3:UnsimuladordeAFM
¿CÓMOFUNCIONA?
Elmicroscopiodefuerzasatómicas(AFM)
Tambiéntieneunapuntamuyfinaquese
acercaamuypequeñasdistanciasdela
superficiequesequiere“ver”.Lapuntapasa
porencimadelasuperficie.Estapuntaescapaz
denotarlas“fuerzasatómicas”quehacenlos
átomosdelasuperficie,yasívelosátomos
como“rugosidades”delasuperficie.El
instrumentoacabagenerandoun“mapa
topográfico”,enelquelasposicionesdecada
átomoestándeterminadascomo“bultos”o
elevacionesdel“terreno”nanométrico.Deesa
forma,vemoslaposicióndelosátomosenla
nanoescala.
Lasventajasdeestemicroscopiosonque
puedeutilizarsetantoenairecomoenlíquido
(nonecesitavacío,comoelSTM),ypermite
observarsuperficiestantodematerialesduros
(sustanciascristalinasyamorfas)comoblandos
(bacterias,ADN,virus...).Ademásdemedidas
topográficasdelassuperficies,este
microscopiopermiteestimartambiénlas
fuerzasmagnéticasentrelapuntaylamuestra.
Algunasaplicacionesinteresantesdeeste
equiposon:
x Obtención de imágenes de moléculas
biológicasaisladas.
x Estudio de cambios estructurales en
procesosbiológicos.
x Cuantificación de la interacción entre
moléculasensistemasbiológicos
x Medida propiedades eléctricas y
mecánicas de la superficie, como la
carga eléctrica superficial,
elasticidadolaviscosidad.
la
¿QUÉHAREMOS?
La idea de “dibujar” un mapa topográfico de
una superficie utilizando puntas para
“rastrearla”sepuedecopiarconelementosde
tamañousual.Usaremosvarillasparasimularla
punta del microscopio; la interacción de la
punta con el objeto será el propio contacto.
Con estos elementos sencillos, deberías poder
hacer un mapa topográfico que te revele el
objetoocultoenelinteriordelacaja
¿CÓMOLOHAGO?
En el interior de la caja hay un objeto, que no
se puede ver; sin embargo, ayudándote de las
instruccionesdetuprofesor,conseguirássaber
quées.
Ganaráelequipoqueacierteprimeroelobjeto
quehaydentro.
Para adivinarlo, simplemente, hay que darle la
vueltaalsimuladordemaneraquelospinchos
dibujaránunmapatopográficoenfuncióndela
distancia que los separa de la superficie del
objeto.
Observaycontesta:
¿Quéobjetohaydentrodelacaja?
CONTENIDOSADICIONALES
Descripcióndelaactividad:UnsimuladordeAFM
Material
x 2SimuladoresAFM
x Plantillasparamarcarconcolores
37
Fundamento
Elmicroscopiodefuerzasatómicas(AFM)rastrealamuestradetectandointeracciones
anivelatómicoyconfeccionandounmapatopográficodelamuestraconestosdatos.
Este microscopio puede utilizarse tanto en aire como en líquido, en observación de
materialesduros(sustanciasinertescristalinasyamorfas)yblandos(bacterias,ADNy
virus).
Ademásdemedidastopográficasdelassuperficies,estemicroscopiopermitemedirlas
fuerzasmagnéticasentrelapuntaylamuestra.
Algunasaplicacionesinteresantesdeesteequiposon:
x Obtencióndeimágenesdemoléculasbiológicasaisladas.
x Estudiodecambiosestructuralesyprocesosbiológicos.
x Cuantificación de la interacción molecular en sistemas biológicos: AgAb,
bindingreceptor,etc.
x Medidadelacargaeléctricasuperficial,elasticidadyviscosidad.
El microscopio atómico de fuerzas(AFM)muestrea la superficie mediante una punta
muypequeña,deunaspocasmicrasdelargoyundiámetromáspequeñoaún,deunos
dieznanómetros,ypermitelaobtencióndeimágenestridimensionalesdelasuperficie
demuestrastantoconductorascomoaislantes,sinningunapreparaciónespecialdelas
muestras.
Lapuntaestáadheridaaunabarraflexible
cuya punta se dobla cuando hace contacto
con la muestra. La flexión de la punta se
mide a través de un detector al mismo
tiempo que se efectúa un barrido sobre la
superficie de la muestra. Dado que todo
esto ocurre dentro de unas dimensiones
muy pequeñas el barrido ocurre a gran
velocidad, en comparación con lo que
sucedería con una sonda y una barra
flexiblemacroscópica.
Elbarridopuedeconsistirenmoverlapuntaendistintaspartesdelamuestraomover
lamuestraydejarlapuntafija.Conestosegeneraunmapadelrelievedelamuestra.
Losmicroscopiosdefuerzaatómica,adiferenciadelmicroscopiodeefectotúnel,se
puedenusarparatodotipodemuestras,yaseanconductores,aislanteso
semiconductores.
Actúanvariasfuerzassobrelasonda,unadeellaseslafuerzadeVanderWaalsquese
produceentreátomos.Estafuerzapuedeserdeatracciónoderepulsión,
dependiendodeladistanciaentrelosátomos.
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UnavezqueelAFMdetectalaflexióndelapuntaencadapuntosepuedegenerarun
mapadelrelievedelamuestra.
Procedimiento
Haydoscajas,cadaunaconlasiluetadeunobjetoensuinterior,ganaelequipoque
acierteprimeroelobjetoquehaydentrodelacaja.
Para adivinarlo, simplemente los alumnos tienen que darle la vuelta al simulador de
maneraquelospinchosseintroduciránformandounmapatopográficoenfunciónde
ladistanciaquelosseparadelobjetodelinteriorypodemosverfinalmentecomouna
siluetaentresdimensiones.
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Referenciasenpáginasdeinternet
- www.unizar.es/ina
- www.unizar.es/nanociencia
- www.aragon.es
- www.fecyt.es
- www.nisenet.org
- www.nanoreisen.org
- www.esciencia.es
EDICIÓNFEBRERO2011
INSTITUTODENANOCIENCIADEARAGÓN
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