dimensiones nanotecnologicas
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La nanotecnología es la manipulación controlada de átomos o
moléculas para obtener materiales con nuevas propiedades o
dispositivos de rendimiento superior.
500 millones de
transistores en el
chip !
Nanometro:
• Un mil millonesimo de metro:10-9m.
Algunos tamaños referenciales:
• Atomo de hidrogeno ~ 0.1 nm
Proteinas ~ 1-20 nm
Componentes de un chip ~ 180 nm
Diametro de un cabello ~ 10,000 nm
UNIDAD DE MEDIDA : NANOMETRO
La tabla periodica de los elemetos nos indica cuales son los
componentes de toda la materia. En nuestra vidad cotidiana
observamos objetos macroscopicos. Un gramo de sal tiene
aproximadamente 1022 atomos de sodio.
…..pero si lograsemos unir apenas unos 10 atomos de sodio……
….tendrian las mismas propiedades que 1g de sodio??
Escalas de objetos biológicos
¿CÓMO SE
FABRICAN LOS
NANOMATERIALES?
• Proceso versatil para hacer ceramicos y vidrios (polvo, peliculas,
fibras..variedad de formas). • Se inicia en una fase liquida “solucion” y acaba en fase solida “gel”. • Se parte de sales inorganicas de metales como alcoxidos (llamados
precursores); siguen etapas de hidrolisis y reaciones de polimerizacion hasta
tener una suspension coloidal (sol). • El siguiente paso es buscar una forma deseable
- Pelicula delgada por spin o dip coating
- Inyectando en molde • Secado/tratamiento termico, el gel se convierte en el producto final deseado • Aerogel: altamente poroso, material de baja densidad obtenido evaporando el
liquido de un gel bajo condiciones supercriticas.
Diagrama de un reactor por descarga plasmatica
• Electron – especie neutra
e + AB AB* + e Excitacion
e + AB A+ + B + 2e Ionizacion disociativa
e + AB A + B+ + 2e
e + AB A + B + e Disociacion
e + AB AB- Retencion
e + AB A- + B Retencion disociativa
e + AB A + B-
colision elastica
• Ion – especie neutra
A+ + A A + A+ Intercambio de carga simetrica
A+ + B A + B+ Intercambio de carga asimetrica
colision elastica
• En materiales con enlaces quimicos fuertes puede haber deslocalizacion de los
electrones de valencia. El grado de deslocalizacion puede variar con el tamaño del
sistema.
• La estructura tambien cambia con el tamaño.
• Los dos cambios anteriores pueden llevar a diferentes propiedades fisicas y
quimicas, dependientes del tamaño.
- Propiedades opticas
- Ancho de banda “Bandgap”
- Temperatura de fusion
- Calor especifico
- Reactividad superficial
- ?
• Tambien pueden obtenerse modificaciones en propiedades mecanicas relevantes
para solidos volumetricos.
- Ejemplo: aumento de la plasticidad.
• En un sentido clasico, el color es causado por la absorcion parcial
de luz por los electrones del material. El color percibido corresponde a
la parte complementaria (no absorbida). • La luz se refleja totalmente sobre una superficie metalica pulida
debido a la alta densidad de electrones que tiene el material. No se
observa color sino una reflexion especular. • Si las particulas metalicas se hacen muy pequeñas, absorben la luz y
por lo tanto se observan coloreadas.
Ejemplo: El oro fabricado como nanoparticulas aparece con
variados colores dependieno del tamaño. Lo mismo se observa en plata
y cobre.
Ecuacion de Schrödinger
• Se trata de encontrar las funciones de onda Y y sus
autovalores E que satisfacen la ecuacion deSchrödinger
Para diferentes tipo de energia potencial V(x).
Yn(x) Yn2(x)
Potencial tipo pozo infinito
F.Onda Probabilidad Energia
n = 2
n = 1
n = 3
La temperatura de fusion baja notablemente cuando
el tamaño de la particula decrece por debajo de 5 nm
Source: Nanoscale Materials in Chemistry, Wiley, 2001
Tem
per
atu
ra d
e F
usi
on
(oC
)
Radio de la particula (nm)
• Semiconductores tales como ZnO, CdS, y Si, cambian el tamaño
del ancho de banda cuando se reducen en tamaño
- Ancho de banda es la energia necesaria para promover un
electron de la banda de valencia a la de conduccion
- Cuando el ancho de banda esta en el espectro visible, la
reducion de tamaño implica un cambio de color.
• Para materiales magneticos tales como Fe, Co, Ni, Fe3O4, etc., las
propiedades magneticas son dependientes del tamaño.
- La fuerza coercitiva (o memoria magnetica) necesaria
para invertir el campo magnetico dentro de la particula
es dependiente del tamaño.
- La magnitud de la magnetizacion puede ser dependiente
del tamaño.
• Materiales nanocristalinos
• Nanoparticulas
• Nanocapsulas
• Materiales nanoporosos
• Nanofibras
• Nanohilos
• Fullerenes
• Nanotubos
• Nanoespiras
• Nanocintas
• Dendrimeros
• Electronica molecular
• Puntos cuanticos
• NEMS, Nanofluidos
Microscopias
• Microscopia Optica
• Microscopia Electronica
- Transmission
- Barrido
• Microscopias por sonda de barrido
- Efecto Tunel
- Fuerza Atomica
NOTE: This talk has been put together from material available
in books, various websites, and from data obtained by NASA
nanotech group. I have given acknowledgements where ever
possible.
MICROSCOPIO DE FUERZA
ATOMICA
M. de Fuerza Atomica
Mica: digital instruments; Grating: www.eng.yale.edu
NTC es una estructura tubular de carbon con diamtros de hasta 1 nm
y longitudes desde algunos nm hasta varios micrometros.
Los NTC pueden ser considerados como laminas de grafeno
enrolladas en forma de tubo.
NTC exhiben excelentes propiedades
mecanicas: Modulo de Young de 1 Tera Pascal,
dureza del diamante, y resistencia a la tension ~
200 GPa.
NTC puede tener comportamiento metalico o
semiconductor dependiendo de la quiralidad.
• En los 90s se crecieron CNT por ablacion con laser (Rice
Univ.); descarga por arco de carbon (NEC, Japan) - 90s.
SWCNT, alta pureza
• CVD es ideal para creimiento
controlado (electronica, sensores)
- Tecnica bien conocida en
microelectronica
- Alimentacion con
hidrocarburos
- Crecimiento necesita
catalizador (transition metal)
- Tubos multipared 500-800°C.
- Numerosos parametros
influyen el crecimiento NTC
• Es la mas fuerte y flexible estructura molecular
con enlace covalente C-C. Esta formada por una red
exagonal.
• Modulo de Young sobre 1TPa vs 70GPa para Al, y
700 GPa para fibras de Carbono.
• Relacion tension /peso 500 veces mayor que para
Al; mejora similar respecto al acero y Ti; superior en
un orden de magnitud sobre grafito/epoxy.
• Resistencia a la traccion 10% mayor que la de
cualquier material.
• Conductividad termica ~ 3000 W/mK en la
direccion axial y menores valores en la direccin
radial.
• Conductividad electrica seis ordenes de magnitud mayor que el
cobre.
• Comportamiento metalico o semiconductor dependiendo de la
quiralidad.
- Ancho de banda ‘sintonizable’.
- Propiedades electronicas pueden ser manipuladas por
campos magneticos externos o por deformacion mecanica.
• Capacidad de portar altas densidades de
corriente
• Excelente emisor de campo; pequeño radio
de curvatura de la punta lo hace ideal para
emision de campo
• Puede ser funcionalizado
- Mascara de 400 mesh (rejilla TEM grid); 20 nm Al/
10 nm Fe; nanotubes crecidos por 10 minutes
Crecido usando etileno a 750o C
• Efecto de cambiar la potenciacapacitiva
de a) 20, b) 30, c) 40, y d) 50 W
• Transformacion de NTs to filaments occurs
at 40-50 W
• A > 50 W, siempre filamentos
a
d c b
Condiciones: 3 Torr, 100 W pot. inductiva, 800° C, 20 sccm metano + 80 sccm H2, 10
nm Fe con 10 nm Al.
Condiciones: 70 W potencia capacitiva del
sustrato
• Efecto de cambiar potencia inductiva a) 0, b)
50, c) 100 y d) 200 W
• Hay poca influencia en cambiar lapotencia
inductiva
a
d c b
APLICACIONES
EN MEDICINA
Deteccion de mutacion de DNA
Deteccion de biomarcador de proteinas
Deteccion de DNA mutante
Deteccion de biomarcador de proteinas
Deteccion de genes
Secuestro de blancos especificos
Liberacion controlada de farmacos
Agentes de contraste de imagen
Mejora la elaboracion de farmacos
poco solubles Nanocristales
Dendrimeros
Nanotubos de
carbon
Cantilevers
MODALIDAD APLICACIONES POTENCIALES
NANOINSTRUMENTOS MEDICOS
Molecula tridimensional de estructura arborescente
DENDRIMEROS
En enero de 2004, Starpharma inicio pruebas clínicas en humanos del producto
VivaGel(TM) para la prevención del VIH. Fue reconocido como uno de los cinco
principales logros de la nanotecnología en 2004 según en Informe de nanotecnología
de Forbes/Wolfe
Pueden portar el farmaco,
ubicar el blanco y liberarlo
controladamente
Nanoparticulas
Nanoesferas
Nanohilos
Puntos
cuanticos
Terapeutica multifuncional
Liberacion de farmacos en blancos
Contraste de imagen en MRI y U.S
Indicador de apoptosis, angiogenesis, etc
Ablacion termica de celulas tumorales
Imagen de tejido tumoral
Deteccion de proteinas dañadas
biomarcadas
Detecion de DNA mutante
Dteccion de genes
Deteccion de genes y proteinas en
ensayos celulares
Visualizacion de tumores
MODALIDAD APLICACIONES POTENCIALES
Nanopartículas
magnéticas
Captura del blanco Remocion
Campo magnetico
SEPARACION MAGNETICA
Deteccion del cancer In Vivo
Problemas con la tecnolgia actual
- La enfermedad es detectada cuando empieza la
metastasis
- Ningun metodo no-invasivo sabe si la droga actua hasta
despues de meses
- Dificil evaluar los factores de riesgo colaterales
Como ayuda la nanotecologia?
- Puntos cuanticos amplian la posibilidad de prueba de
nuevos farmacos.
- Nanoparticulas paramagneticas hacen posible
imagenes MRI de celulas cancerigenas en estados
iniciales de formacion.
- Nanoesferas ayudan a detectar mutaciones
Inyeccion del farmaco al flujo sanguineo
Fijacion sobre el tumor
Radiacion con U.Sonido y liberacion del farmaco
cells*LanzaGM, WicklineSA et al: Targeted antiproliferative drug delivery to vascular smooth muscle
cells with magnetic resonance imaging nanoparticle contrast agent: implications for rational therapy of
restenosis. Circulation2002; 106:2842-2847
• DNA es el portador de la informacion genética de las especies vivas
• La estructura de doble helice consiste de dos hebras que se enrollan alrededor de
un eje
- Cada hebra esta conformada por macromoleculas poliméricas de azucar
y fosfatos. Cada grupo de azucar se une a una de las cuatro bases
Guanina (G) Citosina (C)
Adenina (A) Timina (T)
• La secuencia con que se ordenan las bases constituye el código genético
• La doble hebra se conforma por la union de enlaces
de hidrogeno que se acoplan manteniendo la estructura
de doble helice.
- El acople quimico es tal que:
A solo se acopla con T
G solo se acopla con C
• Chips DNA tiene posiciones con muchas pequeñas hebras
“detectoras” de DNA con diferentes secuencias de bases
- Las moléculas “blanco” de DNA, extraidas de una célula, son
etiquetadas con un marcador fluorescente
- Los blancos de DNA se enlazarán sólo a aquellas hebras
detectoras que tienen el mismo código genético que las
detectoras • Se hace una lectura óptica • Hoy se estan ensayando lecturas electrónicas, causadas por la
modificación en la energía electrónica de las moléculas en
contacto con el sustrato • Estos chips son
producidos por tecnicas
de autoensamblaje
AVANCES EN
NANOTECNOLOGIAS
Celda para la obtención del Si poroso
Obtención del Silicio Poroso
Si-poroso iluminado con luz UV
El ataque electroquímico crea
nanoporos que modifican
la estructura de bandas del
Si produciendo luminiscencia
Lab. Catalisis y Medio Ambiente 2004
Materiales Avanzados
Microscopía de Fuerza
Atómica de Silicio Poroso
(A. Larosa)
Materiales Avanzados
La microscopía revela poros
de 5-8 m y nanopartículas es-
fericas de 20-50 nm en clusters.
La fotoluminisencia es conse-
cuencia del confinamiento
cuántico.
Se pueden hacer dispositivos de rápida
detección de bacterias patógenas o de
aplicación industrial.
Fabricando varias capas de Si poroso y
puestas en contacto con las bacterias se
obtiene diferente coloración lo cual permite
discriminar entre diferentes tipo de bacterias.
La mayoria de bacterias son Gram (+) o
Gram (-). Las Gram (+) son mas suceptible
antibióticos.
La rapidez de la detección acelera la
diagnostico y reduce los costos de análisis.
Materiales Avanzados
ARCILLAS: UN MEDICAMENTO DE
LA NATURALEZA
Capa octaédrica
Espacio interlaminar
Capa tetraédrica
Cationes intercambiables + n H2O
y O
Si, ocasionalmente Al
L
A
M
I
N
A Capa tetraédrica
ESTRUCTURA IDEAL DE
UNA ARCILLA ESMECTITA
OH Al, Fe, Mg
ADSORCIÓN EN ARCILLAS
Materiales Avanzados
La activación de la arcilla consiste en la
disolucion controlada de los componentes
metalicos de la estructura. Una vez activada
incrementa su capacidad de adsorber
compuestos contaminantes entre 20-50 veces.
Materiales Avanzados
(2005)
S D
B
n+ n+ O
Si - p
VD
S
VGS
ER
R R
Electrolito
0 20 40 60 80 100 120
25 A}
110 L/pulso
66 L/pulso
22 L/pulso
Respuesta del ISFET en Flujo Continuo
Señ
al IS
FE
T (
u.a
.)Tiempo (s)
20 40 60 80 100 120
50
100
150
200
250
300
r2 = 0.9981
Amplitud del Pulso vs. Volumen Inyectado
Señ
al IS
FE
T (
A
)
Volumen Inyectado (L)
50 mL/min
Biosensores (2005)
Diagrama de un ISFET
Fotografia de un ISFET
Caracterizacion electronica y
electroquimica del ISFET
Respuesta electrica del ISFET a cambios en el
electrolito
Monocapa de anticuerpos inmobilizados en la compuerta del ISFET.
El reconocimiento de un antígeno específico, producirá una polarización detectable por
el elemento transductor.
Selección racional del complejo antígeno-anticuerpo a ser probado en el ISFET
Diversos complejos antígeno-anticuerpo serán analizados en virtud de la relevancia
médica-biológica y de la factibilidad de ser utilizados en base a la capacidad de inducir
una polarización mínima detectable por el ISFET.
La interacción antígeno-anticuerpo será modelada a partir de una dinámica molecular
empleando una caja periódica de solvatación y el campo de fuerzas AMBER.
Se utilizará el software GROMACS para este propósito.
La estimación de la distribución de carga electrónica será calculada utilizando
algoritmos mecánico-cuánticos, utilizando el programa Gaussian03. (M. Zimic, UPCH)
43NSi Gap ISFET - - - - - -
43NSi
Biosensor selectivo para la detección de agentes patógenos
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