monografía de nanoestructuras, bachillerato 2013
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Universidad de Chile
Programa Académico de Bachillerato
Vicerrectoria de asuntos académicos
Título de la Monografía:
Nanoestructuras
Samuel Ignacio Giordano Martínez
13 de Septiembre, 2013
Profesor Guía:
Germán Kremer
Índice general
1. Resumen 2
2. Introducción 3
3. Nanoestructuras 5
3.1. Definición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3.2. Características de las nanoestructuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
4. Nanotubos de Carbono 9
4.1. Definición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4.2. Características y Propiedades de los nanotubos de carbono . . . . . . . 10
4.3. Aplicaciones de los nanotubos de carbono . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.3.1. Aplicaciones en Ingeniería . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.3.2. Aplicaciones en Electrónica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
5. Conclusión 16
1
Resumen
En este trabajo se presenta una revisión general y cualitativa de las nanostructuras,
pasando desde los rasgos más generales de estas, hasta las sorprendentes caracte-
rísticas y propiedades que poseen. A continuación se hace una mirada general a las
nanoestructuras de carbono, especialmente a los nanotubos de carbono en la cual
se describen estos nanotubos desde el punto de vista estructural y la diferencia que
tienen con otros materiales. Finalmente se muestran las distintas aplicaciones de los
nanotubos de carbono a la electrónica y en la ingeniería y ciencia de los materiales,
describiendo brevemente cada una de ellas.
2
Introducción
Últimamente hemos sido testigos de cómo ha evolucionado la tecnología en nues-
tro planeta de una manera muy rápida, con lo cual la investigación en este tema, se
ha trasformado en un aspecto fundamental para una gran cantidad de países.
Se han desarrollado nuevos sistemas de comunicación, más eficientes y avan-
zados entre los cuales se encuentran los satélites o el uso de materiales como fibra
óptica para mejorar la velocidad de transmisión de datos en las telecomunicaciones.
Además, cada día crece más el número de investigaciones en ingeniería y ciencia de
los materiales, electrónica, informática y así en innumerables campos de estudio, con
lo cual el conocimiento en estas áreas aumenta considerablemente.
Las aplicaciones de este saber tampoco cesan y día a día encontramos en
el mercado a nuestra disposición una gran cantidad de productos y servicios que son
directas aplicaciones de los conocimientos de las distintas disciplinas antes mencio-
nadas, los que tienen como objetivo satisfacer las necesidades de las personas.
Pero las necesidades de las personas y los desafíos de la ciencia no siempre
pueden ser resueltos y abarcados en su totalidad con los elementos de los cuales dis-
ponemos. Es por eso que siempre se intenta enfrentar estas problemáticas con nuevas
e innovadoras herramientas, las cuales se obtienen generalmente de la investigación
en materias científicas.
3
En las últimas décadas ha salido a la luz un tema de investigación muy intere-
sante e importante para el desarrollo de nuevas tecnologías que podrían solucionar
muchos de los problemas existentes hoy en día en la ciencia y en la sociedad. El tema
antes mencionado se refiere a las Nanoestructuras.
Como ya se dijo en un comienzo, la tecnología no para de avanzar, y los
desafíos que se propone son cada vez más grandes. En este nuevo capítulo para la
ciencia y la tecnología, se indaga en un campo antes desconocido, un ámbito micros-
cópico, el mundo de lo no visible.
Las nanoestructuras presentan una serie de propiedades que aumentarían
ampliamente la eficiencia de los objetos tecnológicos que se construyen hoy en día,
además de empezar a abrir las puertas para la construcción de otros objetos y siste-
mas, que solamente antes eran posibles en el mundo de la ciencia ficción tal como la
computación cuántica.
Este trabajo tiene como objetivo ser un artículo de difusión teórica acerca de
las nanoestructuras, ya que este tema constituye un pilar fundamental de la ciencia en
esta nueva era tecnológica y es necesario que comprendamos esta nueva visión que
forma y formará parte de nuestro mundo.
Se describirán las características generales de las nanoestructuras, enfocán-
dose primordialmente en los Nanotubos de Carbono. Se explicará su funcionamiento
y en qué consisten, además de mencionar algunas de sus muchas aplicaciones en
ingeniería y ciencias.
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Nanoestructuras
0.1. Definición
Las nanoestructuras en términos simples son estructuras cuyo tamaño varía
en la escala nanométrica, o sea del orden de 10−9m.
Estas estructuras se diferencian principalmente de los sólidos comunes o sea
del orden de 10−6 [m] o mayor, en que su comportamiento no se rige por las leyes de
la mecánica clásica, sino que se rige por las leyes de la mecánica cuántica.
Podemos encontrar 3 tipos de nanoestructuras, clasificadas de acuerdo al nú-
mero de dimensiones que presentan en la nanoescala. Así, se pueden distinguir na-
noestructuras en una dimensión, en dos dimensiones y en tres dimensiones.
Las nanoestructuras en una dimensión tienen una superficie cuyo grosor fluc-
túa entre 0, 1nm y 100nm. Con respecto a su longitud esta puede ser mucho mayor.
Las nanoestructuras que tienen un diámetro entre 0, 1nm y 100nm son los llamados
Nanotubos. Al igual que en la estructuras de una dimensión su longitud puede ser de
mayor medida. Finalmente tenemos las nanoestructuras en tres dimensiones en las
cuales las medidas de sus tres dimensiones varían entre 0, 1nm y 100nm.
5
0.2. Características de las nanoestructuras
Una gran cantidad de científicos de todo el mundo a lo largo de los años han
estudiado los distintos tipos de materiales en su estado sólido y también sus propie-
dades.
Los científicos, al estudiar materiales en la escala nanométrica se encontraron
con la sorpresa de que estos sólidos se comportan de una manera distinta a los sóli-
dos «comunes». Conforme fueron avanzando las investigaciones en el ámbito de las
nanoetructuras se encontraron diversas propiedades que presentan estos materiales,
entre las cuales mencionaremos las más importantes.
Las propiedades que se enunciarán a continuación son producto de una ardua
investigación y cuyos resultados se han encontrado en el artículo «Nuevas propieda-
des físicas de materiales nanoestructurados»(2005), en el cual se trabajó con capas
nanoestructuradas de Aluminio (Al), cobre (Cu) y oro (Au).
1. Propiedades Eléctricas: dentro de los resultados obtenidos, se pudo verificar
que la resistividad eléctrica es una propiedad intrínseca del material y se suponía
que no debería depender de sus dimensiones. Sin embargo al estudiar la resis-
tividad de materiales en la escala nanométrica se encontró que esta propiedad
aumenta considerablemente, es decir, el valor medio de la resistencia eléctrica
aumenta al disminuir el espesor del material que se esta estudiando. Luego de
muchos intentos y modelos teóricos que intentaron explicar este comportamien-
to desde la mecánica clásica y también pasando por la mecánica estadística, en
la actualidad es aceptado que el valor medio de la resistividad eléctrica depen-
de considerablemente de los efectos superficiales dependientes del espesor del
material y del tamaño del grano y la separación de estos. Un estudio realizado
hace algunos años («Camacho y oliva [2005]») en el cual se trabajó con capas
de oro, aluminio y cobre cuyos espesores se encuentran en la escala nanomé-
6
trica, reveló que la separación de los granos (o también llamado fronteras de
grano) son los elementos que tienen mayor influencia sobre los altos valores que
presenta la resisitividad en las nanoestructuras.
Las conclusiones que se obtuvieron con los datos experimentales ob-
tenidos en la investigación anterior fueron que «las fronteras de grano son las
principales causantes de los valores de la resistividad en las nanoestructuras».
2. Propiedades Térmicas: a lo largo de los años un sin número de científicos han
estudiado las propiedades térmicas de los materiales, aportando valiosos datos
en esta área. Uno de los resultados más importantes en este ámbito son los
valores de los coeficientes de dilatación térmica en volumen de los distintos ma-
teriales estudiados y los cuales son usados con mucha frecuencia en trabajos de
ingeniería y ciencia de los materiales.
Los valores mencionados con anterioridad sufren fuertes cambios cuan-
do los espesores de los materiales en estudio se encuentran en la escala nano-
métrica. En el estudio realizado se concluyó que el coeficiente de dilatación de
volumen disminuye conforme disminuyen el grosor de las capas que integran los
materiales estudiados.
3. Propiedades Mecánicas: en base a experimentos en el laboratorio que se lle-
varon a cabo con mucho esfuerzo debido a que no se cuenta con métodos siste-
máticos para estudiar las propiedades mecánicas de los materiales nanoestruc-
turados, se pudo comprobar la gran elasticidad y flexibilidad que presentan este
tipo de materiales.
Los experimentos que se realizaron con los materiales nanoestrcutrados
consintieron principalmente en someter láminas extremadamente delgadas de
cobre (Au) y aluminio (Al) a un flujo de corriente electrica con el cual se mediría
7
la deformación térmica. Posteriormente a través de otros métodos (que no se
explicarán aquí) se relacionó esta deformación térmica con la deformación me-
cánica. Así se pudo encontrar la gran elasticidad y flexibilidad de los materiales
en escala nanométrica.
8
Nanotubos de Carbono
El descubrimiento de los nanotubos de carbono fue un hecho fortuito y
tiene su origen en el año 1991, en el cual el científico japonés Sumio Iijima deci-
dió estudiar los subproductos generados en el proceso de síntesis de Fullerenos
(C60) [1].En los estudios realizados por Iijima sobre estos subproductos, se pu-
dieron apreciar estructuras cilíndricas de carbono en el cátodo de grafito con el
cual se sintetizaban los fullerenos. Dichas estructuras hoy las conocemos con el
nombre de Nanotubos de Carbono [1].
Estas estructuras presentan una serie de propiedades que tienen diver-
sas aplicaciones en el ámbito de la ciencia y la ingeniería, lo que ha despertado
el interés de los científicos e ingenieros de todo el mundo como un objeto de
investigación muy interesante e importante por los avances tecnológicos que po-
drían traer consigo sus aplicaciones.
A continuación daremos a conocer la definición de los nanotubos de car-
bono, sus características y propiedades además de sus diversas aplicaciones en
distintos ámbitos de la ciencia y la ingeniería.
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0.3. Definición
Los nanotubos de carbono son estructuras derivadas del fullereno cuyo
tamaño fluctúa entre 0, 1nm y 100nm, es decir , son materiales nanoestructura-
dos.
Los nanotubos de carbono dan origen a muchas nanoestructuras deri-
vadas del carbono las cuales presentan sorprendentes características y propie-
dades, que estudiaremos en la siguiente sección.
0.4. Características y Propiedades de los nanotu-
bos de carbono
Los nanotubos de Carbono se diferencian por su pequeño tamaño ade-
más de poseer una estructura grafítica [5].
Haciendo una mirada estructural a los nanotubos de carbono, podemos
considerarlos como nanomateriales huecos (en forma de canuto) los cuales pue-
den estar constituidos por una Pared Simple (SWNTs) o una Pared Múltiple
(MWNTs) formadas por láminas de grafeno (que es una sustancia de carbono
puro, similar al grafito) [5].
En los últimos años, se ha encontrado nanotubos de carbono formados por dos
capas de grafeno, es decir, nanotubos de pared doble (o DWNTs) [5]. En la si-
guiente ilustración podemos ver un esquema de la forma que presentan los na-
notubos de pared simple:
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En esta segunda ilustración, se muestra un esquema de la forma que
tienen los nanotubos de pared múltiple:
A continuación, se «enunciarán» las propiedades mas destacadas de los
nanotubos de carbono, las cuales permiten que estos tengan variadas aplicacio-
nes en distintos ámbitos de la ciencia y la ingeniería:
a) Propiedades Electrónicas: las experiencias en el laboratorio que han te-
11
nido los científicos trabajando con las nanoestructuras han verificado las
distintas propiedades electrónicas que poseen los nanotubos de carbono.
Entre ellas podemos mencionar las dos más importantes:
Son buenos conductores.[7]
Tienen la capacidad de comportarse como semiconductores y super-
conductores.[7]
b) Propiedades Mecánicas [7]: Las propiedades mecánicas más importantes
que se han podido identificar son:
Presentan una alta dureza, comparable a los diamantes.
Tienen una muy alta resistencia mecánica (a la deformación volumen-
trica).
Tienen una muy alta flexibilidad.
c) Propiedades Elásticas [7]: los nanotubos de carbono presentan también
propiedades elásticas, las cuales llaman mucho la atención por sus aplica-
ciones a la ingeniería. Las propiedades elásticas más importantes son:
Debido a la particular geometría que presentan los nanotubos, se espe-
raría que estos sean duros, sin embargo son flexibles a deformaciones
en dirección perpendicular a su eje.
La estabilidad de los nanotubos es menor en el grafito y disminuye con-
forme disminuye el diámetro del material.
Para grandes deformaciones en direcciones radiales, los nanotubos se
pueden comportar de manera inestable y posteriormente sufrir un co-
lapso.
Las características mecánica de los nanotubos de carbono son supe-
riores a otras estructuras tales como fibras de carbono. Resistencia a
deformaciones, estabilidad y flexibilidad entre otras.
d) Propiedades Térmicas [7]:
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Estas estructuras poseen una alta conductividad térmica.
A continuación, veremos algunas de las muchas aplicaciones de los na-
notubos de carbono en ciencia e ingeniería.
0.5. Aplicaciones de los nanotubos de carbono
En esta sección, se dará a conocer las aplicaciones mas destacadas de
los nanotubos de carbono en Ingeniería y Electrónica.
0.5.1. Aplicaciones en Ingeniería
Los nanotubos de carbono han sido un increíble aporte en una rama muy
importante de la ingeniería. Hablamos de la Ciencia de los Materiales.
Las aplicaciones en ingeniería mas importantes que podemos encontrar
hasta ahora son:
Materiales de alta resistencia: los nanotubos de carbono pueden al ser
incrustados en un material compuesto, gozan de una enorme elasticidad y
resistencia a la tracción. Este tipo de materiales de alta resistencia podría
ser empleado en automóviles que reboten en caso de accidentes o también
podrían tener aplicaciones sísmicas [7].
Memoria Mecánica: se han realizado ensayos, con materiales que presen-
tan nanotubos en su estructura los cuales, al aplicarle cierto voltaje se com-
portan como materiales con memoria [7].
Sensores suprasensibles: los nanotubos con propiedades de semicon-
ductores cambian de resistencia drásticamente en presencia de alcálisis,
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halógenos y otro tipo de gases a temperatura ambiente [7].
Se ha pensado aplicar este comportamiento de las nanoestructuras
de carbono en sensores químicos de alta precisión [7].
Almacenamiento de Hidrógeno e iones: la forma «hueca» de los nano-
tubos de carbono puede facilitar el almacenamiento de hidrógeno en su
interior que posteriormente puede ser liberado en pilas de combustible más
económicas y eficientes [7].
0.5.2. Aplicaciones en Electrónica
Las aplicaciones que tienen los nanotubos de carbono son las más di-
versas,producto de que estos presentan características cuánticas. Entre estas
aplicaciones podemos encontrar:
Microscopio de barrido de mayor resolución: se pueden hacer modifica-
ciones a la punta de un microscopio de barrido, agregando materiales en
base a nanotubos de carbono los cuales aumentan la resolución lateral del
objeto en un factor de 10 o más lo que permite representaciones mucho
más claras de las imágenes mostradas en este microscopio [7].
Nanocircuitos: últimamente se han realizado investigaciones en las cuales
se han construido con éxito dispositivos electrónicos en base a nanotubos
de carbono. Principalmente se ha trabajado en Transitores de Efecto de
Campo, los cuales regulan la conductividad del canal por el cual circulan
electrones. Estos transistores de efecto de campo construidos en base a
nanotubos de carbono gastan mucha menos energía que los transistores
construidos en base a silicio (que son lo usados comúnmente). Como estos
transistores funcionan en base a diferencia de potencial y resistividad eléc-
trica, los que están diseñados con nanotubos de carbono, los cuales tienen
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la capacidad de comportarse como semiconductores y cambiar de forma
drástica su resistividad, son mucho mejores reguladores que los dispositi-
vos en base a silicio [7].
Figura 1: Imagen de un Transitor de Efecto de Campo
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Conclusión
Como se pudo ver a lo largo del trabajo aquí presentado, el uso de los
nanomateriales, especialmente de los nanotubos de carbono podría representar
un cambio significativo en la era tecnológica actual, como también en las cien-
cias.
Las increíbles propiedades de los materiales nanoestrcuturados y sus
aplicaciones tecnológicas podrían tener considerables efectos en distintos focos
de la sociedad puesto que por medio de las aplicaciones de estos a objetos
tecnológicos, que formarán parte de nuestra vida cotidiana, la forma de ver las
cosas por parte de las personas que forman la sociedad se podrían ver afecta-
das en cierta manera.
Por otra parte y para finalizar, el campo de estudio de las Nanoestructu-
ras hace confluir a la Biología, la Química y la Física. Esto supone un trabajo de
colaboración mutua entre estas tres ciencias, lo que podría derivar en avances
muchos mayores para cada una de ellas.
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Bibliografía
[1] Suárez Gonzáles,Beatriz.(2007). Las Nanoestructuras de carbono como
analitos y herramientas en la química analítica actual,[Artículo científi-
co].Universidad de Córdoba.España.
[2] Delgado,José L;Herranz,Maria;Martín,Nzario.(2007). Nanoestructuras de
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[3] s/a , (s/a). Nanotubulos de Carbono. (Artículo científico)
Versión electrónica: http://www.portalciencia.net/nanotecno/nanotubos.html
[4] Poole Jr, Charles P; Owens, Frank (2007). Introducción a la nanotecnología.
Facultad de Química Universodad de la Habana, España: Reverte. Pp.113-
114
[5] Oliva Arias, Andrés I.(2005) Nuevas propiedades físicas de ma-
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tónoma de Yucatán, México: (Revista científica).ón electrónica:
http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=46790304
[6] Cazallas, Jorge (2007). Los materiales nanoestructurados ,Comunicación
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Versión electrónica: http://blogs.creamoselfuturo.com/nano-
tecnologia/2007/06/27/los-materiales-nanoestructurados/ (revisado el
13/Agosto/2013)
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[7] Alcca Quispe, Fernando (2005). Estructura y síntesis de nanotubos de
Carbono. (Monografía)
Versión Electrónica: http://sisbib.unmsm.edu.pe/bibvirtual/monografias/Basic/alccaqf/contenido.htm(Revisadoel20/Noviembre/2013)
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