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7/30/2019 preguntasmundoNanoCNyN-UNAM
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PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE
ELMUNDO NANO
Centro de Nanociencias y Nanotecnologa, UNAM
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Imgenes de la portada
Cortesa de:
cambridge2000.com
Gabriel Alonso Nez, CNyNscar Eugenio Jaime Acua, CNyN
Mariana Oviedo Bandera, CNyN
Amelia Olivas Sarabia, CNyN
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Comit Editorial
Joel Antnez Garca
Jess Alberto Maytorena Crdova
Vitalii Petranovskii
Oscar Raymond Herrera
Leonardo Morales de la Garza
Editor
Mara Isabel Prez Montfort
Asistente editorial
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NDICE DE ARTCULOS
PRLOGO ........................................................................................................................................... v
INTRODUCCIN ............................................................................................................................. viiAgradecimientos ................................................................................................................................ viii
A QU NOS REFERIMOS CON NANO? ....................................................................................................................... 1
CONCEPTOS ..................................................................................................................................................................... 6
QU SON LOS NANOCOMPUESTOS? ........................................................................................................................ 7
QU ES UN PUNTO CUNTICO? .............................................................................................................................. 13
FERROELECTRICIDAD: TIENE EFECTO EL TAMAO? ............................................................................................... 16
QU HACE LA LUZ EN ESPACIOS DE TAMAO NANOMTERICO? .......................................................................... 22
QU ES UN NANOREACTOR? .................................................................................................................................. 28
MATERIALES .................................................................................................................................................................. 33
QU ES EL NANO-ORO? .......................................................................................................................................... 34
QU ES UN DENDRMERO? ..................................................................................................................................... 38
QU ES UN NANOGEL? ........................................................................................................................................... 42
QU ES UNA NANOEMULSIN? .............................................................................................................................. 45
APLICACIONES ............................................................................................................................................................... 49
CMO SE USAN LOS NANOCATALIZADORES PARA PRODUCIR COMBUSTIBLES FSILES LIMPIOS? ...................... 50
CMO PUEDE CONTRIBUIR LA NANOTECNOLOGA A LA PRODUCCIN DE ENERGA LIMPIA? ............................. 54
QU ES LA NANOFOTOCATLISIS Y PARA QU NOS SIRVE? ................................................................................... 57
CMO FUNCIONAN LAS PELCULAS ANTIRREFLECTORAS EN CMARAS FOTOGRFICAS Y BINOCULARES? ......... 62
POR QU UTILIZAR NANOPARTCULAS DE SILICIO PARA EL DESARROLLO DE NUEVOS DISPOSITIVOS
ELECTRNICOS?........................................................................................................................................................ 69
CMO SE RELACIONAN LA NANOTECNOLOGA Y LA MEDICINA? .......................................................................... 74
QU ES UN BIOMARCADOR? .................................................................................................................................. 80
ANEXOS ............................................................................................................................................... I
GLOSARIO .......................................................................................................................................... II
AUTORES ........................................................................................................................................... X
NDICE TEMTICO ....................................................................................................................... XIII
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PRLOGO
Noboru Takeuchi Tan
En los ltimos tiempos, las palabras nanociencia y nanotecnologa se han incorporado al
lenguaje cotidiano. Las encontramos en noticias sobre avances cientficos en el tratamiento de
enfermedades como el cncer, en nuevos materiales que ofrecen una amplia gama de ventajas como
el ser ultra resistentes y ligeros y hasta en artculos de belleza.
Aunque parezca sorprendente, el uso de los nanomateriales no es nuevo, por ejemplo, los
artesanos que diseaban los vitrales en la Edad Media descubrieron que al darle un tratamiento al
oro podan obtener una variedad de colores, los cuales, hoy sabemos, se deben a la formacin de
nanoestructuras. Ms cercano a nuestra geografa, los antiguos pobladores de Mesoamrica
utilizaban en sus murales el azul maya, un colorante artificial que ellos fabricaban, el cual, adems
de ser muy atractivo, ha demostrado ser muy resistente al paso del tiempo. Recientemente, se
descubri que esas cualidades se deben a que el azul maya est formado por una mezcla de ndigo
(el material usado para colorear de azul la mezclilla) con una arcilla, la cual tiene cavidades de
tamaos nanoscpicos. Durante el procesamiento, las molculas de ndigo quedan atrapadas en
dichas cavidades.
Lo que es nuevo, es la habilidad para medir, manipular y organizar la materia a escalas
nanomtricas. Esto es posible principalmente porque ya se cuenta con la tecnologa y algunos
aparatos como los microscopios electrnicos, con los cuales es posible no slo ver los tomos y lasmolculas, sino tambin manipularlos.
El tener la capacidad de disear casi cualquier estructura molecular que permitan las leyes
fsicas es tan trascendental que distintos sectores de la poblacin, entre ellos los empresarios y los
cientficos proclaman que estamos ante el nacimiento de una nueva revolucin tecnolgica, la cual
impactar nuestro modo de vida en muchos aspectos. Es por eso que es necesaria una participacin
informada por parte de la sociedad y este texto sin duda ser una valiosa aportacin.
Como suele suceder en casos de tecnologas emergentes, stas crean grandes expectativas
mezcladas con incertidumbre; por un lado, se espera que la nanociencia y la nanotecnologa
promuevan, de manera sustentable, una mejor calidad de vida para todos y, por el otro, hay
preocupacin por los riesgos que pudieran resultar de la exposicin a productos que contienen
nanomateriales manufacturados. Esta ambigedad puede deberse al hecho de que hay una brecha
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entre la investigacin, el desarrollo tecnolgico y la informacin que permea hacia la comunidad
acerca de los riegos y beneficios de interactuar con este tipo de materiales. El Centro de
Nanociencias y Nanotecnologa (CNyN) de la UNAM, lder nacional con reconocimiento
internacional en investigacin y educacin en nanociencia y nanotecnologa, entiende la importancia
de vincularse con la sociedad y por eso incluye entre sus misiones difundir el conocimiento de las
nanociencias para promover la cultura y con eso generar un mayor inters por la ciencia en generaly las nanociencias en particular.
Con el propsito de establecer un contacto directo entre los lectores y los acadmicos y
divulgar sus conocimientos, el CNyN compil en este libro una variedad de preguntas y respuestas
especialmente enfocadas en el trabajo que los investigadores estn realizando en el Centro en
relacin con la materia a esas pequeas escalas.
A travs de sus pginas, el usuario podr darse una buena idea de lo que trata el mundo en la
escala de lo nano, dnde y cmo se producen los materiales con estas caractersticas y cules son sus
principales aplicaciones.
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INTRODUCCIN
El libro que aqu presentamos es una coleccin de textos cortos e ilustrados de divulgacin
acerca de diversos aspectos de las nanociencias. Est dirigido principalmente a estudiantes y pblico
interesado en temas cientficos y tecnolgicos de actualidad. Su elaboracin estuvo a cargo de
investigadores del Centro de Nanociencias y Nanotecnologa de la Universidad Nacional Autnomade Mxico (CNyN-UNAM) que se encuentra en Ensenada, Baja California. El CNyN-UNAM es un
centro de investigacin y enseanza sobre materiales y fenmenos que ocurren a la escala
nanomtrica. Los autores del libro se propusieron describir fenmenos del campo de su especialidad
y el tipo de trabajo que desarrollan, para acercar a los lectores interesados a estos temas de gran
actualidad.
Hoy en da, no se necesita ser un especialista para saber que existen nanochips que hacen a
las computadoras ms veloces, sobre la existencia de materiales nanoestructurados que aumentan la
resistencia y flexibilidad de otros materiales, sobre los LEDs o diodos emisores de luz que vemos
en los semforos de trfico y en lmparas de uso diario, sobre nanocatalizadores que contribuyen a
limpiar el medio ambiente y sobre cremas y cosmticos elaborados con nanopartculas que mejoran
sus propiedades. Tambin es conocido que en la medicina ha habido avances en la cura de
enfermedades tratadas con medicamentos nanoencapsulados, que el uso de nanotubos de carbn
mejora las propiedades de los materiales y que, en el futuro, se podr implementar la propiedad
intrnseca del electrn llamada espn, para fabricar computadoras. El afn de este libro ha sido
explicar algunos de estos avances de la nanotecnologa en forma accesible.
Por otra parte, el entendimiento de los fenmenos a nivel terico constituye un reto para la
ciencia bsica y resulta necesario para explicar las observaciones experimentales, enfocar los
problemas conceptuales relevantes y orientar futuros experimentos. Adems de los desarrollos en
nanotecnologa, los avances en las tcnicas de fabricacin de nanoestructuras han permitido la
realizacin de nuevos experimentos que a su vez han revelado fenmenos fsicos sorprendentes cuya
comprensin es de importancia fundamental.
Los problemas cientficos del mundo nano, en donde concurren diversas disciplinas,despiertan un inters natural, intrnseco, pican la curiosidad, puesto que al final, como en toda
ciencia, la motivacin primordial, el objetivo de las nanociencias, es el conocimiento.
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El libro est organizado en tres secciones: Conceptos, Materiales y Aplicaciones, pero cada
artculo se puede leer de forma independiente. El artculo inicial del libro se titula Qu es lo nano?
y contiene definiciones del mundo nano que permitirn una mejor comprensin de los dems
artculos. Algunos autores sugieren lecturas adicionales y que al final se incluye un glosario con
definiciones de trminos especializados que complementa la lectura.
sta es una invitacin a adentrarse en el fascinante mundo nano y esperamos que los temasaqu tratados despierten el inters de los lectores por conocerlo mejor. Los datos de los autores
aparecen al final del libro para aquellos lectores que deseen consultar dudas o hacerles llegar
comentarios.
Si la lectura de este libro despierta la curiosidad del lector, contesta algunas de sus preguntas
y sirve como estmulo para conocer mejor el mundo nano, se habr cumplido nuestro objetivo.
El comit editorial
Agradecimientos
El comit editorial agradece profundamente a todos aqullos que participaron en la
elaboracin de este libro. Especiales gracias a Juan Peralta por el apoyo tcnico y a Pamela Rubiopor su esmerado trabajo en la edicin final del texto. La colaboracin y paciencia de todos fue
indispensable para lograr que este libro se convirtiera en una realidad.
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A QU NOS REFERIMOS CON NANO?
Joel Antnez Garca, Jess Alberto Maytorena Crdova, Leonardo Morales de la Garza, Mara
Isabel Prez Montfort, Vitalii Petranovskii y Oscar Raymond Herrera
En las ciencias naturales y exactas es muy comn el empleo de prefijos para situarnos en una
escala espacial o temporal. Por ejemplo, usamos el prefijo kilo para referirnos a 1000 metros cuando
decimos kilmetro, la estatura de una persona la citamos en metros y no en milmetros, y con elprefijo mili describimos el tamao de un insecto que puede medir cerca de una milsima de un
metro o, en notacin cientfica, 1 10-3 m. Un microbio se mide en micras que corresponde a 1 x 10-
6 m. De la misma manera, el prefijo nano se emplea para referirnos a la mil-millonsima parte, o 1
10-9, de un metro: el nanmetro, o de un segundo: el nanosegundo. El mundo nano se refiere a
sistemas y fenmenos que involucran esta escala.
Un nanosegundo pareciera un lapso muy corto de tiempo, pero puede ser muy largo si
hablamos de fenmenos que ocurren a nivel atmico o molecular, como las transiciones electrnicas
de un estado de energa a otro, que suceden en tiempos an ms cortos que los nanosegundos, en
femto (10-15) o en picosegundos (10-12), o sea entre 1 10-6 y 1 10-3 nanosegundos. Un ejemplo
mucho ms familiar que ocurre en nanosegundos es el nmero de operaciones que puede llevar a
cabo el procesador de una computadora de las que usamos diariamente en casa: es del orden de un
billn de operaciones por segundo o 1000 operaciones en un nanosegundo. Otro ejemplo es que,
como es muy conocido, la velocidad de la luz es de alrededor de 300,000 km/s; esto significa que en
un nanosegundo la luz recorre casi 30 cm.
Por otra parte, el nanmetro se utiliza como unidad para medir el tamao de grupos de tomos
y molculas; por ejemplo, la molcula de agua mide alrededor de 0.3 nm, por lo que, si alineramos
3 molculas de agua, esta fila medira aproximadamente un nanmetro. El dimetro de algunos
virus, por ejemplo, es del orden de 20 nanmetros.
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Otro concepto importante en este campo de estudio es el de las nanopartculas las cuales son
agrupaciones de tomos de uno o varios compuestos que miden varios nanmetros de dimetro. Las
propiedades fisicoqumicas de estas partculas nanomtricas, por ejemplo, su actividad cataltica y
su interaccin con la luz, dependen de su tamao y de su geometra y, en general, difieren
drsticamente de las propiedades que muestra el mismo material a escala macroscpica. Para
explicar las propiedades de las nanopartculas se recurre principalmente a la mecnica cuntica.A la escala nanomtrica, las propiedades dependen no solo del tamao de la nanopartcula sino
tambin de la forma en la que estn acomodados los tomos. Aun cuando dos nanopartculas estn
formadas por el mismo material y con el mismo nmero de tomos, si su estructura geomtrica es
diferente, sus propiedades sern distintas (Fig. 1).
Figura 1. Nanopartculas formadas por el mismo nmero de tomos con distinta estructura geomtrica: a)icosadrica y b) cuboctadrica. El arreglo distinto de los tomos les da propiedades fisicoqumicasdiferentes.
Por su parte, las estructuras nanomtricas son aquellas que miden nanmetros en al menos una
de sus dimensiones; las otras dimensiones pueden ser de mayor tamao. Por ejemplo, los nanotubos
de carbono tienen un dimetro de algunos nanmetros y pueden tener varias micras de longitud (Fig.
2).
En la primera mitad del siglo XX, ya exista la posibilidad de observar la materia a nivel
nanomtrico gracias a los microscopios electrnicos que para entonces se haban desarrollado. Para
formar la imagen, estos microscopios emplean un haz de electrones, a diferencia de los
microscopios pticos que emplean un haz de luz, y con ello se logra una mucho mayor resolucin de
las imgenes. Un microscopio de este tipo es el microscopio electrnico de barrido (SEM, del ingls
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scanning electron microscope) que es un instrumento de alta precisin con el que se puede observar
la morfologa de los materiales a nivel micro y nanomtrico. Otro, es el microscopio electrnico de
trasmisin (TEM, del ingls transmission electron microscope) con el cual se puede observar la
estructura de la materia a nivel atmico.
Como ejemplo de las capacidades de estos microscopios, en la figura 2 se muestran imgenes
de nanotubos de carbono a diferentes escalas tomadas con estas dos tcnicas de microscopa.
a b c
Figura 2. Nanotubos de carbono de capa multiple con distintas amplificaciones. a) Imagen de SEM quemuestra nanotubos cuya longitud es de varias micras (la escala es de 2.5 micras); b) imagen de SEM quemuestra en detalle los mismos nanotubos donde se aprecia un dimetro exterior menor a 100nm; c) imagende TEM que muestra el dimetro interior menor a 10 nm de un nanotubo. Se observan las multicapas delnanotubo (la escala mostrada es de 5 nm). (Cortesa de Gabriel Alonso, CNyN)
Muchos autores consideran a Richard Feynman como el padre de la nanociencia y la
nanotecnologa ya que en 1959 present una conferencia en el Instituto Tecnolgico de California
(Caltech), titulada There's plenty of room at the bottom, o Hay mucho espacio en el fondo. En
esta conferencia, plante que las leyes de la fsica no impedan manipular la materia tomo por
tomo y que, de hacerlo, existira todo un universo de posibilidades tecnolgicas.
Esta posibilidad se hizo realidad a partir de la invencin del microscopio de efecto tnel (STM
del ingls scanning tunneling microscope) que, a diferencia del SEM y el TEM, present por
primera vez la posibilidad de manipular la materia a nivel atmico. A partir de este descubrimientose desarroll la nanotecnologa, con lo que tambin se cumpli la prediccin de Richard Feynman,
quien vivi unos aos ms despus de la invencin del STM. Como ejemplo de la resolucin de este
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microscopio, en la figura 3, se muestra una imagen de STM de una capa de tomos de yodo sobre
una superficie cristalina de oro.
Figura 3. Imagen de STM (5 nm x 5 nm) de una capa de tomos de yodo, puntos ms brillantes, sobre unasuperficie cristalina de oro. La escala de la derecha indica la profunidad relativa en nm. (Cortesa de JosValenzuela, CNyN)
Las nanociencias utilizan primordialmente la mecnica cuntica para modelar, predecir y
explicar propiedades de los materiales que se observan experimentalmente; por ejemplo, investigan
bajo qu parmetros de temperatura y presin se pueden obtener nanomateriales de tamao y
estructura controlada y qu propiedades fsico-qumicas exhiben. Es claro que la fsica y la qumica
forman los bloques fundamentales de las nanociencias. Hoy en da estas disciplinas tambin
incluyen a la medicina, a la biologa y a la agronoma, entre otras, lo que seala su naturaleza
multidisciplinaria.
Las nanociencias se encargan de estudiar la estructura y las propiedades fsico-qumicas de losmateriales a escala nanomtrica y de desarrollar nuevos materiales, as como del estudio de nuevos
fenmenos que surgen a la escala nanomtrica.
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A su vez, la nanotecnologa comprende la capacidad de construir y manipular objetos y
dispositivos a nivel nanomtrico. En la actualidad, hay muchos productos en el mercado que
incluyen componentes obtenidos por medio de procesos nanotecnolgicos; entre ellos podemos
mencionar las cremas de proteccin solar con nanopartculas que absorben radiacin ultravioleta,
lmparas ms potentes como los LEDs o diodos emisores de luz y circuitos integrados o nanochips.
En la medicina se han hecho pruebas con nanopartculas que muestran gran efectividad en elcombate de ciertos tipos de virus, de tumores y de cncer. En el campo de la biologa se han creado
nuevos pesticidas que contienen nanopartculas que optimizan el tratamiento de aguas residuales.
En el futuro, las nanociencias y la nanotecnologa estarn ms integradas a nuestra vida
cotidiana. No olvidemos que la nanotecnologa es consecuencia del conocimiento que generan las
nanociencias y viceversa, las nanociencias se enriquecen a partir de los avances en la
nanotecnologa. Se espera que juntas, estas disciplinas contribuyan a resolver problemas
fundamentales de nuestra sociedad, como el de la energa que hoy todava es muy dependiente de
los combustibles fsiles, y el del abastecimiento del agua, por mencionar dos entre muchos otros que
tenemos ya en puerta.
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CONCEPTOS
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QU SON LOS NANOCOMPUESTOS?
Oscar Raymond Herrera, Oscar Eugenio Jaime Acua y Pamela Rubio Pereda
Es bien conocido que un compuesto qumico es aquella sustancia constituida por la unin de
dos o ms elementos qumicos que guardan cierta proporcin, y se identifica mediante una frmula
qumica, por ejemplo, el agua (H2O) o el cloruro de sodio (NaCl). En cambio, un material
compuesto, concepto que en el ingls corresponde a la palabra tcnica composite, es un cuerpo
slido constituido por una mezcla de dos o ms diferentes tipos de materiales (metlicos, cermicas,
vidrios, polmeros, entre otros). En un material compuesto se combinan las caractersticas
estructurales y/o funcionales de cada uno de sus componentes, buscando la aparicin de nuevas y
mejores propiedades fsico-qumicas no presentes en cualquiera de los componentes por separado.
Una gran variedad de los materiales empleados en la industria moderna son compuestos que se
fabrican en diferentes escalas en cuanto a las dimensiones de sus componentes. Un ejemplo clsico
de un compuesto fabricado en la escala macroscpica es el concreto que es una mezcla de agua,cemento, grava y arena. Cada uno de estos componentes desempea una funcin y otorga ciertas
propiedades al compuesto final que de ninguna manera pudieran obtenerse por los componentes
individuales. Sin embargo, el concreto, aun con sus magnficas propiedades mecnicas, cuando se
utiliza para la construccin frecuentemente requiere del acero que le otorga mayor rigidez,
resistencia a la compresin o a la traccin y a la flexin, entre otras caractersticas deseables. Muy
similar a la funcin del acero en el concreto, las fibras de carbono o de vidrio son componentes que
han revolucionado la fabricacin de materiales compuestos, dndoles excelentes propiedadesmecnicas como alta dureza, muy bajo peso y gran flexibilidad, las cuales generalmente no se
encuentran en materiales de una sola composicin qumica. Este tipo de fibras han sido empleadas
en industrias como la del deporte, la pesca deportiva, la navegacin y la construccin.
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Figura 2
En la tecnologa se puede hablar de tres arquitecturas bsicas que conforman a los
compuestos, ilustradas en la figura 1 para compuestos de dos componentes. El primero se conoce
como modelo particulado y el concreto es un ejemplo de material con esta arquitectura, el segundo
como laminar, un ejemplo es el taraflex empleado en instalaciones deportivas, y el tercero es el
columnar o de fibra, presente en la estructura de las llantas de automviles con cuerdas de nylon, de
acero, o con una combinacin de ambas.En 1948, se inici el desarrollo de una nueva rama de la industria llamada tecnologa planar
que, basada en el modelo laminar, fabric el primer transistor bipolar de estado slido a escala
micromtrica. El modelo laminar fue el motor principal de la revolucin que se dio en el siglo XX
en la industria microelectrnica y ha tenido gran impacto en el progreso alcanzado hasta nuestros
das en numerosas ramas industriales.
NanocompuestosConociendo las bondades que ofrecen los materiales compuestos, el actual desarrollo de la
nanotecnologa se ha enfocado en el diseo y la fabricacin de tales tipos de compuestos. En el
mbito de la investigacin cientfica-tecnolgica, actualmente se promueve en muchos pases el
desarrollo de nuevas estructuras, sistemas y dispositivos constituidos por partes de dimensiones
nanomtricas que designamos como nanocompuestos.
La estructura de los nanocompuestos sigue los mismos patrones arquitectnicos que
mostramos en la figura 1, o bien, puede presentar una combinacin de stos. La fabricacin de un
compuesto nanoestructurado, adems de presentar incuestionables ventajas por su miniaturizacin,
integra una nuevas funcionalidades a partir de las propiedades que aporta cada una de de las partes
constituyentes. De este modo, con los nanocompuestos se pueden obtener materiales que superen la
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capacidad actual de almacenamiento y transmisin de la informacin en el menor espacio posible,
que permitan el desarrollo de sistemas inteligentes auto gobernables con menor consumo de energa,
que generen nuevas fuentes de energa, o logren mayor control en el tratamiento de enfermedades,
como ejemplos de la infinitud de aplicaciones de la nanotecnologa al bienestar del ser humano.
Figura 3
Nuevos dispositivos transductores, que son elementos que convierten un tipo de energa en
otra, por ejemplo, un transductor electromecnico transforma energa elctrica en mecnica y vice
versa, se investigan actualmente en el CNyN. Los nanocompuestos de inters son aquellos que
gozan de excelentes propiedades elctricas y los que tienen propiedades magnticas. Actualmente,
se investiga el crecimiento de pelculas delgadas conformadas por nanocolumnas del compuesto
ferrimagntico ferrita de cobalto CoFe2O4 (CFO) (con propiedades magnticas) embebidas en una
matriz ferroelctrica de titanato de bario BaTiO3 (BTO) (con propiedades elctricas) (ver figura 2)
para formar nanocompuestos magnetoelctricos (que convierten la energa magntica en energa
elctrica o viceversa). El crecimiento de pelculas delgadas se lleva a cabo mediante la tcnica de
erosin inica. En estos nanocompuestos magnetoelctricos, a partir de la aplicacin de campos
magnticos externos (por ejemplo, acercando un imn) que afectan la magnetizacin de las
nanocolumnas del ferrimagntico CFO, se logra deformar elsticamente la matriz ferroelctrica del
BTO y, por lo tanto, cambiar su estado de polarizacin elctrica, lo cual altera la distribucin decargas en la superficie del nanocompuesto. Esto ltimo, produce una seal de corriente que se puede
medir con galvanmetros de alta sensibilidad. En forma anloga, el efecto magnetoelctrico ocurre
al aplicar un voltage (diferencia de potencial elctrico) o un campo elctrico externo que, al afectar
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la distribucin de las cargas elctricas, deforma elsticamente la matriz ferroelctrica BTO, y sta, a
su vez, deforma al ferrimagntico CFO embebido, logrando cambiar su estado de magnetizacin.
Con ello, se afecta el entorno magntico del nanocompuesto y los cambios pueden detectarse con
espiras metlicas externas de dimensiones adecuadas. Tales nanocompuestos, entre otras muchas
aplicaciones, pueden emplearse como detectores de campos magnticos extremadamente pequeos,
como los que generan sistemas biolgicos minsculos, por ejemplo, las clulas.
Nanocompuestos fotoactivos
Otros nanocompuestos que se desarrollan en el CNyN son los nanocompuestos fotoactivos
basados en la sntesis de nanopartculas de materiales semiconductores adheridos a la superficie
interior y exterior de materiales mesoporosos. Los materiales mesoporosos tienen poros de tamaos
intermedios, o meso, entre los nanoporos (~ 1 nm)y los microporos (~ 1 m). El material que se
utiliza en estas investigaciones se denomina zeolita. En la figura 3, se muestra la estructura de unazeolita tipo mordenita (MOR) en la que se aprecia un canal en el centro que es caracterstico de
este material poroso y tiene 0.6 nm 0.7 nm de dimetro.
Figura 3
Una zeolita se convierte en un nanocompuesto fotoactivo al insertar en el canal un material
semiconductor, el cual, al ser irradiado con luz, se convierte en un intercambiador de electrones que
modifica las propiedades pticas y electrnicas del nanocompuesto (ver, por ejemplo, la respuesta
ptica de diferentes nanocompuestos presentada en la figura 6). Los nanocompuestos formados por
zeolitas y semiconductores tienen gran potencial de aplicacin en el campo de la optoelectrnica
como fotodetectores o convertidores de energa luminosa, en particular la proveniente del Sol, y
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muy especialmente en la fotocatlisis, como se describe en la pregunta QU ES LA
NANOFOTOCATLISIS Y PARA QU NOS SIRVE?de este libro.
Figura 4
Para la obtencin de los nanocompuestos fotoactivos, primero se sintetizan los polvos demordenita empleando el mtodo qumico conocido como sol-gel. Los geles obtenidos de las
soluciones precursoras se someten a presin y temperatura controladas mediante el uso de
autoclaves hermticamente cerradas. Una micrografa de uno de los polvos de las mordenitas
sintetizadas, obtenida por microscopia electrnica de barrido y coloreada, se muestra en la figura 4.
Se pueden apreciar los empaquetamientos de mordenitas en forma de discos ovalados. Las
mordenitas que se muestran en la figura 4 se sintetizan insertando un tomo de un metal (por
ejemplo, Cd, Zn, Pb, Cu o Fe) en el lugar que ocupaba el tomo de sodio en la zeolita. Una vez
intercalado el metal, el nanocompuesto se somete a un proceso de oxidacin que modifica al metal.
De esta manera se obtienen nanopartculas semiconductoras de modo controlado, homogneamente
dispersas y adheridas tanto a las cavidades internas de las mordenitas como a toda su superficie
exterior. A esto se le llama un semiconductorsoportado en mordenita.
Mediante la microscopia electrnica de transmisin se puede determinar que los discos de la
figura 4 son empaquetamientos de nanoagujas de mordenita. La formacin de nanopartculas en la
superficie de estas agujas se ilustra en la figura 5.
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Figura 5
Finalmente, la figura 6 muestra, a la izquierda, una seleccin de polvos de nanocompuestos
sintetizados con nanopartculas semiconductoras de ZnxCdxS a diferentes concentraciones relativas
de Zn y Cd; obsrvese la intensidad del amarillo que aumenta con el incremento de Cd en la
composicin. A la derecha, se muestra la variacin de la absorcin ptica de estos nanocompuestos
en funcin de la longitud de onda y se compara con el comportamiento de los polvos puros
micromtricos de ZnS y CdS, as como de polvos de mordenitas sdicas sin nanopartculas (Na-
MOR). La grfica muestra que los nanocompuestos fotoactivos sintetizados tienen la actividad
ptica deseada y esto los proyecta como nanocompuestos con aplicaciones en el campo de la
fotocatlisis.
Figura 6
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QU ES UN PUNTO CUNTICO?
Ernesto Cota Araiza
En 1959, el fsico Leo Esaki, como parte de su tesis doctoral en la Universidad de Tokio sobre
materiales semiconductores con impurezas, descubri lo que se conoce como el diodo tnel, el
primer dispositivo electrnico basado en efectos cunticos. En 1973, Esaki recibi el Premio Nobel
de Fsica por sus contribuciones acerca del fenmeno de tunelaje cuntico y por sus estudios sobre
superredes y pozos cunticos. Estos estudios abrieron el camino a la posibilidad de desarrollar
sistemas en el laboratorio y estudiar fenmenos que hasta entonces slo existan en los libros de
texto de mecnica cuntica. En los aos setentas, el desarrollo de tcnicas como la litografa de
haces electrnicos hizo posible el confinamiento de gases de electrones en materiales
semiconductores en dos dimensiones (planos), una dimensin (alambres) y hasta cero dimensiones
(puntos cunticos). De esta manera, podemos definir un punto cuntico (PC) semiconductor, como
una regin en el material, de unas decenas de nanmetros, donde un determinado nmero deelectrones (que se puede reducir a uno) queda confinado en las tres direcciones espaciales. Este
confinamiento hace que el espectro de niveles de energa que los electrones pueden ocupar sea
discreto, similar a lo que ocurre en un tomo, y las caractersticas de este espectro (espaciamiento
entre niveles, por ejemplo) dependen del tamao y la geometra del PC. Tenemos entonces un
sistema con un espectro que se puede disear, de manera que, por ejemplo, las frecuencias de
absorcin o emisin pticas seran controlables, con lo cual se abre la posibilidad de aplicaciones en
diversas reas que van desde la nanoelectrnica y las celdas solares hasta el diagnstico ytratamiento de enfermedades.
Actualmente, en algunos laboratorios del mundo se usan tcnicas litogrficas para fabricar PC
semiconductores epitaxiales, usando electrodos de compuerta sobre un gas bidimensional de
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electrones y controlando el nmero de electrones que quedan confinados en cada PC. Raymond
Ashoori (MIT, EUA) y Horst Strmer (Universidad de Columbia, EUA) han obtenido PC con un
solo electrn y han demostrado la posibilidad de ir aadiendo electrones uno por uno. Tambin es
posible fabricar PC acoplados (molcula artificial) y estudiar el acoplamiento de los estados de
ambos PC (Leo Kouwenhoven, Universidad de Delft, Holanda).
En los aos ochentas, se desarrollaron mtodos para producir suspensiones coloidales de PCpor precipitacin de materiales semiconductores en solucin. Estos PC coloidales,cuyos tamaos se
pueden controlar con mucha precisin, tienen propiedades pticas nicas que permiten su utilizacin
como sensores de luz, con diversas aplicaciones en cmaras digitales, pantallas y celdas solares,
entre otras. Actualmente, se estn estudiando aplicaciones muy importantes en el rea de
diagnstico y tratamiento de enfermedades. Por ejemplo, en el caso del cncer, se est considerando
la posibilidad de inyectar el medicamento depositado en el interior de un PC, directamente al tumor,
como una alternativa a la quimioterapia actual. El PC estara revestido de molculas que son
sensibles a enzimas que se producen en la zona afectada (por ejemplo, por tumores cancerosos,
pancreatitis u otras enfermedades), lo cual permite que el PC se ubique en esa zona y el
medicamento sea liberado y acte con mayor eficiencia. En el rea de las neurociencias se usan PC
coloidales para visualizar y medir eventos moleculares, as como PC semiconductores fluorescentes
cuyas propiedades pueden ser controladas a travs de su tamao y composicin.
Similarmente, en las celdas solares, el uso de los PC promete aumentar su eficiencia,
aprovechando sus propiedades de absorber y emitir radiacin en forma preferencial y controlable y
la facilidad para convertir esta energa en electricidad.
Otra rea de inters de aplicacin de los PC es en la nanoelectrnica y particularmente en
espintrnica, en donde la atencin se enfoca en el espn de los electrones en el punto cuntico. En
particular, el autor ha participado en proyectos de investigacin en esta rea, en donde hemos
propuesto un arreglo de dos PC acoplados, tales que en presencia de un campo magntico y de un
voltaje que cambia peridicamente con el tiempo, se demuestra que el sistema realiza bombeo de
electrones y acta como filtro de espines.
Ms recientemente, en el mismo sistema de doble punto cuntico, hemos estudiado el efectode interacciones de los espines electrnicos con los espines nucleares y la interaccin espn-rbita
sobre los tiempos de decoherencia del sistema. Estos estudios son importantes por las posibles
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aplicaciones de este sistema como componentes bsicos (bits cunticos) para almacenamiento y
procesamiento de informacin en el rgimen cuntico.
PC1 PC2
Figura 1. Diagrama esquemtico del arreglo de doble punto cuntico que acta como filtro de espn (a)hacia abajo y (b) hacia arriba. En ambos casos, la configuracin inicial es con un espn hacia arriba enambos PCs. En el caso (a), entra un espn hacia abajo al punto cuntico de la izquierda (PC1) para formarun estado singlete de energa ELS0. Enseguida, este electrn es bombeado al punto cuntico de la derecha(PC2), por medio del campo externo, para formar el estado singlete de energa ERS0. Finalmente, esteelectrn sale al reservorio de la derecha y el sistema regresa a la configuracin inicial. En el caso (b), se
lleva a cabo un proceso similar que involucra la transferencia de un espn hacia arriba. (c) Corrientecalculada como funcin de la frecuencia del voltaje externo. Se observan resonancias de la corriente envalores especiales de la frecuencia para espn hacia arriba (rojo) y hacia abajo (azul).
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FERROELECTRICIDAD: TIENE EFECTO EL TAMAO?
Alejandro Durn, Mara de la Paz Cruz, Jess Mara Siqueiros
Los materiales estn compuestos de tomos y molculas y difieren en su comportamiento
fsico dependiendo de sus arreglos atmicos y de su escala de tamaos. La relacin entre la
estructura atmica de los materiales y sus propiedades fsicas se estudia en el campo de la ciencia de
materiales. Sin embargo, se ha demostrado que esta relacin es enteramente diferente cuando la
escala del material es muy reducida. En este contexto, recientemente ha emergido el estudio de las
propiedades cristalofsicas de materiales a escala nanomtrica. Este tipo de estudios ha sido posible,
en gran parte, debido al desarrollo de tecnologas para la fabricacin, la sntesis, observacin,
manipulacin, ensamblaje y caracterizacin de materiales nanomtricos. La nanociencia y la
nanotecnologa comprenden el estudio tanto terico como experimental de los fenmenos fsicos y
qumicos a escala nanomtrica (1-100 nm) y la manipulacin de los materiales a esta escala para
posibles aplicaciones tecnolgicas.Para tener una idea de qu tan pequeo es un nanmetro, consideremos, por ejemplo, el
dimetro del ion de oxgeno que es de 2.8 . Como 1 nm equivale a 10 , quiere decir que slo
requeriramos de aproximadamente 3.6 iones de oxgeno alineados para alcanzar una longitud de 1
nm. Con 36 iones de oxgeno alineados tendramos una longitud de 10 nm y con 360 iones, una de
100 nm, con lo que nos encontraramos ya en el lmite de la escala nanomtrica.
Por otro lado, las propiedades fsicas como la ferroelectricidad, el magnetismo, la
superconductividad y el transporte elctrico de electrones, son fenmenos cooperativos querequieren de muchas celdas cristalinas. Para que alguno de estos fenmenos se manifieste, las
interacciones de muchos cuerpos son de fundamental importancia. Cuando estas interacciones son
confinadas a dimensiones nanomtricas, muchos fenmenos fsicos adquieren una menor
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importancia y se manifiestan otros, menos conocidos, debido a que, en esta escala, la superficie y
los procesos cunticos tienen mayor preponderancia. Estas propiedades inesperadas ocurren como
resultado del confinamiento de las capas electrnicas de los tomos que conforman el material. En
los ltimos aos, la creciente carrera hacia la miniaturizacin a escala nanomtrica de los
dispositivos ferroelctricos, ha motivado a los investigadores de este campo a discutir y comprender
la presencia o ausencia de la ferrolectricidad a nivel de unas cuantas celdas cristalinas y lasimplicaciones que esto tendr para nuevas aplicaciones tecnolgicas.
Empezaremos por definir a un material ferroelctrico como aqul que experimenta una
transicin de fase, de una fase centrosimtrica a alta temperatura en la que se comporta como un
dielctrico ordinario, a una fase de ms baja temperatura, no-centrosimtrica, en la que presenta una
polarizacin elctrica espontnea cuya direccin puede ser conmutada por medio de un campo
elctrico externo. La aparicin de la polarizacin involucra, en la mayora de los casos, la distorsin
de la celda unitaria. Este hecho implica que la polarizacin y la deformacin elstica de la celda
unitaria estn acopladas. La figura 1 muestra las dos caractersticas fsicas que distinguen a un
material ferroelctrico. Observamos un pico en la curva de permitividad en funcin de la
temperatura que denota el valor de la temperatura crtica (Tc) a la cual ocurre la transicin del
estado ferroelctrico de baja temperatura al estado paraelctrico de alta temperatura.
Lo que ocurre a nivel microestructural en el ejemplo ilustrado es un cambio de una estructura
cbica (centrosimtrica) a una tetragonal (no-centrosimtrica) como consecuencia del
desplazamiento a lo largo de alguna direccin cristalogrfica del ion ubicado en el centro de la celda
cbica, y que es ocasionado por el cambio en la temperatura. Con la finalidad de minimizar la
energa asociada a la deformacin elstica de la superficie del cristal, ste nuevo ordenamiento
estructural conduce a la formacin de dominios ferroelctricos a nivel microestructural. As, cada
dominio, definido como una regin del material donde todos los dipolos elctricos estn orientados
en el mismo sentido, se representa por un vector de polarizacin. Cuando aplicamos un campo
elctrico, la respuesta de la estructura de dominios del material es la encargada de producir la curva
de la polarizacin (histresis en la curva insertada a la izquierda en la figura 1).
Los avances ms significativos en la investigacin de la ferroelectricidad a escalamicromtrica y nanomtrica se han realizado utilizando el mtodo de fabricacin de arriba hacia
abajo, el cual consiste en partir de un material macroscpico y reducir su tamao hasta escalas
nanomtricas. Las capas bidimensionales de espesores ultrafinos (pelculas delgadas) han sido una
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alternativa para estudiar estos fenmenos a escala nanomtrica. Las investigaciones se han enfocado
al desarrollo de sensores y a la tecnologa de almacenamiento de datos. Una de las tcnicas
utilizadas para producir pelculas ultrafinas en el laboratorio, es el crecimiento de pelculas por
ablacin por lser pulsado (PLD, del inglspulsed laser deposition), ya que las capas producidas as
son de alta calidad. El proceso es relativamente rpido y no es necesario emplear mucho material.
Otras tcnicas como la erosin inica (sputtering) y el depsito de vapores qumicos (CVD, delingls chemical vapor deposition) tambin se emplean con este propsito.
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550
Temperatura (oC)
PZT Estado
Ferroelctrico
Estado
Paraelctrico
Tc
Polarizacin (C/cm2)
Campoelctrico
(kV/cm)
1
0
Polarizacin (C/cm2)
Campoelctrico
(kV/cm)
+Emax-Emax
-Ec +Ec
1
2+Pr
-PrPermitividad() Ps
Figura 1. Caractersticas fsicas que definen a un ferroelctrico. La figura principal muestra un pico en lamedida de la permitividad () en funcin de la temperatura que, por debajo de una temperatura crtica(Tc), define el estado ferroelctrico y, por arriba, el estado paraelctrico. Las curvas insertadas muestran
la histresis y ausencia de histresis en las medidas de polarizacin en funcin del campo elctricoaplicado que define ambos estados. Los modelos geomtricos representan la estructura simtrica y no-centrosimtrica del estado paraelctrico y ferroelctrico, respectivamente.
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Es importante seleccionar cuidadosamente las condiciones experimentales para cada una de
las tcnicas, ya que stas determinan el control del crecimiento de la pelcula a espesores
nanomtricos. Algunos materiales ferroelctricos como el BaTiO3 (titanato de bario), Pb(Ti1-xZrx)O3
(circonato-titanato de plomo) y el BiFeO3 (ferrato de bismuto) se han crecido a escalas
nanomtricas por medio de PLD con excelentes resultados.
Por otra parte, la microscopa de piezofuerza (PFM, del inglspiezoelectric force microscopy)es la herramienta ptima para observar y medir el fenmeno ferroelctrico en pelculas de espesores
ultrafinos.
Figura 2. Lazos de histresis ferroelctrica de pelculas de BiFeO3 con espesores de a) 15 nm, b) 8 nm, c)4 nm y d) 2 nm.
En la figura 2 se muestran las curvas de histresis ferroelctrica en pelculas de BiFeO3 con
espesores de 15, 8, 4 y 2 nanmetros. Se observa que la seal ferroelctrica (lazo de histresis)
persiste muy bien entre los 15 y los 8 nm. Pero cuando el espesor de la pelcula disminuye a 4 nm el
lazo de histresis se reduce y, a 2 nm, empieza a ser difuso, marcando el espesor crtico hasta el cual
-3 -2 -1 0 1
-1.0 -0.5 0.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0
-2 -1 0 1
Voltaje
Fase
[]
0
90
180
0
90
180
a) b)
c) d)
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persiste el fenmeno ferroelctrico. Como hemos mencionado anteriormente, la formacin de
dominios es el mecanismo por el cual el cristal minimiza la energa superficial asociada a la
deformacin elstica ocasionada por el desplazamiento del catin central de la estructura. De esta
manera, en unapelcula ultrafina, las condiciones energticas para la presencia y/o ausencia de la
ferroelectricidad estn determinadas por el tamao del dominio (w), el espesor de la pared de
dominio () y por el espesor del depsito sobre el sustrato (d), tal como se observa en la figura 3.
d
w
Pared de dominioDominio
Substrato
Figura 3. Pelcula delgada sobre un substrato, en donde se muestran dominios de 180 o y sus parmetroscaractersticos: ancho de los dominios (w), espesor de la pared de dominio (), y el espesor de la pelcula(d).
Los resultados experimentales de la Figura 2 concuerdan con resultados experimentales en
pelculas nanomtricas de diferentes materiales ferroelctricos. En estos trabajos se mostr que el
espesor de la pared de dominios () de aproximadamente 2 nm, es el mismo para espesores de
pelculas que variaron desde unas cuantas micras hasta unos cuantos nanmetros. Estos resultados
mostraron que la ferroelectricidad comienza a ser difusa cuando el espesor de la pelcula (d) alcanzael tamao del espesor de la pared de dominios, (~2 nm). De esta manera, se espera que si el espesor
de la pelcula decrece hasta el ancho de la pared de dominio, la energa asociada a la superficie del
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cristal puede ser ms grande que la energa necesaria para que ocurra el ordenamiento ferroelctrico,
lo cual lleva a la desaparicin de la ferroelectricidad.
En resumen, la ferroelectricidad es un fenmeno cooperativo que requiere de muchas celdas
cristalinas. Las manifestaciones de la ferroelectricidad pueden ser fielmente reproducidas a tamaos
de dominio mayores a algunos nanmetros. Por ello, ser posible encontrar dispositivos
ferroelctricos que operen en espesores de depsito por encima de 2 nm. Uno de los retos actualespara los investigadores experimentales de los materiales ferroelctricos, es reproducir estos
resultados y probar si la reduccin de tamao hasta espesores nanomtricos tiene efecto sobre las
propiedades ferroelctricas en materiales libres de plomo y cromitas magnetoelctricas.
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QU HACE LA LUZ EN ESPACIOS DE TAMAO NANOMTERICO?
Jess Alberto Maytorena Crdoba, Catalina Lpez Bastidas, Roberto Machorro Meja
En realidad esta es una pregunta amplia, en la que cabe una gran variedad de fenmenos para
los que se han acuado varios trminos con el fin de clasificarlos y ubicarlos en un contexto: nano-
ptica, electrodinmica de campo cercano, nano-fotnica, nano-plasmnica, entre otros. Estos
campos de estudio, en los que se busca comprender fenmenos pticos a la escala nanomtrica,
constituyen actualmente nuevas reas de activa investigacin cientfica y tecnolgica. De lo que se
trata es de tener acceso a la interaccin entre la luz y la materia en una escala de tamao tpicamente
inferior a la longitud de onda de la luz, lo que, en el rango visible de sta, implica dimensiones
menores a unos pocos cientos de nanmetros. Pero, por qu las cosas a esa escala habran de ser
diferentes a lo que sucede en la ptica clsica convencional?
La luz es una onda electromagntica consistente en campos elctricos y magnticos que
oscilan rpidamente en el espacio y en el tiempo. Las variaciones de un campo elctrico generan uncampo magntico cuyas variaciones generan de nuevo uno elctrico que a su vez genera el
magntico, y as sucesivamente, todo segn leyes fsicas precisas (leyes de Faraday y de Ampre-
Maxwell). La onda ms sencilla as generada es la llamada onda plana monocromtica, cuya
oscilacin peridica en el tiempo y en el espacio se caracteriza por una frecuencia y un vector de
onda (inversamente proporcional a la longitud de onda), y cuyo vector de campo elctrico vibra de
manera perpendicular a la direccin de propagacin (especificada por la direccin del vector de
onda). Las ecuaciones matemticas que gobiernan el campo electromagntico (las clebresecuaciones de Maxwell) son lineales y, por lo tanto, la luz obedece el principio de superposicin: la
combinacin lineal de dos soluciones tambin es una solucin, o dicho de otra manera, el campo
elctrico (o el magntico) resultante de una onda, en un punto del espacio donde se superponen dos
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o ms ondas de luz, es igual a la suma de los campos de las ondas constitutivas individuales. Por
ejemplo, cuando un rayo de luz incide sobre un medio, su campo elctrico pone a oscilar a los
electrones de cada tomo, y este movimiento de carga elctrica es a su vez fuente de un campo
electromagntico. Como resultado de la superposicin de los campos producidos por todos los
tomos, estapolarizacin del material genera en su interior una onda que se propaga a la velocidad
de la luz en dicho medio, otra que cancela exactamente al campo incidente, y una tercera ondaradiada hacia el exterior del material. Efectivamente, cuando un haz luminoso incide sobre un
medio, decimos que parte de l se transmite y parte se refleja, como comprobamos diariamente, (y,
aunque parezca que las ondas vienen de la superficie, ellas se generan en el interior).
La onda plana representa el ejemplo ms natural y sencillo de la onda propagante, que se
caracteriza por viajar hasta alcanzar distancias mucho mayores que la longitud de onda,
propagndose libremente, separada ya de las cargas y corrientes que le dieron origen; esto es a lo
que llamamos propiamente campo lejano o de radiacin. Las ondas reflejadas y transmitidas
mencionadas anteriormente, y el mundo todo de la ptica convencional y de lo que vemos con el ojo
a nuestro alrededor, se basa en buena medida en la naturaleza ondulatoria propagante de la luz. Pero
resulta que las ecuaciones de Maxwell predicen, en regiones prximas a superficies e interfaces, la
existencia de otro tipo de solucin, diferente a la onda plana. Este nuevo tipo de onda (o de luz) se
caracteriza por viajar sobre la superficie sin alejarse de ella, en el sentido de que su amplitud
disminuye exponencialmente con la distancia perpendicular a la superficie, lo que revela su
naturaleza localizada o no propagante. La escala espacial de este decaimiento de amplitud depende
de la frecuencia y del tipo de material involucrado (metal, dielctrico, semiconductor), y puede ir
desde unas dcimas de nanmetros hasta algo comparable a la longitud de onda. La existencia de
estas ondas evanescentes o campo cercano constituye un elemento fsico fundamental que permite
transformar la luz en una forma localizada de energa o viceversa, que abre nuevas posibilidades en
lo que se refiere a la interaccin entre la luz y la materia. Esto sugiere, por ejemplo, que si se
manipula la materia, se moldeara a su vez la magnitud de dicha interaccin y, en ltima instancia,
se estara manipulando en algn grado tal luz confinada, lo que puede servir a diversos propsitos.
Esto supone, por otra parte, la capacidad de fabricar nanoestructuras a conveniencia, conprecisas propiedades materiales, as como la capacidad de poder observar esta luz confinada
nanomtricamente. Hoy en da, esto es fsicamente realizable dado el espectacular desarrollo en la
creacin de estructuras submicromtricas de estado slido, con toda clase de escalas, perodos,
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inhomogeneidades, simetras, etc. Para dar una idea de la clase de fenmenos que pueden ocurrir,
mencionaremos tres ejemplos: (i) la superacin del lmite de difraccin en microscopa ptica, (ii)
los plasmones de superficie en metales nanoestructurados y (iii) la respuesta ptica de
nanopartculas. Veamos cada uno de ellos.
(i) La existencia de ondas evanescentes ofrece una va para superar el lmite de resolucin
de la microscopa ptica convencional. Para ver como podra suceder esto, consideremos unelemento ptico sencillo, tal y como una lente con la que deseamos formar la imagen de un objeto.
Sabemos que la imagen de un punto del objeto no es propiamente un punto, sino que se observa una
manchita. Esto es as porque la lente slo colecta inevitablemente ondas planas (provenientes del
objeto) con vectores de onda en un intervalo restringido, es decir, la imagen se forma con ondas
propagantes que viajan hasta el detector y cuyas direcciones de propagacin no apuntan todas al
mismo punto exactamente; el tamao de la manchita queda determinado por la escala de variacin
espacial de las ondas y resulta comparable al de la longitud de onda, en vez de ser puntual. En un
microscopio ptico, esto tiene como consecuencia que su resolucin espacial est limitada a
estructuras espaciales no mucho menores que la longitud de onda; si se ilumina con luz de longitud
de onda (en el rango visible por ejemplo, donde ~ 400-700 nm), slo ser posible la resolucin
de objetos de tamao aproximadamente (esto se conoce como lmite de difraccin). Podemos ver
tambin que este lmite impide la localizacin de ondas electromagnticas en regiones nanomtricas,
mucho ms pequeas que la longitud de onda de la luz en el material. Si recordamos que un campo
ptico (i.e. luz) puede expresarse convenientemente como superposicin de ondas con distintos
vectores de onda, vemos que la superacin de dicho lmite requerira tomar tambin en cuenta la
contribucin de las ondas evanescentes, que por su naturaleza tienen vectores de onda grandes y
permitiran aumentar el intervalo de vectores de onda que contribuyen a formar una imagen. Pero
este campo evanescente no puede llegar desde el objeto de estudio hasta una lente y posteriormente
a una pantalla. El desarrollo de tcnicas para emplear ondas evanescentes para formar imgenes con
una resolucin superior a la impuesta por el mencionado lmite, ha dado lugar a la microscopa
ptica de campo cercano. Tpicamente la escala pequea (i.e. los vectores de onda grandes) se
produce al iluminar una punta delgada muy prxima a una superficie y que se mueve a lo largo deella, de manera que al observar la luz dispersada se puede obtener informacin de la interaccin
entre punta y muestra, o sobre la topografa superficial, a escala nanomtrica. De este modo se han
logrado resoluciones tan finas como de 10 nm con luz visible o infrarroja ( ~ 10 m), y aunque no
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se compara con la resolucin atmica ( 1 ) de un microscopio electrnico de tunelaje, el hecho
de que la microscopa sea de naturaleza ptica, permite aprovechar las ventajas inherentes de la luz
y combinarla con otro tipo de espectroscopias dando lugar a una poderosa tcnica de observacin
submicroscpica
(ii) En una superficie metlica, las cargas libres (esto es, los electrones de conduccin,
desligados de los ncleos atmicos) pueden moverse de manera colectiva y en fase, oscilando enrespuesta a la accin de un campo electromagntico. La interaccin resonante entre la oscilacin de
las cargas superficiales y el campo de una onda luminosa constituye una onda confinada a dos
dimensiones que se propaga a lo largo de la superficie del metal (Figura 1). Debido a la analoga
entre la dinmica electrnica en un metal y el movimiento de partculas cargadas en un plasma, estas
oscilaciones de densidad de carga reciben el nombre de oscilaciones de plasma o simplemente
plasmones de superficie. La naturaleza de esta onda es ms complicada pues no es un puro campo
ptico, sino que involucra la polarizacin del medio, en este caso el movimiento de los electrones
libres; para enfatizar este carcter hbrido tambin se les llama polaritones de plasma. Las
caractersticas fsicas de los plasmones de superficie (energa, velocidad, longitudes de propagacin
y atenuacin) dependen fuertemente del tipo de metal involucrado, de la frecuencia y de la
geometra (interfaces, pelculas delgadas, guas de onda, nanopartculas). Por su naturaleza, los
plasmones son sensibles a las condiciones superficiales y permiten producir una alta concentracin
de luz en espacios de unos cuantos nanmetros, y es posible guiarlos, localizarlos, manipularlos, sin
estar sujetos al lmite de difraccin. A pesar de que los electrones al moverse disipan energa en
forma de calor, la capacidad tcnica para fabricar estructuras metlicas pequeas de todo tipo ha
sugerido el uso de los plasmones de superficie para disear sensores moleculares, circuitos
plasmnicos, tcnicas microscpicas con nanoresolucin, antenas pticas, transmisin
extraordinaria, entre muchas otras ideas y fenmenos nuevos. Se ha acuado el trmino
nanoplasmnica, o simplementeplasmnica, para referirse, en general, al estudio de las propiedades
pticas de metales nanoestructurados.
(iii) Las nanopartculas representan sistemas que se ubican entre los medios macroscpicos,
cuyas propiedades son en esencia independientes del tamao, y los sistemas atmicos o moleculares,donde la naturaleza cuntica de la materia es predominante. Las propiedades de estas partculas
pequeas dependen sensiblemente de su geometra conforme su tamao disminuye y la razn
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superficie/volumen aumenta. Desde hace tiempo se han establecido los fundamentos tericos y
realizado experimentos sobre la absorcin y esparcimiento de luz por partculas pequeas.
Figura 1. Plasmn de superficie en una interfaz plana entre un dielctrico y un metal. El campo elctrico(en verde) de esta luz superficial se propaga sobre la interfaz (plano vertical), pero en la direccinperpendicular a sta su amplitud decae de manera exponencial.
El inters en esta clase de fenmenos existe en muchas disciplinas cientficas, por ejemplo en
la fsica del estado slido, en ptica, qumica, biologa, astronoma, fsica atmosfrica e ingeniera
elctrica. De nuevo, el desarrollo de tcnicas para producir nanopartculas con el tamao, forma y
composicin deseadas, ha hecho que estos sistemas, de manera individual o colectiva, tengan un
papel relevante en una gran cantidad de desarrollos en nanotecnologa. Cuando incide luz sobre una
nanopartcula metlica, se induce en sta una distribucin inhomognea oscilante de cargas cuyo
movimiento se ve restringido por la superficie curveada. Bajo condiciones de resonancia entre la
vibracin de la onda incidente y el ir y venir de las cargas, se establece una oscilacin de plasma que
conduce a una notable amplificacin y localizacin del campo electromagntico en la vecindad de la
superficie (Figura 2). A diferencia de los plasmones de una superficie plana, que se propagan a lo
largo de sta, los plasmones de superficie de una nanopartcula estn enteramente confinados en
todas direcciones; por esta razn se les denomina simplemente plasmones localizados . Una
propiedad importante de estas resonancias es que su frecuencia puede sintonizarse con slo cambiar
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la forma, el tamao o el medio en que se encuentra la nanopartcula. Esto se refleja en el espectro de
emisin o de absorcin, es decir en el color de la nanopartcula. Otras nanoestructuras con
plasmones localizados son los nanocascarones, las inclusiones dielctricas en estructuras metlicas,
o arreglos de nanopartculas. Entre las aplicaciones que se han vislumbrado estn las nanoantenas
pticas, fototerapia trmica, superlentes, amplificacin de plasmn por emisin estimulada de
radiacin (el spaser, la versin nanoplasmnica del lser), por mencionar slo algunas.
Figura 2. Plasmn de superficie en una nanopartcula metlica. A la izquierda se representa eldesplazamiento de los electrones causado por un campo elctrico oscilante. Se producen cargassuperficiales negativas (electrones) y positivas (dficit de electrones), cuyo movimiento resonanteconstituye una oscilacin de plasma. A la derecha se presenta la intensidad del campo elctrico delplasmn, el halo rojo-amarillo corresponde a magnitud mxima y muestra la localizacin espacial en lasuperficie.
Un aspecto particular en el rea de las propiedades pticas de nanoestructuras que se estudia
en el CNyN es la respuesta ptica no lineal de nanopartculas. Este tipo de respuesta aparece cuando
una partcula est sujeta a un haz de luz lo suficientemente intenso para que la polarizacin inducida
en ella sea proporcional no a la magnitud del campo elctrico sino a su cuadrado. Esto da lugar a
fenmenos como el de la generacin de radiacin de frecuencia igual al doble de la del campo
aplicado, proceso que resulta ser muy sensible a la superficie de la nanopartcula, y que, en general,
es la base de una espectroscopa ptica muy til pues permite sondear las condiciones fsicas o
qumicas de superficies e interfaces.
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QU ES UN NANOREACTOR?
Viridiana Evangelista, Brenda Acosta, Andrey Simakov
La palabra reactornos remite frecuentemente a imgenes de reactores nucleares. Sin embargo,
existen muchos tipos distintos de reactores, adems de los nucleares. El cuerpo humano, por
ejemplo, es un reactor ya que con el simple hecho de respirar, se desencadenan en su interior una
serie de reacciones qumicas. Esto nos lleva a una definicin sencilla de lo que es un reactor:
independientemente de su forma, material de construccin o tamao, un reactor es un lugar en el que
se llevan a cabo reacciones qumicas. Los reactores cumplen funciones en mbitos muy distintos: en
la industria de la transformacin, en la mayora de los laboratorios, en los hogares y en el interior de
los organismos vivos. En la figura 1 se ilustran algunos ejemplos de reactores en orden decreciente
de tamao.
Figura 1. Ejemplos de reactores de diferentes tamaos: A) reactor industrial (25 m), B) reactor de laboratorio(0.02 m) y C) reactor de un organismo vivo (enzima de 0.0000003 m).
Cuando senombran los reactores, puede hacerse referencia a su tamao mediante un prefijo;
as, un nanoreactor es un reactor cuyas dimensiones se encuentran entre 1-100 nanmetros. Los
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nanoreactores, por ser tan pequeos, pueden ser consecuencia del auto-ensamblaje espontneo de
molculas, como las micelas o las vesculas, o pueden producirse a partir de sustancias naturales o
sintticas. Algunos ejemplos de nanoreactores son las zeolitas, los silicatos, los nanotubos o algunas
estructuras ms complejas como las que describiremos ms adelante: los nanoreactores de ncleo-
cpsula (del ingls core-shell).
Entre las aportaciones de las nanociencias que han maravillado al mundo se encuentran lasmltiples formas que pueden adquirir las estructuras de dimensiones nanomtricas (esferas, cubos,
cilindros, estrellas), muchas de las cuales se han obtenido controlando estrictamente su proceso de
sntesis. Hace menos de 20 aos, se inici la preparacin de un tipo de nanoestructuras llamadas
nanoreactores de tipo ncleo-cpsula. La figura 2 A) ilustra en qu consiste este tipo de estructura
mediante el ejemplo de un fruto de origen natural, el aguacate. El ncleo del aguacate, la semilla, es
el elemento ms importante del aguacate. La cpsula o sea la cscara del aguacate, protege al
ncleo, mantenindolo aislado del exterior. Los nanoreactores con estructura de tipo ncleo-cpsula,
de igual manera, estn formados por un ncleo alojado en un espacio vaco dentro de una cpsula
porosa. En la figura 2 B) se presenta un nanoreactor y las partes que lo constituyen. Es importante
resaltar la diferencia en las dimensiones de ambos ejemplos, el aguacate es 100 millones de veces
(10 cm = 100,000,000 nm) ms grande que el nanoreactor. Este captulo describe brevemente el
origen, las aplicaciones, la clasificacin y los mtodos de sntesis de los nanoreactores ncleo-
cpsula.
Figura 2. Representacin de la estructura ncleo-cpsula: A) aguacate y B) nanoreactor.
A) B)
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A travs de mltiples investigaciones el hombre ha desarrollado nanoestructuras . que han
evolucionado, pasando de sistemas que servan solo para almacenar ciertos compuestos qumicos
hasta sistemas encargados de la liberacin controlada de frmacos, que es una de las aplicaciones de
los nanoreactores ncleo-cpsula. En el rea de investigacin de la ingeniera biomdica se han
hecho avances destacados en:
Sistemas de transporte de frmacos (Figura 3). Sondas de sensores colorimtricos de ADN y protenas.
Deteccin y terapia trmica de tumores cancergenos.
Figura 3. Esquema de la liberacin de una solucin con el transcurso del tiempo, usando un nanoreactor.ste es el principio de la liberacin controlada de frmacos.
En aos recientes, el conocimiento acumulado sobre los nanorecatores ncleo-cpsula aunado
a su estructura simple y definida ha motivado su aplicacin en reas como la catlisis. La catlisis es
el proceso por el cual se acelera la velocidad de una reaccin qumica en presencia de un
catalizador; en este caso, el ncleo del nanoreactor representa la parte activa del catalizador. El
desempeo de los nanoreactores se ha enfocado en optimizar reacciones de qumica fina y
ambiental.
Con base en la naturaleza de los componentes que constituyen tanto al ncleo como a la
cpsula, los especialistas en el tema han clasificado a los nanoreactores ncleo-cpsula en tres
grupos: i) inorgnicos, en los que el ncleo y la cpsula son inorgnicos; ii) polimricos, en los que
ambos componentes sonpolmeros; y iii) hbridos, cuando uno de sus componentes es inorgnico yel otro orgnico.
Si bien, todos los tipos de nanoreactores son de gran inters cientfico, los inorgnicos son los
ms atractivos en el rea de catlisis debido a las mltiples combinaciones posibles entre los
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elementos que forman el ncleo y la cpsula, que pueden generar interesantes propiedades
catalticas, trmicas, magnticas y pticas, por mencionar algunas.
El xito de los nanoreactores inorgnicos y sus mltiples aplicaciones estn ligados al mtodo
de sntesis. De manera general, las rutas para producir nanoreactores con estructura ncleo-cpsula
son dos:de abajo hacia arriba (del ingls bottom-up), que es la que se utiliza con mayor frecuencia e
implica la construccin de la nanoestructura comenzando por el ncleo, y de arriba hacia abajo (delingls top-down), cuando se inicia con la cpsula. Los pasos de ambas rutas se resumen en las
figuras 4 A) y B), respectivamente.
Figura 4. Rutas de sntesis de nanoreactores ncleo-cpsula: A) de abajo hacia arriba y B) de arriba hacia
abajo.
El inters cientfico en los nanoreactores ha aumentado exponencialmente a nivel mundial a
partir de 2006. Lo anterior es evidente no solo en los excelentes resultados que se han presentado en
las distintas investigaciones, sino que adems representa una ventana de oportunidad en mltiples
campos cientficos. En suma, la investigacin de estructuras avanzadas como los nanoreactores es
un tema de vanguardia que va de la mano con la innovacin tecnolgica.
En Mxico, un grupo de trabajo del Departamento de Nanocatlisis del Centro de
Nanociencias y Nanotecnologa (CNyN) de la UNAM est enfocado en el estudio de nanoreactores
inorgnicos ncleo-cpsula. Entre lo ms destacado del trabajo de este grupo est el diseo
estratgico de una estacin para sintetizar los nanoreactores a gran escala y a bajo costo. El equipo
de investigadores, respaldados por aos de experiencia en el campo de catlisis, cuenta con
A)
B)
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herramientas para desarrollar nanoreactores ncleo-cpsula con propiedades atractivas para
mltiples reacciones de inters, en especial de qumica ambiental y de qumica fina.
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MATERIALES
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QU ES EL NANO-ORO?
Elena Smolentseva, Eunice Vargas y Andrey Simakov
Qu responderas si te preguntan qu es el oro? La mayor parte de la gente contestara que es
un metal relacionado con joyas, dinero, lingotes, monedas, mucho valor o nivel econmico. Desde la
antigedad el oro ha sido un smbolo de poder y se ha relacionado con dioses, reyes e inmortalidad
(Figura 1).
Figura 1. Ejemplos de objetos de oro [1].
El oro es un elemento qumico que se encuentra ubicado en la tabla peridica con el nmero
atmico 79 y que existe de forma natural. Es un metal amarillo, suave y con un lustre muy atractivo.
Su relacin con el poder seguramente comenz cuando se reconoci que es muy estable, es decir,
que sus caractersticas fsicas no cambian con el paso del tiempo, como sucede con otros metalescomo el hierro. Otras caractersticas importantes son su maleabilidad y ductilidad, lo que permite
fcilmente hacer piezas de oro de formas variadas, muy pequeas y muy delgadas, sin que ste
pierda su integridad. Gracias a sus caractersticas, el oro se aplica en la industria electrnica para el
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alambrado elctrico de alta energa, para conexiones elctricas en recubrimiento de tarjetas de
memoria; en la industria cosmtica se usa en forma de fibras (hilos) para la ciruga esttica y, en la
industria textil, como parte de bordados y adornos.
Pero qu es el nano-oro? Es decir qu son las nanopartculas de oro? El trmino nano-oro se
refiere a partculas de oro tan pequeas que su tamao es de escala nanomtrica. Las primeras
nanopartculas de oro (NP-Au) fueron obtenidas por los artesanos romanos. Ellos saban que almezclar una sustancia llamada cloruro de oro con vidrio fundido se obtena un vidrio de color rojo
(Fig. 2). Esta tcnica se us para producir vidrio de un color tan atractivo que se eligi para fabricar
objetos artsticos y para decorar las ventanas de algunas catedrales europeas. Sin embargo, estos
artesanos no saban que estaban empleando partculas de oro de tamao nanomtrico.
Figura 2. Solucin acuosa de cloruro de oro (izquierda) [2] y copa de vidrio fundido en cuya fabricacinse utiliz oro nanomtrico (derecha) [3] cambridge2000.com.
El oro es un material cuyas propiedades fsicas y qumicas cambian drsticamente cuando su
tamao es el de una nanopartcula. Las NP-Au tienen propiedades pticas muy peculiares, ya que
son de distinto color segn su tamao. La Figura 3 muestra soluciones coloidales de NP-Au que
exhiben diferentes colores. El color de cada solucin depende del tamao de las NP-Au que
contiene. El color rojo, por ejemplo, corresponde a las NP-Au de tamao entre 5 y 20 nm. En la
actualidad, hay muchas aplicaciones de las NP-Au: en la medicina, como indicador ptico en el
transporte de medicamentos, o en la terapia llamada trmica contra tumores cancerosos (NP-Au se
colocan en el tumor y se pueden calentar especficamente por medio de un lser; de esta manera se
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destruyen las clulas en las que se encuentran); en la industria alimentaria, como colorante, entre
otras [4]. Adems, el oro de escala nanomtrica cambia sus propiedades pticas al absorber ciertos
gases. Por esta razn, se usa en sensores para detectar la presencia de gases as como en mscaras
anti-gas para evitar su inhalacin.
Figura 3. Diversos colores que presentan las nanopartculas de oro en funcin de su tamao [5].
Hace 20 aos, se descubri que el nano-oro puede ser muy eficiente como catalizador de
algunas reacciones qumicas. Un catalizadores un compuesto que puede incrementar la velocidad de
una reaccin qumica.
Los nanocatalizadores de oro estn formados por NP-Au colocadas en la superficie de un
compuesto llamado soporte (Fig. 4) que generalmente es un xido. Los nanocatalizadores de oro son
activos en diversas reacciones, incluso en algunas que son importantes para la proteccin del medio
ambiente. Por ejemplo, se usan para catalizar la oxidacin del monxido de carbono (CO), un gas
venenoso producido por la combustin de la gasolina.
Debido a que la actividad de este tipo de catalizadores depende de la interaccin qumica entre
las NP-Au y el soporte, para que un nanocatalizador de oro sea exitoso las NP-Au deben tener un
tamao especfico y estar altamente dispersas sobre el soporte adecuado. Para ello es indispensable
un mtodo de obtencin del catalizador que cumpla adecuadamente con estas condiciones. Hay
varios mtodos para preparar catalizadores de oro a escala nanomtrica, tales como el de
impregnacin hmeda, el de intercambio inico, el de depsito-precipitacin y el de depsito de
vapores por medios fsicos o qumicos, entre otros.
Para lograr la oxidacin del monxido de carbono (CO), una de las ventajas notables de los
nanocatalizadores de oro es que son activos a temperaturas considerablemente bajas en comparacin
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con otros catalizadores que slo funcionan a temperaturas ms elevadas. Por otro lado, los
nanocatalizadores de oro son muy selectivos en las reacciones de qumica fina (produccin
especializada de productos qumicos especficos) cuando se comparan con catalizadores basados en
otros metales nobles de escala nanomtrica, como el paladio, el platino y la plata.
Figura 4. Imgenes de TEM de: (A) una nanopartcula de oro vista con alta resolucin; (B) NP-Ausoportadas en cerio mesoporoso y (C) NP-Au soportadas en un nanotubo.
En el Centro de Nanociencias y Nanotecnologa de la UNAM en Ensenada, B.C., se estudian
los catalizadores de NP-Au soportadas en diferentes xidos puros as como en xidos mixtos. Se
investigan tcnicas para su preparacin, su caracterizacin y la evaluacin de estos
nanocatalizadores en reacciones encaminadas a proteger el medio ambiente y en reacciones de
qumica fina.
Lecturas adicionales
[1]. www.google.com.mx (imgenes de oro).
[2]. http://en.wikipedia.org/wiki/Gold(III)_chloride.
[3]. http://www.cambridge2000.com/gallery/html/P70315712.html.
[4]. http://www.food.gov.uk/safereating/chemsafe/additivesbranch/enumberlist.
[5].http://www.ansci.wisc.edu/facstaff/Faculty/pages/albrecht/albrecht_web/Programs/microscopy/c
olloid.html.
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QU ES UN DENDRMERO?
Amelia Olivas Sarabia y Domingo Madrigal Peralta
Un dendrmero es una macromolcula polimrica muy verstil, generalmente de forma
globular y con un dimetro de entre uno y ms de diez nanmetros. El trmino dendrmeroprocede
del griego dendron que significa rbol o rama y mero que significa segmento. Los dendrmeros se
sintetizan qumicamente y tienen una forma bien definida que en ocasiones es simtrica. El tamao
nanomtrico les confiere propiedades fsico-qumicas similares a las de las biomolculas. Contienen
un conjunto de unidades con estructuras ramificadas tridimensionalmente, alta concentracin de
grupos funcionales en la periferia, y presentan huecos o cavidades en su interior. A medida que
aumentan de tamao, los dendrmeros se vuelven ms rgidos.
Los dendrmeros han recibido gran atencin en los ltimos aos debido a su posible utilizacin
en aplicaciones tan variadas como la catlisis a nanoescala, su utilidad como sensores qumicos,
micelas unimoleculares, su capacidad de imitacin de la funcin de las enzimas, la encapsulacin demolculas, el reconocimiento molecular, como agentes de diagnstico y tambin como vehculos
para el transporte de genes y frmacos.
En la actualidad, se han sintetizado dendrmeros en solucin por copolimerizacin y por
reaccin en fase slida y se han definido sus propiedades. El poliestireno y la slice son los soportes
ms frecuentemente usados en la sntesis de dendrmeros soportados en fase slida.
La figura 1 muestra la imagen obtenida por microscopio electrnico de barrido (SEM) de un
conglomerado dendrimrico con un dimetro de 70 micrmetros, y en la imagen obtenida con elmicroscopio de fuerza atmica (AFM) se pueden apreciar los aglomerados dendrimricos que lo
conforman y cuyo dimetro es de 130 3 nanmetros.
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Figura 1. Micrografas de un dendrmero soportado en fase slida visto por SEM (blanco y negro) y porAFM (color).
En la figura 2 se muestra un esquema de la estructura de un dendrmero. Los dendrmeros se
sintetizan por etapas lo que permite injertar los grupos funcionales deseados en casi cualquier parte
de su estructura, ya sea en el ncleo, en las ramificaciones o en la periferia. Estos grupos funcionales
y su colocacin se pueden seleccionar de tal forma que proporcionen las propiedades que se
requieran para su aplicacin en la ciencia de materiales, la catlisis o la biologa.La estructura dendrimrica est caracterizada por capasllamadasgeneraciones que se forman
a partir del punto donde surge una ramificacin (punto focal). La definicin exacta del trmino
generacin ha sido objeto de controversia; generalmente, se acepta que las generaciones de un
dendrmero corresponden al nmero de puntos focales (o puntos cascada) que aparecen desde el
ncleo central hasta la superficie. Un dendrmero de quinta generacin presenta por lo tanto cinco
puntos focales entre el ncleo y la superficie. El ncleo normalmente se denominageneracin cero
(G0) ya que no presenta ningn punto focal, como est marcado en la figura 2.
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N N
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NH2NH2
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H2N
H2N
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H2N
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H2N
H2N
H2N
H2N
G(0)
G(1)
Figura. 2. Ejemplo de un dendrmero poliamina y de las partes que lo constituyen. Aqu, los nitrgenos decolor azul son un punto focal. G(0) indica la generacin cero y G(1) la generacin 1.
Uno de los primeros dendrmeros que se sintetizaron fue la poliamidoamina (PAMAM) quecontiene grupos amida y amina en su estructura. El ncleo de PAMAM puede ser un amonio o bien
1,2-etilendiamina. Actualmente, se investigan las propiedades de estos dendrmeros.
Existen dos caminos para la preparacin de dendrmeros, la sntesis divergente y la sntesis
convergente. En la ruta divergente, el dendrmero se sintetiza desde el ncleo como punto de inicio
y se incorporan monmeros generacin tras generacin hasta la superficie. Sin embargo, el elevado
nmero de reacciones que tiene que llevarse a cabo para formar una nica molcula con muchos
sitios equivalentes de reaccin, requiere de transformaciones muy efectivas para evitar defectos. Porlo tanto, el rendimiento de la sntesis de dendrmeros por el mtodo divergente ser
aproximadamente del 25%.
Por el contrario, la sntesis convergente comienza en la superficie y finaliza en el ncleo,
donde los segmentos del dendrmero (o dendrones) se acoplan. En la aproximacin convergente,
solamente un pequeo nmero de sitios reactivos se funcionalizan en cada paso, dando lugar a un
menor nmero de defectos, por lo que aumenta el rendimiento. Cada generacin que se sintetiza se
puede purificar. En los dendrmeros de gran generacin esta tarea es difcil por la gran similitud
entre los reactantes y el producto formado. Sin embargo, con una purificacin apropiada en cada
etapa, se pueden obtener, por la ruta convergente, dendrmeros sin defectos.
Un dendrmero es en promedio menos compacto que una protena de peso molecular similar,
su interior no est tan eficientemente acomodado como en las protenas hechas por la naturaleza. En
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cambio, un dendrmero contiene un nmero sustancialmente mayor de grupos funcionales en la
superficie que una protena.
Para poder utilizar un dendrmero en la biomedicina, ste debe cumplir varias condiciones de
importancia crucial: no ser txico ni inmunognico, debe poder atravesar barreras biolgicas
(barrera hematoenceflica, membranas celulares, intestino, pared vascular, etc.), ser capaz de
dirigirse a receptores especficos, ser estable y permanecer en circulacin el tiempo necesario paralograr el efecto clnico buscado. Es muy importante mencionar que se han preparado dendrmeros de
generacin 6-7 con dimensiones de seis a diez nanmetros de dimetro. Con este tamao, los
dendrmeros pueden fcilmente atravesar la membrana celular y llevar selectivamente algn frmaco
hasta el punto preciso donde ste debe actuar.
En conclusin, los dendrmeros son un tipo depolmeros sintticos con forma globular y con
propiedades fisicoqumicas nicas entre los compuestos orgnicos. Actualmente, se perfilan como
instrumentos con importantes aplicaciones nanobiolgicas ya que responden en forma predecible en
solucin, pueden ser modificados ampliamente para portar mltiples ligandos con diferente
actividad biolgica y pueden ser fabricados con muy pocos defectos estructurales. Adems, se
pueden caracterizar por tcnicas convencionales como espectrometra de masas, espectroscopa de
infrarrojo o resonancia magntica nuclear (RMN). Por ltimo, los dendrmeros abren la posibilidad
de posicionar en forma controlada nanopartculas metlicas con aplicaciones en nanotecnologa. La
Figura 3 muestra un ejemplo de la armona y belleza de los dendrmeros.
Figura 3. Estructura esquemtica del dendrmero soportado en fase slida de la figura 1.
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QU ES UN NANOGEL?
Amelia Olivas Sarabia, Eder Lugo Medina y Jos Manuel Cornejo Bravo
Los geles son un estado de la materia intermedio entre el slido y el lquido y, en su mayora,
estn formados porpolmeros reticulados con bajo grado de entrecruzamiento que contienen un
lquido absorbido. Este lquido puede ser agua, en cuyo caso se usa el trmino de hidrogel, o algn
disolvente orgnico. La capacidad de absorcin y el tipo de disolvente empleado dependen de las
propiedades fisicoqumicas del polmero; as, si el material es hidroflico tendr la capacidad de
absorber agua, mientras que si es hidrofbico tendr la capacidad de absorber disolventes no
polares. A continuacin se presentan un par de imgenes obtenidas mediante microscopia de fuerza
atmica (AFM, del ingls atomic force microscopy), que muestran la distribucin del tamao de
partcula, con un valor promedio de 470 nm, de un gel producido porpolimerizacin a partir de la
dispersin de un material sensible a la temperatura denominadoN-isopropilacrilamida (NIPAAm).
Figura 1
Los geles preparados con partculas de dimensiones menores a 200 nm se llaman nanogeles.
Algunos geles y nanogeles tie
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