nanociencia y nanotecnología todo

5/11/2018 nanociencia y nanotecnolog a TODO - slidepdf.com

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Comité de selección de obras

Dr. Antonio Alonso

Dr. Francisco Bolívar Zapata

Dr. Javier Bracho

Dr. Juan Luis Cifuentes

Dra. Julieta Fierro

Dr. Jorge Flores Valdés

Dr. Juan Ramón de la Fuente

Dr. Leopoldo García-Colín Scherer

Dr. Adolfo Guzmán Arenas

Dr. Gonzalo Halffter

Dr. Jaime Martuscelli

Dra. Isaura Meza

Dr. José Luis Morán LópezDr. Héctor Nava Jaimes

Dr. Manuel Peimbert

Dr. José Antonio de la Peña

Dr. Ruy Pérez Tamayo

Dr. Julio Rubio Oca

Dr. José Sarukhán

Dr. Guillermo Soberón

Dr. Elías Trabulse

La Ciencia

para Todos

Desde el nacimiento de la colección de divulgación científica del

Fondo de Cultura Económica en 1986, ésta ha mantenido un ritmo

siempre ascendente que ha superado las aspiraciones de las personas

e instituciones que la hicieron posible. Los científicos siempre hanaportado material, con lo que han sumado a su trabajo la incursión

en un campo nuevo: escribir de modo que los temas más complejos

y casi inaccesibles puedan ser entendidos por los estudiantes y los

lectores sin formación científica.

A los 10 años de este fructífero trabajo se dio un paso adelante,

que consistió en abrir la colección a los creadores de la ciencia que

se piensa y crea en todos los ámbitos de la lengua española ahora

también de la portuguesa-, razón por la cual tomó el nombre de La

Ciencia para Todos.

Del Río Bravo al Cabo de Hornos y, a través de la mar océano,

a la Península Ibérica, está en marcha un ejército integrado por un

vasto número de investigadores, científicos y técnicos, que extienden

sus actividades por todos los campos de la ciencia moderna, la cual

se encuentra en plena revolución y continuamente va cambiando

nuestra forma de pensar y observar cuanto nos rodea.

La internacionalización de La Ciencia para Todos no es sólo en

extensión sino en profundidad. Es necesario pensar una ciencia

en nuestros idiomas que, de acuerdo con nuestra tradición humanis

ta, crezca sin olvidar al hombre, que es, en última instancia, su fin.

Y, en consecuencia, su propósito principal es poner el pensamiento

científico en manos de nuestros jóvenes, quienes, al llegar su turno,crearán una ciencia que, sin desdeñar a ninguna otra, lleve la im

pronta de nuestros pueblos.



Comité de selección de obras

Dr. Antonio Alonso

Dr. Francisco Bolívar Zapata

Dr. Javier Bracho

Dr. Juan Luis Cifuentes

Dra. Julieta Fierro

Dr. Jorge Flores Valdés

Dr. Juan Ramón de la Fuente

Dr. Leopoldo García-Colín Scherer

Dr. Adolfo Guzmán Arenas

Dr. Gonzalo Halffter

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Dra. Isaura Meza

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Dr. José Antonio de la Peña

Dr. Ruy Pérez Tamayo

Dr. Julio Rubio Oca

Dr. José Sarukhán

Dr. Guillermo Soberón

Dr. Elías Trabulse

La Ciencia

para Todos

Desde el nacimiento de la colección de divulgación científica del

Fondo de Cultu ra Económica en 1986, ésta ha manten ido un ritmo

siempre ascendente que ha superado las aspiraciones de las personas

e instituciones que la hicieron posible. Los científicos siempre hanaportado material, con lo que han sumado a su trabajo la incursión

en un campo nuevo: escribir de modo que los temas más complejos

y casi inaccesibles puedan ser entendidos por los estudiantes y los

lectores sin formación científica.

A los 10 años de este fructífero trabajo se dio un paso adelante,

que consistió en abrir la colección a los creadores de la ciencia que

se piensa y crea en todos los ámbitos de la lengua española - y ahora

también de la portuguesa-, razón por la cual tomó el nombre de La

Ciencia para Todos.

Del Río Bravo al Cabo de Hornos y, a través de la mar océano,

a la Península Ibérica, está en marcha un ejército integrado por un

vasto número de investigadores, científicos y técnicos, que extienden

sus actividades por todos los campos de la ciencia moderna, la cual

se encuentra en plena revolución y continuamente va cambiando

nuestra forma de pensar y observar cuanto nos rodea.

La internacionalización de La Ciencia para Todos no es sólo en

extensión sino en profundidad. Es necesario pensar una ciencia

en nuestros idiomas que, de acuerdo con nuestra tradición humanis

ta, crezca sin olvidar al hombre, que es, en última instancia, su fin.

Y, en consecuencia, su propós ito principal es poner el pensamiento

científico en manos de nuestros jóvenes, quienes, al llegar su turno,crearán una ciencia que, sin desdeñar a ninguna otra, lleve la im

pronta de nuestros pueblos.



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Primera edición, 2009 ÍNDICE

'l'akeuchi, NoboruNanociencia y nanotecnología: la construcción de un mundo mejor átomo por átomo / Nnbnru

'l'akeuchi Méxic o: FCE, CNyN-UNAM , SEP, CONACyT, 2009142 p.; 21 x 14 cm (Colec. La Ciencia para Todos; 222 )Texto para nivel medio superiorISBN 978-607-16-0154-4

1. Nanocíencia 2. Nanotecnología 3. Física 4. Divulgación científica 1. Ser. 11. t

LCQC176.8N35 Dewey 508.2 C569 V. 222

Distribución mundial

La Ciencia para Todos es proyecto y propiedad del Fondo de Cultura Económica,al que pertenecen ta mbién sus derechos. Se publica con los auspicios de la

Secretaría de Educación Pública y del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología

D. R 2009, Universida d Nacional Autónoma de México, Centro de Nanociencías y Nanotecnología.

22860 Ensenada, Baja California Km. 107 Carretera Tijuana-Ensenada,

D. R. © 2009, Fondo de Cultura Económica Carretera Pícacho-Ajusco, 227; 14738 México, D. F.

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Se prohíbe la reproducción total o parcial de esta obra, sea cual fuereel medio, sin la anuencia por escrito del titular de los derechos.

ISBN 978-607-16-0154-4

Impreso en México. Printed in Mexico

1. Las nanoestructuras, la nanociencia y la nanotecno-

logía . . . . .. .. . .. . . . . . .. . .. . . . .. . .. . . . . . . .. . . . . . . . 13

n. La física cuántica: ¿ondas o partículas? . . . . . . . . . . . . . 21

La física clásica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 La luz, ¿partículas u ondas? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

La física cuántica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

La radiación del cuerpo negro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

El efecto fotoeléctrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Ondas de materia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

El principio de incertidumbre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 32

111. Los átomos, las moléculas y los enlaces . . . . . . . . . . . . . . 35 Las primeras ideas sobre los átomos . . . . . . . . . . . . . . . . 35 La estructura del átomo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Los espectros atómicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Los espectros de emisión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Los espectros de absorción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

Átomos de varios electrones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Los enlaces y las moléculas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Enlace iónico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

Enlace covalente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Importancia para la nanotecnología . . . . . . . . . . . . . . . . 46 El ADN, la molécula de la vida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

9

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IV. Las herramientas de la nanotecnología . . . . . . . . . . . . 49

Herramientas para ver el nanomundo . . . . . . . . . . . . 50

Herramientas para modificar el nanomundo . . . . . . 62

V. Los pozos, los alambres y los puntos cuánticos . . . . . . 81

El estado sólido. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

Los metales, los aislantes y los semiconductores.

Las bandas de energía. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

82 Los pozos cuánticos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

Los alambres cuánticos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

Los puntos cuánticos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

¿Y las nanopartículas de oro? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

La computación cuántica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

VI. Las nanoestructuras del carbono. . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

Los fulerenos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

Los nanotubos de carbón . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Las nano cebollas de carbón. . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

El grafeno. . .. . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

VII. Las aplicaciones. .. . .. . . .. . . . . .. . .. . . . . . . . . . . . . .. 108

Catálisis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

Los materiales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 La energía. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

La invisibilidad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

La electrónica y la computación...... .. . .. . . . . . . . 119

VIII. Las aplicaciones en biología yen medicina. . . . . . . . . 124

Medicamentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 Nanotecnología para combatir bacterias y virus. . . 129

Nanopartículas en terapia genética para destruir tu-

mo res. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 130

Biosensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

Decodificación del ADN mediante el uso de nanoporos 132

Nanogeles para curar neuronas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

Quemando tumores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

Implantes ortopédicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

Comentarios finales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

Bibliografía. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

II 0



" . .

1. Las nanoestructuras, la nanocienciay la nanotecnología

La historia de la civilización muestra que el ser humano, desde

tiempos muy antiguos, ha realizado un gran esfuerzo en modi-

ficar su entorno natural para lograr que éste obre en su benefi-

cio. Cuando nuestros antepasados dejaron de ser nómadas y se

asentaron, comenzaron a cultivar los campos y a criar animales

para su alimentación. Tiempo después erigieron casas y edifi-

cios que dieron lugar a las primeras ciudades. Desviaron ríos

para facilitar el riego y construyeron diques y canales que for-

maban complejos sistemas de irrigación. Rápidos avances en

ciencia y tecnología en los últimos tres milenios han acelerado

estos procesos.

Algunas de las grandes construcciones que ha realizado el

hombre a través de los siglos todavía perduran: las pirámides

de Egipto y del México prehispánico, la Gran Muralla china y

el edificio Empire State, en Nueva York, son tan sólo algunos

ejemplos. Otros, como el Coloso de Rodas o la Biblioteca de

Alejandría, no sobrevivieron el paso del tiempo y sólo pode-

mos saber de ellas a través de los libros de historia. Sin embar-

go, todas nos muestran la habilidad que ha alcanzado el serhumano para modificar la naturaleza a grandes escalas.

Menos notorio, pero igual de importante, ha sido el avan-

ce del hombre para conquistar la materia en el otro extremo

de las escalas. La nanotecnología es el proyecto de ciencia e in-

geniería que la humanidad lleva a cabo para perfeccionar

13



FIGURA 1.1. Pirámide de Kukulkán en Chichen ltzá, México.

el arte de la fabricación de materiales en la escala de lo muy

pequeño.

El prefijo nano- proviene del latín nanus, que significa

"enano" y actualmente tiene la acepción de una milmillonésima

parte. Así, un nanómetro (abreviado nm) es una milmillonési-

ma parte (111000000000) de un metro. Para tener una idea de

qué tan pequeño es un nanómetro, pensemos en el diámetro

de un cabello humano, el cual mide aproximadamente 75000 nm.

El tamaño del objeto más pequeño que se puede ver a simplevista es de unos 10000 nm, el diámetro de un glóbulo rojo es

aproximadamente de 3000 nm y la distancia entre dos átomos

en un anillo, en una moneda o en cualquier objeto de oro es de

aproximadamente 0.3 nm.

La nanociencia es el estudio de los procesos fundamentales

14

El tamaño de los objetos

Objetos naturales

......

C8b<tllo humano-6-120 ~ m de diámetro

Glóbulos roios_7-8 ~ m

Virus de la nfluenza

~ 2 0 0 ~ m

' " ~ ' ' ' ~ . ' ' '~ Á ~ ~ ~ ~ ~ ~ , ~ ~ ~ ...

o'Oc::>

, ~::¡¡

t

...

.g

ATP §-10 nm de diametro g

AON

-2.5 11m de diámetro. :

Distancia entre átomosde silicio en et cristal(déCimas de nm)

10-8

10-9

1 cm

10mm

mm

Objetos artificiales

Dabeza de alfiler ~ 1 ~ 2 ~ m

• '\_ 1\ , ~ .

~ ' ( ! . : . . : . '

"G -.:Q,OOlmm ¡ ~ ~100 11m i ~ 1 '\

0.01 mm

10 11m

O.Q1llm10 nm

1nm

0.1 nm

Estructuraautoensamblada(decenas de nm)

Componentede un chjp

- 1 - 1 0 ~ m

Corral cuántico

(diámetro 14 nm)~ ulereno de carbón

'..... .....1 nm de diámetro

Nanotubo de carbón. - 1 ~ 3 nm de diámetro

FIGURA 1.2. Escala de tamaños.

que ocurren en las estructuras de un tamaño entre 1 y 100 na-nómetros, las cuales se conocen como nanoestructuras. La na-

notecnología es el área de investigación que estudia, diseña y

fabrica materiales o sistemas a escalas nanoscópicas y les da al-

guna aplicación práctica.

La necesidad de la industria de los semiconductores de re-

15



oI>',

i

.. '~ , "T ~ ' ~ · · · . ; ,/,;.

....,' ~ . ~r:.D. \\\\ ".' .. ~ ~ Li

mm, micras....

FIGURA I.3. Las propiedades del oro macroscópico

no dependen de su tamaño.

ducir el tamaño de sus dispositivos ha ayudado a que hoy sea

posible ver, medir, modificar y manipular átomos y moléculas

en una escala del orden de los nanómetros.

Pero, ¿qué tiene de especial este tamaño?

Si compararnos una moneda de oro con un lingote del

mismo material y de la misma pureza podernos observar que

la moneda, aunque mucho más pequeña, tiene las mismas propiedades físicas y químicas del lingote, corno el color, la du

reza, el punto de fusión, la densidad, etc. Si hipotéticamente

dividirnos la moneda en dos partes iguales, cada una de las

mitades seguirá siendo dorada, brillante y con todas las pro

piedades de la moneda entera o del lingote. Al repetir este

FIGURA 1.4. Nanopartículas de oro de diferentes tamaños.

proceso muchas veces, pasando de los centímetros a los milí

metros y de los milímetros a las micras, no debería haber cam

bios observables en los pedazos de la moneda de oro. Sin em

bargo, cuando llegarnos a la nanoescala 1 todo cambia: el

fragmento nanoscópico de oro ya no es dorado. Una nano

partícula de oro puede ser roja, naranja, púrpura o hasta

verdosa, dependiendo de su tamaño. Cambia también su pun

to de fusión y sus otras propiedades físicas y químicas, y nues

tro nano pedazo de oro deja de comporta rse corno el oro que

conocernos.

La fabricación y el uso de nanopartículas no es algo nuevo.

Los artesanos de la Edad Media aprendieron que al mezclar

pequeñas cantidades de oro o plata con el vidrio se obtenían

diferentes colores, ideales para usarse en los vitrales de las iglesias. En ese entonces los artesanos no sabían por qué el trata

miento que le daban al vidrio producía ese efecto. Hoy sabe-

I La tecnología actual no nos permite cort ar sucesivamente una moneda hasta lle

gar a un tamaí'io nanoscópico. Sin embargo, sí es posible fabricar objetos de dimen

siones pequel1as usando otros métodos.

16 17



mos que el color de los vitrales se debe a la formación de

pequeñas nanopartículas de oro o plata con diámetros meno

res a los 100 nm (en el capítulo v explicaremos esta propie

dad). Otro ejemplo lo tenemos más cerca. El azul maya es una

pintura que fue usada con suma frecuencia en Mesoamérica.

Por mucho tiempo fue un misterio el origen de este color y su

gran resistencia al paso de los años. Hoy se sabe que dicha pin

tura está formada por una mezcla de índigo (el material usado

para colorear de azul la mezclilla) con una arcilla, la cual tiene

cavidades de tamaños nanoscópicos. Las moléculas de índigo

quedan atrapadas en dichas cavidades, creando una estructura

que le da al material su color y su estabilidad característicos.

Las propiedades físicas, químicas y biológicas que tienen

los materiales en los sistemas nanométricos difieren en mu

chas formas de sus propiedades en los sistemas macroscópicos.

La investigación en nanotecnolgía busca entender y aprove

char estas nuevas propiedades para fabricar materiales y dis

positivos que puedan superar las limitaciones del presente, ya

sea creando estructuras con tipos de arreglos atómicos diferentes o con nuevas composiciones químicas.

En el ejemplo de la moneda de oro, hablamos de un proce

so de fabricación que con frecuencia se denomina "de arriba

hacia abajo", porque a partir de un objeto grande se obtiene

uno pequeño. La nanotecnología funciona de manera contra

ria, o sea, de abajo hacia arriba, copiando la forma como tra

baja la naturaleza, ya que busca construir estructuras cont ro

lando la manera como se acomodan los átomos.

En la investigación en nanociencia y nanotecnología par

ticipan científicos de diversas disciplinas. Los químicos están

interesados en el estudio de las moléculas y de cómo éstas re

accionan para formar nuevos compuestos. Han desarrollado

métodos y procedimientos para fabricar plásticos, cerámicas,

semiconductores, superconductores, vidrios, metales y otros

materiales compuestos que han impulsado el avance de la na-

FIGURA 1.5. Pintura mural en Bonampak, Chiapas,

en la que se puede ver el azul maya.

notecnología. Asimismo, una rama de la física estudia las pro

piedades de la materia, que, como ya vimos, son diferentes en

la nanoescala y muchas veces dependen del tamaño exacto de

las nanopartículas. Los investigadores en ciencia de materiales,

así como los ingenieros químicos, eléctricos y mecánicos, estu

dian cómo las propiedades de las nanoestructuras pueden ser

utilizadas en la fabricación de materiales completamente nue

vos, los cuales a su vez podrían servir para que médicos, biólo

gos y otros profesionales, así como las industrias, los usen para

desarrollar productos con una gran variedad de aplicaciones

en sus distintas ramas.

Es por esto que se espera mucho de la nanotecnología,pues se piensa que tendrá un impacto directo en todos los

aspectos de nuestras vidas: en la salud, en la vivienda, en el

transporte y hasta en la seguridad del mundo. No sabemos

cuántas de las aplicaciones que se están planeando actualmen

te funcionarán y serán adoptadas. Sin embargo, hoy por hoy,

18 19



sin que nos demos cuenta, estamos disfrutando de muchas de

ellas: cuando vemos una película en el DVD, cuando recibimos

llamadas en nuestro teléfono celular o cuando detenemos

nuestros automóviles en las esquinas frente a un semáforo en

rojo.

n. La física cuántica: ¿ondas o partículas?

Las leyes que rigen el comportamiento de la materia a escalas

nanométricas son diferentes a las que conocemos y que obede-

cen los objetos macroscópicos. El mundo en la escala de lo

muy pequeño es difícil de imaginar y, más aún, de describir. Es

por esto que hay una rama de la física, llamada física cuántica,

encargada de explicar las cosas extrañas que ocurren a esas es-

calas: los objetos pueden ser partículas y ondas a la vez, y la

energía ya noes

continua, sino que viene en paquetes peque-

ños llamados cuantos. Por si fuera poco, las leyes del mundocuántico no son deterministas, sino probabilísticas.

LA FÍSICA CLÁSICA

Para entender bien la física cuántica primero retrocedamos en

el tiempo unos 300 años y hablemos de la física clásica. Duran-

te la segunda mitad de siglo XVII, Isaac Newton descubrió que

el movimiento de todos los objetos en el universo, como la

Luna, la Tierra y los demás cuerpos celestes, era gobernadopor reglas muy simples, las cuales también se aplicaban a los

objetos en la Tierra. Estas reglas hoy se conocen como las tres

leyes del movimiento o leyes de Newton. La primera ley, o ley

de la inercia, afirma que un objeto en reposo permanecerá en

reposo a menos que se le aplique una fuerza. También estable-

2120



FIGURAn.!.

Módulo lunar sobre la superficie de la Luna.(Fotografía: NASA.)

ce que un objeto en movimiento con velocidad constante con-tinuará en movimiento a menos que se le aplique una fuerzaexterna. Si estamos en un automóvil que está en movimientocon velocidad constante, y se detiene bruscamente, la ley de la

inercia provoca que tendamos a seguir hacia adelante (razónpor la cual es importante usar los cinturones de seguridad). La

segunda ley cuantifica el efecto de una fuerza externa en un

objeto. La fuerza externa cambia la velocidad del objeto (alcambio de velocidad se le llama aceleración). Y la segunda leyde Newton afirma que la aceleración de un objeto es directa-mente proporcional a la fuerza que actúa sobre él e inver-samente proporcional a la masa. Necesitamos una fuerza mu-cho mayor para empujar un elefante que un ratón. Finalmente,

.,-J tercera ley establece que si dos cuerpos interactúan, la fuer-.. ejercida sobre el primer cuerpo por el segundo es igual yopuesta a la fuerza ejercida sobre el segundo cuerpo por el pri-mero.Cuando jugamos tenis, al golpear la pelota con la raqueta, lafuerza con que la raqueta empuja la pelota de tenis hacia ade-lante es igual a la fuerza con que la bola empuja la raqueta ha-

da atrás.Gracias a estas leyes, si conocemos las fuerzas que actúansobre un cuerpo, podemos estudiar su movimiento. En par-ticular, Newton también descubrió que hay una fuerza deatracción entre dos objetos cualesquiera y cuya magnitud co-rresponde al resultado de dividir el producto de sus masasentre el cuadrado de la distancia que los separa. Hoy, a estedescubrimiento se le conoce como ley de la gravitación univer-

sal, que explica a la vez el hecho de que la Luna esté orbitandoalrededor de la Tierra y también el que una manzana caiga deun árbol al suelo.

En física clásica, el futuro está determinado por el presente.Una partícula puede ser descrita en cada instante por su posi-ción y su velocidad. Éstas, a su vez, permiten conocer otraspropiedades como la energía, el momento, etc. Un conocimien-to exacto del presente nos permite calcular el futuro antes deque pase (por lo menos teóricamente). Los objetos grandescomo los planetas o los balones de futbol se comportan comocuerpos clásicos. De esta manera, podemos predecir eclipsessin problemas; también, en 1969, fue posible enviar por pri-mera vez a un hombre a la Luna (Neil Armstrong) y regresado

a la Tierra en forma segura; a principios de 2006 despegó unanave con destino a Plutón, uno de los planetas enanos más re-motos del sistema solar que no había sido explorado. Todoesto es posible gracias a la aplicación de las leyes de Newton,que nos permiten predecir las trayectorias que van a seguir loscuerpos.

22 23



FIGURA Il.2. Onda en el agua. FIGURA n.3. Diagrama de una onda.

LA LUZ, ¿PARTÍCULAS U ONDAS?

No es de sorprender que Newton tratara de explicar el compor-

tamiento de la luz en términos de partículas. Después de todo,

los rayos de luz viajan en línea recta y rebotan en los espejos

de la misma manera como lo hace una pelota sobre una pared.

Sin embargo, muchos científicos no estaban de acuerdo

con Newton y pensaban que la luz era una onda.

Una onda es una vibración que se propaga en el espacio

(como las olas en el agua o el sonido en el aire).

Si no hay nada que la perturbe, la superficie de un lago es

plana y horizontal, pero si dejamos caer una piedra en el cen-

tro del lago es posible observar círculos que se propagan con-céntricamente desde el punto donde se dejó caer la piedra. Si

en el lago hay algún objeto flotando se puede observar que, al

ser alcanzado por las ondas, no se desplaza con ellas, sino que

sube y baja en la misma posición horizontal (en la dirección

en la que se mueve la onda). A la máxima altura que adquiere

la onda se le llama amplitud, donde el punto en el que esto

ocurre se llama cresta, mientras que el punto que tiene la posi-

ción más baja se llama valle (figura IU). La distancia entre dos

crestas de la onda se llama longitud de onda. El número de cres-tas que pasan por algún lugar en un segundo se llama frecuen-

cia de la onda. La longitud de onda y la frecuencia están rela-

cionadas en forma inversa.

Mientras que un objeto no puede compartir con otro el es-

pacio que ocupa, puede existir más de una onda en un mismo

lugar y al mismo tiempo. Si dejamos caer dos piedras en dife-

rentes lugares del lago, las ondas que produce cada una pueden

traslaparse y formar lo que se llama un patrón de interferencia,

donde los efectos ondulatorios pueden sumarse, disminuirse o

anularse. Así, cuando la cresta de una onda se traslapa con lacresta de otra, sus efectos se suman y se produce una onda de

mayor amplitud. Cuando la cresta de una onda se traslapa con

un valle de la otra, los dos efectos se reducen o muchas veces

se cancelan. Un patrón de interferencia se puede ver en la fi-

gura 11.4.

254



FIGURA IIA, Interferencia de dos

(Fotografía: Roberto

En 1810, Thomas Young realizó un experimento con el que

probó de manera convincente la naturaleza ondulatoria de la

luz. La luz que pasa por dos agujeros muy pequeños y próxi-

mos produjo bandas claras y oscuras en una pantalla. La inter-

ferencia es un fenómeno puramente ondulatorio, al igual que

la difracción que se observa cuando una onda se propaga por

una abertura o rodea una barrera. Los colores que se ven en las

burbujas de jabón son producidos por patrones de interferen-

cia de la luz.

Aunque quedaba demostrado que la luz se comportabacomo una onda, no se sabía qué era lo que estaba vibrando.

Este problema fue solucionado por James Clerk Maxwell, quien

expresó las leyes de la electricidad y el magnetismo, de manera

elegante, mediante ecuaciones llamadas hoy de Maxwell. Estas

ecuaciones permitieron ver en forma clara que la electricidad

el magnetismo son manifestaciones de un mismo fenó-

'B1I.eno físico: el electromagnetismo. Sus ecuaciones también

ostraron que la luz es una onda electromagnética que viaja

_ el espacio: lo que vibra son los campos eléctricos y mag-

néticos.En el caso de la luz, la longitud de onda dete rmina el color:

éo nm para el rojo y 400 nm para el violeta (entre ellos se en-

~ e n t r a n todos los colores del arco iris).

Elojo

humanosólopuede ver un pequeño rango de ondas electromagnéticas.

Aparte de la luz ultravioleta están los rayos X, los rayos gama,

las microondas y muchas ondas más.

ASÍ, la física clásica realiza una separación muy clara entre

partículas y ondas. Según nuestra experiencia cotidiana, las par-

tículas son objetos similares a las pelotas, tienen masa y obe-

decen las ecuaciones de Newton. De igual forma, las ondas,

como el sonido, la luz o las olas del mar, son fenómenos que

se propagan. Se difractan cuando se esparcen por una abertura

FIGURA II.5. Interferencia de la luz en burbujas de jabón.

26 27



400 500 600 700

Longitud de onda (nm)

FIGURA 1l.6. Espectro de las ondas electromagnéticas.

o una barrera y se presenta el fenómeno de la interferencia.

Las partículas y las ondas tienen propiedades mutuamente ex-

cluyentes.

LA FÍSICA CUÁNTICA

A finales del siglo XIX y principios del xx se realizaron experi-

mentos que mostraban que la interacción de la radiación elec-

tromagnética con la materia no podía ser explicada por las leyes

del electromagnetismo. Al mismo tiempo, las nuevas tecnolo-

gías permitieron a los científicos explorar la estructura atómi-

ca de la materia. En 1887, J. J. Thomson descubrió el electrón y

posteriormente otras partículas subatómicas (en el siguiente

capítulo hablaremos con más detalle sobre el átomo y los elec-

trones). Al realizar otros experimentos sobre el movimiento delas partículas sub atómicas se encontró con que los resultados

no se podían explicar con las leyes de la física clásica. Para re-

solver estos problemas, los físicos introdujeron nuevas ideas,

las cuales, con el correr del tiempo, evolucionaron para formar

10 que hoy se conoce como física cuántica.

28

LA RADIACIÓN DEL CUERPO NEGRO

El primer experimento que no pudo ser explicado por las leyes

de la física clásica se refiere a la radiación del cuerpo negro,

esto es, un objeto que absorbe toda la luz que le llega, motivo

por el cual se ve negro.

Todos los cuerpos en general, y los negros en particular,

irradian energía en forma de calor. Si calentamos un objeto,como un trozo de hierro, podemos observar lo siguiente: a ba-

jas temperaturas irradia la mayor parte de su energía en el in-

frarrojo, o sea, a longitudes de onda demasiado grandes para

ser vistas. Al aumentar la temperatura podemos observar que

el objeto comienza a brillar, primero en el rojo, luego, a más

altas temperaturas, en el naranja y, posteriormente, en el azuL

Entre más caliente esté el objeto, la longitud de onda a la cual

irradia la mayor parte de su energía se hace más corta.

Aunque la teoría clásica puede explicar cualitativamente

este corrimiento de las longitudes de onda con la temperatura,no puede explicar el comportamiento de un cuerpo caliente a

una temperatura fija. Experimentalmente se encontró que la

energía emitida por un cuerpo negro presentaba un pico a lon-

gitudes de onda intermedias y era muy pequeña a altas y bajas

longitudes de onda. En cambio, según la teoría clásica, esta

energía debía ser proporcional al cuadrado de la frecuencia,

haciéndose muy grande a altas frecuencias, o sea, a longitudes

de onda muy cortas: en el violeta y en el ultravioleta. Como

consecuencia, de acuerdo con la teoría clásica, la energía total

radiada por un cuerpo negro debía ser infinita, algo que por

Supuesto no es posible (a este problema se le llamó catástrofe

ultraVioleta).

En 1900, Max Planck se dio cuenta de que el problema se

podía resolver asumiendo que los átomos dentro del objeto ra-

diaban energía en ciertas cantidades fijas, a las que llamó cuan-

tos. Además, descubrió que el cuanto debía tener una energía

29

, " ' ~ ; " f I , f ( ,



EL EFECTO FOTOELÉCTRICO

Otro experimento que no puede ser explicado por la física clási-

ca es el efecto fotoeléctrico. Al iluminar una superficie metálica

se observa que algunos de sus electrones pueden escapar, gra-

cias a que la energía de la luz es transferida a ellos. Como una luz

más intensa tiene mayor energía, se pensaría que si iluminamos

la superficie con dicha luz más intensa, los electrones saldrían

con más energía. Esto era lo que esperaban quienes realizaron

inicialmente los experimentos; pero no es lo que realmente su-

cedió. Se encontró que con una luz más intensa aumentaba el

número de electrones que se desprendía del metal, pero su ener-

gía era exactamente la misma en los dos casos. Sin embargo, seencontró que la energía de los electrones sí dependía de la fre-

cuencia: la luz roja de baja frecuencia, no importaba lo brillan-

te que fuese, raras veces conseguía extraer electrones, mientras

que la luz azul de alta frecuencia y la ultravioleta -sin impor-

tar lo débil de su intensidad- casi siempre lo lograban. .

Estos resultados experimentales no pueden ser explicados

si consideramos a la luz como una onda. En 1905, Albert Ein-

stein se dio cuenta de que la única manera de explicar el efecto

fotoeléctrico era considerar a la luz como un haz de pequeñas

partículas llamadas fotones, los cuales llevaban pequeños pa-quetes de energía. Usando los resultados de Planck para el ex-

perimento de la radiación de cuerpo negro, Einstein planteó

que la energía de cada fotón dependía de su frecuencia. Así,

cada vez que un fotón de cierta frecuencia choca con un elec-

trón, le transfiere la misma energía. La luz más in tensa signifi-

ca que hay más fotones y por eso se pueden extraer más elec-

trones, pero todos con la misma energía. Si aumentamos la

frecuencia, podemos aumentar la energía de los electrones que

se desprenden.

Sin embargo, esto no significa que Newton estuviera en lo

correcto al decir que la luz estaba formada por partículas. Es

cierto que a veces podemos explicar las propiedades de la luz

como si estuviera formada por partículas, por ejemplo cuando

interacciona con los electrones, pero en otros casos, como lo

demostró Young, debemos usar su naturaleza ondulatoria para

explicar los fenómenos de interferencia y difracción.

ONDAS DE MATERIA

Si la luz tiene propiedades de onda y de partícula a la vez, ¿por

qué una partícula (con masa) no puede tener también propie-

dades de onda? Louis de Broglie se hizo esta pregunta cuando

era estudiante y en 1924 escribió la respuesta en su tesis doc-toral. De acuerdo con De Broglie, toda partícula tiene asociada

una onda. Si esto es cierto, las partículas deben producir pa-

trones de interferencia o de difracción. A velocidades norma-

les, los objetos que tienen masas muy grandes tienen una lon-

gitud de onda tan pequeña que la interferencia y la difracción

no se notan. Un balón de futbolllega a una por tería sin formar

patrones de interferencia detectables. Sin embargo, con par-

tículas muy pequeñas, como los electrones, pueden producirse

patrones de difracción.

En 1928, Clinton Davisson y Lester Germer realizaron unexperimento en el que se demostró la naturaleza ondulatoria

del electrón, confirmando la hipótesis de De Broglie. Hicieron

incid ir un haz de electrones sobre una superficie de níquel y

encontraron un patrón de difracción, demostrando el compor-

tamiento ondulatorio de los electrones.

3130



FIGURA n.7. Patrón de difracción de electrones en una superficie de silicio. (Fotografía: Leonardo Morales de la Garza.)

Al igual que la luz, y dependiendo de las circunstancias, los

electrones a veces se comportan como partículas y a veces

como ondas. Esta dualidad onda-partícula es completamente

diferente a lo que ocurre en el mundo macroscópico.

EL PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE

IUna consecuencia de la dualidad onda-partícula es el principio

de incertidumbre formulado por Heisenberg en 1927, el cual

afirma que ciertos pares de cantidades físicas, como la posi

ción y el momento de una partícula (el momento es igual a la

masa por la velocidad, y como las dos cantidades están relacio )

nadas, lo que diremos sobre el par posición-momento también

es válido para el par posición-velocidad), no pueden medirse

simultáneamente con la precisión que se desea. Así, si medi

mos la posición y el momento (o como dijimos anteriormente,

la velocidad) de un electrón, muchas veces nos encontramos

con que dichas mediciones fluctúan en torno a valores medios.

Estas fluctuaciones muestran nuestra incertidumbre en la de

terminación de la posición yel

momento (o la velocidad). Se-gún el principio de Heisenberg, el producto de esas incerti

dumbres no puede reducirse a cero sino que es del orden de la

constante de Planck. Esta imposibilidad de medición no tiene

nada que ver con las deficiencias de los experimentos, más bien

es una parte fundamental del mundo cuántico. La física cuánti

ca sólo nos permite conocer una distribución de la probabili

dad de estas medidas. A diferencia de la física clásica, que es

determinista, la física cuántica es intrínsecamente estadística.

En la física clásica podemos predecir el futuro, en la física

cuántica sólo podemos hablar de la probabilidad de que un

evento suceda.Una consecuencia adicional del principio de incertidum

bre es que no se puede realizar una medición sin alterar el sis

tema. Toda medida implica la interacción entre el medidor y el

sistema que se mide.

El principio de incertidumbre es relevante solamente en

los fenómenos cuánticos. Como el valor de la constante de

Planck es muy pequeña, las incertidumbres en la medición

de la posición y el momento (o la velocidad) de un balón de

futbol o de la Luna son despreciables.

Erwin Schrodinger, partiendo de las ondas de materia deDe Broglie, formuló en 1925 una ecuación qVe describe cómo

se comportan las ondas de materia bajo la influencia de las

fuerzas externas. Esta ecuación juega el mismo papel en la físi

ca cuántica que la segunda ley de Newton en la física clásica y,

al resolverla, podemos describir el comportamiento de cual

33



quier sistema cuántico. Hay que resaltar que la ecuación de

Schrodinger no establece dónde se encuentra un electrón en unátomo en determinado instante, sino la probabilidad de que

esté ahí.

A pesar de todas las complicaciones de la física cuántica y

de los muchos problemas conceptuales y filosóficos que origi-

na su interpretación, hay que destacar que la física cuántica

funciona muy bien, pues los resultados que predice concuer-dan en forma excelente con los experimentos. Gracias a ella

hoy podemos entender el comportamiento del átomo, su nú-

cleo, la radiactividad y muchos otros fenómenos físicos, quí-

micos y biológicos. La aplicación de la física cuántica ha resul-

tado en avances en diferentes áreas de la ciencia y la tecnología,

los cuales se traducen en un mejoramiento de nuestra calidad

de vida. Para citar algunos, podemos mencionar la energía nu-

clear, los rayos X, los semiconductores y, muy recientemente,

las nano estructuras.

nI . Los átomos, las moléculas y los enlaces

Las nano estructuras, al igual que todas las otras formas de la

materia, están formadas por átomos y moléculas. Trabajando

con ellos, la nano ciencia y la nanotecnología buscan estudiar

nuevos fenómenos y construir nuevos dispositivos que nos

ayuden en la vida diaria. Pero, ¿qué son los átomos y las mo-

léculas?

LAS PRIMERAS IDEAS

SOBRE LOS ÁTOMOS

Hace aproximadamente 2 500 años, Demócrito, un filósofo

griego, pensaba que la materia estaba formada por partículas

muy pequeñas que no podían subdividirse, a las que llamó áto-

mos (que en griego significa "indivisible"). Sin embargo, esta

teoría no fue apoyada por Aristóteles, quien pensaba que la

materia era continua y estaba formada por combinaciones de

cuatro elementos: la tierra, el aire, el fuego y el agua. Debido a

la influencia de Aristóteles en el mundo del conocimiento an-

tiguo, sus ideas prevalecieron por más de 2000 años.A principios del siglo XIX, el químico inglés John Dalton

revivió la idea atómica. Pensaba, al igual que Demócrito, que

todos los elementos estaban constituidos por partículas muy

pequeñas llamadas átomos. Según él, un elemento puro estaba

formado por átomos de la misma clase, los cuales tenían una

354



misma masa. También propuso la idea de que un elemento se

diferenciaba de los otros porque estaba formado de átomos dis

tintos, los cuales tenían masas distintas. Según su teoría, los

compuestos estaban formados por combinaciones de átomos

de diversas clases y las reacciones químicas ocurrían cuando

había rearreglos en esas combinaciones.

Las pruebas de la existencia de los átomos sólo se pudieron

realizar a finales del siglo XIX y la teoría atómica sería completamente aceptada a principios del siglo xx.

LA ESTRUCTURA DEL ÁTOMO

En 1887, J. J. Thomson descubrió la existencia de unas par

tículas muy pequeñas, ligeras y con carga eléctrica negativa, a

las que llamó electrones. Encontró que la masa del electrón era

aproximadamente 1/2000 parte de la masa del hidrógeno, el

átomo más ligero. Esto confirmó que el átomo no era la par

tícula más pequeña de la materia. Thomson sabía que cadaátomo era eléctricamente neutro, y con la información adicio

nal de que el electrón tenía carga negativa dedujo que el átomo

debía contener materia con carga positiva para compensarla.

Propuso un modelo atómico en el que los pequeños electrones

se encontraban dentro de' una esfera cargada positivamente,

como las pasas en un pastel.

Un modelo mejor del átomo se debe a Ernest Rutherford,

quien en 1909 realizó un experimento en el que hizo pasar unhaz de partículas con carga positiva a través de una lámina de

oro muy delgada. Casi todas las partículas pasaban a travésdel oro, sin o con muy poca desviación. Sin embargo, algunas

partículas fueron desviadas de su trayectoria rectilínea. Unas

pocas se desviaron mucho y algunas otras regresaron hacia

atrás. La interpretación que le dio Rutherford a su experi

mento fue la siguiente: la mayoría de las partículas no se des-

Electrones

FIGURA HI.l. Modelo atómico de Thomson.

viaban de su trayectoria porque atravesaban regiones de la lá

mina de oro, en las que no había nada, mientras que la pequeña

cantidad de partículas desviadas eran repelidas por centrosmuy densos con carga positiva. Rutherford dedujo que cada

átomo debía contener uno de esos centros, a los que llamó nú-

cleos atómicos.

El modelo de Rutherford es similar al sistema solar: la ma

yoría de la masa de un átomo está concentrada en un peque

ño núcleo en el centro, el cual está cargado positivamente,

mientras que los electrones, con carga negativa, están a su

alrededor.

El modelo de Rutherford tiene el problema de que no hay

manera de estabilizar un electrón alrededor del núcleo. La ana

10gía con el sistema solar no funciona debido a que el electrón

es una partícula cargada y las leyes del electromagnetismo in

dican que debería estar radiando energía de manera continua.

Si esto sucediese, el electrón finalmente debía colapsar en el

núcleo.

3637



Electrón (-) e

Núcleo

FIGURA m.2. Modelo atómico de Rutherford.

Los ESPECTROS ATÓMICOS

Más información sobre la estructura del átomo se obtuvo por

medio de los espectros atómicos. Cuando hacemos pasar luz

blanca a través de un prisma podemos ver que se separa en

muchos colores. En el capítulo anterior vimos que a esta serie

de colores se le llama espectro de la luz visible, el cual es con

tinuo, lo cual indica que la radiación es emitida en todas las

longitudes de onda.

Los ESPECTROS DE EMISIÓN

Si examinamos la radiación emitida por un gas a través del

cual hemos hecho pasar una descarga eléctrica, encontramos

que ésta no es continua sino que está constituida por varias lí-

neas separadas unas de otras.

Los ESPECTROS DE ABSORCIÓN

Por otro lado, si intercalamos un gas entre una fuente de radia

ción y un prisma, observamos un espectro similar al de la luz

blanca. Sin embargo, se pueden ver líneas oscuras en las mis

mas longitudes de onda de las líneas brillantes del correspon

diente espectro de emisión.

Los espectros de absorción y de emisión de diferentes áto

mos muestran que cada uno de ellos tiene sus líneas caracte

rísticas. La espectroscopía es una técnica muy útil para identi

ficar los diferentes átomos.

No es de sorprender que el espectro más simple sea el del

átomo de hidrógeno, ya que tiene un solo electrón.

Niels Bohr se dio cuenta de que las líneas discretas de los

espectros atómicos tenían algo que ver con la idea de Planck

de que los átomos dentro del cuerpo negro radiaban energía

en ciertas cantidades fijas llamadas cuantos. Basándose en esto,

Bohr construyó su modelo del átomo según las siguientes re

glas: un electrón en un átomo se mueve en una órbita circularalrededor del núcleo debido a la atracción eléctrica; el electrón

sólo puede moverse en ciertas órbitas que cumplan con la con-

FIGURA HU. Espectro de absorción (arriba)

y de emisión (abajo) del hidrógeno.

38 39



-3.4

n

5 ~ ~ 4 -0.85

-1.51

2

Estados excitados-3.4

-13.6

Estado base

FIGURA III.4. Diagramas de niveles de energía del átomo de hidrógeno.

dición cuántica de que la circunferencia de la órbita sea igual aun múltiplo entero de la longitud de onda del electrón (como

propuso De Broglie); cuando está en una de estas órbitas, el

electrón no irradia energía, solamente lo hace cuando pasa de

una órbita a otra y la energía irradiada (o absorbida) es igual a

la frecuencia multiplicada por la constante de Planck, es decir,

energía h x frecuencia.

La cuantización de las órbitas en el modelo de Bohr tam

bién implica la cuantización de la energía. Sólo ciertos valores,

llamados niveles de energía, son posibles. En el caso del átomo

de hidrógeno, estos niveles se pueden graficar como se muestra en la figura I1IA (en la física atómica se usa mucho una uní

dad de energía llamada electronvoltio o eV).

El modelo de Bohr explica muy bien el espectro de emi

sión del átomo de hidrógeno: el estado "base" del átomo es el

estado en el cual el electrón tiene la energía más baja. Cuando

~

; ~ ~ , ; },4, f,

~ t'

nE(eV)

5

4 l HU

IR

Visible

1

UV

-0.85

3 -1.51

2

-13.6

FIGURA m,5, Transiciones entre niveles de energía

para el átomo de hidrógeno.

el átomo recibe energía, ya sea por una descarga eléctrica o por

algún otro proceso, el electrón pasa a ocupar un estado de mayor energía; se dice entonces que el electrón está en un estado

excitado. Al igual que todos los sistemas físicos, el átomo pre

fiere estar en su estado base y emiti rá energía para regresar a

ese estado. Esta energía es proporcional a la frecuencia de la

luz emitida.

Las transiciones entre los diferentes estados se pueden ver

en la figura m.5. Si calculamos las longitudes de onda de estas

transiciones, podemos constatar que están en concordancia

con los espectros experimentales.

Para entender cómo son los niveles de energía en un átomo podemos recurrir a una analogía con un sistema del mun

do macroscópico: concíbase una pelota en una escalera con

peldaños de diferentes alturas. El sitio más estable de la pelo

ta es la parte más baja de la escalera (estado base). La pelota

sólo puede estar en los peldaños y no en sitios intermedios (los

40 41



'"

FIGURA Ill.6. Analogía con una pelota en una escalera.

peldaños son corno los niveles de energía). Si le transferirnos

energía a la pelota, por ejemplo pateándola, podernos hacer

que se vaya a un peldaño más alto (un estado excitado). Al mo-

ver la pelota hacia un peldaño más bajo, ésta pierde energía.El modelo de Bohr y la teoría cuántica que discutirnos en el ¡

capítulo anterior difieren en la descripción de la localización

del electrón alrededor del núcleo. Bohr restringe la posición del

electrón a órbitas con radios fijos, mientras que al resolver la

ecuación de Schrodinger, obtenernos las llamadas funciones de

onda u orbitales, asociadas con cada una de las energías. Con

dicha ecuación podernos obtener una densidad de probabili-

dad, que nos dice qué tan factible es encontrar al electrón en

un sitio en el espacio.

ÁTOMOS DE VARIOS ELECTRONES

En el caso de átomos de varios electrones, estos últimos tam-

bién están en niveles de energía muy definidos, a los cuales se

les conocen corno capas. Los electrones se reparten en las dife-

42

rentes capas de acuerdo con algunas reglas que se pueden ob-

tener resolviendo la ecuación de Schrodinger. Las capas son

nombradas por letras: k, 1, m, n, o, p y q. En la capa k sólo ca-

ben dos electrones, en la 1caben ocho. Para los primeros 18

átomos, en la capa m caben ocho electrones, mientras que para

los siguientes átomos caben 18. En la capa n caben 18 electro-

nes, y así, sucesivamente.

Por ejemplo, el carbono tiene seis electrones. En la primeracapa caben dos. En la segunda caben hasta ocho electrones,

pero el carbono sólo tiene seis, y ya se habían acomodado dos,

así que la segunda capa no queda llena. Por último, la tercera y

las siguientes capas están desocupadas.

Los ENLACES Y LAS MOLÉCULAS

Podríamos pensar que hay una cantidad muy grande de áto-

mos para explicar la gran variedad de sustancias que existen.

Sorprendentemente, sólo hay poco más de 100 átomos distin-tos y la gran diversidad de sustancias se debe a las muchas for-

mas en que se pueden combinar los átomos. Las moléculas son

la combinación de dos o más átomos.

Es muy difícil encontrar en la naturaleza átomos solos, pues

generalmente se une n para formar moléculas. Algunas veces,

la molécula está constituida por una sola clase de átomos. Por

ejemplo, la molécula de hidrógeno está formada por dos áto-

mos de hidrógeno. Sin embargo, la mayoría de las veces, las

moléculas están compuestas por átomos diferentes. En estos

casos se dice que la molécula forma un compuesto. Un ejem-plo es la molécula del agua, la cual está constituida por dos

átomos de hidrógeno y uno de oxígeno.

Ahora la pregunta es ¿por qué los átomos quieren estar

juntos? La razón principal es que les gusta tener las capas lle-

nas. Si un átomo tiene todas las capas llenas, está contento y

43



• •• • • • • • ••• •••

• • • •

• • • • •

••• ••• ---110..... •• • ••---,.00"'" • • •.

••+..

• • • ••••••• • • • • ••• ••Na CI NaCI

FIGURA III.7. Dibujo del enlace iónico

entre el sodio y el cloro.

no necesita enlazarse con otros átomos. Este es el caso de los

átomos del grupo ocho de la tabla periódica, llamados gases

nobles; por eso es muy difícil que formen compuestos. Sin em-

bargo, la mayoría de los átomos no tienen su úl tima capa llena

y se unen a otros por medio de enlaces en los que participan

los electrones (en las reacciones químicas generalmente hay

rompimiento y formación de enlaces).

ENLACE IÓNICO

Algunos átomos tienen capas casi llenas y otros un poco más

que llenas: les sobran uno o dos electrones más allá de unacapa completa. Estos átomos buscarán a otros átomos a los

cuales puedan regalar esos electrones.

Por ejemplo, el átomo de sodio tiene 11 electrones en total:

dos electrones en la primera capa, ocho en la segunda y sólo

uno en la tercera.

Como todos los átomos prefieren tener todas sus capas lle-

nas se presentan dos posibilidades: la primera, puede tratar de

llenar la tercera capa, o sea, necesita conseguir siete electrones;

la segunda, y más sencilla, es regalar el único electrón de la

tercera capa y quedar con la segunda capa llena.

En el lado opuesto, hay otros átomos que quieren conse-

guir electrones para llenar sus capas. Por ejemplo, el cloro tie-

ne un total de 17 electrones, dos en la primera capa, ocho en la

segunda y siete en la tercera. Le falta un electrón para llenar su

tercera capa.

Así que si el átomo de sodio le regala su electrón sobrante

al átomo de cloro, los dos quedan con todas sus capas llenas.

Al regalar un electrón, el átomo de sodio queda cargado

positivamente, mientras que al recibir un electrón, el átomo de

cloro queda cargado negativamente. Cargas de signos opuestos

se atraen, así que los dos átomos se atraen y forman un nuevo

compuesto que se llama cloruro de sodio, comúnmente cono-

cida como sal de mesa.

Cuando un átomo está cargado positiva o negativamente

se le llama ión. Por eso, a esta clase de enlace se le llama enlace

iónico.

ENLACE COVALENTE

Hay otra clase de enlace llamado covalente, la cual ocurre

cuando los átomos c ompart en electrones entre sí, o sea queninguno regala o recibe electrones por completo.

El enlace covalente ocurre porque los átomos en la molé-

cula tienen una tendencia similar hacia los electrones (para

dar o recibir electrones) Un ejemplo de enlace covalente es el

que ocurre entre dos átomos de hidrógeno. Los átomos de hi-

•+ • .....

•H H H

2

FIGURA III.B. Dibujo del enlace covalente

en la molécula de hidrógeno.

454



drógeno (H) tienen un electrón en su primera capa. Puesto

que el número máximo de electrones en la primera capa es de

dos electrones, cada átomo de hidrógeno quiere conseguir un

segundo electrón y por eso buscará combinarse con otros áto-

mos. Pero todos los átomos de hidrógeno están en la misma

situación y también quieren ganar un electrón. Para quedar

contentos, dos átomos compartirán su único electrón para for-

marlas moléculas H2

•

IMPORTANCIA PARA

LA NANOTECNOLOGÍA

Los enlaces también son fundamentales para la nanotecnolo-

gía ya que po r medio de ellos los átomos se combinan para

formar las moléculas que servirán para diversos dispositivos y

aplicaciones. A micro escalas y tamaños mayores, los enlaces

son necesarios para la formación de los materiales. Las propie-

dades de cualquier objeto, como el color, la dureza, el compor-

tamiento eléctrico, etc., dependen no solamente de la clase deátomos que lo forman sino también del tipo de enlace queexiste entre ellos.

A nivel de la nanoescala, la importancia es más directa:

muchas veces las moléculas son los dispositivos y los enlaces

juegan un papel primordial en su funcionamiento. Un enlace

no saturado puede servir para atraer algunos tipos de molécu-

las, las cuales pueden ser usadas como sensores. En los siguien-

tes capítulos mostraremos con más detalle algunos ejemplos.

ADN, LA MOLÉCULA DE LA VIDA

En el núcleo de nuestras células se encuentra una molécula

importante llamada ácido desoxirribonucleico, mejor co-

nocida por sus siglas como ADN. El AD N lleva todas las instruc-

46

Tr-t

\

Enlaces débilesentre bases

Molécula de azúcar

( ' ~ 2 . .,.

,. - : - ¡ ( ~ ~Ú". ,...( .,.t C ~ ~ .7'-..... \ ..

.,.- •• ,.tt 'rA;./. ' .•... ","',( ~ , i . 1 '.

~ .• ~ . , ......... .. - ....

" ," ~ ~ ¡ t

r ... , ~ " , . ~ t .,. r... ,'"

. ~ . . ~ ~ . - ~ ~ h ~ ~

FIGURA I1I.9. Diferentes dibujos de la molécula de ADN.

ciones químicas necesarias para que las células sepan cómo

trabajar. En particular, controla la fabricación de unas sustan-

cias llamadas proteínas, las cuales son necesarias para que po-

damos vivir. Durante miles de millones de años, el AD N se ha

encargado de llevar toda la información genética de los seres

vivos y de transmit irla de generación en generación; por eso

podemos considerar al AD N como la molécula de la vida.

El AD N está formado por unas sustancias denominadas nu-

cleótidos. Cada uno de ellos está compuesto a su vez por una

clase de moléculas llamadas fosfatos, un azúcar conocido como

47



t

desoxirribosa y otras cuatro moléculas llamadas bases, las cua-les contienen nitrógeno: adenina (A), timina (T), guanina (G)y citosina (C).

En 1953, James Watson y Francis Crick, usando los resul-tados experimentales de Rosalind Franklin y Maurice Wilkins,descubrieron que la molécula del ADN está formada por doscadenas que se enrollan en una configuración de doble hélice.

Los lados de las cadenas están constituidos por las moléculasde fosfato y el azúcar, mientras que las bases nitrogenadas, dis-puestas en parejas, están en medio de las cadenas. Cada baseestá unida a una molécula de azúcar y ligada por un enlace dehidrógeno a una base complementaria localizada en la cadenaopuesta. La adenina siempre se enlaza con la timina y la guaninacon la citosina. Estas parejas de bases se localizan en la doblehélice en un orden particular. El código genético es simplemen-te este orden de las parejas de bases en la molécula del ADN.

IV. Las herramientas de la nanotecnología

En diciembre de 1959, Richard Feynman, premio Nobel de Físi-ca en 1965 por el desarrollo de la electrodinámica cuántica y aquien muchos consideran el padre de la nanotecnología, presen-tó su visionaria charla "There's Plenty of Room at the Bottom"("Hay suficiente espacio en el fondo") en la reunión de la So-ciedad Americana de Física en el Instituto Tecnológico de Cali-fornia, en Los Ángeles. Feynman no se refería al fondo del salóndonde se realizaba la conferencia, sino a una de las fronteras

de la ciencia. "De lo que les quiero hablar es del problema demanipular y controlar cosas en la escala de lo pequeño . :: dijo.

En su charla, Feynman explicó que ninguna ley física evita-ba que se pudiesen hacer cosas como miniaturizar las compu-tadoras, escribir la información contenida en todos los librosen un cubo del tamaño de una partícula de polvo y construirmaquinaria con átomos y moléculas. Según Feynman, se trata-ba de "un campo que tendrá una gran cantidad de aplicacionestécnicas':

Sin embargo, Feynman estaba un poco adelantado a sus

tiempos. En ese entonces no se tenían las herramientas para eltrabajo que sugería. Ninguna de las técnicas de manufacturaque permitían fabricar dispositivos muy pequeños podían

operarse en la nanoescala. En aquella época, no solamente nose podían manipular átomos o moléculas individuales sino quetampoc o era posible observarlos. Alrededor de la década de

~ ·l'



los ochenta, la situación comenzó a cambiar y ahora tenemos

esa capacidad de ver, medir y manipular la materia en escalas

nanométricas. Todo esto se debe a los avances tecnológicos y

científicos en diferentes frentes: en el mejoramiento y el des-

arrollo de nuevos aparatos de medición, en el control que se

tiene para la fabricación de nuevos materiales y en el desarro-

llo de teorías que permiten el entendimiento de estos materia-

les. En este capítulo describiremos algunos de estos métodos.

HERRAMIENTAS PARA VER EL NANOMUNDO

El microscopio electrónico de transmisión

La mayoría de las personas han usado un microscopio óptico

alguna vez en su vida, aunque en algunos casos solamente en

una clase de biología. Un microscopio es un instrumento que

nos permite ver objetos que son demasiados pequeños para ser

observados a simple vista. La mayoría de los microscopios óp-ticos contienen por los menos dos lentes y su funcionamiento

se basa en la refracción o cambio de dirección que sufre la luz

al pasar por las lentes. El objetivo está cerca de la muestra que

se estudia, recoge la luz reflejada por ella y la aumenta. El ocu-

lar es la lente por medio de la cual la persona observa yagran-

da de nuevo la imagen. Un microscopio óptico puede aumen-

tar una imagen hasta mil veces.

Cuando el tamaño del objeto estudiado es mucho más pe-

queño que la longitud de onda de la luz, no podemos obser-

varlo usando un microscopio óptico y debemos usar los mi-croscopios electrónicos.

El funcionamiento del microscopio electrónico se basa en

la física cuántica y su historia se remonta a 1925, cuando Louis

de Broglie sugirió que el electrón tiene naturaleza ondulatoria.

Como vimos en el capítulo II, en 1927 Davisson y Germer, en...

50

FIGURA IV. 1. Microscopio electrónico de transmisión.

un experimento clásico, confirmaron la difracción de los elec-

trones. En 1932, Max Knoll y Ernst Ruska construyeron el pri-

mer microscopio electrónico.

El microscopio electrónico de transmisión (TEM, del ingléstransmission electron microscope) funciona con los mismos

principios básicos de un microscopio óptico, pero usa electro-

nes en lugar de luz. Como mencionamos antes, la longitud de

onda de la luz limita el tamaño de los objetos que podemos ver.

El TEM usa electrones, los cuales tienen una longitud de onda

mucho más corta, que permite una resolución miles de veces

mejor que la de un microscopio óptico. En la actualidad, em-

pleando el TEM es posible ver objetos del tamaño de décimas

de nanómetros.

El TEM funciona de la siguiente manera: la fuente de elec-trones, localizada en la parte superior del microscopio, emite

electrones que viajan a través del vacío que se encuentra en la

columna del microscopio (es necesario tener un vacío casi to-

tal en el interior del microscopio debido a que los electrones

pueden ser desviados por las moléculas del aire); en lugar de

51



lentes de vidrio que enfocan la luz, el TEM utiliza lentes elec-

tromagnéticas para enfocar los electrones en un haz muy del-

gado, el cual viaja a través de la muestra que se está estudian-

do. Dependiendo de la densidad del material presente, algunos

de los electrones son dispersados y desaparecen del haz. En la

parte inferior del microscopio los electrones que no son dis-

persados chocan con una pantalla fluorescente, la cual genera

una imagen de "sombras" de la muestra, con diferentes grados

de oscuridad que varían de acuerdo con la densidad. La ima-

gen puede ser observada directamente por el técnico que ope-

ra el TEM, fotografiada o almacenada en una computadora.

Para utilizar un microscopio electrónico de transmisión debe

cortarse la muestra en películas muy delgadas. Los micros-

copios electrónicos de transmisión pueden aumentar un ob-

jeto hasta un millón de veces.

El microscopio electrónico de barrido

Si se quieren examinar muestras completas que no necesaria-

mente sean muy delgadas, se pueden usar los microscopios

electrónicos de barrido (SEM, del inglés scanning electron mi-

croscope). Con esta clase de microscopios se puede tener una

idea muy buena de la forma que tienen los objetos estudiados.

En el microscopio electrónico de barrido, el haz de electrones

no está fijo en un solo lugar, sino que barre la muestra punto

por punto. De la interacción entre los electrones incidentes y

los átomos que componen la muestra se generan señales que

pueden ser captadas con detectores y observadas en una compu-

tadora. Aunque con la mayoría de estos microscopios no se

pueden ver los átomos individuales, es posible estudiar las pro-

piedades de los materiales que se han fabricado usando la na-

notecnología. Los microscopios de barrido pueden aumentar

una imagen hasta 10 000 veces.

FIGURA IV.2. Imagen de un ácaro, tomada con un SEM.

(Fotografía: Israel Gradilla).

El microscopio de efecto túnel:

los ojos de la nano ciencia

En 1981, Gerd Binnig y Heinrich Rohrer, del laboratorio IBM

en Zurich, construyeron el primer microscopio de efecto túnel

(STM, del inglés scanning tunneling microscope). En 1986 reci-

bieron el premio Nobel, junto con Ruska, uno de los invento-

res del microscopio electrónico. El STM es la base de una varie-

dad de nuevos microscopios como el microscopio de fuerza

atómica (AFM, del inglés atomic force microscope), el cual mide

la fuerza ejercida sobre una punta cuando se mueve sobre la

superficie, y los microscopios ópticos de campo cercano.

El funcionamiento de estos microscopios es fundamental-

mente diferente al de los microscopios ópticos o electrónicos.

532



Si tenemos un objeto y queremos saber su forma, podemos

"verlo", tocándolo con la mano, para sentir sus diferentes con-

tornos. De esta manera estamos utilizando nuestra mano

como sonda para estudiar el objeto. El STM y los otros "nue-

vos" microscopios funcionan de manera similar: acercan una

sonda a la superficie para medir alguna propiedad física como

el voltaje, la corriente, el campo magnético, etc., la cual revela

la estructura de la superficie.

En el caso del STM, la sonda es una punta metálica termi-

nada en unos pocos átomos, la cual mide la corriente eléctrica

que fluye entre dicha punta y la superficie. Su funcionamiento

se basa en el efecto túnel, otro concepto fundamental de la físi-

ca cuántica. Para entender mejor este efecto, imaginemos que

tenemos dos alambres de cobre y que queremos pasar una co-

rriente de uno de los alambres al otro. Para que esto sea posible,

FIGURA IV.3. Microscopio de efecto túnel (STM).

los dos alambres deben tocarse de tal forma que la corriente

eléctrica pueda completar su trayectoria. En la física cuántica,

el contacto entre los dos alambres no es necesario. Si los alam-

bres se acercan a una distancia de unas décimas de nanóme-

tros, se puede observar una pequeña corriente que crece

rápidamente conforme disminuye la separación. Este fenó-

meno de conducción de corriente a través de un material aislan-

te delgado (donde clásicamente no se espera conducción) se

conoce como tunelamiento de electrones. Los electrones están

"tuneleando" a través de una barrera (que en este caso es el aire

entre los alambres). Si hiciéramos la analogía con objetos más

grandes, sería como si tirásemos una pelota contra una pared

y la pelota la atravesase.

En general, el STM funciona acercando la punta del micros-

copio a la superficie y aplicando un pequeño voltaje entre ellos.

Clásicamente, no debe fluir corriente hasta que estén en con-

tacto. Sin embargo, si la punta se acerca lo suficiente a la super-

ficie, una pequeña cantidad de electrones puede pasar de la

punta a la superficie (o viceversa), por el efecto túneL Cuandola punta se acerca a la superficie, la corriente aumenta, y cuan-

do se aleja, la corriente decrece. Generalmente se mantie ne

una corriente constante y al deslizar (barrer) la punta sobre la

superficie, debido a la rugosidad de ésta última (y para mante-

ner una corriente constante) la punta sube y baja, obteniéndo-

se un perfil de la superficie.

Al utilizar el STM podemos construir imágenes ampliadas

del paisaje atómico, normalmente imposible de ver. Aunque el

microscopio tiene resolución atómica, o sea, puede separar un

átomo del siguiente, las imágenes que se obtienen no necesa-

riamente muestran los átomos. Lo que "ve" el STM es la forma

como se distribuyen los electrones al interactuar la punta del

microscopio con la superficie que se estudia. En muchos casos

(como el que se muestra en la figura IVA) esta distribución

electrónica coincide con la posición de algunos átomos.

554



..

...

: .1,..... _.1=

FIGURA IV.4. Imagen de STM de una superficie de silicio recubierta

por una monocapa de plomo. Cada punto brillante corresponde

a un átomo de plomo.

Espectroscopía

En general, podemos definir la espectroscopía como el estudio

de la interacción entre la radiación electromagnética y la mate

ria. En nuestro caso, nos sirve para estudiar algunas propieda

des de las nanoestructuras. Básicamente, el procedimiento es

el siguiente: se hace incid ir radiación electromagnética sobre

una muestra y se detecta la radiación saliente. Dependiendo de

la radiación utilizada, tenemos diferentes tipos de espectrosco

pía. Algunas de ellas son las que mencionamos a continuación.

·

56

A. Espectroscopía infrarroja. Los átomos de cada molécula o

material vibran con frecuencias que dependen principalmente

de la magnitud del enlace entre los átomos. Por eso, cada com

binación de átomos tiene una frecuencia particular, la cual se

puede usar para identificar la composición del material (por

ejemplo C-O, Si-C, etcétera).

Si iluminamos nuestra muestra con radiación infrarroja de

diferentes frecuencias podemos observar que en algunos casos

no hay pérdida de radiación, pero para algunas frecuencias la

radiación es absorbida casi completamente. Sabemos que a

cada frecuencia de la luz le corresponde una energía. Si la ra

diación es adsorbida para una frecuencia particular cuando

pasa por la muestra, significa que la energía es transferida al

material, cambiando el modo de vibración de las moléculas.

La frecuencia de adsorción, la cual generalmente está en el

rango del infrarrojo, nos dice qué tipo de enlace se tiene en la

muestra.

La espectroscopía infrarroja es muy útil para estudiar na

notubos de carbón (de los cuales vamos a hablar en los siguientes capítulos). Por ejemplo, podemos entender cómo in

teraccionan cierto tipo de moléculas con los nanotubos, para

formar materiales extrafuertes o que sirvan como sensores.

B. Espectroscopía Raman. Al igual que la espectroscopía infra

rroja, la espectroscopía Raman se basa en la misma clase de fe-

nómeno físico: la vibración de átomos de la molécula. Sin em

bargo, la interacción entre la radiación y la muestra es

diferente. En la espectroscopía Raman se hace incidir radia

ción de una sola frecuencia (normalmente de un láser) sobre

una muestra. Entonces se mide la frecuencia de la radiación

salí ente, la cual puede ser igualo diferente a la frecuencia de la

radiación incidente. En el primer caso, después de la interac

ción con la radiación, la molécula termina vibrando de un

modo igual al inicial. En el segundo caso, que es el que nos in

57



teresa, la molécula termina vibrando de un modo diferente.

Midiendo la diferencia entre frecuencias, podemos no sola-

mente obtener información sobre las moléculas que forman

nuestra muestra, sino también el estado en que se encuentran,

por ejemplo si están bajo tensión. Esto es algo muy importante

cuando se piensa en fabricar materiales más resistentes: debe-

mos saber cómo reaccionan bajo tensión.

C. Otras espectroscopías. También se puede usar luz ultra-violeta, o luz visible, para estudiar materiales. En este caso, la

frecuencia de la luz incidente no coincide con la frecuencia

de vibración de las moléculas. Sin embargo, la radiación puede

excitar electrones hacia niveles de energía más altos. A partir

de la diferencia entre las frecuencias inicial y final podemos

obtener información acerca del material que estamos estu-

diando.

Existen muchos tipos de espectroscopía: rayos X, electro-

nes Auger, etc. Al igual que las que hemos mencionado ante-

riormente, nos permiten conocer distintos aspectos del nano-mundo.

Métodos teóricos

y simulaciones por computadora

Otra forma de estudiar las nanoestructuras y los fenómenos

que ocurren en las dimensiones nanoscópicas es por medio de

los cálculos teóricos y las simulaciones numéricas.

Podemos encontrar computadoras en todos los ámbitos de

nuestra vida; diariamente las empleamos en múltiples activi-

dad es: navegar en internet, leer y enviar correos electrónicos,

editar documentos, "chatear", o entretenerse con un videojue-

go. De la misma manera, las computadoras son cada vez más

utilizadas por los científicos y los ingenieros para hacer simu-

laciones numéricas que tratan de resolver problemas de gran

·

58

importancia tecnológica, científica y social. Este aumento en

su uso ha sido impulsado por la fabricación de procesadores

de mayor velocidad y memoria. Pero ¿qué tan rápidas son las

computadoras? Cuando nos referimos a la velocidad de un au-

tomóvil hablamos de kilómetros por hora. el caso de una

computadora hablamos de operaciones en punto flotante por

segundo, un "flop" en la jerga de la informática (una opera-

ción en pun to flotante es un cálculo matemático simple como

una suma o una multiplicación). Dependiendo del modelo, unacomputadora de escritorio puede tener una capacidad de pro-

cesamiento de varios gigaflops (el prefijo giga- significa mil mi-

llones); esto significa que en un segundo la computadora pue-

de realizar más de mil millones de operaciones matemáticas

por cada gigaflop.Aunque mil millones de operaciones por segundo es una

cantidad muy grande, las computadoras de escritorio resultan

lentas para muchos cálculos. Por eso se construye otro tipo de

computadoras más potentes y más rápidas. Estas máquinas es-

tán diseñadas para procesar enormes cantidades de informa-ción en poco tiempo y son dedicadas a una tarea específica.

Son las llamadas supercomputadoras.

Quizás por esto mismo son las más caras. Sus precios pue-

den superar los cien millones de dólares, e igualmente cuesta

mucho mantenerlas, pues su funcionamiento requiere de equi-

pos de refrigeración especiales para disipar el calor que gene-

ran algunos componentes.En la figura IV.S se muestra cómo ha crecido la velocidad

de cómputo en el transcurso de los años. Como se puede ob-

servar, en menos de medio siglo se ha incrementado en más de

ocho órdenes de magnitud.En la década de los noventa se introdujeron las supercom-

putadoras de arquitectura paralela, las cuales usan miles de

procesadores que realizan los cálculos a un mismo tiempo, en

forma paralela.

59



10'·

10'5

10"

10 13

10'2

! 1 ~ ' O~ 10 10

1 ~ 1 ~ 1 ~ 1 ~ 1 ~

I PAtaftnn IBM Roadrunner

IBM Blue Gene L."""""

NEC Earth Simulatore--

Teraflop Inte! ASeI Red...In!el ASCI Whits"

Intel . .tH1tachi CP·Paa. ., . ujItsu NWT

NEC SX3,,-- M CM5

Glgaflop ~ / ' Cray2 ........·ETA 10

~

CraY1.-":""eray XMP

CDC7600.............. . CDC-Cyber205~ CDC-Star100

....... CDC6600

18M7030.,~

1960 1970 1980 1990 2000 2010

Año

FIGURA IV.S. Evolución del poder de cómputo.

Utilizando las supercomputadoras, los científicos y los ingenieros están realizando con más frecuencia simulaciones de

estructuras y fenómenos en la escala nanoscópica. Estas simu

laciones ayudan a los investigadores no solamente a entender y

usar mejor sus teorías, sino también a interpretar mejor los ex

perimentos.

Una simulación puede ayudar a evaluar las infinitas posibi

lidades de las nanoestructuras que se podrían fabricar, facili

tando a los científicos la elección de un camino adecuado en

su investigación. Esto es particularmente importante en un

campo como la nanotecnología, donde se están explorando es

tructuras y aparatos completamente nuevos.Para realizar la simulación de un material cualquiera se

deben inco rporar su naturaleza y sus propiedades en mode

los, los cuales deben contener su física básica. Si estos modelos

son mejorados al incluir datos experimentales, se habla de

60

simulaciones empíricas o semiempíricas, que tratan de mejo

rar la concordancia con los resultados experimentales. Si se

usa sólo la información básica de los átomos (su número y

su masa atómicos), se habla de simulaciones de primeros prin

cipios.

Las simulaciones basadas en métodos empíricos general

mente requieren menos tiempo de computadora. Por eso, em

pleando esta clase de métodos se pueden hacer simulaciones

de sistemas que contienen varios millones de átomos. Sin embargo' aunque son baratos y fáciles de implementar en la com

putadora' en algunos casos no funcionan. Debido a la simpli

cidad del modelo, puede faltar algún ingrediente importante y

debido a ello la física del problema no será correcta. Esto suce

de muchas veces al tratar de hacer simulaciones de sistemas

nanoscópicos, donde la naturaleza cuántica de los procesos

que ocurren a esas escalas requieren métodos que incluyan a

los electrones en diferentes condiciones.

Los métodos de primeros principios son mucho más com

plicados y muchas veces se requieren supercomputadoraspara realizar esta clase de simulaciones. Sin embargo, tienen

la ventaja de que, gracias a ellos, se pueden estudiar con gran

precisión las diferentes propiedades de un material, conocien

do tan sólo el número y la masa atómicos de sus compo

nentes.

Se pueden calcular con detalle propiedades físicas como

las posiciones atómicas, la estructura electrónica, los modos

vibracionales, etc. Debido a que no es necesario tener ningún

conocimiento previo del material, como algún parámetro ex

perimental, estos métodos no solamente se pueden utilizar

como complemento de las técnicas experimentales, prediciendo teóricamente propiedades nuevas de materiales co

nocidos, sino que pueden predecir la existencia de nuevos

materiales.

61



HERRAMIENTAS PARA MODIFICAR

EL NANOMUNDO

El STM, nuestras manos en el nanomundo

Además de most rar la topografía del paisaje atómico, el STM

también permite manipularlo o cambiarlo. Desde la década de

los noventa es posible usar el STM para mover átomos indivi

duales y colocarlos en otras posiciones. Con el STM se puedenempujar, jalar, recoger y soltar átomos y moléculas.

Para poder hacer esto, el microscopio debe operar dentro

de una cámara muy especial a una muy baja temperatura y en

un ambiente de vacío casi total. Las bajas temperaturas se pue

den mantener por medio de nitrógeno líquido si se quiere lle

gar a 210°C bajo cero, o con helio líquido si se quiere llegar a

los 270 oC bajo cero. Estas temperaturas son tan bajas que

punta se puede estabilizar sobre un solo átomo por largos pe

riodos de tiempo. Las condiciones de ultraaltovacío limpian la

cámara de oxígeno, dióxido de carbono y otras moléculas queestán en el aire y que podrían interferir con el funcionamiento

del STM para la manipulación de átomos. Al extraerse el aire,

dentro de la cámara se crea una atmósfera parecida a la del es-

pacio exterior.

En la figura Iv.6 se muestran diferentes pasos en el proceso

mediante el cual se acomodaron en forma circular 34 átomos

de plata sobre una superficie del mismo materiaL La tempera

tura del sistema durante el proceso era de 267 oC bajo cero.

Esta clase de arreglo en la jerga científica se llama corral cuán-

tico: los electrones están acorralados por los átomos del anillo.

Dentro del círculo de átomos de plata y sobre la superficie se

pueden observar círculos concéntricos brillantes y oscuros, en

forma similar a las ondas del agua que se forman cuando se

deja caer una piedra en una laguna.

Muchas otras cosas se pueden hacer con el STM; por ejem-

FIGURA IV.6. Construcción de un corral cuántico usando el STM.

(Fotografía: Saw Hla.)

62



plo, se pueden inducir reacciones químicas en las superficies:con la punta es posible romper enlaces entre átomos, reacomo-darlos y formar nuevos compuestos.

Como se puede ver, el impacto del STM es doble: primero,ha abierto las puertas al nanomundo y ha hecho que nos fami-liaricemos con estas pequeñas dimensiones, y segundo, nosproporciona las herramientas con las cuales podemos trabajaren dicho nano mundo.

La epitaxia de haces moleculares:

pintando con átomos

El microscopio de barrido por tunelamiento no es el único ins-trumento con el que se pueden fabricar nano estructuras. Otrométodo muy utilizado por los investigadores es el método deepitaxia de haces moleculares o MBE (del inglés, molecular

beam epitaxy). El término epitaxia (del griego tní, epí, "sobre";T a ~ L < ; , taxis, "orden") se usa para describir el proceso mediante

el cual se construye (fabrica) u n cristal sobre un sustrato. Depen-diendo de la forma de transportar el material desde la fuentehasta el sustrato, se puede dividir en epitaxia por fase líquida,por fase gaseosa o por haces moleculares. Discutiremos la úIti-ma, debido a la gran perfección cristalina que se puede lograrempleando este método.

En la epitaxia de haces moleculares, un haz de átomos o mo-léculas es dirigido hacia un sustrato, donde los átomos omoléculas se unen a la superficie para formar una nueva capa.Este proceso también se debe realizar en una cámara con un

vacío casi total, pues no se quiere que las moléculas del aire re-

accionen con los haces moleculares. A diferencia de otros mé-todos convencionales de crecimiento, el MBE permite que losátomos lleguen a la superficie y migren hacia el lugar adecua-do para crear una nueva capa cristalina.

Para entender el crecimiento por MBE, haremos una analo-

• I

•,•.•,

~

FIGURA IV.7. Crecimiento de nanoestructuras utilizando el método

de epitaxia de haces moleculares.

gía con un ejemplo de la vida cotidiana.Si

queremos pintaruna pared, podemos usar brochas de diferentes grosores. Entremás grande sea la brocha, más rápido vamos a termina r el tra-bajo, pero la pared va a quedar menos uniforme. Si en lugar debrochas usamos aerosoles, la pared va a quedar mucho másuniforme. La pintura del aerosol es expulsada al aire en formade un fino rocío que cae sobre la pared. Al principio tenemosuna capa muy delgada pero uniforme de pintura. Sobre estacapa podemos deposi tar más capas de pintura, hasta que la pa-red quede completamente uniforme. Éste es el método que seusa para pintar los automóviles. A nadie se le ocurriría pintar

su auto con una brocha, por más fina que sea.De manera similar funcionan los aparatos MBE. Por medio

de hornos diminutos, llamados celdas de evaporación, se pro-ducen los haces de átomos o moléculas que luego se dejan caeren una superficie (en forma análoga a la pintura del aerosol en

654



FIGURA IV.S. Instrumento de ablación láser con el que se pueden

fabricar nanoestructuras.

la pared). En el frente de las celdas de evaporación se encuen-

tran unas placas que pueden abrirse o cerrarse para permi tir el

paso del haz molecular. Estas puertecitas se manejan por me-

dio de computadoras, para controlar los ingredientes y la can-

tidad del material que se quiere fabricar.

En lugar de utilizar celdas de evaporación para formar los

haces moleculares, se puede emplear un láser muy potente.

En este caso el procedimiento se llama crecimiento por abla-

ción láser.

gran variedad de materiales pueden ser fabricados por

esta técnica, como los semiconductores compuestos, los mate-

riales superconductores, las heteroestructuras de semiconduc-

tores elementales, etc. Algunos de ellos se discutir án en los si-

guientes capítulos.

Fotolitografíay nanolitografía

palabra litografía proviene de los términos griegos XlBoC;,

lithos, que significa piedra, y ypa.<!>w, grafo, "escribir", y gene-

ralmente se refiere a la impresión con tinta de una imagen graba-

da en una matriz o molde de piedra sobre un papel. Pero, ¿qué

tiene que ver esto con la nanociencia y la nanotecnología? La

repuesta es que los chips de las computadoras son fabricados

empleando un método llamado fotolitografía.

En este proceso, en lugar de tinta, se utiliza luz para estam-

par un diseño sobre un sustrato que generalmente es una oblea

de silicio recubierta con una capa de óxido de silicio. El sustra-

to se cubre con una sustancia química llamada fotoresina, un

polímero que cambia sus propiedades cuando es expuesto a la

luz ultravioleta, volviéndose soluble en el agua.

~ , \

Luz

\

Lente condensador

I

Rejilla

Lente de enfoque

Sustrato

FiGURA IV.9. Método de fotolitografía para fabricación de chips.

676



leta extremo (EUV), con longitudes de onda de 10 a 14 nm paraPara dibujar sobre la oblea de silicio se necesita una más-la fabricación de chips. En principio, la litografía EUV es simi-

cara (el equivalente al molde de las impresiones en papel) quelar a las técnicas de fotolitografía que describimos anterior-tenga el patrón del diseño. Al iluminar con luz ultravioleta, almente. Sin embargo, hay varios problemas que surgen al usar

sustrato sólo le llega la luz que puede pasar a través de la más-longitudes de onda más cortas. Primero que todo, se necesita

cara. Es como cuando en un cuarto oscuro iluminamos unaencontrar fuentes eficientes de luz EUV. Un segundo problemapared con una linterna, pero colocamos nuestra mano en laes más complicado y se presenta porque la radiación EUV es

trayectoria de la luz: sobre la pared aparece un perfil de luces yadsorbida por casi todos los materiales. Por eso se deben mo-

sombras con la forma de nuestra mano. Entonces se utiliza undificar muchos de los pasos de la fotolitografía: en lugar desolvente para lavar la parte de la fotoresina que fue expuesta alentes es necesario usar espejos reflectivos, la máscara tambiénla luz ultravioleta. Posteriormente, se realizan algunos trata-debe ser reflectiva y, además, es indispensable encon trar nue-

mientos químicos (con ácidos) para remover el dióxido de sili-vas fotoresinas que no adsorban la EUV. En principio, todoscio en la región que quedó sin la fotoresina. Para terminar elestos problemas ya han sido resueltos técnicamente y segura-

proceso, todo el sustrato se expone a la luz ultravioleta y semente la fabricación en masa de chips usando luz EUV será

lava con el solvente. Como resultado, se tiene el diseño del cir-realidad muy pronto.

cuito grabado sobre la oblea de silicio.También se están explorando otras técnicas para fabricarLas técnicas fotolitográficas actuales utilizan luz ultraviole-

microchips más pequeños. Cuando hablamos del microscopiota de 193 nm, con las cuales se pueden crear fácilmente líneaseléctronico mencionamos que se inventó porque la longitud de

de 100 nm de ancho. Si queremos escribir líneas más finas en

onda de la luz restringía el tamaño de los objetos que se podíannuestros circuitos debemos emplear longitudes de onda más observar con un microscopio óptico, problema que se solucio-pequeñas. Se tiene contemplado usar radiación en el ultravio-nó utilizando electrones, los cuales tienen una longitud de

onda más corta. Igualmente, una manera alterna para fabricarPunta del AFM

circuitos en la nanoescala es mediante la utilización de haces

de electrones en el proceso de la litografía. En lugar de la luzDirección¡ - - ~i

1%ultravioleta, se barre el sustrato con un haz de electrones para

I l l de e s c ~ t " c a dibujar el patrón, de manera similar a como una impresora de

inyección de tinta escribe sobre un papel. El resto del proceso

~ ) FIGURA IV. 10. Proceso de nanolitografía utilizando un AFM.

es similar al de la fotolitografía.

Otra forma de hacer litografía a escalas nanoscópicas es

utilizando un microscopio de fuerza atómica (atomic force mi-croscope o AFM). El método funciona igual a como se escribe

con una pluma fuente en un papel. En lugar de la pluma se

emplea la punta de un AFM, y en lugar de tinta se usan átomos

. o moléculas que están almacenadas en la punta del AFM.

forma fácil y económica. Aquí mencionaremos algunos de



STM, el AF M Y os otros microscopios de barrido, al igual que

las máquinas MBE y las técnicas de litografía sólo son ejemplos

de las muchas herramientas que existen actualmente para edi-

ficar estructuras en el nanomundo a partir de átomos y molé-

culas. A pesar de que los investigadores disfrutan mucho de

esa habilidad para controlar la posición de los átomos en las

superficies, también desean pode r diseñar procesos en los quese fabriquen los nuevos materiales a grandes escalas y en for-

ma comercial. Un problema para lograr este último objetivo

con el STM y el MBE, es que son métodos que requieren un

equipo muy costoso, además de que son difíciles de implemen-

tar den tro y fuera del laboratorio. ¿No sería maravilloso si sim-

plemente pudiésemos mezclar algunos químicos y obtener na-

no estructuras dejando que las moléculas se arreglasen entre sí

por su propia cuenta? Esa es la idea básica del autoensamble

molecular. El principio detrás de este método es que los áto-

mos y las moléculas siempre buscan estar en el nivel de más

baja energía posible. Se difundirán sobre la superficie si de esta

manera encuentran ese estado de mínima energía (siempre y

cuando tengan la energía suficiente para vencer las barreras de

activación). También formarán enlaces con otros átomos y con

otras moléculas o simplemente rotarán o se inclinarán si esto

les favorece energéticamente. Los investigadores están utilizan-

do el método de autoensamble molecular para fabricar desde

circuitos electrónicos hasta nuevos polímeros que puedan ser

usados en aplicaciones ópticas y electrónicas.

Métodos químicos

En las últimas décadas se han podido encontrar métodos

-principalmente químicos- para fabricar nanopartículas en

ellos.

A. Método de microemulsiones. Si mezclamos aceite con agua y

los dejamos en reposo, vemos que se separan y se forman dos

fases, la del agua y la del aceite. Una manera de conseguir que

esto no suceda es agregando un surfactante (material que cam-

bia la tensión superficial). En general, el surfactante es una

molécula que posee dos partes: una hidrófila o polar y otra hi-drófoba o apolar. Los detergentes son ejemplos típicos de estas

sustancias. Volviendo al principio, cuando regamos un poco

de agua sobre una gran cantidad de aceite se forman gotas de

agua en el aceite. Si a esta mezcla le añadimos un surfactante,

las gotas parecen desaparecer, como si el agua se disolviera en

el aceite. Sin embargo, si pudiésemos observar con más detalle

Aceite Aceite .__ .

FIGURA IV. I 1. Dibujo esquemático del método de microemulsiones.

710

cada uno. Por ejemplo, si queremos fabricar nanopartículas de



FIGURA IY.12. Nanopartículas de rutenio fabricadas

por el método de microemulsiones. (Fotograjla: Mundo Nano,

vol. 1, 2008, p. 45.)

veríamos que en realidad se formaron gotas muchísimo más

pequeñas de agua en el aceite con dimensiones en la escala de

los nanómetros. Algo interesante y muy útil es que el tamaño

de las gotas depende de la relación que hay entre el surfactante

y el agua. Estas gotas se conocen como microemulsiones, aun

que un mejor nombre hubiera sido nanoemulsiones.Estas gotas minúsculas se pueden utilizar como "nanorreac

tores" para fabricar nanopartículas de tamaño controlado por

las dimensiones de las micro emulsiones. Primero se disuelven

los reactivos adecuados (A y B) en diferentes microemulsiones

oro, A podría ser una sal de oro y B un reductor. Enseguida se

mezclan ambas microemulsiones de tal manera que los reacti

vos se encuentren distribuidos dentro de las gotitas. En ese

momento pueden comenzar a reaccionar. Inicialmente se for-

man unos pequeños núcleos de dos a cinco átomos, a partir de

los cuales se constituyen las nanopartículas.

El empleo de microemulsiones agua-aceite permite la fa-

bricación de nanopartículas de diferente composición. Porejemplo, ha sido aplicada para fabricar partículas metálicas

puras (Pt, Pd, Ir, Rh, Au, etc.), binarias (Pt/Pd, Pt/Ru, PtlI, etc.)

y también puede ser usada para fabricar nanopartículas multi

metálicas. En estos dos últimos casos la composición atómica

se puede modificar fácilmente.

Con estos métodos también se pueden fabricar nanopartí

culas de óxidos, sulfuros, teluros, etc. La ventaja de este méto

do radica en que es posible lograr diferentes composiciones y

tamaños: 1 a 50 nanómetros.

B. Aspersión pirolítica (spray pírolysis). En este método tene

mos un sustrato (metal, vidrio, etc.) colocado dentro de un ca Jo

lefactor al cual se le puede regular la temperatura. Le hacemos

incidir un spray formado por un gas portador (inerte al siste

ma) más una solución que contiene una sustancia que al des

componerse sobre la superficie del sustrato producirá la nano

partícula.

Deben emplearse sustancias que se descompongan a tem

peraturas relativamente bajas y que no dejen residuos sólidos

no deseados. Es un método barato y rápido, pero tiene el pro

blema de que requiere el control preciso de muchos parámetros (concentración, flujo, altura del spray, temperatura del

sustrato, etcétera).

Es muy utilizado para la fabricación de nanopartículas de

óxidos y nanotubos de carbón. En este último caso, se usa una

732

C. Otros métodos químicos. Existen muchos otros métodos para



FIGURA IV.13. Imagen de microscopía electrónica de transmisión

de un nanotubo de carbón fabricado con aspersión pirolítica.

(Fotografía: Mundo Nano, vol. 1,2008, p. 45.)

solución preparada con ferroceno y tolueno que se envía al in

terior de un tubo de vidrio. En el interior de este tubo, las mo

léculas de tolueno se descomponen en átomos de carbono y se

ordenan hexagonalmente en forma de nanotubos. Esto se lo

gra gracias a la presencia de nano partículas de hierro prove

nientes de la descomposición de la estructura del ferroceno, el

cual funciona como catalizador para llevar a cabo la formación

de los nanotubos de carbón.

74

fabricar nanoestructuras, como la técnica Sol-Gel, que consiste

en transformar un a solución que contiene un ion metálico en

una gelatina o precipitado, mediante reacciones quí micas

en condiciones sencillas (presión y temperatura ambiente). Des

pués se realiza el tratamiento térmico adecuado para eliminar

la materia orgánica indeseable. Es muy utilizada para la obten

ción de óxidos, nitruros y sulfuros.

Métodos biológicos

En la búsqueda por hacer más eficiente y barata la fabricación

de nano estructuras, se está explorando el uso de organismos

vivos, con los cuales se pretende remplazar las herramientas de

alta tecnología que usamos actualmente.

Plantas. Se ha descubierto que es posible obtener nanoestruc

turas de oro cuando se hacen crecer plantas de alfalfa en un

ambiente ricoen

cloruro de oro yel

metal es adsorbido formando nanopartículas cristalinas, como se puede observar en

imágenes de miscroscopía electrónica de transmisión.

Otro caso interesante es el lirio acuático, una planta que en

muchos lugares es considerada una plaga, pero que es capaz de

absorber iones metálicos y otros compuestos inorgánicos con

taminantes del agua. Investigaciones recientes han encont rado

nanopartículas metálicas en tallos y raíces de dichas plantas.

A escala molecular, el lirio puede reaccionar con los metales,

logrando la purificación del agua; adicionalmente, se pueden

obtener nan opartículas de magnesio, cobre, cromo o selenio

de aproximadamente 4 nanómetros.

Diatomeas. Las diatomeas son formas microscópicas unicelula

res de vida marina. Estos organismos han existido por lo menos

desde hace 100 millones de años y son la base de gran parte de

75

.l



"

\

FIGURA IY.14. Planta de alfalfa (fotografía: USDA) y nanopartículas

de oro sintetizadas por plantas de alfalfa. (Fotografía: Nano Letters,

vol. 2, p. 397. © 2008 American Chemical Society.)

la vida en los mares. El cuerpo celular de las diatomeas está encerrado por paredes de sílice (óxido de silicio), las cuales consti

tuyen una especie de esqueleto que recibe el nombre de jrústula.

Se ha demost rado que la capacidad de biomineralización

de las diatomeas puede ser controlada para fabricar biológica

mente materiales nano estructurados de silicio y germanio.

vestigadores de la Universidad de Oregon pudieron insertar

metabólicamente metales foráneos (por ejemplo germanio) en

la frústula (de sílice) de la célula de una diatomea viva para lue

go producir copias en forma masiva (aproximadamente un mi

llón por milímetro de suspensión líquida de cultivo de célula).

Estos materiales poseen propiedades optoelectrónicas, incluida una fuerte luminiscencia en la región azul.

La mayoría de los paneles solares tradicionales están fabri

cados con silicio. En la actualidad se están desarrollado otros

tipos de celdas con nuevos materiales. Uno de ellos es el de

76

dióxido de titanio (Ti02), nanoestructurado y sensitivizado

con colorante, el cual permite la fabricación de celdas solares

flexibles, transparentes y de diferentes colores. Investigaciones

recientes han mostrado que es posible usar diatomeas en la fa-

bricación de esta clase de celdas. Las diatomeas vivas se colo

can en una superficie de vidrio t ransparente y conductor. Des

pués, el material orgánico se remueve dejando los pequeños

"esqueletos" para formar un molde. Un agente biológico es uti

lizado para precipitar titanio en pequeñas nanopartículas de

dióxido de titanio, creando una película delgada que actúa

como semiconductor en la celda solar.

Bacterias y hongos. La bacteria Pseudomonas stutzei pudo ais

larse a partir de rocas de una mina de plata. Esto es sorpren

dente, ya que la plata es tóxica para muchos microorganismos.

Se ha demostrado que la bacteria puede sobrevivir en este am-

FIGURA IY.15. Imagen de microscopía SEM que muestra una diatomea.

(Fotografía: Israel Gradilla.)

77

a como un sistema de navegación y orientación espacial. En el



b

f

FIGURA IY.16. Imagen de miscroscopía de varias bacterias

magnetostáticas y magnetosomas. (Fotografía: Chemical Review,


biente rico en plata acumulando todo el metal en pequeños

gránulos, los cuales guarda en los bordes de sus células. Cien-

tíficos de la Universidad de Uppsala cultivaron la bacteria en ellaboratorio y lograron que sintetizara cristales con contenido

de plata en forma de figuras geométricas bien definidas, como

triángulos o hexágonos. La mayoría de los cristales estaban he-

chos de plata pura y alcanzaban tamaños hasta de 200 nanó-

metros.

Otro ejemplo interesante es la bacteria magnetostática

(Magnetospirillum gryphiswaldense), la cual fabrica nanopar-

tÍCulas de magnetita, óxido de hierro (Fe 0), y la almacena en3

inclusiones llamadas magnetosomas. Estas estructuras se for-

man intracelularmente dentro de la bacteria y actúan como

imanes, haciendo que las células se alineen con el campo mag-

nético terrestre. De esta manera, los magnetosomas funcionan

Hemisterio Norte predominan las bacterias que buscan el nor-

te y en el Hemisferio Sur las que buscan el sur. Las nanopar-

tículas son de unos 35 a 120 nm y están recubiertas por una

membrana, la cual evita la aglomeración de las partículas y las

hace biocompatibles.

Exiten muchos otros microorganismos que producen na-

nopartículas de diferentes materiales; por ejemplo, la Pseudo-

monas aeruginosa y la Escherichia colí producen nanopartícu-las de oro y el hongo Pusarium oxysporum puede sintetizar

puntos cuánticos de CdSe con una alta luminiscencia median-

te la incubación en una mezcla de CdCl2

y SeCI4

•

D. La molécula del .ADN para fabricar nanoestructuras. Como

vimos antes, el ácido desoxirribonucleico es una molécula que

contiene la información genética de los organismos vivos. Re-comenzado a utilizar el AD N para diseñar

nano estructuras en dos y tres dimensiones, las cuales pueden:1

usarse a su vez como soportes para fabricar otras nanoestruc-;1

turas. En particular, se ha desarrollado una metodología, lla-.1:ada litografía molecular, usando AD N como soporte para el

1

crecimiento de partes electrónicas básicas. Es una técnica que 1

se basa en el uso de proteínas para bloquear determinadas re-

giones de AD N con la finalidad de fabricar "nanoalambres" de

longitud específica; Este método se asemeja al uso de máscaras

y fotoresinas, en fotolitografía convencional.

Hay una continua búsqueda de materiales que sirvan como

cemento para mantener unidas nanoestructuras sencillas, las

cuales actualmente se fabrican de diversas formas y tamaños .

El reto se presenta en el momento de ensamblarlas para for-mar estructuras mucho más complejas.

Una opción viable parece ser el ácido desoxirribonucleico.

Desde hace algún tiempo se sabe que secuencias cortas de

ADN, llamadas oligonucleótidos, pueden formar ligas con nano-

79

./ J

78

V. Los pozos, los alambres



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FIGURA IV.17. Caritas felices fabricadas con ADN.(Fotografía: Nature, vol. 440, p. 297. © 2006,

MacMillan Publishers, Ltd.)

partículas de oro. En la actualidad se está utilizando esta pro-

piedad para construir cuerpos tridimensionales formados pornanopartículas de oro y usando ADN como cemento.

y los puntos cuánticos

Los pozos, los alambres y los puntos cuánticos son nanoes-

tructuras en las cuales los portadores de carga eléctrica se pue-

den mover en dos, una o cero dimensiones, respectivamente.

A veces también se llaman sistemas de baja dimensionalidad y

sus propiedades han atraído la atención tanto de los científicos

como de los ingenieros, debido a que no solamente aparecen

nuevos fenómenos físicos interesantes, sino que además tienen

un sinfín de aplicaciones en áreas tan variadas como las teleco-

municaciones, la computación cuántica y la electrónica.

Para entender bien lo que son estos sistemas, sus propieda-

des y sus posibles aplicaciones, primero debemos hablar de las

propiedades de los materiales macroscópicos, en particular de

los sólidos.

EL ESTADO SÓLIDO

En un gas, la distancia promedio entre las moléculas es mucho

mayor que su tamaño y las fuerzas entre ellas son relativamen-

te débiles, de tal manera que las podemos considerar como si

estuvieran aisladas.Por otro lado, en un sólido, los átomos(o las moléculas) es-

tán cercanos unos a otros, unidos por fuerzas de origen elec-

tromagnético que los mantiene en posiciones más o menos fijas:

aunque pueden vibrar alrededor de éstas no pueden trasladar-

80 81

resistencia pequeña al paso de la corriente. Los metales gene-



FIGURA V.l. Cristal de NaCl

y su estructura atómica.

se de un sitio a otro. En consecuencia, en condiciones norma-les de presión y temperatura, los sólidos tienen una forma y unvolumen definido.

En los sólidos cristalinos hay un arreglo regular de los áto-mos, los cuales forman un patrón periódico repetitivo llamadored cristalina.

Esta definición es un poco diferente a la que se usa en lavida diaria. Cuando la gente habla de cristales, pensamos en vi-drios' los cuales en realidad son sólidos amorfos. Un ejemplomuy sencillo de un sólido cristalino es el cloruro de sodio, el

cual, como ya vimos, es la sal de mesa. En la figura V.I, las esfe-ras azules y verdes representan los átomos de sodio y de cloro,respectivamente.

Los METALES, LOS AISLANTES

Y LOS SEMICONDUCTORES.

LAS BANDAS DE ENERGÍA

No todos los materiales permiten el paso de la corriente eléc-trica con la misma facilidad. A los que menor oposición pre-sentan se les denomina conductores y se dice que tienen una

ralmente son buenos conductores, siendo los mejores el oro yla plata; pero su elevado precio no permite que sean común-mente empleados con ese propósito. En su lugar se utilizanotros metales como el cobre ye l aluminio, los cuales son mu-chísimo más baratos. En o tros materiales, la corriente eléctricacasi no fluye. Éstos reciben el nombre de aislantes y se dice quetienen una resistencia muy grande al paso de la corriente. Al-

gunos ejemplos son la madera, el papel, las cerámicas, los plás-ticos, los cauchos, etc. Los semiconductores son materiales queconducen la electricidad de manera intermedia entre un ais-lante y un conductor. Aunque su resistencia es mayor que la delos metales, se vuelven mejores conductores al aumentar latemperatura, mientras que con los metales sucede lo contrario.Ejemplos de semiconductores son el silicio, el germanio, el ar-seniuro de galio yel nitruro de galio.

Para entender la diferencia entre metales, aislantes y semi-conductores, recordemos que en los átomos libres los electro-nes sólo pueden ocupar niveles discretos de energía. Cuandolos átomos se acercan para formar el sólido, estos niveles inter-accionan y dan lugar a bandas continuas de energías permiti-das separadas por bandas prohibidas donde no existen niveleselectrónicos de energía.

Veamos esto con un poco más de detalle, examinando loque sucede con un nivel cualquiera de energía E en un átomo,como se observa en la primera columna de la figura V.2. Eneste caso, el número de átomos N es igual a L Si tenemos dosátomos (N =2) separados por una distancia muy grande, cadauno de ellos tendrá uno de esos niveles: en la primera columna

se tienen dos niveles con la misma energía E. Sin embargo, alacercarlos, los átomos comenzarán a interactuar y los dos ni-veles atómicos ya no coincidirán y formarán los niveles El yE2, separados por una energía pequeña, como se muestra ensegunda columna.

832

Niveles de energía



••

Átomos Átomosseparados interactuando

®N =1

E E

E2 N =2!®El

2 Niveles E

N=33

<3!E)2

3 Niveles E El •

E4E3 N =4E 2 ~Niveles EEl

N 00

~ Niveles E

FIGURA V.2. Diagrama de la formación de bandas de energía.

Tres átomos (N = 3) sin interactuar tienen tres niveles con

la misma energía E, los cuales, al acercar los átomos, se con

vierten en tres niveles separados El , E2 YE3, como se muestra

en la figura V.2. Aumentando el número N se obtienen más ni

veles de energía, hasta cuando N es muy grande y los niveles

están tan cerca que podemos considerarlos como si formaran

un continuo, o sea, una banda de energías posibles, como semuestra en la figura.

Esto sucede para todos los niveles atómicos, que forman

bandas de energía permitidas. De la misma manera que en el

átomo los dos niveles están separados; en el sólido, dependien-

Separaciónentre nivelesatómicos

FIGURA V.3. Formación de bandas prohibidas de energía.

do del material, las dos bandas pueden estar separadas y se

presenta una banda prohibida.

Al igual que en el caso atómico, en que los electrones pri

mero van llenando los niveles de más baja energía, en el sólido

los electrones van ocupando las bandas, llenando pr imero las

de menor energía.

En un metal, la última banda ocupada no queda completamente llena; por esto los metales s'on buenos conductores eléc

tricos, ya que sus electrones pueden moverse fácilmente den

tro del sólido ocupando los espacios vacíos de la misma capa.

En los aislantes, los electrones llenan completamente la úl

tima banda, llamada banda de valencia; mientras que la si

guiente banda desocupada, llamada banda de conducción, está

separada por una energía grande, llamada brecha prohibida.

Para que un material aislante pueda conducir electricidad, los

electrones de la banda de valencia deben saltar a la banda de

conducción, pero como la energía que las separa es grande,

esto los hace ser malos conductores de electricidad.Las bandas de energía de los semiconductores son simila

res a las de un aislante, pero con la diferencia de que la brecha

prohibida es pequeña, de tal manera que los electrones pueden

saltar a la banda de conducción con el calor que reciben de sus

85

nes tienen energías en un intervalo de 1.6 a 3.2 eY. Un sólido



Aislante Semiconductor Metal

FIGURA VA. Bandas de energía en un

alrededores. Por eso) la conductividad de los semiconductores

aumenta con la temperatura.Al pasar un electrón a la banda de conducción, deja un es-

tado vacío en la banda de valencia al que se le llama "hueco», al

cual puede tratarse como una partícula con carga igual a la de

los electrones, pero positiva. De esta manera) en los semicon-

ductores puede haber una corriente de electrones en la banda

de conducción y una de huecos en la banda de valencia.

Los materiales semiconductores) en particular el silicio,

son la base de la industria electrónica actual. Con ellos se fa-

brican los diodos) los transistores y los circuitos int egrados

usados en cualquier aparato electrónico actual.

Cuando un electrón previamente promovido a la banda de

conducción regresa a su estado de energía más bajo, emite el

exceso de energía en forma de luz. El color de ésta dependerá

del valor de la brecha prohibida.

En la región visible del espectro electromagnético los foto-

es transparente u opaco según sus propiedades de adsorción

en ese intervalo de energía. Por ejemplo) los metales y los se-

miconductores son opacos) mientras que los aislantes con una

brecha prohibida mayor que 3.2 eV) como los vidrios, son

transparentes (no adsorben radiación electromagnética en el

visible). Sin embargo) si el material aislante tiene impurezas,

crea estados en la brecha prohibida y el material adquiere un

color que depende de la impureza.Es posible cambiar el tamaño de la brecha prohibida de los

semiconductores por medio de variaciones en sus composicio-

nes químicas. Por ejemplo) el arseniuro de galio (GaAs) ye l ar-

seniuro de aluminio (AlAs) ti enen brechas prohibidas de 1.4

y 2.2 eV) respectivamente. Remplazando una fracción de Ga

por Al en GaAs se pueden formar compuestos de AIGaAs con

brechas prohibidas que varían de 1.4 a 2.2 eV, energías que co-

rresponden a los colores que van desde el infrarrojo hasta el

rojo visible en el espectro electromagnético.

Los pozos CUÁNTICOS

Se puede crear un pozo cuántico al colocar una lámina delga-

da de un semiconductor como el GaAs entre dos semiconduc-

tores de brecha prohibida mayor como el A1GaAs. La distancia

entre los átomos de los cristales de GaAs y del AIGaAs es muy

parecida y por tal razón esta clase de estructuras es relativa-

mente fácil de fabricar con métodos como el MBE estudiados

en el capítulo anterior.

En la figura V.5 podemos observar la imagen TEM de unpozo cuántico de A1GaAsIGaAsIAIGaAs. Es como si tuviése-

mos un sándwich formado por un trozo de jamón entre dos

pedazos de pan.Una representación gráfica del perfil de las bandas de con-

8786



AIGaAs GaAs AIGaAs

FIGURA V.S. Imágenes de un pozo cuántico tomadas por un TEM.

(Fotografía: Máximo López.)

ducción y de valencia en el pozo cuántico se presenta en la fi-

gura V.6. Debido a las diferencias entre las brechas prohibidas,

las bandas de valencia y de conducción de estos sistemas se

acomodan de tal manera que en las interfases entre los dos

materiales hay un salto.En

la figura V.6 podemos observar queel perfil de la banda de conducción, el cual se muestra con lí-

neas rojas continuas, tiene forma de pozo rectangular. En el

caso de la banda de valencia, el pozo está invertido, pero como

los portadores de carga tienen signo contrario, el problema es

equivalente.

Cuando el espesor de la capa de GaAs es del orden de los

nanómetros, los electrones comienzan a sentir los efectos del

tamaño cuántico. En un pozo cuántico, los electrones están

confinados en una dirección, por ejemplo, en la dirección ho-

rizontal, mientras que en el plano vertical se mueven libre-

mente. El problema de una partícula confinada en un pozocuántico fue uno de los primeros que se solucionaron en la fí-

sica cuántica. Al resolverlo, se obtienen de nuevo unos niveles

discretos de energía, algunos de los cuales están marcados en

la figura V.6 con líneas rojas discontinuas. De la misma manera

88

- Pozo cuánt ico

AIGaAs GaAs AIGaAs

FIGURA V.6. Diagrama de las bandas de valencia y conducción

en un pozo cuántico.

que en el caso de los átomos, cuando un electrón excitado pasa

a un nivel de más baja energía, hay una emisión de luz en una

frecuencia determinada por la ley de Planck: energía =h x fre-

cuencia. Por esta razón, la mayoría de las aplicaciones de lospozos cuánticos semiconductores está en la optoelectrónica, e

incluyen: los sensores, los láseres, los diodos emisores de luz o

LED (del inglés light emitting diodes). Estos últimos los pode-

mos ver, por ejemplo, en los semáforos nuevos.

En la práctica y por razones técnicas se usan varios pozos

cuánticos de diferente espesor en arreglos que generalmente

reciben el nombre de heteroestructuras. En el ejemplo del sánd-

wich, no sólo tendríamos un trozo de jamón sino también un

pedazo delgado de queso, otro de jamón y en general todo lo

que queramos ponerle en medio.

La ventaja de utilizar pozos cuánticos en esos dispositivosconsiste en hacerlos más eficientes: requieren mucha menos

energía para su funcionamiento, además de que son más esta-

bles en los cambios de temperatura. El ahorro de energía es

una de las razones que está impulsando la investigación en sis-

89

mucho más complicada que la de los pozos cuánticos y requie-



FIGURA Y.7. Semáforo que usa LED en lugar de focos incandescentes.

temas con mayor confinamiento cuántico; recordemos que en

los pozos cuánticos, los electrones solamente están confinados

en una dirección. Se espera que los dispositivos fabricados con

alambres y puntos cuánticos mejoren su eficiencia aún más.

Los ALAMBRES CUÁNTICOS

En el caso de los pozos cuánticos, los electrones se pueden mo-

ver libremente en dos dimensiones y están confinados en una

dirección. También es posible restringir su movimiento en dos

dimensiones; es decir, los electrones sólo podrían moverse en

una dirección. En ese caso tendremos los alambres cuánticos.Los nuevos fenómenos que surgen con el mayor confinamien-

to de los portadores de carga tienen gran potencial en aplica-

ciones tecnológicas.

La fabricación de alambres cuánticos semiconductores es

\90

re procesos y equipo muy especializados. Una forma de pro-

ducirlos es agrandando pozos cuánticos por medio de algunas

técnicas como el MBE o la ablación láser, sometiéndolas a pro-

cesos de litografiado, ataque químico y recrecimiento. Hay

otras maneras de prepararlos, pero también son procesos bas-

tante complicados.

El interés principal por fabricar alambres cuánticos tiene

que ver con el hecho de que los portadores sólo se pueden mo-ver en una dirección, lo cual los hace muy atractivos para estu-

diar los fenómenos de trans porte cuántico de los electrones,

además de que abren posibilidades en la fabricación de dispo-

sitivos nanoscópicos. También se ha demostrado que pueden

ser usados como transistores de efecto de campo, diodos y

puertas lógicas.

Los PUNTOS CUÁNTICOS

Un punto cuánticoes

un sistema artificial muy peq ueño quepuede contener desde uno hasta algunos miles de electrones.

En un punto cuántico los electrones están confinados en sus

tres dimensiones y por eso se dice que son sistemas de dimen-

sión cero. Sus tamaños típicos pueden variar desde unos po-

cos nanómetros hasta algunos micrones, pero su tamaño, su

forma y el número de electrones se pueden controlar en for-

ma muy precisa, tod o esto gracias a los avances en la litogra-

fía, la química y los métodos de crecimiento capa por capa.

En la figura V.8 se pueden ver algunos puntos cuánticos

preparados por el grupo de la Universidad de Delf, en Holan-

da, en los que el confinamiento de los electrones en la direc-

ción vertical se logra con un pozo cuántico (su altura es de

unos pocos nanómetros, en tanto que sus dimensiones latera-

les son de algunas micras), mientras que en las direcciones ho-

rizontales se logran por medio de voltajes eléctricos.

91

seis, en la cuarta ocho y así en adelante. Esta diferencia se debe



.4

\

FIGURA V.8. Puntos cuánticos de diferentes formas.

(Fotografía: Reports on Progress in Physics,

vol. 64, pp. 701-736, 2001.)

La física de los puntos cuánticos tiene muchas similitudes

con la física de los átomos, pero con los puntos cuánticos los

científicos pueden crear una "tabla periódica" cambiando el

voltaje. Los niveles de energía están cuantizados debido al con-

finamiento de los electrones y por eso en algunos casos se les

denomina átomos artificiales. También presentan comporta-

mientos electrónicos y ópticos similares a los de los átomos, y

muchos de los fenómenos cuánticos observados en los átomosreales también ocurren en los puntos cuánticos, comenzando

por la estructura de capas. Sin embargo, en los puntos cuánti-

cos el número de electrones que caben en cada capa es diferen-

te: en la primera caben dos, en la segunda cuatro, en la tercera

92

ca como en un átomo real.

Los puntos cuánticos pueden conectarse fácilmente a cir-

cuitos para estudiar sus propiedades o usarlos como dispositi-

vos electrónicos. También se han podido acoplar varios puntos

cuánticos para formar moléculas artificiales.

Otra clase de puntos cuánticos son los que se forman es-

pontáneamente durante los procesos de crecimiento epitaxialy en los cuales no se necesitan voltajes externos para lograr el

confinamiento de los electrones en las tres direcciones. Se les

llama, en forma general, puntos cuánticos autoensamblados.

Para obtenerlos se utiliza un sustrato en el que las distan-

cias interatómicas son diferentes a las del punto cuántico que

se quiere fabricar. Si tratamos de crecer InGaAs sobre GaAs

empleando el método de MBE, al principio se comienza a for-

mar una capa ordenada de InGaAs sobre GaAs, pero a partir

de la segunda capa, debido a las tensiones generadas por la di-

ferencia en las distancias interatómicas, se comienzan a formar

de manera espontánea pequeñas islas de InGaAs, las cuales

tienen tamaños de algunos nanómetros en todas las direccio-

nes. Generalmente, el patrón de crecimiento de estas islas es

aleatorio y tienen forma de pirámide truncada. Sin embargo,

es posible ordenarlas en arreglos periódicos. Estas islas se con-

vierten en puntos cuánticos al cubrirlas completamente con

GaAs y se pueden fabricar arreglos tridimensionales de puntos

cuánticos repitiendo el proceso anterior.

Estos puntos cuánticos pueden ser utilizados en memorias

ópticas, las cuales tienen aplicaciones en la industria de la com-

putación y en la optoelectrónica; en detectores de infrarrojo,no sólo para observar objetos en la noche, sino también para

explorar el universo con telescopios que funcionan en esas fre-

cuencias; en láseres que requieran menos energía para fun-

cionar; en diodos que emiten en todo el espectro de colores,

93

incluyendo el blanco, lo cual haría mucho más barato la ilumi-

nación de las casas y las oficinas, y otras muchas aplicaciones.

como al número binario 1 ya l -Yz con el número binario O. Si

podemos controlar el espín, podemos pensar en nuestro elec-



¿y LAS NANOPARTfcuLAS DE ORO?

Ahora sí podemos resolver el misterio de por qué las nanopar-

tículas de oro no son doradas. Por su tamaño (lO a 100 nm),

las podemos considerar como puntos cuánticos, aunque mu-chas veces se les llaman nanopuntos. Al igual que ellos, tienen

niveles discretos de energía e irradian en frecuencias (colores)

definidas. Es por esto que sus propiedades (el color, por ejem-

plo) ya no son las mismas que las de un pedazo macroscópico

de oro, como una moneda. Además, la distancia entre los nive-

les de energía de las nanopartículas depende de su tamaño:

mientras más grandes son, más separados es tán sus niveles, y

la frecuencia de la radiación es mayor. Como resultado, si au-

mentamos el tamaño de los puntos cuánticos tendremos colo-

res que cambian del azul hasta el rojo. En el caso de los vitrales

de colores, el vidrio que es transparente se colorea con algunas

impurezas, que en este caso son nanopartículas de oro de dife-

rentes colores.

LA COMPUTACIÓN CUÁNTICA

Otra aplicación que se espera de los puntos cuánticos se realiza

en la computación cuántica debido a que en un punto cuántico

se puede controlar fácilmente el número de electrones. Ade-

más de las propiedades del electrón que conocemos, como

masa y carga, tiene otra propiedad cuántica que se llama espín,el cual no tiene analogía clásica (cuando se descubrió se pensó

que era análogo a una rotación). El espín sólo puede tener dos

valores: 112 y -Yz . Esto nos recuerda el sistema binario, en el que

sólo existen dos números: el O Yel 1; así podemos asociar al Yz

•\

trón como representando la más pequeña unidad del sistema

binario, el bit. Como estamos hablando de cuántica, al bit se le

llama qubit (quantum

En capítulos anteriores vimos que suceden muchas cosas

extrañas suceden en el mundo cuántico. Las leyes cuánticas

nos dicen que no podemos predecir el estado del electrón has-

ta que lo midamos. Cuando lo hacemos, obtenemos uno de losdos posibles valores, pero mientras no lo hagamos el electrón

está en una combinación de los dos estados y se dice que es

una superposición de los estados Oy 1: tiene un poco de Oy unpoco de 1. Utilizando esta propiedad, los científicos ha n de-

mostrado que se pueden ejecutar programas en paralelo, enforma muchísimo más rápida que po r medio de algoritmos

clásicos. Ya se han hecho algunos cálculos sencillos usando

computadoras cuánticas.

94 95

VI. Las nanoestructuras del carbono nemos la gasolina que mueve nuestros autos, con el gas natural

calentamos nuestras casas y cocinamos nuestros alimentos.



El carbono es un elemento muy abundante e importante en la

naturaleza. Tiene una gran facilidad para unirse consigo mis-

mo y con otros átomos pequeños al punto de formar más de

diez millones de moléculas diferentes. Todos los seres vivos

contienen carbono y hay una rama de la química que estudia

sus compuestos (química orgánica). Con el oxígeno, forma el

dióxido de carbono, indispensable para el ciclo vital de las

plantas: por medio de la fotosíntesis, utilizando la energía de la

luz, las plantas asimilan el dióxido de carbono para convertirlo

en compuestos orgánicos que permiten su crecimiento, su re-producción y su desarrollo. Con el hidrógeno, forma materia-

les que comúnmente llamamos hidrocarburos. Muchos de ellos

son muy importantes en nuestra vida diaria: del petróleo obte-

: : : : I ~/ ~ : ¡ ! ~ ~ ~ :s!;S

FIGURA VI.l. Estructura atómica del grafito.

Los plásticos, las ceras y los lubricantes también están forma-

dos por hidrocarburos. Es difícil imaginarse cómo sería nues-

tra vida sin ellos. El carbono combinado con el oxígeno y el

hidrógeno forma compuestos como las grasas, las cuales son

imprescindibles para la vida animal (aunque siempre quere-

mos eliminar un poco de ellas para bajar de peso).

Dependiendo de las condiciones de formación, el carbonopuro (sin combinarse con otro tipo de átomos) puede encon-

trarse en la naturaleza en formas distintas. Las más comunes

son el carbono amorfo yel carbono cristalino (ya sea en forma

de grafito o diamante).

En el grafito, los átomos de carbono se acomodan forman-

do capas, en las que cada átomo está rodeado por otros tres en

un arreglo en forma de panal de abejas. Estas capas están api-

ladas una sobre la otra. Una sola capa de grafito es muy esta-

ble, fuerte y flexible, pero entre capa y capa la adhesión es muy

débil. Es por esto que este material se usa en los lápices, pues

mientras se escribe, dejamos caer en el papel pequeñas capasde grafito.

En el diamante, cada átomo de carbono está enlazado a

cuatro vecinos iguales, dispuestos en forma de tetrahedro (pi-

rámide de cuatro caras de triángulos equiláteros). El diamante

~ FIGURA VT.Z. Estructura atómica del diamante.

96 97

sólo se consigue sometiendo el carbono a presiones muy altas;

por eso es tan escaso y difícil de encontrar.



La forma amorfa del carbono es muy parecida al grafito,

pero no llega a adoptar una estructura cristalina perfecta. La

mayoría de los carbones son ejemplos de carbono amorfo.

Como vimos, el carbono puro es un elemento sorprenden-

te por varias razones; como grafito es una de las sustancias más

blandas y como diamante es la más dura que existe. Desde el

punto de vista económico,el

carbónes

una de los materialesmás baratos, pero como diamante es uno de los más caros.

Los FULERENOS

En 1985, Robert F. Curl, Harold W. Kroto y Richard Smalley

descubrieron una nueva forma del carbono (de hecho una fa-

milia entera). El primer miembro de esta familia tiene forma

esférica y contiene 60 átomos de carbono. El nombre de la mo-

lécula fue escogido para honrar a Richard Buckminster Fuller,

arquitecto conocido por construir edificios con estructuras debóvedas geodésicas. Puesto que la molécula tiene una forma

similar a estos edificios, se le llamó buckminsterfulereno o

simplemente fulereno. También se le conoce por su fórmulaquímica: C

60•

/

~ FIGURA Vr.3. Estructura atómica del carbono amorfo.

·.98

FIGURA VI.4. Modelo atómico de un fulereno, comparado

con un balón de futbol. Las dimensiones son diferentes.

Su estructura atómica es muy parecida a un balón de

bol tradicional; está formado por 12 pentágonos y 20 hexágo-

nos, pero tiene un tamaño mucho más pequeño. Su diámetro

es aproximadamente de 0.7 nanómetros.

Esta nueva forma del carbono se obtiene a partir del hollín

que se produce al pasar electricidad entre dos electrodos de

grafito.

Más o menos al mismo tiempo se encontró otra nanoes-

tructura con 70 átomos de carbón, pero mucho menos abun-

dante que la de 60 átomos. Es alargada como una pelota de

futbol americano. Tiene cinco hexágonos adicionales a la mo-

lécula de C60

•

Se pueden fabricar fulerenos de otros tamaños, algunos

más grandes, otros más pequeños, formados por hexágonos y

pentágonos. La más pequeña de todas estas nanoestructuras

de carbón tiene 20 átomos, arreglados en 12 pentágonos, sinhexágonos.

Como los fulerenos son huecos, se pueden introducir otras

clases de átomos y de esta forma se cambian sus propiedades.

También se pueden fabricar estructuras periódicas con los fu-

99

lerenos. Los cristales formados con C tienen una estructura60

cúbica parecida a la de la sal y son semiconductores.



Algo más que se puede hacer con estos cristales es interca-

larles metales entre dos moléculas de C • En este caso, los cris-60

tales se pueden volver metálicos ye n algunos otros, supercon-

ductores. Superconductividad es el fenómeno caracterizado

por la desaparición de la resistencia eléctrica en varios metales,

aleaciones y compuestos. Se ha encontra do que esto sucede

cuando son enfriados por debajo de una temperatura llamadatemperatura crítica o Te' la cual es muy baja. Una vez estableci-

da la corriente eléctrica en un superconductor, ésta puede fluir

en forma indefinida. Si no hay resistencia eléctrica, la corriente

puede fluir sin pérdida de energía en forma de calor.

Los NANOTUBOS DE CARBÓN

1991, Sumio Iijima encon tró o tro tipo de nano estructuras

de carbón con forma cilíndrica: los nanotubos de carbón, los

FIGURA VI.5. Modelo de una nanoestructura formada

por 70 átomos de carbono.

FIGURA V1.6. Modelo de una estructura cristalina de C60

•

cuales pueden tener una o varias capas (varios tubos metidosuno dentro de otro, corno las muñecas rusas que al abrir una

descubren una más pequeña).

Inicialmente, el interés de los científicos se enfocó en estu-

diar las propiedades electrónicas de los nanotuhos, debido a

que se pueden considerar corno prototipos de un alambre

cuántico unidimensional. Sin emhargo, otras propiedades in-

teresantes, corno su gran resistencia, están abriendo nuevas

posibles aplicaciones.

Los nanotubos tienen un diámetro de uno o varios nanó-

metros y pueden ser tan "largos" corno un milímetro. Cada ex-tremo del nanotubo puede estar cerrado por la mitad de una

molécula de fulereno.

Hoy en día se pueden fabricar nanotubos empleando dife-

rentes métodos. En el caso de los nanotubos de varias capas no

10100

se necesita un metal catalítico para su crecimiento, mientrasque para la fabricación de nanotubos de una sola capa sí es ne-



...~

o.

\

cesario. Todavía no se tiene un conocimiento detallado de losmecanismos de crecimiento de los nanotubos.

Por medio de algunos experimentos que usan microscopioselectrónicos de transmisión de alta resolución, se ha confirma-do que los nanotub os son estructuras cilíndricas formadasenrollar una sola lámina de grafito conocida como grafeno.

En la figura VI.8 mostramos cómo se obtiene este materialen sus tres formas diferentes. Si se enrolla el grafeno de tal ma-nera que la línea naranja de la figura forme la circunferenciadel nanotubo, se obtienen los llamados nanotubos zigzag (por

forma de la línea naranja), mientras que si se enrolla de talmanera que la línea roja de la figura forme la circunferencia, setienen los nanotubos de sillón. Si el nanotubo se forma enro-llando la lámina de grafeno en otra dirección se obtienen losnanotubos quirales.

Los nanotubos de sillón siempre son metálicos, mientras

FIGURA V1.7. Imágenes TEM de nanotubos de carbón.

(Fotografía: Joumal of Physical Chemistr y c.,


102

~ z ; g z a g Sillón~ IGURA V1.8. Modelo de la estructura atómica de nanotubos

de carbón zigzag y de sillón

los otros pueden ser metales o semiconductores; todo dependede su diámetro y de cómo se enrollan

LAS NANOCEBOLLAS DE CARBÓN

Algo similar a los nanotubos de muchas capas son las nanocebo-llas de carbón: esferas concéntricas de fulerenos que se obtieneirradiando partículas de carbón con un haz muy intenso de elec-trones. En su interior se encuentra u na molécula de c. .. Ésta

103



FIGURA VT.9. Nanoestructura en forma de cebolla.

(Fotografía: Joumal ofPhysical Chemistry B., vol. 106, p. 7135.

© 2002 American Chemical Society.)

está rodeada por fulerenos de tamaño mayor, formando capas

como una cebolla. Como se muestra en la figura Vl.9 se pue-

den fabricar estructuras de radio mayor a algunos nanómetros.

Como decíamos, la investigación sobre fulerenos y nano-

tubos es muy importante por sus eventuales aplicaciones.

Los fulerenos podrían usarse como nanocápsulas para al-

macenar y transp ortar otras moléculas sin ninguna interacción

con el exterior y serviría, por ejemplo, para aislar desechos tó-

xicos peligrosos. También podr ían utilizarse en medicina; por

ejemplo, enlazando su estructura con antibióticos específicos

para combatir algunas bacterias o células cancerosas como elmelanoma. También se busca la forma de incrementar la reac-

tividad de los fulerenos y de esta forma unirlos con otras mo-

léculas activas que pudiesen usarse como sensores o detectores.

Igualmente, se piensa que podrían usarse como lubricantes y en

FIGURA VI. 10. Modelo de la estructura atómica de grafeno.

las refinerías de petróleo. Además, se ha encontrado que bajo

ciertas condiciones su forma cristalina presenta el fenómeno de

la superconductividad, lo cual aumentaría sus aplicaciones.

Los nanotubos de carbón son muy fuertes y muy resisten-

tes al estirarlos, al igual que las fibras de carbón. Pero a dife-

rencia de éstas, los nanotubos son muy flexibles, pueden ser

retorcidos, aplanados y doblados sin romperse y se piensa que

después de deformarlos pueden recobrar su forma original.

Además, son resistentes bajo compresión. Estas propiedades

mecánicas tan favorables pueden usarse en muchas aplicacio-

nes, por ejemplo en la industria aeroespacial. También se pien-

sa que pueden ser empleados para manipular otras nanoestruc-

turas. Se planea usarlos como pu ntas en los microscopios deefecto túnel y como fuentes de emisión de campo para la fabri-

cación de pantallas ultradelgadas.

El hecho de que realmente sean alambres cuánticos, con

sus peculiares propiedades para el transporte de los electrones,

105

)

abre la posibilidad de utilizarlos en la industria electrónica y

de la computación. En la actualidad, varios componentes elec-

son cada vez más delgadas, hasta llegar a una sola capa de gra-

feno, de un átomo de espesor.



trónicos han sido ensamblados usando nanotubos.

Como son huecos, también pueden servir para almacenar

gases como el hidrógeno o el nitrógeno, o como sensores de ga-

ses tóxicos.

Se espera que con el tiempo, surjan más aplicaciones de los

fulerenos y los nanotubos, aumentando aún más la importan-

cia del carbono.

EL GRAFENO

Cuando hablamos de nanotubos de carbón mencionamos que

son estructuras cilíndricas formadas al enrollar una lámina de

grafito llamada grafeno. Sin embargo, a pesar de que por mu-

cho tiempo se habían predicho teóricamente sus propiedades,

no se había podido fabricar experimentalmente. Por mucho

tiempo se pensó que era imposible fabricar una estructura pu-

ramente bidimensional que existiese por sí sola. En el año 2004,

el grupo del doctor Andre Geim, de la Universidad de Man-

chester, y del doctor Kostya Novoselov, del Instituto de Tecno-

logía Microelectrónica en Chernogolovka, Rusia, reportaron

por primera vez la fabricación del grafeno en la revista Science.

Mencionamos antes que la mina de los lápices está hecha

de grafito; pues, cuando escribimos, la fricción con la superficie

arranca algunas capas y las deposita en el papel. Y así, sin

gún esfuerzo, estamos creando capas muy delgadas de grafito.

En el laboratorio se puede fabricar el grafeno con igual facili-

dad. Frotando el grafito tridimensional sobre una superficie se

pueden depositar capas muy delgadas de grafito formadas poralrededor de un centenar de láminas. Se puede usar cinta adhe-

siva para separarlas y obtener una sola lámina: se pegan sendas

cintas a las dos caras del grafito y se abren, logrando la separa-

ción de las láminas. Si se repite el proceso, las capas de grafito

· '.'\

106

Lo más interesante del grafeno son sus propiedades nue-

vas. Por ser un material puramente bidimensional, sus propie-

dades electrónicas son completamente diferentes a cualquier

material fabricado en la actualidad. Los electrones en grafenos

se mueven a velocidades cercanas a la velocidad de la luz,

como si no tuvieran masa. Además, el grafeno es un semicon-

ductor que funciona a escala nanométrica y a temperatura am-biente; por eso se piensa que se podrán crear nuevos dispositi-

vos electrónicos con este material.

La última novedad sobre el grafeno, según un comunicado

de la Universidad de Columbia, en Estados Unidos, es que los

investigadores han confirmado lo que se sospechaba por mu-

cho tiempo: se trata del material más fuerte jamás estudiado.

107

VII. Las aplicaciones son usados no sólo en la fabricación de bebidas alcohólicas,

sino también en otros campos como la ingeniería química. En



En los capítulos anteriores estudiamos el significado de la na-

nociencia y la nanotecnología, las bases científicas necesarias

para entenderlas y las herramientas para manipular átomos y

moléculas. También vimos algunos ejemplos de nanoestructu-

ras, la forma en que se fabrican y su importancia. Este capítulo

está dedicado a las aplicaciones, las cuales se hallan en varios

estados de desarrollo: algunas se encuentran ya en el mercado,

otras están en una primera etapa de comercialización o en el

laboratorio, mientras que muchas más solamente son ideas.

Como la lista de aplicaciones de la nanociencia y la nanotec-nología es muy larga y sigue creciendo, nos concentraremos

solamente en algunas de ellas.

CATÁLISIS

Un catalizador es una sustancia (ya sea un compuesto o un ele-

mento) que acelera una reacción química, permaneciendo ella

misma inalterada (no se consume durante la reacción). Gene-

ralmente, el catalizador reduce la cantidad de energía necesa-

ria para producir la reacción. Se piensa que la fermentación del

vino es la reacción catalítica más antigua usada por el hombre,

la cual comenzó a usarse aproximadamente 5 000 años antes

de Cristo. En este proceso, una enzima facilita la transforma-

ción de los azúcares en alcohol. Hoy en día los catalizadores

particular, son muy importantes en la industria petrolera, ya

que se usan para la transformación del petróleo crudo en ga-

solina, combustible para aviones y otros hidrocarburos, los

cuales son la base para fabricar plásticos y otras sustancias pe-

troquímicas. Se espera que usando la nanotecnología se pue-

dan crear algunos catalizadores más eficientes para ahorrar

más energía.efecto de los catalizadores está muy relacionado con las

superficies y esto lo debemos tomar en cuenta si queremos

mejorar la eficiencia de una reacción química. Si el catalizador

tiene más área superficial, entonces hay más lugares donde los

otros agentes químicos pueden enlazarse y reaccionar. Entre

más pequeños son los objetos, su relación área superficial/vo-

lumen se incrementa, y aumenta también la proporción de áto-

mos cerca o en la superficie. Como consecuencia, al disminuir

el tamaño de las partículas crece su reactividad, lo cual es el ob-

jetivo de los catalizadores.

Como mencionamos al inicio, la catálisis juega un papelimportante en la conversión del petróleo en materiales útiles.

Por esto se espera que la industria petroquímica sea una de las

más beneficiadas al usar nanocatalizadores en los procesos de

refinación.

Un ejemplo particular de nuevos materiales usados con

este fin son las zeolitas, las cuales tienen cavidades conectadas

por túneles nanoscópicos o poros. El tamaño de las cavidades

y de los túneles, junto con el efecto local de la reactividad

de las partículas, favorece la 'producción de hidrocarburos de

cierta forma y composición. Debido a que el proceso de catáli-sis es controlado, hace que las reacciones sean más eficientes y

en consecuencia más baratas.

Asimismo, la nanocatálisis es importante en la búsqueda

de otras fuentes de energía distintas al petróleo. Actualmente

10908

enlazan entre sí y se liberan como nitrógeno gaseoso. Al mis-

mo tiempo, los átomos de oxígeno se enlazan con las molécu-



FIGURA VIL!. Modelo atómico de una zeolita.

se usan nanocatalizadores para remover impurezas como el

azufre o el nitrógeno del carbón sólido, de una manera eficien-

te y barata.

Otro ejemplo del uso de los catalizadores en la vida diaria

lo encontramos en nuestros autos. El platino, componente im-

portante de los convertidores catalíticos de los automóviles,

ayuda en la reacción química, en la cual los gases tóxicos pro-

ducidos por la combustión de la gasolina, el monóxido de car-

bono y el óxido nítrico, son convertidos en algo menos perju-

dicial como el dióxido de carbono y el nitrógeno. La reacción

sucede de la siguiente manera: cuando la molécula del óxido

nítrico es adsorbida en la superficie del platino, los átomos de

nitrógeno y oxígeno se enlazan con los del platino y provocan

el rompimiento de la molécula. Los átomos de nitrógeno se

las del monóxido de carbono, también adsorbidas en la su-

perficie del platino, y forman el dióxido de carbono que se

libera como gas. Como vemos, el platino juega un papel muy

importante y la reacción es bastante eficiente. Sin embargo, el

platino es un metal muy caro y se busca remplazarlo con ma-

teriales más económicos. Se piensa que el empleo de nanopar-

tículas de platino podría reducir los costos de los convertido-res catalíticos. También se investiga el potencial uso de otros

materiales que normalmente no se cons ideran buenos cataliza-

dores, pero que en forma de nanopartículas sí lo son.

Los MATERIALES

Hay una búsqueda continua de nuevos materiales con propie-

dades específicas para aplicaciones particulares. Así, por ejem-

plo' queremos sustancias que combinen fuerza y resistencia,

pero que al mismo tiempo sean livianas para fabricar toda cla-

se de vehículos, desde bicicletas hasta naves espaciales.

Las compañías aeroespaciales como Boeing y Aerobus uti-

lizan materiales hechos de fibras de carbón para construir avio-

nes muy resistentes, pero que al mismo tiempo sean suficien-

temente livianos para hacer eficiente el uso de los combustibles.

Hace algunos años el costo de estas fibras era elevado y por eso

su uso estaba restringido a la fabricación de aviones y naves

espaciales.

Hoy, sin embargo, se utilizan pará muchas otras cosas,

como los palos de golf, las raquetas de tenis y una gran varie-dad de artículos deportivos; también se usan en la industria

automotriz o para la generación de electricidad en la fabrica-

ción de las turbinas de viento.

Los nanotubos de carbón son materiales que poseen me-

111110

jores características que las fibras de carbón en cuanto a su re-

sistencia mecánica y térmica y en cuanto a sus propiedades " ...

\



eléctricas. Teniendo cualidades tan buenas, el reto ahora es fa-

bricarlos a precios comparables con los de las fibras de carbo-

no. Si esto es posible, los nanotu bos de carbón seguramente

remplazarán a las fibras de carbono en muchas aplicaciones.

En general, las fibras y los nanotubos de carbón no se utili-

zan solos, sino en lo que se conoce como nanocompósítos. Un

compósito es un material hecho de dos o más "componentes':En muchos de ellos, uno de los materiales (una fibra) actúa

como el esqueleto, mient ras que el otro (la matriz) los conser-

va unidos.

Las fibras se escogen con base en su resistencia y la matriz

por su habilidad para mantener juntas las fibras. La razón para

adicionar la fibra radica en conseguir que el material termina-

do tenga mayor resistencia. Un ejemplo muy sencillo de com-

pósito lo podemos ver en las construcciones de concreto refor-

zado, en una casa o en un puente. Primero se construye una

estructura con varillas de acero, que luego se recubren con con-creto ordinario.

Algo similar se hace para fabricar los materiales utilizados

en aviones, naves espaciales y artículos deportivos. En lugar de

varillas se emplean fibras de carbono que se han agrupado en

forma especial y luego se recubren con un material polimérico.

Actualmente se han comenzado a introducir nanotubos de

carbón para obtener un material más liviano y más resistente.

Este nuevo material es usado en artículos deportivos, con ex-

celentes resultados.

Para proteger la pintura de los automóviles, se les aplica

una capa para que resistan mejor los rayones. Estas capas con-

sisten en una resina, a la cual se le agregan algunas arcillas

como el sílice. Sin embargo, al final se tiene un material que no

es completamente transparente, lo cual es un problema para su

uso comercial. Pero si remplazamos la sílica con nanopartícu-

112

''7

"I IJ ¡ , ~ l ó f l ~ . , , ~

1,., ~ ' ~ '1',1

.....,

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I'1I

I I ¡ \. . . . : s ; r - E ? ' ~ ~ ? : : , . ,

FIGURA VII.2. Diversos productos

que corltíenen r¡anomateríales.

las de óxido de aluminio, se aumenta considerablemente la re-

sistencia contra rayones sin modificar las propiedades ópticas

de las resinas.Otras aplicaciones de los nanomateriales incluyen: los es-

calones en las minivans, las defensas de los automóviles, las

pinturas y los recubrimientos anticorrosivos y, contra la radia-

ción, también los recubrimientos protectores que reducen elbrillo en los lentes y el vidrio, las herramientas para cortar me-

tales, los cosméticos y las lociones bloqueadoras del sol, las pe-

lotas de tenis más duraderas, las raquetas más fuertes y livia-

nas, la ropa antimanchas, tintas y muchas más.

113

LA ENERGÍA

Celdas solares



La mayor fuente de energía en la Tierra proviene del Sol; sin

embargo, aprovechamos muy poco de ella. Para convertir esta

energía en electricidad se utilizan las celdas solares, las cuales

están fabricadas con semiconductores como el silicio o el arse-

niuro de galio. Son utilizadas tanto en las naves espaciales

como en los juguetes y en las calculadoras. No obstante, la fa-

bricación de grandes paneles solares es muy costosa. La nano-

tecnología ofrece una nueva oportunidad, ya que permite fa-

bricar materiales para celdas solares en nuevas formas.

Por ejemplo, la compañía Nanosolar desarrolló un método

que imprime capas de celdas solares sobre una superficie me-

tálica, de manera similar a una impresora de inyección que

deposita tinta sobre una hoja. De esta forma se tienen celdas

solares mucho más delgadas, ligeras, flexibles y baratas. A dife-

rencia de las celdas solares fabricadas con silicio, el cual es mu-

cho más costoso, las celdas de Nanosolar están hechas de co-bre, indio, galio y selenio, cuyo precio por vatio es 10 veces

menor que el de las celdas solares convencionales. En noviem-

bre de 2007, la revista Ciencia Popular nombró a este producto

como la mejor innovación del año y en un comunicado de

prensa en diciembre de 2007 la compañía Nanosolar anunció

que estaba comen zando a distribuir sus delgadas y flexibles

celdas solares. Estas celdas podrían instalarse entre los vidrios

de las ventanas de un edificio y podrían generar la electricidad

necesaria para el funcionamiento de todas las oficinas del

edificio.Otra compañía, llamada Konarka Technologies, está des-

arrollando algunas celdas solares que usan nano cristales de

óxido de titanio embebidos en plásticos. También han patenta-

do un material llamado power plastic, que es flexible, liviano e

114

FIGURA VIl.3. Celdas solares fabricadas con nanomateriales.

igualmente más barato que las celdas solares convencionales.Estos nuevos materiales están hechos de polímeros conducto-

res que también pueden ser recubiertos o impresos. Esta clase.

de desarrollos se podrían extender a la manufactura de telas

que funcionen como celdas solares. En el futuro, una prenda

de vestir fabricada con estos materiales pod ría proveer la ener-

gía necesaria para que funcione un celular u otro aparato elec-

trónico pequeño.

El hidrógeno como combustible

El hidrógeno es una fuente de energía usada desde hace ya bas-

tante tiempo en las naves espaciales. La reacción química ne-

cesaria para producir energía del hidrógeno es simple: se mez-

cla con el oxígeno y se genera solamente agua como residuo.

115

A pesar de que el hidrógeno es el elemento más abundante en

el universo y de que su uso en la generación de energía no con-



tamina el ambiente, hay dos problemas para utilizarlo con fines

energéticos: los métodos para producir hidrógeno sí contami-

nan el aire, además de que su almacenamiento no es sencillo.

Los nanotecnólogos están tratando de desarrollar métodos para

producir hidrógeno que no contaminen el medio ambiente.

Uno de ellos copia a la naturaleza: la clorofila de las plantas ab-

sorbe la luz solar para p roducir agua y oxígeno. Algunos inves-tigadores del Instituto Tecnológico de Virginia, en Estados

Unidos, están diseñando moléculas que contienen rodio y ru-

tenio para que absorban la luz solar y produzcan hidrógeno a

partir del agua.

En cuanto al problema para almacenar el hidrógeno, se ha

propuesto usar nanotubos para almacenar grandes cantidades

de este gas en forma segura. Otra posibilidad es usar una super-

ficie metálica fina que contenga millones de pirámides nano-

métricas, las cuales extraerían hidrógeno del amoniaco. Tenien-

do en cuenta que el amoniaco es un líquido fácil de obtener y

transportar, podría usarse de modo similar a la gasolina.

Diodos emisores de luz

Aunque es importante conseguir nuevas fuentes de energía, lo

es aún más optimizar su uso. Cerca de 20% de la energía eléc-

trica que se consume en el mundo se utiliza para generar luz.

En los focos incandescentes menos de 10% de la energía se usa

en la iluminación; esto es, se desperdicia en forma de calor

más de 90%. En el capítulo v vimos que los diodos emisores deluz fabricados con pozos y puntos cuánticos puede reducir el

consumo de energía en el mundo. Los primeros diodos que se

fabricaron fueron los rojos, hechos de arseniuro de galio yalu-

minio; avances posteriores permiti eron la fabricación de dio-

116

FIGURA VII.4. Algunas aplicaciones de los LED.

dos de diferente color. En particular, los diodos azules se des-

arrollaron en la década de 1990 con nitruro de galio y nitruro

de indio. Sin embargo, son más costosos de elaborar y por eso

se ven con menos frecuencia en las aplicaciones. El gran reto

de la nanotecnología es la fabricación de dispositivos que irra-

dien luz blanca, con mayor potencia, y que sean económica-

mente viables. En la actualidad la mayoría de los diodos de luz

blanca en realidad son diodos azules con un recubrimiento de

fósforo que produce luz amarilla, la cual, al combinarse con la

luz azul, resulta en un color blancuzco.

LA INVISIBILIDAD

La refracción es el cambio de dirección que experime nta la

luz al pasar de un medio material a otro. Un ejemplo de este

117

Refraccióntar en la nanoescala y se deben fabricar con técnicas de nano-tecnología similares a las que se usan para fabricar los circuitosintegrados. Pensando en lo anterior, científicos de la Universi-



Refracción

positiva

FIGURA VIl.S. Representación de la refracción

positiva y negativa de la luz.

fenómeno se puede observar fácilmente introduciendo un lá-piz en un vaso con agua, el cual parece quebrarse bajo la su-

perficie.Los metamateriales son una nueva clase de materiales que

poseen propiedades no observadas normalmente en la natura-leza. En general, se trata de compuestos ordenados cuyas pro-piedades físicas son distintas a las de sus constituyentes. Porejemplo, el Índice de refracción de un metamaterial puede sernegativo, aunque el índice de refracción de sus partes sea siem-pre positivo. Es precisamente esta propiedad, la de la refrac-ción negativa, por la cual los metamateriales podr ían usarsepara hacer invisibles los objetos.

Las dimensiones internas de un metamaterial deben sermucho menores que la longitud de onda de la radiación elec-tromagnética incidente, la cual, en el caso de la luz visible, estáen el rango de 400 a 700 nanómetros. Por lo tanto, para fabri-car materiales invisibles a la luz visible, su estruc tura debe es-

118

dad de California, en Berkeley, recientemente lograron crearmetamateriales con índice de refracción negativo para todoslos ángulos de incidencia de la luz visible, acercándose así a la

posibilidad de lograr la invisibilidad.

LA ELECTRÓNICA Y LA COMPUTACIÓN

El acelerado desarrollo de la nanociencia y la nanotecnologíaque estamos viviendo nació y ha sido impulsado por la indus-tria de la electrónica. En una sociedad ansiosa de nuevos cono-cimientos e innovaciones, se ha evolucionado desde las com-putadoras que ocupaban habitaciones gigantescas hasta lospequeños teléfonos celulares que podemos llevar cómodamen-te en nuestros bolsillos y que seguramente tienen procesadorescon un poder de cómputo muchísimo mayor que aquellas

grandes máquinas de cálculo. Como mencionamos en el capí-tulo v, todo este avance del siglo xx fue producido por la in-dustri a electrónica del silicio. Se pasó muy rápido del tran-sistor al circuito integrado o micro chip. En la década de 1950,la televisión era en blanco y negro, sólo había unas cuantascomputadoras y por supuesto no existía la internet. Las com-putadoras portátiles, los teléfonos celulares, los aparatos parajugar video, todos se desarrollaron gracias a los circuitos inte-grados. La evolución de la tecnología de los microchips, quepermite desarrollar sistemas cada vez más complejos, está re-sumida en la llamada ley de Moore (figura VII.6), pronosticadapor uno de los cofundadores de la compañía rntel y que esta-blece que el número de transistores en un chip aumenta al do-ble aproximadamente cada dos años. Esto significa que cadavez los transistores van a estar más cerca unos de otros, lo que

119

Silicio estirado



enQ)

(5(¡)"¡¡¡e

~

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010

Año

fIGURA VIl.6. de Moore.

resulta en nuevos problemas técnicos debido a la miniatu

rización.Actualmente, los fabricantes producen los chips en una lá

mina de silicio (que se conoce normalmente como "oblea") so

bre la cual se fabrican estructuras muy complejas empleando

las técnicas de la fotolitografía descritas en el capítulo IV. Sin

embargo, constantemente se están desarrollando nuevos méto

dos para hacer más pequeños los dispositivos ya l mismo tiem

po más rápidos.

Una de estas nuevas tecnologías es la del silicio "estirado':

la cual puede aumentar la velocidad del flujo de electrones en

70%, incrementando de esta manera la velocidad de los dispositivos y reduciendo el consumo de energía. Esta tecnología

aprovecha la tendencia natural de los átomos a alinearse unos

con otros. Cuando el silicio es depositado sobre un sustrato de

otro material en el cual los átomos están separados por distan-

w~

Germanio

FIGURA VIl.7. Esquema del silicio "estirado".

cias más grandes, los átomos que llegan a la superficie tratan

de conservar esta distancia "estirando" las capas de silicio que

se forman. En un material fabricado en estas condiciones, los

electrones experimentan menos resistencia y fluyen más rápi

do, con lo cual aumenta la velocidad de los chips en 35% sin

necesidad de hacer más pequeños los transistores.

También ha habido avances en el almacenamiento de la

formación. La memoria de acceso aleatorio RAM (del inglés,

random access memory) es donde el computador guarda los

datos que está utilizando en el momento de su funcionamien

to. El almacenamiento es temporal porque los datos y los pro

gramas permanecen en ella mientras la computadora está en

cendida. Se le llama RAM porque es posible acceder a cualquier

120121

ubicación de ella en forma aleatoria y muy rápidamente. Tie

nen la desventaja de que la información se debe "refrescar"

constantemente para permit ir que ésta pueda ser procesada, lo

que algunas moléculas aisladas también se pueden compor

tar como transistores y como interruptores en circuitos elec

trónicos.



cual implica que sea lenta, consuma mucha energía y, además,

si se apaga la computadora, que se pierda esta información y

deba cargarse de nuevo. La memoria magnética de acceso alea

torio (MRAM, del inglés magnetic random access memory) usa

campos magnéticos para almacenar información (igual que los

discos duros). Utiliza menos energía, es más rápida y permiteque las computadoras se puedan apagar y encender sin perder

la información en la que se esté trabajando, gracias a que uti

liza el magnetismo. Se espera que las MRAM remplacen a las

RAM en todas las computadoras.

A pesar de que en todas estas aplicaciones que hemos des

crito la nanotecnología juega un papel importante, los proce

sos de fabricación de los chips se basan en el silicio. Al hacerse

cada vez más pequeños los dispositivos, se sabe que llegaremos

a un límite, el cual hoy en día está muy cercano. Por eso, la na

notecnología va a jugar un papel aún más importante, pues se

deberán diseñar procesos completamente nuevos para la fabri

cación de los dispositivos electrónicos.

Por sus propiedades electrónicas, los nanotubos de carbón

pueden ser empleados en transistores; se ha demostrado que

un par de ellos funciona como compuertas lógicas, probando

que a una escala muy pequeña podrían servir como un medio

de computación.

También se piensa que las moléculas orgánicas y las or

gano-metálicas puedan servir como componentes electrónicos.

Tienen la ventaja sobre los nanotubos de que son más sencillas

de ensamblar y de auto ensamblar. Aunque la mayoría de lasmoléculas son aislantes, en condiciones particulares pu eden

volverse conductoras. El transporte de electrones se puede

controlar por medio de métodos químicos o por medio de cam

pos electromagnéticos. En los últimos años se ha encontrado

Por supuesto, hay propuestas y posibilidades aún más radi

cales: el uso del ADN para la computación o como memoria

para guardar información, o los puntos cuánticos para fabricar

computadoras cuánticas.

122123

VIII. Las aplicaciones en biologíay en medicina

MEDICAMENTOS

Una categoría muy importante de medicamentos tiene que ver



No hay un área más importante donde pueda aplicarse la nano-

tecnología que en la biomedicina. Los avances en la nano ciencia

y la nanotecnología actualmente se están utilizando en trata-

mientos contra algunas enfermedades como el cáncer. Y segu-

ramente lo que estamos aprendiendo hoy tendrá un impacto

importante en la medicina y en las ciencias de la salud en un

futuro no muy lejano. Una pregunta que podemos hacer es la

siguiente: ¿la nanotecnología puede extender nuestras vidascinco, 10 o 20 años?

Algunos desarrollos en la biomedicina a nivel nanoscópicotienen el potencial de crear nuevas generaciones de implantes

médicos que estén diseñadas para interactuar con el cuerpo,

que monitoreen la composición química de la sangre y, si es

necesario, que liberen ciertos medicamentos. Esto sería muy

útil para pacientes con enfermedades como la diabetes y el

sida, entre muchas otras. Actualmente se están diseñando hue-

sos, cartílagos y pieles artificiales que además de no ser recha-

zados por nuestro organismo, buscan ayudar a algunas partes

del cuerpo humano a regenerarse. Las nano estructuras po-

drían ser utilizadas para almacenar y transpor tar medicinas allugar exacto donde se necesiten; de esta manera se pretende

que mitiguen los efectos secundarios de los actuales medica-

mentos. En las siguientes líneas discutiremos algunas de estasinteresantes posibilidades.

con moléculas individuales que funcionan interaccionando

directamente con el ADN o con proteínas dentro del cuerpo.

Algunos ejemplos de ellos incluyen las medicinas contra el

cáncer, como el cisplatino. El cáncer surge cuando las células

de alguna parte del cuerpo comienzan a crecer sin control.

La mayoría de las veces, cuando el ADN se daña, la célula pue-de repararlo; de lo contrario se muere. En las células cancero-

sas el ADN no se repara y aun así las células siguen reprodu-

ciéndose. El objetivo de medicamentos como el cisplatino es

evitar que el ADN de las células cancerosas se multiplique.

Su función es formar enlaces con una de las cadenas del ADN y

de esta forma evitar su duplicación.

Como estas moléculas tienen tamaño nanométrico, el des-

arrollo de medicamentos es claramente una actividad en la na-

noescala. La nano ciencia y la nanotecnología han hecho posi-

ble que el descubrimiento de nuevas medicinas no sea un

proceso accidental.sida (síndrome de inmunodeficiencia adquirida) es cau-

sado por un virus llamado VIH (virus de inmunodeficiencia

humano). Aunque todavía no existe una cura para esta enfer-

medad, el estudio y entendimiento del VIH han jugado un pa-

pel muy importante en el desarrollo de tratamientos contra

este grave padecimiento. En 1989, utilizando difracción de ra-

yos X (recordemos que los rayos X son una forma de radiación

electromagnética y, por lo tanto, se difractan), científicos de-

terminaron la estructura cristalográfica de la proteasa VIH, una

enzima viral crítica en el ciclo de vida del VIH. Los farmaceu-tas tenían la idea de que al bloquear esta enzima se podría pre-

venir que el virus se esparciera por el cuerpo.

El conocimiento de la estructura de la proteasa VIH (figura

VIlI.l) permitió a los científicos no solamente ver en su com-

124 125

la nanotecnología nos presentan una nueva forma de mejorar

el transporte y la biodisponibilidad de las medicinas. Por ejem-

plo, podemos encapsular las moléculas en nano estructuras que



FIGURA Vlll. l . Modelo de la estructura atómica de la proteasa VIH.

putadora la forma como estaban arreglados los átomos de la

enzima, sino también realizar cálculos cuánticos para saber

qué moléculas sirven para bloquearla. Estas moléculas son ob-tenidas de bibliotecas químicas, diseñadas en computadoras o

sintetizadas en el laboratorio. Este diseño de medicamentos

basado en la estructura es muchísimo más barato y toma me-

nos tiempo que los procesos de ensayo y error. En el caso de

los inhibidores del VIH, éste funcionó, y en menos de ocho

años ya se tenían medicinas en el mercado.

Algo muy importante en la efectividad de los medicamen-

tos es que lleguen a los lugares donde van a ser útiles. Esto ha

sido bastante difícil y lo que se ha hecho hasta ahora es inun-

dar al cuerpo con una gran cantidad del fármaco. El problemamás serio de este método no es el desperdicio del medicamen-

to, sino los efectos secundarios que producen. Si tenemos un

dolor de cabeza muy fuerte y no lo calma una aspirina, no po-

demos tomarnos cien, pues nos moriríamos. La nanociencia y

sean biocompatibles, de tal manera que, cuando lleguen allu-

gar indicado, se abran y puedan salir las moléculas del medi-

camento.

En enero de 2005 la Foods and Drug Administration (FDA),

agencia federal de Estados Unidos que controla las medicinas

y los alimentos, autorizó el uso del abraxane, el primer trata-

miento médico que utiliza nanoestructuras, diseñado para tra-

tar el cáncer de seno.

Este nuevo avance de la nanotecnología y la medicina es

usado en pacientes en los cuales otras quimioterapias no fun-

cionan. El abraxane utiliza nanopartículas de la proteína albú-

mina para encapsular el fármaco paclitaxel y se introduce al

cuerpo por medio de inyecciones. Sin encapsularse, el pacli-

taxel requiere del uso de solventes que producen efectos se-

cundarios muy fuertes, como anemia y náuseas. La elimina-

ción de los solventes tóxicos además permite exponer más

células cancerígenas a la medicina.Cada nanopartícula de abraxane mide 130 nm de diáme-

tro, lo que le permite traspasar las membranas de los vasos

sanguíneos, pasar por la zona entre el vaso yel tejido del tumor,

y finalmente ser entregado al tumor cancerígeno. Algunos es-

tudios han demostrado que como la medicina encapsulada pe-

netra de manera más eficaz en el tumor, el abraxane puede.

ofrecer grados de respuesta mejores en las mujeres con cáncer

de mama.

También se ha pensado utilizar nanopartículas para obser-

var eltumor

y aplicar la medicina anticancerígena al mismotiempo. En este caso se pretende usar dendrímeros, los cuales

son moléculas esféricas poliméricas que pueden diseñarse a

escala nano métrica con mucha precisión.

Los dendrímeros cuentan con varias ramas o extremos li-

126 127

NANOTECNOLOGÍA PARA COMBATIR

BACTERIAS Y VIRUS



FIGURA VIII.2. Modelo de dendrímeros.

bres en los que se puede acoplar una gran variedad de molécu

las. En un experimento muy exitoso, investigadores de la Uni

versidad de Michigan, en Estados Unidos, incorporaronmoléculas fluorescentes en algunas ramas; en otras, se acopló

ácido fólico, una vitamina necesaria para el funcionamiento

celular, mientras que en otras más se aplicó metotrexate, una

poderosa medicina anticancerígena. Las moléculas del ácido

fólico se aferraron a las membranas celulares del tumor, las

cuales pensaron que era solamente una vitamina. Cuando eldendrímero cruzó la membrana celular, las moléculas fluores

centes permitieron ver los tumores, los cuales fueron destrui

dos por el fármaco. Los dendrímeros actúan como una analo

gía nano ecnológica del caballo de Troya.

Desde tiempos antiguos se ha utilizado la plata y sus compues

tos derivados en la medicina al aprovechar sus propiedades

tóxicas contra una gran variedad de microorganismos como

bacterias, virus y hongos, esto sin provocar efectos adversos en

las personas. Por ejemplo, los antiguos griegos sabían que el

agua se conservaba mejor cuando se almacenaba en recipien

tes de plata. Antes del descubrimiento de los antibióticos, eran

utilizados compuestos de plata para prevenir infecciones en las

heridas. Por eso no es sorprendente que nanopartículas de pla

ta puedan ser usadas como bactericidas ya que, en general, las

nanopartículas tienen una mayor actividad química debido a su

mayor cociente superficie/volumen. El descubrimiento de nue

vos bactericidas es muy importante, debido al reciente aumen

to de cepas de bacterias resistentes a los antibióticos. En la ac

tualidad, nanopartículas de plata son utilizadas como agentes

bactericidas en la instrumentación médica, por ejemplo, en

catéteres, implantes, etc., y también como agente cicatrizante ybactericida en vendajes, cremas y geles, o en la fabricación de

textiles con propiedades antimicrobianas que reducen la pro

liferación de hongos y bacterias en la ropa, con lo cual se eli

minan olores desagradables; asimismo, en la fabricación de

electrodomésticos como refrigeradores, lavadoras y aires acon

dicionados, yen pinturas y polímeros especiales para hospita-;

les y centros de salud, precisamente por sus propiedades anti

microbianas.En el campo de la medicina se está estudiando el empleo

de nanopartículas de plata para combatir los virus. Enfermedades graves como el sida, epidemias de influenza, como la

aviar, o recientemente la AHINl, son causadas por virus. Expe

rimentos sobre la interacción de nanoestructuras de plata con

el virus VIH han mostrado que partículas de tamaños entre

128 129

uno y 10 nanómetros se adhieren al virus. Imágenes de mi-

croscopía electrónica parecen indicar que las nanopartículas se

adhieren en sitios específicos del virus, lo que los deja impedi-

dos de enlazarse con las células. Esto último fue confirmado



con experimento in vitro.

NANOPARTÍCULAS EN TERAPIA

GENÉTICA PARA DESTRUIR TUMORES

Debido a que en última instancia el cáncer es una enfermedadque involucra los genes, por mucho tiempo se ha tenido la es-

peranza de encontrar un tratamiento genético para atacar los

tumores donde éstos sean más susceptibles. A la terapia gené-

tica se le atribuye el potencial de lograr tratamientos seguros y

efectivos contra el cáncer. Sin embargo, hasta ahora el proble-

ma ha sido llevar los genes a las células cancerosas. La nano-

tecnología ofrece una solución a dicho problema. Reciente-

mente, investigadores han desarrollado una nanopartícula

para transportar selectivamente genes antitumores a células

cancerosas. Este método, que no afecta a las células sanas, pue-de ser una esperanza para personas con cánceres difíciles de

tratar. Se utiliza un material llamado dendrímero Poli(propila-

mina) para llevar los genes. Estos dendrímeros forman com-

plejos estables con el ADN. Una vez dentro de las células can-

cerosas, los genes alojados en las nano partículas hacen que

las células produzcan proteínas, las cuales provocan su des-

trucción.

BIOSENSORES

En el capítulo n I hablamos sobre el ADN y vimos que tenía una

estructura de doble hélice formada por dos cadenas. Se llama

hibridización al proceso mediante el cual una porción peque-

ña de una cadena se enlaza con otra. Si, por ejemplo, queremos

FIGURA VIII.3. Nanopartícula de plata adherida al virus VIR.

(Fotografía: Journal ofNanobiotechnology, vol. 3, 2005, p. 6.)

saber si tenemos una estructura con la secuencia ACTGTTA, lo

podemos hacer usando la cadena complementaria TGACAAT,

ya que la primera solamente se hibridizará con la segunda.

este ejemplo tenemos una secuencia de siete bases (de cuatro.

posibles), lo que nos resulta en 47 16384 posibles combina-

ciones. Si aumentamos el tamaño de la secuencia a 15 bases, el

número de combinaciones aumenta a más de mil millones.

O sea, si tenemos un trozo de ADN de un virus o de una bacte-

ria, podemos analizarlo usando la cadena complementaria eidentificarlo con un error menor a uno entre mil millones.

Cuando ocurre la hibridización, se crea una doble hélice,

la cual tiene una masa más grande que la cadena sencilla. La

131

/

130

diferencia se puede medir con aparatos muy sofisticados. Esto

nos obliga a encontrar formas para amplificar los efectos de la

hibridización y hacer mediciones más sencillas. Es aquí donde

también la nanotecnología puede ayudar. En los capítulos 1 y v

~ El A.DN de prueba



hablamos de las nano estructuras de oro, las cuales tienen pro-

piedades muy diferentes a las del material macroscópico y,además, dependen del tamaño. Podemos utilizar los cambios

de las propiedades ópticas (color) en los nanopuntos de oro y

plata para amplificar los efectos de la hibridizacion en mues-tras de ADN.

Si por ejemplo queremos saber si una muestra contiene án-

trax, se unen algunos fragmentos de su ADN a nanopuntos de

oro o plata de aproximadamente 13 nm de ancho, los cuales sesuspenden en un líquido. Cuando se introduce una cadena del

ADN del material que se analiza, solamente si es ántrax, las par-

tículas de oro se unen a ellas y comienzan a formar cúmulos

de nanopuntos. Como resultado se tiene una nanopartícula

más grande, la cual tiene un color diferente. Con este método

es fácil reconocer si hubo hibridización y, en consecuencia,

identificar la muestra.

DECODIFICACIÓN DEL ADN

MEDIANTE EL USO DE NANOPOROS

La forma tradicional como se decodifica el ADN es mediante

marcadores químicos fluorescentes que se unen a cada una de

las cuatro bases que forman la secuencia genética del ADN.Con cámaras sofisticadas y software especializado se leen estos

marcadores para identificar los genes. Es un método que re-

quiere no solamente equipo de laboratorio costoso, sino tam-bién reactivos y muchas horas de tiempo de laboratorio. Por

ejemplo, el proyecto del genoma humano, el cual completó la

decodificación del mapa genético humano en 2003, costó

aproximadamente 300 millones de dólares.

132

~ >!>

~ ~ Sin el ADN de prueba

Con el ADNde prueba

FIGURA VIllA. Biosensor utilizando nanopartículas de oro o plata.

En los últimos años se está explorando el uso de poros na-

noscópicos como her ramientas para la decodificación del ADN.Dichos nanoporos generan una respuesta característica a cada

una de las cuatro bases cuando un trozo de ADN se mueve a

través del poro.

Una corriente eléctrica, enviada a través del nanoporo, res-

ponde de manera diferente a cada una de las cuatro letras que

forman el código genético, lo que permite a los científicos leer

en forma precisa cada una.

NANOGELES PARA CURAR NEURONAS

Los nervios dañados no se regeneran muy fácilmente y, cuan-do comienzan a hacerlo, el proceso es inhibido por la forma-

ción de cicatrices. Se ha propuesto usar la nanotecnología para

solucionar estos problemas. Investigadores de la Universidad

de Northwestern, en Estados Unidos, están empleando unas

133

pequeñas moléculas llamadas péptidos anfifílicos, las cuales

tienen dos partes: una cabeza formada por un péptido y un a

cola formada po r un hidrocarburo . A las cabezas se les pe

gan aminoácidos que favorecen el crecimiento de las neuro



nas y previenen la formación de cicatrices. Estas moléculas

están diseñadas para permanecer suspendidas en unas cuantas

gotas de líquido hasta que entran en contacto con las célu

las vivientes. Se auto-ensamblan en fibras con diámetros de

tamaño nanométrico que, combinadas conel

líquido enel

queestán suspendidas, forman un gel terapéutico. Algunos expe

rimentos con ratones que tenían la médula dorsal dañada,

los cuales se movían utilizando solamente sus patas delan

teras' mostraron que dos meses después de que recibían un a

inyección del gel, podían moverse de nuevo con sus cuatro

patas. Existe la posibilidad de que otros tratamientos simi

lares se puedan usar en los seres humanos. En experimentos

parecidos, en lugar de aminoácidos se están empleando

lulas madre con resultados igualmente prometedores.

QUEMANDO TUMORES

Una forma de destruir un tumor es quemándolo. Esto es difícil

de hacer sin dañar el tejido sano de los alrededores, especial

mente si el tumor está muy adentro del cuerpo. Investigadores

de la Universidad de Rice, en Estados Unidos, realizan estu

dios con na no esferas térmicas, las cuales son esferas de sílice

(plástico) recubiertas con oro.

El oro se utiliza por varias razones: es un metal inerte, pue

de absorber la luz, además de que es biocompatible con elcuerpo humano. Se usan unas esferas de aproximadamente

130 nm de diámetro, debido a que con este tamaño absorben

radiación en el infrarrojo cercano. Una radiación de esta fre

FIGURA VIII.5. Estudio sobre el efecto de nanoesferas para quemar

tumores de cáncer. (Fotografía: Technology in Cancer Research

and Treatment, vol. 3, 2004, p. 33.)

nano esferas son recubiertas con anticuerpos, los cuales se pue

den producir en grandes cantidades en el laboratorio y son

usados po r el cuerpo humano para detectar la presencia de

sustancias foráneas.Cuando las nanoesferas con anticuerpos se introdujeron

en el flujo sanguíneo de los ratones con cáncer, viajaron por elsistema circulatorio y se concentraron en los tumores de los

ratones. Al exponer los animales a la luz infrarroja, las nanoes

feras absorbieron energía y se calentaron, quemando los tumo

res y dejando intacto el tejido de alrededor. En estos experimen

tos, los ratones vivieron por el tiempo total del experimento

(60 días).En la figura VIIl.5 se muestra el efecto del procedimiento

en células cancerígenas in vitro (no en el cuerpo sino en el la

boratorio). En la izquierda se muestran las células sin las nano

esferas después de iluminarlas. En el centro se muestran las cé

lulas con las nanoesferas sin iluminarlas, ye n la derecha sei muestran las células con las nano esferas después de iluminar

~ . las con radiación infrarroja. Nótese que solamente en el último

cuencia puede penetrar dent ro del cuerpo sin dañarlo. Estas caso fueron destruidas las células cancerígenas.

135134

IMPLANTES ORTOPÉDICOS

Ya sabemos que gracias a la nanotecnología se están fabrican-

do nuevos materiales con propiedades especiales que pe rmiten

COMENTARIOS FINALES



emplearlos en un a gran variedad de aplicaciones comerciales.

Se espera que el empleo de la nanotecnología en materiales

biológicos resulte en avances igual de sorprendentes.

A diferencia de las aplicaciones en objetos, como naves es-

paciales o pelotas de tenis, los materiales utilizados en el cuer-

po humano deben adaptarse continuamente a los cambios di-

námicos que ocurren dentro de él. Por ejemplo, los huesos no

son materiales estáticos: a cada momento se están reparando

y reconstruyendo. Su material básico es la hidroxiapatita que

se secreta por las células que forman los huesos (los osteo-

blastos). El cuerpo humano constantemente está reabsor-

biendo esta sustancia y redepositando nuevo material en su

lugar. De esta manera se ajusta el grosor de los huesos en res-

puesta a los cambios de la distribución del peso dentro del

cuerpo.

Para minimizar la interferencia con el crecimiento normaly el funcionamiento de las celdas que lo rodea, los implantes

generalmente son fabricados con un material inerte que no re-

accione con el cuerpo. Sin embargo, muchas veces este objeti-

vo no se cumple. En los implantes tradicionales para rempla-

zar la rodilla, las células óseas desaparecen alrededor de la

interfase entre el implante y el hueso. Los materiales bioactivos

tienen la habilidad de interactuar con el tejido vivo y son los

más promisorios para formar una interfase muy fuerte y dura-

dera entre un implante y el tejido vivo que lo rodea. Algunos

de ellos han logrado simular tan bien el tejido óseo que el

cuerpo no considera al implante como una sustancia externa.

Se han desarrollado cementos artificiales nanoest ructurado s

que reaccionan con los fluidos del cuerpo para formar apatita,

la cerámica natural producida por el cuerpo humano.

Como hemos tratado de mostrar en este libro, la nanociencia y

la nanotecnología están cada vez más presentes en nuestra vida

diaria. Lo que hasta hace poco tiemp o se consideraba ciencia

ficción hoyes realidad. Productos y procesos que utilizan la na-

nociencia y la nanotecnología los pode mos enco ntrar en los

más diversos mercados: en artículos deportivos, en la cons-

trucción, en la elaboración de cosméticos y textiles, y particu-

larmente en el campo de la medicina. y esto es solamente el

comienzo: muchos científicos consideran que la importancia

de la nanotecnología enel

siglo XXI será similar a la Revolu-ción industrial que se vivió en el siglo XIX, o al desarrollo de la

industria electrónica en la segunda mitad del siglo xx.

Para que esta visión se cumpla, es necesario vincular e s t r ~ -chamente la nanotecnología con la sociedad, no sólo por sus

aplicaciones sino t ambién por su potencial para resolver los

problemas más urgentes de la humanidad, como la obtención

de recursos energéticos, el agua, las medicinas y los alimentos.

La investigación en nanociencia y nanotecnología es multi-

disciplinaria. En ella participan científicos de diversas áreas

como la física, la química y la biología; las ciencias sociales como

la economía, la ética y la filosofía, y las aplicadas, como la inge-

niería, la odontología y la medicina. En este libro no hemos

tocado temas relacionados con las ciencias sociales, los cuales

son tratados ampliamente en o tra clase de libros.

136137

A nivel mundial los países pioneros en nanotecnología son

los Estados Unidos, Japón y la Unión Europea. En los países en

vías de desarrollo, China y la India llevan la delantera. Sin em

bargo, México tiene grupos muy importantes que realizan es

~

BIBLIOGRAFfA



tudios en nanociencia y nanotecnología en sus principales uni

versidades y centros de investigación, como la Universidad

Nacional Autónoma de México, el Instituto Politécnico Nacio

nal, el Centro de Investigación y de Estudios Avanzados, el

Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica, la

Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, la Universidad

Autónoma de Nuevo León, el Centro de Investigación en Mate

riales Avanzados, la Universidad Autónoma de San Luis Potosí

y la Universidad de Sonora, por mencionar solamente algunos.

La investigación en nanociencia y nanotecnologia debe re

cibir apoyo del gobierno y de la iniciativa privada. Los científi

cos están llevando a cabo estudios de excelente calidad, los

cuales requieren un apoyo financiero que garantice el futuro

de estos proyectos. También es necesario que la mayoría de la

población conozca la importancia y el potencial que este nue

vo campo de la ciencia tiene para crear un mejor mundo mo-viendo átomo por átomo.

AGRADECIMIENTOS

Agradezco a la DGAPA-UNAM, al Fondo Mixto Conacyt-Baja

California y al Conacyt por su apoyo económico a través de

los proyectos PAPIME PE100709 YFondo Mixto de BC 117258 y

48549, respectivamente. También agradezco a Yuri Takeuchi,

Leonardo Morales de la Garza, Gregorio Hernández Cocoletzi

y Marisol Romo Favela por sus comentarios y sus correcciones.

LIBROS

Booker, Richard, y Earl Boysen, Na notechno logy for Dummies,

Wiley Publishing, Hoboken, New Jersey, 2005.

Delgado, Gian Carlo, Guerra por lo invisible: negocio, implicaciones

y riesgos de la nanotecnología, CEIlCH-UNAM, México, 2008.

Fritz, Sandy (comp.), Understanding Nanotechnology, Warner

Books, Nueva York, 2002.Ratner, Mark, y Daniel Ratner, Nanotechnology. A Gentle Intro-

duction to the Next Big Idea, Prentice Hall, Uppe r Saddle River, New Jersey, 2003.

INTERNET: UNAM

Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnológico: http://

www.cinstrum.unam.mx.Centro de Investigaciones Interdisciplinarias en Ciencias y Hu

manidades: http://www.ceiich.unam.mx.

Centro de Nanociencia y Nanotecnología: http://www.cnyn.

unam.mx.

Mundo Nano. Revista Interdisciplinaria en Nanociencias YNa-no tecnología: http://www.mundonano.unam.mx.

Proyecto Universitario de Nanotecnología Ambiental: http://

www.punta.unam.mx.

139

138

Red de Grupos de Investigación en Nanociencias: http://www.nano.unam.mx.

INTERNET: GENERAL

copy: From Birth to Adolescenee': Reviews ofModern Physics,

vol. 59, 1987, p. 615.Faivre, Damien, y Dirk Schüler, "Magnetotactic Bacteria and

Magnetosomes", Chemical Review, vol. 108,2008, p. 4875.

http://slidepdf.com/reader/full/www.cinstrum.unam.mx

http://slidepdf.com/reader/full/http://www.ceiich.unam.mx

http://www.cnyn/

http://slidepdf.com/reader/full/http://www.mundonano.unam.mx


http://slidepdf.com/reader/full/www.punta.unam.mx

http://slidepdf.com/reader/full/www.cinstrum.unam.mx

http://slidepdf.com/reader/full/http://www.ceiich.unam.mx

http://www.cnyn/


http://slidepdf.com/reader/full/www.punta.unam.mx

http://www/

http://slidepdf.com/reader/full/nano.unam.mx

http://www/

http://slidepdf.com/reader/full/nano.unam.mx



California Polyteehnic State University. The Nanoethics Group:http://www.nanoethics.org.

Center on Nanoteehnology & Society: http://www.nano-andsociety.org.

Comisión Europea. CORDIS Nanoteehnology: http://eordis.europa.eu/nanoteehnology.

Elsevier. NanoToday: http://www.nanotoday.eom.European Nanoteehnology Gateway. NanoForum: http://www.

nanoforum.org.International Council on Nanoteehnology: http://icon.rice.

edu.International Nanoteehnology and Society Network: http://

www.nanoandsociety.eom.National Caneer Institute. Allianee for Nanoteehnology in Can

eer: http://nano.eaneer.gov.N atíonal Nanoteehnology Initiative: http://www.nano.gov .Scientific American. Nanotecnología: http://www.sciam.eom/

nanoteeh.Small Times: http://www.smalltimes.eom.The Royal Society. Nanotechnology and Nanoscience: http:/

www.nanotec.org.uklindex.htm.

ARTÍCULOSCapítulo IV

Alonso-Núñez, Gabriel, "Nanoquímica: ingeniería de nanomateriales", Mundo Nano: Revista Interdisciplinaria en Nano-

ciencia y Nanotecnlogía, vol. 1, núm. 1,2008, p. 45.Binnig, Gerd, y Heinrich Rohrer, "Seanning Tunneling Micros

Falkenberg, G., R. 1. Johnson y N. Takeuchi, "Scanning Tunneling Microscopy and ab initio Calculations: c (4 x 8) Reconstruetions of Pb on Si and Ge (001)': Physical Review B,

vol. 64, 2001, p. 35305.Gardea-Torresdey, J. L., J. G. Parsons, E. Gómez, J. Peralta-Videa,

H. E. Troiani, P. Santiago y M. J. Yacamán, "Formation and

Growth of Au Nanoparticles inside Live Alfalfa Plants", Nano

Letters, voL 2, 2008, p. 397.Klaus, Tanja, Ralph Joerger, Eva Olsson y Claes-Goran Granq

vist, "Silver-based Crystalline Nanoparticles, Microbially Fabrieated", PNAS, voL 96,1999, p. 1361l.

Piner, Richard D., Jin Zhu, Feng Xu, Seunghun Hong y Chad A.Mirkin, "Dip-Pen Nanolithography", Science, vol. 283, 1999,

p.66l.

Rosano-Ortega, G., P. Schabes-Retchkiman, C. Zorrilla, H. B.Liu, G. Canizal, P. Ávila-Pérez y J. A. Aseencio, "Synthesis andCharacterization of Mn Quantum Dots by Bioreduction withWater Hyacinth", Journal ofNanoscience andNanotechnology,

vol. 6, 2006, p. 151.Rothemund, Paul W. K., "Folding DNA to Create Nanoscale

Shapes and Patterns", Nature, voL 440, 2006, p. 297.

Capítulo v

Kouwenhoven, 1. P., D. G. Austíng y S. Tarucha, "Few-electron

Quantum Dots", Reports on Progress in Physics, vol. 64,2001,p.701.

141

Capítulo VI

Geim, Andre, y Kostya Novoselov, "The Rise of Graphene':

Nature Materials, vol. 6, 2007, p. 183.

http://slidepdf.com/reader/full/http://www.nanoethics.org

http://www.nano-and/

http://slidepdf.com/reader/full/society.org

http://slidepdf.com/reader/full/http://eordis.eu

http://www.nanotoday.eom/

http://www/

http://slidepdf.com/reader/full/nanoforum.org

http://icon.rice/

http://www.nanoandsociety.eom/

http://slidepdf.com/reader/full/http://nano.eaneer.gov

http://slidepdf.com/reader/full/http://www.nano.gov

http://www.sciam.eom/

http://www.smalltimes.eom/

http://www.nanotec.org.uklindex.htm/

http://slidepdf.com/reader/full/http://www.nanoethics.org

http://www.nano-and/

http://slidepdf.com/reader/full/society.org

http://slidepdf.com/reader/full/http://eordis.eu

http://www.nanotoday.eom/

http://www/

http://slidepdf.com/reader/full/nanoforum.org

http://icon.rice/

http://www.nanoandsociety.eom/

http://slidepdf.com/reader/full/http://nano.eaneer.gov

http://slidepdf.com/reader/full/http://www.nano.gov

http://www.sciam.eom/

http://www.smalltimes.eom/

http://www.nanotec.org.uklindex.htm/



Iijima, Sumio, "Helical Microtubules of Graphitic Carbon':

Nature, vol. 354, 1991, p. 56.

Novoselov, Kostya S., AndreK. Geim, S. V. Morozov,D. Jiang, y.

Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva y A. A. Firsov, "Electric

Field Effect in Atomically Thin Carbon Films", Scienee, vol.

306, 2004, p. 666.

Numao, Shigenori, Shunji Bandow y Sumio Iijima, "Variable

range Hopping Conduction in the Assembly of Boron

doped Multiwalled Carbon Nanotubes': lournal of Physieal

Chemistry C, vol. 111, 2007, p. 4543.

Ozawa, Masaki, Hitoshi Goto, Michiko Kusunoki y Eiji Osawa,

"Continuously Growing Spiral Carbon Nanoparticles as the

Intermediates in the Formation of Fullerenes and Nano

onions': Journal ofPhysieal Chemistry B, vol. 106, 2002, p. 7135.

Ugarte, Daniel, "Curling and Closure ofGraphitic Networks under

Electron-beam Irradiation': Nature, vol. 359, 1992, p. 707.

Capítulo VII

Elechiguerra, J. L., J. L. Burt, J. R. Morones, A. Camacho-Bragado,

X. Gao, H. H. Lara y M. J. Yacamán, "Interaction of Silver

Nanoparticles with HIV 1 ': Journal of Nanobioteehnology,

vol. 3, 2005, p. 6.

Loo, Christopher, Alex Lin, Leon Hirsch, Min-Ho Lee, Jennifer

Barton, Naomi Halas, Jennifer West y Rebekah Drezek,

"Nanoshell-enabled Photonics-based Imaging and Therapy

of Cancer': Teehnology in Caneer Researeh and Treatment,

vol. 3 (Adeninepress, Nueva York, 2004), p. 33.

Nanaciencio y nanateena/agio: /a co/1strucción

de un mundo mejor átomo por átomo, de Noboru Takeuchi,

se terminó de imprimir y encuade rnar en diciembre de 2009

en Impresora Encuadernad ora Progreso, S. A. de C. v. (IEPSA),

San Lorenzo, 244; 09830, México, D. F.En su composición, elaborada por Guillermo Carmana Vargas

en el Departamen to de Integración Digital del FeR,

se utilizaron tipos Minion Pro de 11: 14, 10:14 y 9:10 puntos.

El diseño de la portada es de Paola Álvarez Ba/dí/.

La edición, al cuidado de Julio Gallardo Sánchcz, consta de 30 00 ejemplares.

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