Objetos nanométricos

En este nuevo artículo vamos a tratar algunos de los objetos más pequeños jamás conocidos, de los que os comenzamos hablando en nuestro artículo Nociones básicas de nanofísica. A diferencia de los objetos macroscópicos que estamos acostumbrados a ver, que tienen sus tres dimensiones de un tamaño mínimo del orden de milímetros, los objetos nanométricos tienen al menos una dimensión del tamaño de un nanómetro. En función de cuántas dimensiones de este tamaño contenga el objeto podemos clasificarlo como sistema 2D (una dimensión nanométrica), sistema 1D (dos dimensiones nanométricas) o sistema 0D (tres dimensiones nanométricas), como se puede apreciar en la siguiente figura:

Figura 1: Tamaño de los sistemas 3D, 2D, 1D y 0D.

En los objetos nanométricos, la fracción de átomos presentes en su superficie con respecto a los presentes en su volumen aumenta significativamente con respecto a los objetos macroscópicos, lo que hace que este tipo de objetos tengan propiedades especiales que iremos desarrollando a lo largo del artículo.

Los objetos nanométricos de los que vamos a hablar son los siguientes: las nanopartículas, los nanohilos, el grafeno, los nanotubos de carbono y el C60.

Nanopartículas

Son objetos 0-dimensionales cuyo tamaño se encuentra entre 1 y 100nm. Se forman de la siguiente manera:

  1. La primera capa está formada por grupos de 3 átomos que forman triángulos.
  2. La segunda capa de átomos se coloca sobre los huecos que hay entre los átomos de la primera capa.
  3. Los átomos de la tercera capa tienen dos posibilidades al colocarse sobre los huecos de la segunda capa: coincidir con un átomo de la primera capa o con un hueco también de la primera capa. En el primer caso, adaptan la estructura cristalina hcp (hexagonal close-packed) y en el segundo caso adoptan la estructura fcc (face-centred cubic). Las nanopartículas de elementos como Au, Cu, Ag o Al cristalizan en fcc, las de Mg, Os, Re o Zn lo hacen en hcp y las de Nb, Ta, Cr o Mb lo hacen en bcc.
Figura 2: Estructuras cristalinas bcc, fcc y hcp (Fuente: Encyclopaedia Britannica).

Una de las propiedades más características de las nanopartículas es que para un mismo compuesto, cambian de color con el tamaño, como se muestra a continuación para nanopartículas de CdSe ordenadas en orden creciente de tamaño:

Figura 3: Nanopartículas de CdSe iluminadas con luz UV (arriba) y con luz natural (abajo) junto con su espectro de absorción. (Fuente: https://archive.education.mrsec.wisc.edu/background/quantum_dots/index.html ).

Otra interesante propiedad de las nanopartículas es que para ciertos números de los átomos que las conforman, denominados números mágicos, las nanopartículas son especialmente estables. Estos números coinciden con los átomos que hay en una nanopartícula al ir añadiéndolos capa a capa. Por ejemplo, en la estructura fcc hay un átomo rodeado por otros 12, al añadir 42 átomos en la segunda capa habría 55 en total, siendo los números mágicos 1, 12 y 55.

Las nanopartículas se pueden estudiar por ejemplo con los microscoscopios de campo cercano o con los microscopios electrónicos, tal y como se muestra a continuación:

Figura 4: Nanopartículas de Au (izqda.) estudiadas en un microscopio de electrones SEM y nanopartículas magnéticas estudiadas en un microscopio de fuerzas MFM. (Fuente: Nanova (izqda.) yTeam Nanotec (dcha.))

Las nanopartículas tienen aplicaciones tales como: catalizadores para absorber el CO y oxígeno, posible tratamiento del cáncer al situarlas y calentarlas sobre un tumor, mejora de eficiencia de los láseres, etc.

Nanohilos

Los nanohilos son cilindros cuyo radio está entre los 5 y los 500 nm y cuya longitud llega a ser de hasta 60μm, siendo por lo tanto sistemas 1-dimensionales. Dado que el recorrido libre medio de los portadores de carga en dos de sus dimensiones es mayor que el tamaño del elemento en la tercera, los efectos de transporte están confinados en una dimensión espacial.

Los nanohilos conducen peor la electricidad que el correspondiente material del que están hechos cuando éste tiene dimensiones macroscópicas debido a los efectos de borde, por lo cuales los electrones de la superficie están menos ligados que los que se encuentran en el interior. Además, la conductancia (el inverso de la resistencia eléctrica) está cuantizada, es decir, el transporte por el nanohilo se realiza a través de un solo electrón (transporte balístico), como explicamos en el artículo Single electron transistor (SET).

Para estudiar nanohilos se usan también las técnicas de microscopías de campo cercano así como los microscopios electrónicos. Un ejemplo de esto lo podemos ver en las siguientes imágenes:


Figura 5: Nanohilos semiconductores (izqda.) estudiados en un microscopio de electrones SEM y nanohilos magnéticos de AuNiAu estudiados en un microscopio de fuerzas MFM. (Fuente: Alami (izqda.))

Respecto a sus propiedades mecánicas, los experimentos con microscopía de fuerzas atómicas y la mecánica cuántica muestran resultados diferentes acerca de si el módulo de Young (parámetro de un material proporcional a la tensión ejercida sobre él e inversamente proporcional a la deformación que sufre) depende o no del radio de los nanohilos.

Los nanohilos magnéticos tienen potenciales aplicaciones para el almacenamiento de datos en forma de memorias “racetrack” de grabado de información mediante magnetorresistencia gigante, tratamiento contra el cáncer (ya que viajan mejor por el torrente sanguíneo que las nanopartículas, debido a su forma alargada), uso como cilios artificiales, etc. Los nanohilos semiconductores se emplean en electrónica como elementos de circuitos como el MOSFET (transistor de efecto campo).

Grafeno

Como ya os comentamos en el artículo sobre grafeno, éste es una monocapa bidimensional de átomos de carbono colocados en una red hexagonal en forma de panal de abeja. Tiene propiedades extraordinarias, entre las que se encuentran: transparencia, alta flexibilidad, elasticidad y conductividad térmica y eléctrica, ligereza e impermeabilidad.

Figura 6: Grafeno medido con un microscopio de efecto túnel. (Fuente: M.M Ugeda, I. Brihuega, A.J. Martínez-Galera and J.M.Gómez – UAM)

Nanotubos de carbono

Los nanotubos de carbono se forman enrollando una lámina de grafeno. En función de cómo se corte ésta para ser enrollada existen tres tipos de nanotubos: armchair, zigzag y chiral:

Figura 7: Formas de cortar un nanotubo de carbono. (Fuente: Enrique García Míchel – UAM)

Las propiedades electrónicas de los nanotubos dependen de la forma en la que se hayan cortado: los nanotubos armchair son metálicos y los zigzg son aislantes. Además, cuanto mayor sea el diámetro del nanotubo, más carácter aislante tendrá.

Los nanotubos de carbono pueden estar formados por una capa, por dos o por muchas más (nanotubos de carbono multi-capa):

Figura 8: Nanotubos de carbono con varias capas.

Se usan como elementos de un circuito electrónico: conductores balísticos, contactos intermoleculares y como transistores de efecto campo.

C60

La molécula de  cristaliza en estructura bcc y fue el primer fulereno descubierto (molécula compuesta exclusivamente por carbono). Tiene un nanómetro de diámetro y consta de 60 átomos de carbono colocados en forma de balón de fútbol en los que sus enlaces forman un ángulo de 120º. Es una molécula funcionalizada, ya que permite enlazarse a otros elementos, especialmente a los alcalinos, y cambiar sus propiedades.

Figura 9: Molécula de C60.

BIBLIOGRAFÍA:

Apuntes y diapositivas del profesor Enrique García Míchel de la asignatura “Nanofísica” de 4º del Grado en Física de la Universidad Autónoma de Madrid.

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