nanomateriales son materiales con propiedades morfológicas más pequeñas que un micrómetro en al menos una dimensión.1 A pesar del hecho de que no hay consenso sobre el tamaño mínimo o máximo de un nanomaterial, algunos autores restringen su tamaño de 1 a 100 nm, una definición lógica situaría la nanoescala entre la microescala (1 micrómetro) y la escala atómica/molecular (alrededor de 0.2 nanómetros).
Un aspecto único de la nanotecnología es la enorme razón de superficie a volumen presente en muchos materiales en nanoescala que propicia la aparición de nuevos efectosmecánico cuánticos, por ejemplo, el "efecto de tamaño de cuanto" en el que las propiedades electrónicas de los sólidos se ve alterada con una gran reducción en el tamaño de las partículas. Este efecto no tiene importancia al ir de macro a micro dimensiones. Sin embargo, se vuelve dominante cuando la nanoescala es alcanzada. Además, variaspropiedades físicas cambian cuando se compara con sistemas macroscópicos. Las nuevas propiedades de los nanomateriales es el sujeto de la investigación nanomecánica. Sus actividades catalíticas revelan novedosas propiedades en la interacción con biomateriales.
La nanotecnología puede ser imaginada como la extensión de las disciplinas tradicionales hacia la consideración explícita de las mencionadas propiedades. Además, las disciplinas tradicionales pueden ser reinterpretadas como aplicaciones específicas de nanotecnología. Esta reciprocidad dinámica de ideas y conceptos contribuye a la comprensión moderna del campo. Ampliamente hablando, la nanotecnología es la síntesis y aplicación de ideas provenientes de la ciencia y la ingeniería hacia la comprensión y producción de materiales y dispositivos novedosos.
Los materiales reducidos a la nanoescala pueden súbitamente mostrar propiedades muy diferentes a las que exhiben en una macroescala, posibilitando aplicaciones únicas. Por ejemplo, sustancias opacas se vuelven transparentes (cobre); materiales inertes se transforman en catalizadores (platino); materiales estables se transforman en combustibles (aluminio); sólidos se vuelven líquidos a temperatura ambiente (oro); aislantes se vuelven conductores (silicona). Materiales como el oro, que es químicamente inerte en escalas normales, pueden servir como catalizadores a nanoescalas. Mucha de la fascinación que produce la nanotecnología proviene de estos peculiares fenómenos cuánticos y de superficie que la materia exhibe en nanoescala.
Partículas de polvo de tamaño nanométrico (también llamadas nanopartículas) son potencialmente importantes en la cerámica y la pulvimetalurgia, el logro de nanoporosidad uniforme y otras aplicaciones similares. La fuerte tendencia de pequeñas partículas de formar grupos es un serio problema tecnológico que impide tales aplicaciones. Sin embargo, algunos dispersores como el citrato de amoníaco (acuoso) y el alcohol oleico (no acuoso) son aditivos prometedores para la desaglomeración.Son materiales a nanoescala. Materiales con características estructurales de una dimensión entre 1-100 nanómetros.
Los nanomateriales pueden ser subdivididos en nanopartículas, nanocapas y nanocompuestos. El enfoque de los nanomateriales es una aproximación desde abajo hacia arriba a las estructuras y efectos funcionales de forma que la construcción de bloques de materiales son diseñados y ensamblados de forma controlada.
Un reciente informe de Small Times predice un fuerte crecimiento de los denominados nanomateriales. En el mismo se comentan los diferentes tipos existentes en la actualidad (tales como las nanoarcillas para reforzar plásticos) o los nanotubos de carbono para agregar conductividad a varios materiales.
Muchos de estos avances los están llevando a cabo empresas norteamericanas pequeñas y medianas en colaboración con empresas líderes.
Existen tres categorías básicas de nanomateriales desde el punto de vista comercial y desarrollo: óxidos metálicos, nanoarcillas y nanotubos de carbono. Los que más han avanzado desde el punto de vista comercial son las nanopartículas de óxido metálico.
Resulta paradójico que las soluciones de futuro para el mundo, en lo que se refiere a la producción de los nuevos materiales que servirán de base a las infraestructuras tecnológicas que regirán la vida de las generaciones venideras, no sean visibles para el ojo humano. Los materiales llamados a recoger el testigo de viejos conocidos como el silicio, el semiconductor sin el que no se podría entender la informática, se encuentran en escalas nanométricas, precisamente porque una propiedad general de los materiales es que cuando se llega a la nanoescala aparecen nuevas propiedades, generalmente sorprendentes.
Por eso, desde hace décadas, cada vez que se descubre un nuevo material en los laboratorios, estalla un entusiasmo generalizado, primero en la comunidad científica, después en los medios de comunicación y finalmente en la sociedad. Los investigadores no mienten cuando describen sus propiedades y posibles aplicaciones, generalmente revolucionarias, pero desde la ciencia básica al mundo real hay un largo trecho donde muchos mitos se diluyen y también se producen sorpresas. Un material destinado a usos electrónicos, puede terminar siendo clave en el campo de la mecánica.
Lo que a estas alturas queda fuera de toda duda es que el carbono se ha convertido en el padre absoluto de los mejores nanomateriales. Su versatilidad a la hora de combinarse en diversas geometrías, con múltiples organizaciones de sus átomos, ha generado una familia numerosa de nuevos materiales que podrán cambiar, tarde o temprano, el mundo.
1. Puntos cuánticos: el sol en la Tierra
Se trata de un nanomaterial cerodimensional con forma esférica. Se descubrieron a finales de los 80, pero están cobrando importancia en la actualidad porque se han encontrado formas sencillas para su fabricación, mediante procesos de disolución. Una de sus principales propiedades es que es capaz de absorber todos los colores del espectro electromágnetico de la luz solar. El astro suma los siete colores del arcoiris, además de proyectar haces infrarrojos e ultravioleta.
En ese sentido, se esperan importantes aplicaciones en el campo de la iluminación, de tal manera que los distintos nuevos tipos de focos y bombillas que utilice el ser humano imiten, de algún modo, al sol, aprovechando que, gracias a los puntos cuánticos, puede jugarse con el espectro lumínico. No obstante, su aplicación estrella es la fabricación de células solares mucho más eficientes y baratas, teniendo en cuenta que con las actuales, de silicio, solamente se absorbe uno de los componentes del espectro solar, desperdiciando el resto. De momento, aún se está trabajando en esa dirección en los laboratorios y no se ha desarrollado una producción comercial de este tipo de células.
2. Nanotubos de carbono: el futuro de la construcción
A diferencia del anterior, se trata de un nanomaterial -derivado del carbono-monodimensional. Desde los años 70, se había posicionado como un nuevo material con muchas posibilidades en el campo de la electrónica, pero a día de hoy son sus excelentes propiedades mecánicas las que están dando origen a aplicaciones reales.
Es cien veces más fuerte que el acero y entre seis y diez veces más ligero. Además, es elástico. Por eso se utiliza ya en la fabricación de determinados productos de uso cotidiano, por ejemplo artículos deportivos como pueden ser bicicletas o raquetas. No es necesario que el artículo esté íntegramente fabricado a base de nanotubos de carbono, sino que basta con añadir una serie de trazas para que el producto resultante sea más ligero y resistente. En el campo de laconstrucción a gran escala, todavía no ha llegado al mercado, pero es de esperar que las estructuras del futuro incorporen el material para aprovechar sus propiedades.
3. Grafeno: la esperanza de la electrónica
En su caso, el material de moda por excelencia, es de tipo bidimensional. En esencia, es como una lámina de papel, transparente y con el espesor de una única capa atómica, por eso se trata de un material ultraligero. Lo que se espera del grafeno desde su descubrimiento es el aprovechamiento de sus propiedades en el campo de la electrónica, donde está llamado a cambiar las reglas de la computación, permitiendo la construcción de ordenadores más rápidos.
Los medios de comunicación han convertido el nanomaterial, también derivado del carbono, en una estrella mediática, haciéndose eco de prácticamente cada una de las nuevas aplicaciones que se descubren en los laboratorios del mundo. Tras el entusiasmo inicial, se ha generado una corriente de escepticismo, fruto de la impaciencia ante la falta de resultados reales y, sobre todo, de la saturación informativa. En la actualidad, el principal reto al que se enfrenta el grafeno, como la mayoría de nuevos materiales, es su producción a gran escala a bajo coste, algo que ya se está empezando a hacer en España.
4. Nanocelulosa: la alternativa ecológica
Es una de las opciones más exóticas y originales entre los nuevos materiales, sobre todo porque su origen está en la madera. Es resistente y, además, igual que el grafeno, posee muchas propiedades electrónicas. Se obtiene a partir de la compresión de fibras vegetales o a través de cultivos naturales donde distintos tipos de bacterias lo producen de forma autónoma, aunque hasta ahora con altos costes y dificultades para generar grandes cantidades de nanocelulosa.
La última novedad, introducida por los científicos de la Universidad de Texas, con el investigador Malcolm Brown a la cabeza, es la posibilidad de utilizar un determinado tipo de alga para producir el material de forma natural, sin necesidad de nutrientes. Sólo se necesitaría luz solar y agua, algo que significaría una auténtica revolución, no sólo por lo ecológico del proceso sino también por la reducción radical de los costes.
5. Fluoreno: un mito eclipsado
Como los puntos cuánticos, es un nanomaterial cerodimensional y forma esférica, en este caso obtenido a partir del carbono. Geométricamente, es una especie de balón que en sus vértices tiene átomos de carbono y en sus aristas enlaces químicos. Se descubrió antes que los nanotubos de carbono y el grafeno, y sus descubridores, como ha ocurrido con el nuevo material de moda, también fueron merecedores del Premio Nobel.
En su momento, parecía que iba a cambiar el mundo, pero el tiempo ha devuelto a sus defensores a posiciones más realistas. Su aplicación más relevante, hoy por hoy, es su utilización en el campo de las células solares. El fluoreno ha permitido crear plásticos conductores de electricidad, hito que ha permitido la creación de células solares orgánicas, a base de carbono, y también flexibles. A día de hoy, muchos investigadores siguen trabajando con el fluoreno a nivel de ciencia básica. Sin duda, sus hermanos pequeños, los nanotubos de carbono y el grafeno, le han eclipsado.
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