3-Propiedades Nano 12b

7/18/2019 3-Propiedades Nano 12b

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En el caso de semiconductores

convencionales, si un fotnincidente tiene una energa

superior a la banda prohibida del

material, un electrn se puedeexcitar desde la banda de valencia

a la banda de conduccin vaca.

En estas condiciones, se absorbeun fotn, mientras que se forma unhueco en la banda de valenciacuando el electrn salta a la banda

de conduccin (Fig. 3.2!.

"anomateriales #

3.5. Propiedades pticas

Fig. 3.28$reacin de un electrn % unhueco en un material semiconductor

convencional.


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&nversamente, si un electrnde la banda de conduccin regresaa la banda de valencia % se recombinacon un hueco, se libera unfotncon la misma energa de la banda prohibida delsemiconductor (Fig. 3.2'!.

in embargo, a bajastemperaturas, los semiconductoresdeingenieraa menudo muestran absorcinptica)usto deba)o dela banda de energa.

Este proceso est* asociado con la formacin de un electrn% el

huecoligados entre s, que se llama unexcitn

.$omo cualquier otra partcula, el ecitntiene movilidad % porlo tanto se puede mover libremente a trav+s del material.

"anomateriales $ap. 3. rop. de "anomateriales 2



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Fig. 3.2!Emisin de un fotn por la recombinacin del par electrn-hueco


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la unin entre el electrn % el hueco surge de la diferenciaen la

carga el"ctrica del electrn (negativo! % el hueco (positivo!,dando lugar a una fuer#ade atraccinde $oulombentre las dos

partculas (Fig. 3.2!, que se puede escribir como

donde

ees la carga del electrn,

es la constante diel+ctrica del espacio libre %

res la distancia de separacin entre el electrn % el hueco.

"anomateriales $ap. 3. rop. de "anomateriales /


(3.0!


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Esta interaccinelectrost%ticareducela energanecesaria parala formacin del ecitn, con respecto a la energa del electrnno enla1ado % del hueco (energa de la banda prohibida!, elevando

los niveles de energa m%scercaa la bandade conduccin(Fig.3.3!.



Fig. 3.3&"iveles de energa de un excitn.

a energa de enlaceEde un excitn esigual a la diferencia entre la energa

necesaria para crear un electrn libre % un

hueco libre % la energa para crear un

excitn.


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$omo resultado, aumentael radio de 'ohr.

El nuevo radio de ohr, que se define como el radiodel ecitn,se puede expresar por

donde

es la constante diel+ctrica,

rBes el radio de ohr en la ausencia de un excitn,

m0es la masa de un electrn libre,

mees la efectiva masa del electrn,

mhes la masa efectiva del hueco, % es

0la constante diel+ctrica del espacio libre.



(3.0!


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a 5abla 3.# enumera varios semiconductores % sus

correspondientes di%metros de ecitn % las energas de labandaprohibida.

$omo el radio del eciton tiene dimensiones de nanoescala(5abla 3.#!, por lo tanto, puede estar confinado en un

nanomaterial.En general, los efectos de la nanoescala en la absorcinpticaest*n asociados con

la densidad de estados en las bandas de valencia % de conduccin

(densidad de estado unida!,

los nivelesde energa(uanti#adosde la nanoestructura, %

la influencia de los efectos ecitonicos.




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"anomateriales $ap. 3. rop. de "anomateriales


)abla 3.* 7i*metros ohr del Excitn % Energas de la anda rohibida de

8arios de emiconductores


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os primeros dos efectos se aplican a materiales pticos de

ingeniera.

9 medida que el nanomaterial cambia de 3-7 a -7 % elconfinamientocu%nticoes m*s intenso, la densidadde estadosse convierte en m*s (uanti#ada % la banda prohibida delmaterial cambia de posicin hacia las energas m%s altas(longitudes de onda m*s cortas!.

$omo resultado, se produce un despla#amientohaciael a#ulen

el espectro de absorcin a medida que el tama:o del nanomaterialdecrece, mientras que ocurre un despla#amiento hacia el rojopara un incrementoen el tama:o.

"anomateriales $ap. 3. rop. de "anomateriales '



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"anomateriales $ap. 3. rop. de "anomateriales #


Fig. 3.3*Espectros de absorcin ptica atemperatura ambiente de nanocristales be

con di*metros (a! 3 nm, (b! 3,0 nm, (c! /,0

nm, (d! 0 nm, (e! 0,0 nm, (f! 6 nm, (;!

nm, % (h! ' nm.

Este efecto es visible en laFig. 3.3#, que muestra el

espectro de absorcin de

nanocristales be.


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a regin m*s alta de absorcin de energa (longitud de onda

m*s corta!, llamada elborde deabsorcin, es desviada hacia ela#ula medida que se reduce la dimensin de confinamiento.

9dem*s, la distancia entre los picos tiende a aumentar con eltama+o decreciente de la partcula debido al dispersin de losniveles de energa.

or


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ara comprender la influencia de los ecitones, se pueden

identificar dos regmenes de confinamiento, a saber, unconfinamientod"bil% un r+gimen de confinamientofuerte.

Estos estados d+biles % fuertes est*n determinados por la gradodeacoplamientoentre el electrn% el huecodel ecitn, que est*relacionado con la proporcin entre las dimensiones delnanomaterial% el radiodel ecitn.

En el caso del confinamiento d"bil, las dimensiones del

nanomaterial son ma%ores que el radio del exciton poraproximadamente unas pocas veces, % de esta manera el electrn% el huecoson tratados como un parcorrelacionado.

"anomateriales $ap. 3. rop. de "anomateriales #2



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En estas condiciones, la interaccin $oulombica entre elelectrn % el hueco conduce a un incremento de la energa deenlace del exciton (diferencia de energa entre el estado mnimo

del exciton % el limite de la banda de conduccin!.

Esto produce un despla#amientode los picos del ecitnhacia ela#ul, como se muestra en la Fig. 3.3#.

7e esta manera un grado m%salto de confinamiento, como, pore)emplo, desde una pelcula de nanoescala a un nanoalambre,

conduce a un incrementode la energade enlacedel eciton, locual debera ser visible en el espectro de absorcin.




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$uando las dimensiones de los nanomateriales son m%spe(ue+asque el radiodel ecitn, el ecitondejade eistir.

ara materialessemiconductoresde ingeniera, los espectrosdeabsorcin de ecitones se pueden observar a bajas

temperaturas, pero son usualmente demasiado d+biles para serobservados a temperatura ambiente.

in embargo, en los nanomateriales, a medida que se incrementa

el confinamiento, aumenta la energa de enlace del exciton, lo cual

reduce la posibilidad de ioni1acin del exciton a temperaturas m*saltas.

"anomateriales $ap. 3. rop. de "anomateriales #/



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$omo consecuencia, los estados fuertes excitonicos aparecen en

los espectros de absorcin de nanomateriales a temperatura

ambiente.

=asta ahora se ha explicado la absorcin ptica de nanomateriales

semiconductores.

in embargo, como se muestra en la Figura 3.2', la emisin ptica

tambi+n se puede producir si el electrn % el hueco se recombinan,

conduciendo a la generacin de un fotn.




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i la energa del fotn est* dentro de #. e8 a 3.# e8, la lu1

emitida est* en el rango visible, se produce el fenmenodenominado luminiscencia.

7ebido al confinamiento cu*ntico de los nanomateriales, laemisin de lu# visible puede ser reajustada variando las

dimensiones de la nanoescala.

a tendencia tpica es el despla#amiento del pico de emisinhacia longitudes de onda cortas (despla1amiento hacia el a#ul! amedida que decreceel tama:o del nanomaterial.

Este fenmeno es claramente visible en las Figuras 3.32 % 3.33.




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a Fig. 3.32 muestra los espectros de fotoluminiscencia para

nanoparticulas de $de->n de tama:os diferentes.

?ientras m*s peque:o el tama:o de la nanoparticula, m*s corta es

la longitud de onda de lu1 visible que es emitida.



Fig. 3.32Espectros de emisin depuntos cu*nticos de $de->n con

diferentes tama:os.


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a Fig. 3.33 muestra el efecto de fotoluminiscencia de

nanoparticulas de $de de tama:os diversos, que cubre el

espectro visible entero.

7ebido al confinamiento cu%ntico, el despla#amiento desde el

a#ulhacia el rojomostrado en la Figura 3.33 concuerda con unincrementoen el tama+ode la nanoparticula.

9l respecto, un asunto de importancia es el uso de una

distribucin homog"nea de nanopartculas, porque

fluctuaciones en el tama:o % la composicin puede conducir a unapropagacin de inhomogenea de los espectros pticos.




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"anomateriales $ap. 3. rop. de "anomateriales #'


Fig. 3.33Fotoluminiscencia de puntos cu*nticos de $de de varios tama:os


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9dem*s de los nanomateriales semiconductores, las propiedades

pticas de los nanomateriales met%licos tambi+n son afectadospor nanoescala.

@n buen e)emplo de ello es el oro, que tiene un color amarillentoen la escala normal, mientras que una nanopartcula de orotienen un color ro)o rub, p


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os plasmones son ondas cuanti#adas que se propagan en losmateriales en la forma de una grupo de electrones mviles(plasma cu*ntica que consiste de electrones tanto deslocali1ados

como locali1ados! que se generan cuando un gran n


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os plasmones puede existir en el interior as como en la

superficiede los metales.

Entre +stos, los plasmonessuperficialesson los m*s importantespara los nanomateriales.

os plasmones superficiales tienen frecuenciasm*s bajasque losplasmones interiores % por lo tanto pueden interactuar con losfotones.

7e hecho, cuando los fotones se acoplan con los plasmones

superficiales (polaritones de plasmones superficiales!, seproducen en la superficie del material regiones alternantes decargas positivas % negativas, lo que generar* un campoel"ctricode plasmones(Fig. 3.3/!.




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En otras palabras, los

plasmones,polaritonessuperficialesson esencialmenteondasde lu#que se encuentranatrapadasen la superficie delmaterial, como resultado de las

interacciones entre la onda

incidente % los electrones libres

existentes.



Fig. 3.3-7ifusin de plasmones superficiales


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os polaritones de plasmones superficiales no se pueden

producir en superficies met%licas planas en contacto con elaire, sobre todo porque el impulso de la lu1 es diferente alimpulso de los plasmones superficiales.

or lo tanto, para causar un cambio en el momento, se colocaunafina capade metalentredosmaterialescon diferentes ndices derefraccin.

7e esta manera, si el *ngulo de incidencia de la lu1 sobre el

material con ma%or ndice de refraccin excede a un %ngulocrtico, se pueden propagar ondas evanescentes polaritones deplasmones superficiales a lo largo de la capa met*lica.

"anomateriales $ap. 3. rop. de "anomateriales 2/



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trat"cnicapara inducir polaritones de plasmones superficialeses disponer de un material de superficie%spera.

Esto se puede hacer de dos maneras, a saber, mediante la creacin

de elementos lineales en paralelo sobre la superficie de lamaterial o con una rugosidadsuperficialaleatoria.

os polaritones de plasmones superficiales se pueden utili#arpara producir una transmisinetraordinaria.

Es un fenmeno por el cual una capamet%licaque tiene una serie

de agujeros de tama:o % periodicidad especficos puedentransmitirm%sde lu#de determinada energa de lo previsto.




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a ra1n de este comportamiento radica en la resonancia

generada entre la lu# incidente% los polaritones de plasmonessuperficialesen el lado de incidencia de la pelcula, haciendo quelos polaritones de plasmones superficiales se propaguen al otrolado de la pelcula % transmitir lu1.

trotipode plasmones superficiales, que tambi+n es relevante enla nanoescala, se compone de plasmones superficialeslocali#ados.

Estos plasmones son ondas de electrones colectivos que ocurren

peque:os vol


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Fig. 3.35lasmones superficialeslocali1ados.

@na condicin necesaria para laexistencia de los plasmones

superficiales locali1ados es que la

longitudde ondade la lu#incidentedebe ser ma/orque el tama:o de la

nanopartcula.i esto ocurre, el campo el+ctrico de

la lu1 incidente puede inducir undipoloel"ctricoen la nanopartculamet*lica, como se muestra en la Fig.

3.30.


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a longitud de onda de la lu# necesaria para inducir la

generacinde plasmonessuperficialeslocali#adosdependedeltama+ode las nanopartculas, as como la forma% composicin.

"ormalmente, a medida que disminu/e el tama+o de laspartculas, aumenta la frecuencia de resonancia de los

plasmones(disminu%e la longitud de onda de la lu1!, lo que llevaa un corrimientoal a#ulen el espectro.

or lo tanto, se puede lograr diferentescolorescon el ajustedeltama+o.

in embargo, para el caso de nanopartculasesf"ricasde oro%plata, sus longitudes de onda de los plasmones no cubren todo elespectro visible




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9s, son necesarias nanopartculas con diferentes formas,

aunque es mucho m*s difcil producir geometras no esf+ricas.@n efecto importante de la forma est* relacionado a si losnanomateriales son 2-7, #-7, o -7.

En el caso de un nanomaterial 2,0 existen plasmones

longitudinales a lo largo del plano de la ho)a % una plasmntransversalen el espesor.

ara un nanomaterial *,0, existe un plasmn longitudinal a lolargo del e)e longitudinal, mientras que existen plasmonestransversalesen el di*metro del material.

9 medida que se reduce el di*metro, se espera un cambiohacia ela#ul.

"anomateriales $ap. 3. rop. de "anomateriales 2'



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En el caso de nanomateriales &,0, la produccin de formas no

esf"ricasbien definidas suele ser bastante difcil, pero son de graninter+s.

in embargo, otra alternativa es crear nanopartculasrevestidas.

7e esta manera, los revestimientos con capasmet%licasdelgadasproducen resonancia de plasmones superficiales locali#ados afrecuencias m*s ba)as, es decir, longitudes de onda ma%ores % un

despla#amientohacia el rojo.




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Atro efecto ptico de los plasmones asociados a las nanopartculas

met*licas se produce cuando ocurre la aglomeracin.

En estas condiciones, se produce un cambio hacia una menorfrecuenciade plasmones, dando lugar a un corrimientohacia elrojo.

or


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El uso de las mencionadas propiedades de plasmones

superficiales asociadas a las nanopartculas met*licas, puedesignificativamente mejorarlaabsorcindelalu1% la emisindelu1.

$omo resultado, las nanopartculasmet*licas se pueden utili#ar

como eti(uetas estructurales % (umicas, terapia fotot"rmica, %sensoresqumicos colorim+tricos.




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3.1. Propiedades csticas

os materiales interaccionanfuertemente con la radiacinquetiene una longitud de onda comparable con su estructura %Bodimensionesinteriores.

or lo tanto, en el caso de los nanomateriales, existe un ampliorango de la radiacinelectromagn"tica que es afectada por lananoescala, que inclu%e a la lu1 visible, ondas ultravioleta %ra%os-C.

or otra parte, las ondas acsticas, que exhiben longitudes de

onda que van desde micrasa 4ilmetros, tienen poco o ningnefectodirecto sobre las propiedades de los nanomateriales.



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3.1. Propiedades csticas

$omo resultado, la discusin de las propiedades ac


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3.. $asos 6speciales , 7anotubos de $arbono

os nanotubosde carbono ($"5! fueron descubiertos en #''#por umio &)ima (Dapn!, durante la observacin del hollngenerado por la descarga el"ctrica entre dos electrodos decarbono con microscopa electrnica de transmisin de alta

resolucin ()6!.

o que &)ima estuvo estudiando eran las mol+culas de $1&,

tambi+n conocidas como fullerenos, descubiertas por =aroldroto % ichard malle% durante los #'6s.

roto % malle% encontraron que en condicionesadecuadasdelarco de descarga, los *tomos de carbono se auto,ensamblanespont*neamente en mol+culas de formas especficas, talescomo la mol+cula de $1&(Fig. 3.34!.



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Fig. 3.31aln de fullerenoG mol+culas de $4(simulacin de $!



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in embargo, como lo demuestra el descubrimiento &)ima, bajo

diferentes condiciones experimentales, los *tomos de carbonopueden tambi+n auto,ensamblarsecomo $7).

os $7)s son mol"culascilndricascon un di%metroque vandesde # nm a unos pocos nanmetros % de longitud hasta unoscuantos micrmetros.

u estructura consiste en una hoja de grafito en forma de uncilindro(Fig. 3.36!.


Fig. 3.3.=o)a de grafito envuelta como un cilindropara formar un nanotubos de carbono ($"5!.


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7ependiendo de las condiciones de transformacin, los $"5

puede ser de una solaparedo de multiparedes(Fig. 3.3!.

os nanotubos de paredsimple (H"5! se pueden comportarcomo metalo semiconductor, dependiendo de la orientacindela red heagonal con respecto al eje largo del nanotubo, una

propiedad conocida como (uiralidad.


Fig. 3.38. nanotubos de carbono deuna sola pared % multiparedes.


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En particular, los $7)spueden ser clasificados con un vector(uiral, dado porG

donde

a% bson vectoresunitarios%

n, m son n


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Fig. 3.3!. ho)a de grafeno laminados en un cilindrodescrita por vectores unitarios a% b, *ngulo quiral

0, vector quiral C, % el vector traslacin T. a

figura representa un nanotubo (/,2!, donde el *rea

sombreada es una celda unitaria.


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En esta configuracin, la magnitud del vector (uiral C es lacircunferencia del nanotubo, % su direccin en relacin con elvectorunitarioaes el %ngulo(uiral

0.

El vectorde traslacinTdefine la longitudde la celdaunitaria

del nanotubo, que por lo tanto es perpendicular a C.Estos par*metros describen la formaen que las hojasde grafito seenrollanpara formar una estructura tubular.

En este respecto, son posibles trestiposde $7)sG silln, 1ig1ag, oquiral (Fig. 3./!.

@n nanotubo tiposillnse forma cuando nI m.

"anomateriales $ap. 3. rop. de "anomateriales /#


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En la Fig. 3./, esto ocurre cuando el *tomo de color verdecoincidecon el *tomo a#ul

El nanotubotipo #ig#agse forma cuando mI (el *tomo verdecoincidecon el *tomo rojo!.

El tipo (uiral se produce cuando el n


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3.. $asos 6speciales9 7anotubos de $arbono

Fig. 3.-&Juiralidad en los nanotubos, que describe la forma en que lasho)as de grafito se enrollan para formar una estructura de tubo de

especfico. a! silln, (b! en 1ig1ag, (c! quirales

"anomateriales $ap. 3. rop. de "anomateriales /3


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Entre estos tres tipos diferentes,

los :;$7)stiposilln se comportan como metales,

los que tienen la relacin n - m I k (k es un entero! son equivalentes asemiconductorescon una bandaprohibidape(ue+a, %

el resto son equivalentes a semiconductores con una banda prohibida

que es inversamenteproporcional al di%metrodel $"5.

os nanotubos de carbono presentan diferentes propiedades


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os m"todos m*s comunes para sinteti#ar nanotubos decarbono son las

t+cnicas de arco de descarga %

deposicin qumica de vapor ($87!

Estos m+todos han sido perfeccionados a lo largo de los a:os,

pero todava tienen las desventajasde

#. ba)o rendimiento,

2. costo mu% alto,

3. dificultades en el a)uste del di*metro de los nanotubos, %

/. dificultades en la produccin de un solo tipo de la $"5 sin

impure1as.



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a 5abla 3.2 muestra algunas de las ventajas % desventajas deestos m+todos actuales.

9unque estas t+cnicas han sido ob)eto de numerosas

investigaciones, ha% todava muchas preguntas con respecto alas variables de procesamiento que pueden condicionar laformacin % el crecimiento de los $"5.

9lgunos par*metros que parecen afectar a la produccin de $"5s

son la temperatura, presin% el tipo de catali#adorutili1ado.



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5abla 3.2 8enta)as % desventa)as de los m+todos utili1ados para sinteti1ar $"5s


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$omo alternativaa los m+todos indicados en la 5abla 3.2, como

otra va para la generacin de $"5 que podran convertirse en

prometedor en el futuro cercano es el proceso de pulveri#acinmet%lica.

a pulveri1acin met*lica es la desintegracin de aleacionesmet%licas por corrosin, que se inicia por la exposicin demetales puros o aleaciones met*licas a atmsferas concentradasde carburi#acin.

Elresultado

de la descomposicin es una me1cla departculas

met%licas% nanoestructurasde carbono.



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a gran ventaja de esta ruta cataltica es que los nanotubos de

carbono se pueden producir a temperaturas moderadas (entorno a 40-60L$! en grandes volmenes, as como su bajocosto % su estructura puede ser adaptada por las propiedadescatalticas del metal o de la aleacin seleccionada.

in embargo, este m+todo todava requiere una ma/orinvestigacin.

Atro problemaque es importante en la fabricacin de los $"5 esla alta concentracin de impure#as que quedan integradosdentro de los $"5 despu+s de su procesamiento.

$omo consecuencia, el polvo requiere ser tratadopara reducir lacantidad de las impure1as presentes.

"anomateriales $ap. 3. rop. de "anomateriales /'


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Esto normalmente se logra por oidacin %cida, oxidacin con

gaseso filtracin. in embargo, estos m+todos pueden disolverparcialmentea los

$7), causando da:os estructurales a los $"5s, o ser incapacesde eliminar agregados grandes de partculas.

9dem*s, estas t"cnicas de purificacin tienden a ser mu%costosas.

in embargo, debido a las caractersticas sobresalientes, es

probable que los nanotubos de carbono desempe:en un papel vital

en diversas *reas, tales como nanocompuestos, nanoelectrnica,almacenamiento de hidrgeno, dispositivos de emisin decampo% nanosensores.



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El *rea de nanocompuestoses qui1*s la primera aplicacin donde

los $"5 tendr*n un impacto comercial.

7ebido al mdulo sobresaliente % a la resistencia a la tensinresultante de los enlaces covalentes entre los *tomos de carbono,

los $"5s son uno de los materialesm%sresistentesconocidos.

9dem*s, $"5s presentan un aspecto de altarelacin.

or lo tanto, los $"5 son idealescomo una fasede refuer#o.

8arias investigaciones han demostrado importantes mejoras en

las propiedades mec*nicas, el+ctricas % t+rmicas de materialesnanocompuestos.

Nanomateriales $ap. 3. rop. de "anomateriales 0#


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in embargo, desafosimportantes siguen siendo - por e)emplo, laadaptacin de la uniformidad de la dispersin dentro de lamatri1, el controlde la alineacinde los $"5, % aseguramientode que exista una buenaadhesininterfacial entre los $"5 % lamatri1.

or otra parte, debido al alto costo de los $"5, en especial deH$"5s puros, la adicinde $"5 se ha limitado a alrededor del5


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En el *mbito de la nanoelectrnica, los $"5 se han buscadocomo nuevo generacin de interconein de estructuras, ascomo transistoresde efectode campo.

as interconeiones, que transportan las se:ales el+ctricas entrelos transistores, actualmente son de cobre, pero como circuitoselectrnicos su uso est* disminu%endo, las interconexiones de

cobre son afectadas por el sobrecalentamiento.

os cables met*licos convencionales normalmente tienen

densidadesde corrientede #0

9Bcm

2

hasta que el calentamientoresistivo se convierte en un problema.



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7ebido a la estructura electrnica de los $7) casiunidimensional, el transporte electrnico en los H"5met*licos se produce balsticamentea lo largo de los nanotubos,lo que permite la conduccin de corriente sincalefaccin.

7e hecho, se han observado en los H$"5s densidades decorrientede hasta #'9Bcm2.

Esto se debe a que los estados electrnicos est*n confinadosen ladireccin perpendicular al e)e del tubo.

7ebido a la falta de fonones %Bo de impure1a de dispersinperpendiculares al tubo, los $7) se comportan comoconductores*,0balsticos.



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os transistoresde efectode campo(FE5!, un tipo de transistorutili1ado para la amplificacinde se:ales d+biles, actualmente sefabrican con silicio.

in embargo, estos dispositivos son todava de unos pocos cientosde nanmetrosde tama:o.

El uso de los $7) con tama:os menores de # nanmetro dedi*metro permitira que m*s de estos interruptores formar parte de

un chip.

En un F6), la corriente flu%e a trav+s de un $7) conpropiedades de semiconductores a lo largo de un camino llamado

canal.



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9 un lado del canal se encuentra un electrodode oro denominado

fuente, al otro lado del canal se ubica otro electrodo de oro,llamado drenaje(Fig. 3./#!.

$uando se aplica un pe(ue+o voltaje al sustrato de silicio, queact


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9


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Atra aplicacinde $"5 est* en el *rea de celdascombustible%

bateras, para el almacenamiento de energa. En el caso de las celdascombustible, se ha tratado de almacenar

hidrgeno en los $7)s, en particular para aplicaciones deautomocin, donde el hidrgeno debe estar contenido en

peque:os vol


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8arias publicaciones han inform capacidades de

almacenamiento de hidrgeno mu% alta con $7), que van de*&M en peso a menos del &=*M en peso (Fig. 3./2!.


Fig. 3.-2"anotubos de carbono ($"5!

para el almacenamiento de hidrgeno.

3 $asos 6speciales9 7anotubos de $arbono


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a abundante estructuraabiertade los $"5 es tambi+n mu%

atractiva para el almacenamiento de grandes cantidades deionesde litio.

9lgunas de las propiedades de los $"5, como la buenaestabilidad (umica, %rea superficial grande % mdulo

el%stico, son caractersticas importantes para prolongar la vidatilde las baterasbasadas en $"5s.

in embargo, el comportamiento electro(umico depende engran medida del n


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Atra *rea en la que los $"5 pueden ser potencialmente de gran

inter+s es el campo de supercondensadores. porque los $"5spresentan

alta porosidad,

superficie especfica grande, alta conductividad el+ctrica, %

estabilidad qumica.

En un condensadorconvencional, la energase almacenapor la

transferencia de electrones desde un electrodo met*lico a otroelectrodo de metal separados por un material aislante.

"anomateriales $ap. 3. rop. de "anomateriales 4#

3 $ i $


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En el caso de un condensadordealtacapacidad, ha% un lugar dedoble capa el+ctrica (Figura 3./3!.

$ada capa contiene un electrodo

de altaporosidadsuspendidadentro de un electrolito.

@n material diel"ctrico entre losdos electrodos evita el cruce de las

cargas entre los dos electrodos.

Fig. 3.-3Esquema de unsupercondensador


3 $ 6 i l 7 t b d $ b


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i los electrodosson de $7), la carga efectiva de separacin es

aproximadamente un nanmetro, en comparacin con lasseparaciones del orden de micrmetros para los condensadoresordinarios.

Esta pe(ue+a separacin, combinado con un %rea superficialgrande, es responsable de la alta capacidad de estosdispositivos.

9dem*s, aunque es un dispositivo electroqumico, no se

producen reacciones (umicas, permitiendo que elsupercondensador pueda cargarse % descargarse cientos demilesde veces.


3 $ 6 i l 7 t b d $ b


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a emisin de campo implica la aplicacin de un campo

el"ctrico a lo largo del eje del $"5 para inducir la emisin deelectrones a lo largo del tubo.

=asta el momento, la investigacin ha sido dirigida hacia el uso

de H$"5s % ?H$"5s para pantallas de panel plano %l%mparas.

ara el caso de las pantallasplanas, un campoel"ctricodirigelos electrones emitidos por el campo desde el c*todo, donde se

encuentran los $7), al *nodo, donde los electrones golpean unapantalla de fsforo% emiten lu#(Fig. 3.//!.


3 $asos 6speciales9 7anotubos de $arbono


65/144


Fig. 3.--antalla plana.


3 $ 6 i l 7 t b d $ b


66/144


9 pesar del mercadopotencialpara esta aplicacin, la tecnologaactual a


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a tecnologa de las l%mparas a base de $"5 es similar a la

utili1ada para las pantallasplanas, que inclu%e un vidrio frontalcubierto con una capa de fsforo % un c*todo de vidrio que

inclu%e los $"5.

as l*mparas a base de $"5 son atractivas porque que nocontienen mercurio, manteniendo al mismo tiempo una altaeficiencia% una duracinprolongada.


3 $ 6 i l 7 t


68/144


os nanocompuestosson una clase de materiales en los que una o

m*s fases con dimensiones de nanoescala (-7, #-7 % 2-7! se

insertan en una matri1de metal, cer*mico o de polmero.

$on la adicin de la segunda fase de nanoescala es crear una

sinergia entre las diferentes partes constitutivas, para obtenernuevas propiedades capaces de que cumplan o superen las

especificaciones de dise:o.

aspropiedadesde los nanocompuestos se basanen una serie de

variables, en particular del material de matri1, que pueden ser dedimensiones de nanoescala, la carga, el grado de dispersin, el

tama:o, la forma % la orientacin de la segunda fase de

nanoescala % las interaccionesentre la matri1 % la segunda fase.

3.. $asos 6speciales , 7anocompuestos

3 $asos 6speciales 7anocompuestos


69/144



Entre los diferentes tipos de nanocompuestos, los

nanocompuestos de matri# polim"rica han sido los m*sestudiados.

9l igual que los compuestos tradicionales, los nanocompuestos de

matri1 polim+rica tienen una matri1polim+rica.

in embargo, la segunda fase (porcenta)epeque:o en peso!, que

se dispersa dentro de la matri1, tiene dimensiones de nanoescala.

El peque:o tama:o de esta fase da lugar apropiedades


70/144



$omo resultado de ello, la fraccinen volumende la segunda fase

se puede reducir, sin degradacin de las propiedades deseadas. El sistema de matri1 polim+rica puede ser un termopl*stico,

termoestable, o elastmero.

@npolmerotermopl*sticose ablanda al calentarse por encima de

la temperatura de transicin vtrea (5gN Fig. 3./0! % por lo tanto

puede ser moldeadoen una determinada forma al enfriarse.

Este proceso es repetible, lo que hace a los materiales

termopl*sticos reprocesables% reciclables.

3 $ 6 i l 7 t


71/144

"anomateriales $ap. 3. rop. de "anomateriales 6#

Fig. 3.-5olmeros en varios estados en funcin de la temperatura


3 $ 6 i l 7 t


72/144


En cambio, los materiales termoestablescomien1a a endurecerse

por el entrecru1amiento cuando se calienta por encima de la 5g.

or lo tanto, los polmeros termoestables nosepuedenmoldear

por reblandecimiento.

as resinas de elastmeros son sistemas de polmerosligeramente entrecru1ados % tienenpropiedadesintermediasque

se encuentran entre los termoestables % termopl*sticos.

as fases de refuer1o de nanoescala se pueden agrupar en tres

categoras, a saber, nanopartculas (-7!, nanotubos (#-7!, %nanoplacas (2-7!.



73/144



En el caso de las nanopartculas, el tama:o de partcula % la

distribucinson de gran importancia.

7ependiendo del tipo de nanopartculas a:adidas, se puede alterar

las propiedades mec*nicas, el+ctricas, pticas % t+rmicas de

nanocompuestos de polmeros.

En el campo de las propiedades mec%nicas, los cambios en elmdulo % la resistencia depender*nen gran medida en el gradode

interaccinentre la partcula % el polmero.

3 $ 6 i l 7 t


74/144

3.. $asos 6speciales9 7anocompuestos


or e)emplo, en el nanocompuesto del poli(metacrilato de metilo!

(??9! refor1adocon al


75/144



En otras palabras, las nanopartculaspueden actuarcomo espacios

vacos, lo cual incrementa el volumen del material cuando sufre la

deformacin.

Este comportamiento conduce a ablandamientopor deformacin

antes del endurecimiento, resultando una relacin deformacin-falla grande.

as nanopartculastambi+n pueden afectarsignificativamente a la

5g.

3 $ 6 i l 7


76/144



Esto ocurre porque las nanopartculasinflu%enen la movilidadde

las cadenasdel polmero debido a la uninentre las partculas % el

polmero % el puenteo de las cadenas de polmero con las

partculas.

i la interaccin entre las nanopartculas % la matri1 es d+bil,normalmente disminu%ede la 5g.

in embargo, en algunos casos, se requiere un volumencrticode

fraccin de nanopartculas para poder observar este efecto.

a 5g tambi+n se puede incrementar si la interaccin entre lamatri1 % las nanopartculas es fuerte.

3 $ 6 i l 7 t


77/144


Atro beneficio del uso de nanopartculas es la me)ora de la

resistenciaal desgaste, que ha sido observado, por e)emplo, en el

n%lonrefor1adocon nanopartculas de slice.

as propiedades el"ctricas % pticas de nanocompuestos de

matri1 polim+rica tambi+n se pueden me)orar por adicin denanopartculas.

$on respecto a las propiedades el"ctricas, las nanopartculasparecen actuar en una variedad de formas.

Enprimer lugar, mientrasm*speque:as lasnanopartculas, m*speque:a ser* la distancia entre las partculas, a volumen

constante.


3 $ 6 i l 7 t


78/144


Fig. 3.-1ercolacin el+ctrica en nanocompuestosde polmero.


Esto a su ve1 conduce a unapercolacin a menor fraccin en

volumen, lo que resulta en una

ma%orconductividadel+ctrica(Fig.

3./4!. os nanocompuestos depolietileno

de ba)a densidad con

nanopartculas de >nA tienen este

comportamiento.

3 $asos 6speciales9 7anocompuestos


79/144


En segundo lugar, incluso para nanocompuestos con

nanopartculas aislantes, la conductividad el+ctrica aumentan

debido a una me)orcompactacindel polmero, lo que me)ora el

acoplamiento entre las nanopartculas a trav+s de los lmites de

grano.

or e)emplo, la conductividad7$aumentade # Bcm a #6 Bcm

a temperatura ambiente del polipirrol con nanopartculas de

1irconia.

En algunos casos, como en el nanocompuesto de polipirrol connanopartculas de Fe2A3, el mecanismodenominado variable de

rangodesalto(8=! parece explicar el aumentoen la corriente

continua.


3 $ 6 i l 7 t


80/144


El mecanismo 8= implica el intercambio de cargas entre las

nanopartculas % la matri1 polim+rica.

En el caso de las propiedades pticas, existe un inter+simportante en el desarrollo de nanocompuestostransparentescon

propiedades mec*nica % el+ctricas me)oradas.

ara lograr la transparencia, la dispersindebe ser minimi1ada, es

decir, las nanopartculas deber*n ser lo m*speque:as posible,

mientras que el ndice de refraccin debe seguir siendo lo m*s

similara la matri1. or e)emplo, la adicin de nanopartculasde slicea lapoliamida

se ha utili1ado para controlar la transmisin (Fig. 3./6!.


3 $ 6 i l 7 t


81/144


Fig. .-os cambios en la transmisin de nanocompuestos de poliamida connanopartculas de slice, para distintos niveles de carga


3 $ 6 i l 7 t


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9dem*s, la adicin de nanopartculas de al


83/144


9 continuacin, se va a anali1ar la inclusin de nanomateriales*,0, en particular, los nanotubos de carbono ($"5! para elrefor1amiento de nanocompuestos.

ara aprovechar al m*ximo los $"5 como refuer1o de

nanocompuestos, es necesario abordar varios variablescrticasG(#! dispersinuniformede los nanotubos de carbono dentro de la

matri1 polim+rica,

(2! alineamientode los $"5 en los nanocompuestos, %

(3! una buena uninde los $"5 con la matri1 polim+rica.




84/144


p p

$on respecto a la dispersin de los nanotubos de carbono, el

traba)o ha sido mu% difcil, sobre todo en comparacin con elprocedimiento para la dispersin de fibras de carbono en

materiales compuestos tradicionales.

Esto se debe a que los $"5s presentan superficies lisas e

interacciones intrnsecas de 8an der Haals, que tienden a

promover la agrupacin cuando se dispersan en una matri1

polim+rica (Fig. 3./!.

i ocurre la aglomeracin, los $"5s se adhieren menos con la

matri1 % se desli1ar*n cuando se aplica un esfuer1o, con

consecuencias dr*sticas para las propiedades mec*nicas.



85/144


Fig. 3.-89glomeracin tpica de nanotubos de carbono

p p



86/144


ara solucionareste problema, se han utili1ado varios m+todos,

como el tratamiento con ultrasonido de los $"5s, me1clado

cortante, uso de surfactantes, funcionali1acin qumica, %

polimeri1acinin situ.

El tratamiento con ultrasonido se hace normalmente con

solventes antes de adicionar los $"5s a la matri1 o se aplicaantes otra t+cnica de dispersin.

El m+todo de me1cladocortanteha funcionado para las resinas

epoxilquidas, la adicin de #M en peso de $"5s dio lugar a un

aumento del 26M en el mdulo de elasticidad % del #M en laresistencia a la traccin.

p p



87/144


in embargo, cuando los $"5s se me1clan por corte con una

resina epoxividriosa, nome)oralas propiedades mec*nicas.

Esto fue probablemente debido al aumento viscosidad que

ocurren en estos materiales.

El procesamiento con asistencia de surfactante es otro m+todoutili1ado para dispersar los $"5s.

En este proceso, un agente tensioactivo se a:ade a los $"5s

antes de agregar la me1cla al polmero.

En general, los nanocompuestos producidos de esta maneraparecen tener una distribucinm*s uniforme.




88/144


os resultados de los ensa%os mec*nicos indican que los

polmeros con adicin de tensioactivos sin$"5smuestran una

disminucinen el mdulode elasticidaden comparacin con el

mdulo de elasticidad del polmero mismo sin el surfactante.

Esto indica que el surfactanteact


89/144


En este caso, una de los desarrollos m*s exitosos consiste en la

separacinparcialde los H$"5s de los paquetes por mediode una solucin*cida.

Este paso normalmente cortalos$"5sen segmentos cortos con

los grupos de *cido carboxlico covalentemente ad)untos a las

aberturas.

osteriormente, los H$"5s se colocan en un org*nico

fundido, lo que conduce a la exfoliacinde los $"5s.

$uando se utili1an los ?H$"5s, la actividadsuperficialsuele

ser modificadapor el dopa)econ otros elementos.

e ha demostrado el aumento de la 5g, del mdulo, % de la

resistencia.

3.. $asos spec a es9 7a oco puestos



90/144


Fig. 3.-!olmeros utili1ados parala funcionali1acin % solubili1acin

de $"5s.




91/144

"anomateriales $ap. 3. rop. de "anomateriales '#

9dem*s de la dispersin uniformede los $"5s en una matri1

polim+rica, un aspecto crucial para proporcionar un refuer1o

ptimo es orientaradecuadamente los $"5s.

7ebido a su relacin de aspecto, los $"5s tienen propiedades

mec*nicas anisotrpicas.

ara aprovechar las venta)as de su eficiencia de carga en la

direccin axial, es esencial que los $"5 est+n bien alineados

dentro de la matri1.




92/144

"anomateriales $ap. 3. rop. de "anomateriales '2

8arios m"todosse han utili1ado para alinear los nanotubos decarbono.

a extrusin es una t+cnica popular, en la que un polmero

fundido refor1ado con $"5s es expulsado a trav+s de un dado%

estirado ba)o tensin antes de la solidificacin.

En comparacin con una muestra pura, el mdulo del

compuesto ?H$"5s alineadosBpoliestireno aument hasta en

un /'M, en comparacin con un aumento del #M para los

nanocompuestos orientados al a1ar. 9dem*s, los nanocompuestos ?H$"5s alineadosBpoliestireno

tambi+n presentan un lmiteel*stico ma%oren comparacin con

un poliestireno virgen.




93/144


7ebido a el hecho de que los $"5s tienen altasconductividades

el+ctricas, la aplicacin de un campo magn+tico o campo

el+ctrico tambi+n ha sido utili1ado para inducir a la alineacin

de los $"5s.

e ha observado que el mduloel*sticomedido en la direccin

paralela al campo magn+tico es ma%or que para la direccin

perpendicular al campo.

Este hecho sugiere que los ?H$"5s alineados contribu%en

significativamente a un aumentode la mdulo de elasticidad enla direccin paralela a los $"5s alineados.




94/144

"anomateriales $ap. 3. rop. de "anomateriales '/

or


95/144


En particular, se considera que la factor claveen la formacin

de un fuerte vnculo entre la matri1 polim+rica % un $"5 seencuentra en la morfologa del polmero, especialmente su

capacidad para formar h+licesde di*metro grande alrededor de

los $"5s individuales.

a resistencia de la interfase se debe entonces al

enmara:amientoa nivel molecular de los $"5s % la matri1, as

como la formacin de cadenaslargasen el polmero.

p p



96/144


a inclusin de $"5s en nanocompuestos de matri1 polim+rica

puede tambi+n puede usarse para me)orar la conductividadt"rmicade estos materiales.

os $"5s crean una red de percolacin que permite a los

nanocompuestos conducir el calor con conductividades de hasta

3,0 veces la conductividad del polmero virgen.

in embargo, la conductividad t+rmica de un nanocompuesto

todava est* le)os del valor terico de los $"5s aislados, que se ha

pronosticado que es del orden de #3HBm.O.

a principal ra1n de esta discrepancia es el gran resistencia

t+rmica que existe entre la matri1 polim+rica % la superficie del

$"5.




97/144


7ebido que los $"5s tienen una alta relacin superficie-volumen,

cuando los $"5s se dispersan en la matri1 polim+rica, el *reainterfacialgrande crea una 1onaderesistenciasignificativa.

Este efecto se ha atribuido a las diferenciasenlafrecuenciade los

fononesentre los $"5s % la matri1 polim+rica.

e han sugerido algunas t+cnicas para disminuir la resistencia

t+rmicade la interfase polmeroB$"5.

or e)emplo, se ha propuesto unir covalentemente los $"5s con

el polmero matri1 para me)orar el acoplamiento fonnBfonn. 5ambi+n se ha sugerido utili1ar?H$"5sen lugar de H$"5s

porque los primeros tienen relaciones de aspecto m*s peque:os %

por tanto menor *rea interfacial.




98/144


El uso de $"5s en nanocompuestos tambi+n me)ora la

estabilidad t"rmica de nanocompuestos de matri1 polim+ricamediante el aumentode la temperaturade descomposicin.

os mecanismos detr*s de la me)ora de la estabilidad t+rmica

implican el retraso de la velocidad de descomposicin del

polmero en la interfase $"5Bpolmero % me)ora la disipacin

del calordebido a la me)ora de la conductividad t+rmica.

En cuanto a la adicin de nanopartculas, los $"5s tambi+n

influ%en en la 5g de la matri1 polim+rica. Esto es importante porque la 5g limita las temperaturas a las que

se pueden utili1ar el nanocompuesto.




99/144

"anomateriales $ap. 3. rop. de "anomateriales ''

=asta el momento, la adicin de $"5s a los compuestos de

matri1 polim+rica aumenta o disminu%e la 5g, en funcin del

conformado de los $"5s.

os H$"5s % ?H$"5s rectosaumentanla 5g de una matri1

epxica, mientras que los nanocompuestos $"5sBepoxiespiraladosreducenla 5g.




100/144


9hora se va explicar el uso de nanomateriales 2,0 como

segundafaseen nanocompuestos polmericos. e trata de materiales en capas con un espesordel orden de # nm,

pero con un aspectoproporcionala 20 o superior.

os m*s comunes son las capas de silicatos.

$uando estos se a:aden a nanocompuestos de matri1 polmerica,

se puede me)orar las propiedades, como el aumento de la

tenacidad % de la resistencia, resistencia me)orada a la @8 %

permeabilidad a los gases, ma%or estabilidad dimensional %resistencia a la llama.




101/144

"anomateriales $ap. 3. rop. de "anomateriales ##

Estas me)oras en las propiedades se pueden obtener con

concentracionesba)asde relleno(2-0M en volumen!, una fraccin

de lo que normalmente se necesita para los compuestos

convencionales (3-/M en volumen!.

9dem*s, al contrario de los sistemas de compuestos

convencionales, nosesacrificanlaspropiedadesdelamatri1.

Entre los silicatos laminares, la mica% las esm+cticasson los m*s

utili1ados.

a mica se compone de grandes l*minas de silicato con enlacefuerte entre las l*minas.




102/144


9l contrario, las arcillas esm+cticas presentan enlaces d+biles

entre las l*minas.

$omo se muestra en la Fig. 3.0, las esm+cticas consisten de

una estructura s*ndPich de tres capas de compuesta por dos

capas externas que contienen silicio % oxgeno enla1ados a una

capa interna de aluminio, magnesio, %Bo hierro que est*n

enla1ados al oxgeno o a grupos hidroxilo.

7ebido a la sustitucin del ?g divalente por 9l trivalente, se

crea una carganegativadentro de la capa interna de la arcilla. in embargo, esta carga excesiva puede ser compensada por la

adsorcinde los cationes, tales como "aQ, $a2Q% iQ.




103/144


Fig. 3.5&Estructura cristalina de las capas de arcillas tipo esm+cticas.

p p



104/144


ara que estos silicatos laminares se puedan utili1ar en los

nanocompuestos, se deben separar las capas % dispersar en la

matri1 polim+rica.

in embargo, las arcillas esm+cticasson altamente hidroflicas,

% las capas individuales por lo tanto no se dispersan f*cilmente

en especies relativamente hidrofbica, como un polmero

org*nico.

ara superar este problema, mediante una reaccin de

intercambio inico los cationes org*nicos abren las capas dearcilla % las hacen lo suficientemente hidrofbicas, produciendo

una arcilla org*nicamente modificada.




105/144


En este punto, la arcilla modificada org*nicamente puede ser

intercalada con el polmero mediante varias t+cnicas, como los

m+todos basados en solventes, en la me1cla por fusin % en la

polimeri1acin.

En el caso del m+todo a base de solventes, se dispersan ba)as

concentraciones de organo-cla%s en un disolvente en el que un

polmero es soluble (Fig. 6.0#!.

7ebido a las d+biles fuer1as entre las capas de silicato, el

solvente separa las capas, lo que permite que el polmero seaadsorbido en las superficies de cada uno de las plaquetas de

silicato.

p p



106/144


Fig. .5*. roceso de intercalacin a base de solventes

p p



107/144


9l evaporarse el solvente despu+s, se re-aglomeranlas plaquetas

individuales.

ospolmerosaltamentepolares, como el n%lon % poliamidas, se

puede intercalar con ma%or facilidad que los polmeros no

polares.

Atra t+cnica que se utili1a con frecuencia para formar los

nanocompuestos de matri1 polim+rica implica fundir la me1cla

de polmeros con organo-cla%s utili1ando equipos de extrusin

convencional.

p p



108/144


os estudios han demostrado que la intercalacinde cadenasde

polmeros entre las arcillas en capas pueden ocurrir

espont*neamente por calentamientode una me1cla de polmero %

arcilla en polvo por encimade la temperaturade transicinvtrea

o de la temperatura de fusin.

@na ve1 que se logra una movilidad suficiente de polmeros, las

cadenasse difundenen las capas de arcilla, produciendo as una

estructura de polmero hinchadoBcapas de arcilla.

p p



109/144

"anomateriales $ap. 3. rop. de "anomateriales #'

or


110/144


os nanocompuestos resultantes pueden presentar diversas

microestructuras, a saber, nanocompuestos intercalados,

cuando el polmero se difunde en las capas de arcilla,

ampliando la distancia entre las capas de arcilla, %

nanocompuestos exfoliados cuando las capas individuales de

silicato deslaminado se encuentran dispersas en una matri1

polim+rica (Fig. 3.02!.

p p



111/144

"anomateriales $ap. 3. rop. de "anomateriales ###

Fig. 3.52"anocompuestos de polmeros intercalado % exfoliado



112/144

"anomateriales $ap. 3. rop. de "anomateriales ##2

a nanotecnologade capas silicatosha demostrado que puede

inducir grandes me)oras en las propiedades de los polmeros

convencionales.

@n aumento alto del mduloel*stico% de flexinse logra con

peque:as cantidades de silicato (tan ba)o como #M en peso!.

a estabilidadt+rmica% la resistenciaal fuegocon la formacin

de carbn tambi+n son interesantes propiedades mostrada por

estos nanocompuestos.

9dem*s, tambi+n exhiben una resistencia superior a la

permeabilidadde los gases.

p p



113/144


En t+rminos depropiedadesmec*nicas, el aumentodel mdulo

el*stico de los nanocompuestos a base de n%lon parece estar

relacionadocon la longitudpromediode las capas % por lo tanto

de su relacin de aspecto.

e ha demostrado que las capas exfoliadas son el principal

factor responsable del me)oramiento de la rigide1.

in embargo, en una matri1elastom+ricapura, la exfoliacinno

parece ser un requisito previo para me)orar la rigide1 del

material.

p p



114/144

"anomateriales $ap. 3. rop. de "anomateriales ##/

9dem*s, un aumento grande en el mdulo el*stico para una

estructura exfoliada tambi+n se observa para matrices de

polmerostermoestables.

or otro lado, la tensina la fallapuede variaren funcin de la

naturale1a de las interaccionesentre la matri1 % el nanorelleno

de nanocompuestos basado en termopl*sticos (intercalado o

exfoliado!.

or e)emplo, los nanocompuestos exfoliados de n%lon-4 o

nanocompuestos intercaladosde ??9 presentan un aumento

en la tensin a la ruptura, que se explica por la presencia de

interaccionespolares% inicosentre el polmero % las capas de

silicato.

p p



115/144


or el contrario, los nanocompuestosdepolipropilenomuestran

una me)orainsignificanteo leve en la tensin a la falla debido a

la faltade adhesininterfacial entre el polipropileno no polares

% los silicatos polares en capas, % los nanocompuestos con

intercalaciones de poliestireno exhiben una disminucin en la

tensin a la falla.

En t+rminos de ductilidad, la adicin de silicatos laminares a

nanocompuestos de polmeros conduce a resultadosdiferentes.

con el ??9 % el poliestireno intercalados se reducealargamientoa la rotura.

p p



116/144


in embargo, esta p+rdidaen el alargamientoa la rotura nose

produce en el epoxielastom+rico.

or el contrario, la adicin de nanoarcillas induce un aumento

en la elongacin.

a incorporacin de capas de silicato en una matri1 polim+ricapuede tambi+n afectan a las propiedades t+rmicas de los

nanocompuestos.

En t+rminos de conductividad t+rmica, parece que uno de los

efectos de las capas de silicato es cambiarla densidadcelular%el tama:ode las celdas.



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7e hecho, los nanocompuestos nanoarcillaBpoliuretano

muestran un aumentode la densidadcelular% una disminucindel tama:ode la celdacon la adicin de nanoarcillas.

Este efecto se atribu%e a que las nanoarcillas act


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os factoresque determinar el gradode estabili1acin t+rmica

de los nanocompuestos se debe a la restriccindel movimientot+rmico de las mol+culas de polmero en la intercapa de

silicatos, reduccinde la permeabilidadde productos vol*tiles

de descomposicin, % prevencin de que se produ1ca la

degradacin en los puntos de entrecru1amiento entre lascadenas de polmeros % el relleno de nanoarcillas.

En los nanocompuestos poliuretanoBnanoarcilla, se incrementa

la temperaturade degradacindebido a la reducidadifusinde

oxgeno % de productos vol*tiles como resultado de las capas de

arcillas dispersadas, que son impermeables a la difusin de

especies.



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"anomateriales $ap. 3. rop. de "anomateriales ##'

@n efecto similar se ha observado en los nanocompuestos de

polipropilenoBnanoarcillas, en los que se incrementaconsiderablemente la temperaturadep+rdidam*xima de peso

debido a la resistencia t+rmica de las plaquetas de arcilla.

or


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esulta que la estructura en capas del silicato puede actuar

como un excelente aislante% unabarrerade transporte de masa. or e)emplo, un nanocompuesto de nanocla%Bn%lon-4 con un

peque:o M en peso de relleno muestra una reduccindel 4M

en el ndice m*ximo de liberacin de calor en comparacin con

un polmero virgen.



121/144

"anomateriales $ap. 3. rop. de "anomateriales #2#

os nanocompuestos de matri#met%lica est*n formados por

una matri1met*licao de una aleacin% de un refuer1orgido,que suele ser un cer*mico.

or lo tanto, los nanocompuestos de matri1 met*lica combinan

las propiedades de los metales, tales como la ductilidad % la

tenacidad, con las caractersticas de los cer*micos, tales como

elevados mdulo % resistencia.

9dem*s, debido a las excelentes propiedades de los

nanomateriales, tambi+n pueden modificar las propiedades

pticas, el+ctricas % magn+ticas de los nanocompuestos de

matri1 met*lica.



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9l igual que en el caso de nanocompuestos de matri1 polim+rica,

los factoresque afectan su desempe:oson el tama:odel relleno% la homogeneidadde la distribucindel refuer1o.

or e)emplo, la fabricacin in-situ (un proceso por el que los

refuer1os se producen por reacciones exot+rmicas entre especies

qumicas o entre especies qumicas % compuestos! denanocompuestos de matri1 met*lica de 9l, 9lBi % 9lBFeB8Bi

refor1ados con nanopartculas de 5i$ producen una dispersin

uniformede la fase de refuer1o.

$omo resultado, estos materiales presentan mu% buena

resistenciaen un amplio rango de temperaturas.



123/144


?ientras m*speque:as las nanopartculas de 5i$ a:adidas,

ma%or ser* su fraccin en volumen % ma%or ser* la resistenciaque se obtenga en estos nanocompuestos.

5ambi+n se puede producir nanocompuestosde matri1 met*lica

para contactosel+ctricos.

or e)emplo, los nanocompuestos de 9g refor1ados con

nanopartculas de nA2, fabricado por un proceso de molienda

reactiva, se prensan en caliente para obtener contactos el+ctricos.

Estos exhiben una conductividad t+rmica % el+ctricaexcepcionales, manteniendo una resistenciaal desgaste superior.



124/144

"anomateriales $ap. 3. rop. de "anomateriales #2/

os nanocompuestos de matri1 met*lica son tambi+n


125/144


as dos fasesdeben estar en la nanoescalapara que pueda ocurrir

la interaccin % as e)ercer su efecto de acoplamiento.

En ausencia de un campo magn+tico, la interaccin magn+tica

produce la alineacindel espn, pero cuando se aplicaun campo

magn+tico en el sentido contrario (si no est* por encima de un

valor crtico!, slo la fase blanda es capa1 de revertir la

magneti1acin.

$omo consecuencia, cuando se quita la magneti1acin el campo

magn+tico de la fase blanda se invierte nuevamente.



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in embargo, cuando el campo magn+tico aplicado es

suficientemente alto como para invertir los espines de la fasedura, la faseblandanoreviertela magneti1acin cuando se quita

el campo.

Este efecto es dependiente en gran medida del tama:o de las

partculas, as como de la fraccin volum+trica % de la

distribucinde cada fase.

9 ra1 de este tipo de interaccin, estos nanocompuestos tienen

alta remanencia (magneti1acin residual despu+s de eliminar el

campo magn+tico! % una energamagn+ticaalta(tan altas como

2 RDBm3!.



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@n aspecto importante es la maximi1acindel contenido de fase

blandapara me)orar la magneti1acin de saturacin. Estos materiales han sido procesados por diversos m+todos,

aunque la ruta m*s exitosa es la aleacin mec*nica de las dos

fases.



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9dem*s de la utili1acin de nanopartculas, los nanocompuestos

de matri1 met*lica tambi+n se han refor1ado con $"5s.

os nanocompuestos de matri1 de 9l refor1ados con ?H$"5s

son un e)emplo.

Estos fueron producido por moliendamec*nica% metalurgiade

polvos.

os valoresobtenidos del lmite el*stico, la resistencia m*xima, %

de dure1a de la nanocompuestos fueron considerablemente

superioresa los del 9l puro. 7e hecho, la adicin de ,60M en peso de ?H$"5s duplicael

lmite el*stico de los nanocompuestos.



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"anomateriales $ap. 3. rop. de "anomateriales #2'

os nanocompuestos de matri# cer%mica deben me)orar la

resistencia a la fractura, la resistencia en general % la resistencia

a altas temperaturas de los compuestos convencionales de matri1

cer*mica.

7e hecho, las matrices de al


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a ra1n de estaspropiedadessuperioresest*n relacionadas con

el puenteodel iniciode la grieta, un mecanismo por el cual las

nanopartculas puentean las grietas que se encuentran cerca a la

punta de la fisura.

En el caso de nanocompuestos de matri1 cer*mica de i3"/

refor1ados con i$, el efecto ben+fico proporcionado por el

refuer1o son menos conocidos.

9lgunos posibles mecanismosinclu%en el refinamientode grano

del i3"/debido a la presencia del i$ en los lmites de grano,dando lugar a ma%ores deformaciones para la falla, % el

desequilibrio t+rmico entre las dos fases, lo que produce el

me)oramientode la resistencia % tenacidad a la fractura.



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"anomateriales $ap. 3. rop. de "anomateriales #3#

9dem*s del me)oramiento de las propiedades mec*nicas, los

nanocompuestos de matri1 cer*mica tambi+n se puede utili1arcomobarrerast+rmicas.

@n buen e)emplo es un nanocompuesto de nanopartculasde i$

dispersados una matri1de grafitopiroltico.

Este material tiene una resistencia a la oxidacin % al choque

t+rmicoexcepcionales.

os nanocompuestos de matri1 cer*mica tambi+n se pueden

refor1ar con nanopartculas met*licas, en particular para lame)ora de laspropiedadespticas, el+ctricas % magn+ticas.



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os e)emplosinclu%en los nanocompuestos de matri1de al


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En el caso de slicecon 9g, el nanocompuesto tiene cambios en

el comportamiento desde semiconductor a met*lico, en funcindel tama:o de las nanopartculas % de la temperatura.

Esto parece ser el resultado de efectot


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"anomateriales $ap. 3. rop. de "anomateriales #3/

os nanocompuestos de matri1 cer*mica con nanopartculas

semiconductoras, por e)emplo, de ;a9s tambi+n tieneninteresantespropiedadespticas.

$uando estas nanopartculas est*n contenidas en una matri1de

slice, se alteran las propiedades de fotoluminiscencia (un

proceso en el cual una sustancia absorbe fotones % luego irradiafotones nuevamente! por el confinamiento dimensional de las

nanopartculas.

7ebido a que estas partculas deben estar separadas para

maximi1ar el efecto, la formacin de un nanocompuesto es

ideal.



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os nanocompuestos tambi+n se pueden utili1ar como pelculas

delgadaspara aplicaciones diversas. Estas pelculas suelen consistir de m


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9l mismo tiempo, los nanocompuestosde variascapastambi+n

se han desarrollado para la grabacinmagn+tica. os nanocompuestosde unacapase utili1an para aplicaciones

mec*nicas, el+ctricas, magn+ticas en los que al menos la matri1

o el refuer1o tiene las propiedades mec*nicas, el+ctricas %Bo

magn+ticas particulares. En t+rminos depropiedadesmec*nicas, los nanocompuestos de

pelcula delgada se usan ampliamente como

nanorevestimientos.

roporcionan una buena resistencia al desgaste, ma%or

tenacidad% alta estabilidadt+rmica.



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En el caso de nanorevestimientos multicapas, que se hacen

tpicamente de 5i$, $r", 5i", 5i9l", % al


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or lo tanto, el espesor de las capas se debe a)ustar

cuidadosamente para varias aplicaciones de manera que a altastemperaturas se tenga una alta tenacidad, una buena estabilidad

t+rmica, % dure1a alta.

En el caso de un recubrimientodenanocompuestodeunacapa,

las nanopartculasduras de est*n inmersas en una matri1amorfa.

or e)emplo, las nanopartculasde 5i"en una matri1amorfade

i3"/, tiene valores de dure1atan altoscomo 0-4 ;a.

a ra1n de este comportamientose ha atribuidoal movimientoobstaculi1ado de las dislocaciones % al desli1amiento de las

nanopartculas.



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"anomateriales $ap. 3. rop. de "anomateriales #3'

Atro sistema, que presenta altadure1a, consiste de nanopartculas

de carburo(#-0 nm! incrustados en carbonoamorfo. Este tipo de recubrimiento es especialmente


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En estos nanocompuestos, tanto la matri1 como las

nanopartculas de refuer1o puede tener dimensiones denanoescala.

En t+rminos de propiedades, presentan alta resistencia, alta

resistencia al desgaste, buena tenacidad, % estabilidad t+rmica.

as pelculas nanocompuestas multicapas se utili1an tambi+nampliamente para mediosmagn+ticosdegrabacin.

as pelculas se componen tpicamente de un sustrato sobre la

cual se deposita una capa met*lica seguida de una capa

magn+tica, ambos con espesoresde nanoescala.



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"anomateriales $ap. 3. rop. de "anomateriales #/#

ara producir densidades altasde grabacin magn+tica (/-#

;bits por in2!, el tama:ode granode la capa magn+tica debe serinferiora # nm.

in embargo, con estos peque:os tama:os de grano, la

anisotropa magnetocristalina tiene que ser lo suficientemente

altapara superar las fluctuaciones t+rmicas.

E)emplos de estas pelculas de nanocompuestos inclu%en

estructuras multicapa de $o$rt magn+tica % $r met*lico

soportadas con un sustrato.



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"anomateriales $ap. 3. rop. de "anomateriales #/2

or inorg%nicos, porque es un*rea de r*pido crecimiento.

os componentes inorg*nicos pueden ser sistemas 3-7 tales

como las 1eolitas, materiales estratificados 2-7, como las arcillas

% xidos met*licos, e incluso materiales #-7 % -7 tales como el

$d% los xidosmet*licos.

asbioestructurasvan desde las protenas % 97" a membranas

de lpidos celulares.



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"anomateriales $ap. 3. rop. de "anomateriales #/3

or e)emplo, las protenas tienen propiedades mu% diversas,

como la capacidad para enla1ar el hidrgeno o exhibir

comportamientos*cidos, b*sicos, hidroflicos, e hidrofbicos.

$omo resultado, las protenas pueden interactuar con los

materialesinorg*nicosen una variedad de formas.

o mismo puede decirse del 97", que puede ser funcionali1ado,

ligados a un amplio n


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os nanocompuestos org*nicosBinorg*nicos tambi+n puede ser

importantes como biocer*micos % para la biominerali1acin

donde se produ1ca el crecimiento in situ% lapolimeri1acindel

biopolmero % la matri1 inorg*nica.

3-Propiedades Nano 12b

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