preguntasmundoNanoCNyN-UNAM

7/30/2019 preguntasmundoNanoCNyN-UNAM

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PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE

ELMUNDO NANO

Centro de Nanociencias y Nanotecnologa, UNAM


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Imgenes de la portada

Cortesa de:

cambridge2000.com

Gabriel Alonso Nez, CNyNscar Eugenio Jaime Acua, CNyN

Mariana Oviedo Bandera, CNyN

Amelia Olivas Sarabia, CNyN


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Comit Editorial

Joel Antnez Garca

Jess Alberto Maytorena Crdova

Vitalii Petranovskii

Oscar Raymond Herrera

Leonardo Morales de la Garza

Editor

Mara Isabel Prez Montfort

Asistente editorial


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NDICE DE ARTCULOS

PRLOGO ........................................................................................................................................... v

INTRODUCCIN ............................................................................................................................. viiAgradecimientos ................................................................................................................................ viii

A QU NOS REFERIMOS CON NANO? ....................................................................................................................... 1

CONCEPTOS ..................................................................................................................................................................... 6

QU SON LOS NANOCOMPUESTOS? ........................................................................................................................ 7

QU ES UN PUNTO CUNTICO? .............................................................................................................................. 13

FERROELECTRICIDAD: TIENE EFECTO EL TAMAO? ............................................................................................... 16

QU HACE LA LUZ EN ESPACIOS DE TAMAO NANOMTERICO? .......................................................................... 22

QU ES UN NANOREACTOR? .................................................................................................................................. 28

MATERIALES .................................................................................................................................................................. 33

QU ES EL NANO-ORO? .......................................................................................................................................... 34

QU ES UN DENDRMERO? ..................................................................................................................................... 38

QU ES UN NANOGEL? ........................................................................................................................................... 42

QU ES UNA NANOEMULSIN? .............................................................................................................................. 45

APLICACIONES ............................................................................................................................................................... 49

CMO SE USAN LOS NANOCATALIZADORES PARA PRODUCIR COMBUSTIBLES FSILES LIMPIOS? ...................... 50

CMO PUEDE CONTRIBUIR LA NANOTECNOLOGA A LA PRODUCCIN DE ENERGA LIMPIA? ............................. 54

QU ES LA NANOFOTOCATLISIS Y PARA QU NOS SIRVE? ................................................................................... 57

CMO FUNCIONAN LAS PELCULAS ANTIRREFLECTORAS EN CMARAS FOTOGRFICAS Y BINOCULARES? ......... 62

POR QU UTILIZAR NANOPARTCULAS DE SILICIO PARA EL DESARROLLO DE NUEVOS DISPOSITIVOS

ELECTRNICOS?........................................................................................................................................................ 69

CMO SE RELACIONAN LA NANOTECNOLOGA Y LA MEDICINA? .......................................................................... 74

QU ES UN BIOMARCADOR? .................................................................................................................................. 80

ANEXOS ............................................................................................................................................... I

GLOSARIO .......................................................................................................................................... II

AUTORES ........................................................................................................................................... X

NDICE TEMTICO ....................................................................................................................... XIII


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PRLOGO

Noboru Takeuchi Tan

En los ltimos tiempos, las palabras nanociencia y nanotecnologa se han incorporado al

lenguaje cotidiano. Las encontramos en noticias sobre avances cientficos en el tratamiento de

enfermedades como el cncer, en nuevos materiales que ofrecen una amplia gama de ventajas como

el ser ultra resistentes y ligeros y hasta en artculos de belleza.

Aunque parezca sorprendente, el uso de los nanomateriales no es nuevo, por ejemplo, los

artesanos que diseaban los vitrales en la Edad Media descubrieron que al darle un tratamiento al

oro podan obtener una variedad de colores, los cuales, hoy sabemos, se deben a la formacin de

nanoestructuras. Ms cercano a nuestra geografa, los antiguos pobladores de Mesoamrica

utilizaban en sus murales el azul maya, un colorante artificial que ellos fabricaban, el cual, adems

de ser muy atractivo, ha demostrado ser muy resistente al paso del tiempo. Recientemente, se

descubri que esas cualidades se deben a que el azul maya est formado por una mezcla de ndigo

(el material usado para colorear de azul la mezclilla) con una arcilla, la cual tiene cavidades de

tamaos nanoscpicos. Durante el procesamiento, las molculas de ndigo quedan atrapadas en

dichas cavidades.

Lo que es nuevo, es la habilidad para medir, manipular y organizar la materia a escalas

nanomtricas. Esto es posible principalmente porque ya se cuenta con la tecnologa y algunos

aparatos como los microscopios electrnicos, con los cuales es posible no slo ver los tomos y lasmolculas, sino tambin manipularlos.

El tener la capacidad de disear casi cualquier estructura molecular que permitan las leyes

fsicas es tan trascendental que distintos sectores de la poblacin, entre ellos los empresarios y los

cientficos proclaman que estamos ante el nacimiento de una nueva revolucin tecnolgica, la cual

impactar nuestro modo de vida en muchos aspectos. Es por eso que es necesaria una participacin

informada por parte de la sociedad y este texto sin duda ser una valiosa aportacin.

Como suele suceder en casos de tecnologas emergentes, stas crean grandes expectativas

mezcladas con incertidumbre; por un lado, se espera que la nanociencia y la nanotecnologa

promuevan, de manera sustentable, una mejor calidad de vida para todos y, por el otro, hay

preocupacin por los riesgos que pudieran resultar de la exposicin a productos que contienen

nanomateriales manufacturados. Esta ambigedad puede deberse al hecho de que hay una brecha


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entre la investigacin, el desarrollo tecnolgico y la informacin que permea hacia la comunidad

acerca de los riegos y beneficios de interactuar con este tipo de materiales. El Centro de

Nanociencias y Nanotecnologa (CNyN) de la UNAM, lder nacional con reconocimiento

internacional en investigacin y educacin en nanociencia y nanotecnologa, entiende la importancia

de vincularse con la sociedad y por eso incluye entre sus misiones difundir el conocimiento de las

nanociencias para promover la cultura y con eso generar un mayor inters por la ciencia en generaly las nanociencias en particular.

Con el propsito de establecer un contacto directo entre los lectores y los acadmicos y

divulgar sus conocimientos, el CNyN compil en este libro una variedad de preguntas y respuestas

especialmente enfocadas en el trabajo que los investigadores estn realizando en el Centro en

relacin con la materia a esas pequeas escalas.

A travs de sus pginas, el usuario podr darse una buena idea de lo que trata el mundo en la

escala de lo nano, dnde y cmo se producen los materiales con estas caractersticas y cules son sus

principales aplicaciones.


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INTRODUCCIN

El libro que aqu presentamos es una coleccin de textos cortos e ilustrados de divulgacin

acerca de diversos aspectos de las nanociencias. Est dirigido principalmente a estudiantes y pblico

interesado en temas cientficos y tecnolgicos de actualidad. Su elaboracin estuvo a cargo de

investigadores del Centro de Nanociencias y Nanotecnologa de la Universidad Nacional Autnomade Mxico (CNyN-UNAM) que se encuentra en Ensenada, Baja California. El CNyN-UNAM es un

centro de investigacin y enseanza sobre materiales y fenmenos que ocurren a la escala

nanomtrica. Los autores del libro se propusieron describir fenmenos del campo de su especialidad

y el tipo de trabajo que desarrollan, para acercar a los lectores interesados a estos temas de gran

actualidad.

Hoy en da, no se necesita ser un especialista para saber que existen nanochips que hacen a

las computadoras ms veloces, sobre la existencia de materiales nanoestructurados que aumentan la

resistencia y flexibilidad de otros materiales, sobre los LEDs o diodos emisores de luz que vemos

en los semforos de trfico y en lmparas de uso diario, sobre nanocatalizadores que contribuyen a

limpiar el medio ambiente y sobre cremas y cosmticos elaborados con nanopartculas que mejoran

sus propiedades. Tambin es conocido que en la medicina ha habido avances en la cura de

enfermedades tratadas con medicamentos nanoencapsulados, que el uso de nanotubos de carbn

mejora las propiedades de los materiales y que, en el futuro, se podr implementar la propiedad

intrnseca del electrn llamada espn, para fabricar computadoras. El afn de este libro ha sido

explicar algunos de estos avances de la nanotecnologa en forma accesible.

Por otra parte, el entendimiento de los fenmenos a nivel terico constituye un reto para la

ciencia bsica y resulta necesario para explicar las observaciones experimentales, enfocar los

problemas conceptuales relevantes y orientar futuros experimentos. Adems de los desarrollos en

nanotecnologa, los avances en las tcnicas de fabricacin de nanoestructuras han permitido la

realizacin de nuevos experimentos que a su vez han revelado fenmenos fsicos sorprendentes cuya

comprensin es de importancia fundamental.

Los problemas cientficos del mundo nano, en donde concurren diversas disciplinas,despiertan un inters natural, intrnseco, pican la curiosidad, puesto que al final, como en toda

ciencia, la motivacin primordial, el objetivo de las nanociencias, es el conocimiento.


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El libro est organizado en tres secciones: Conceptos, Materiales y Aplicaciones, pero cada

artculo se puede leer de forma independiente. El artculo inicial del libro se titula Qu es lo nano?

y contiene definiciones del mundo nano que permitirn una mejor comprensin de los dems

artculos. Algunos autores sugieren lecturas adicionales y que al final se incluye un glosario con

definiciones de trminos especializados que complementa la lectura.

sta es una invitacin a adentrarse en el fascinante mundo nano y esperamos que los temasaqu tratados despierten el inters de los lectores por conocerlo mejor. Los datos de los autores

aparecen al final del libro para aquellos lectores que deseen consultar dudas o hacerles llegar

comentarios.

Si la lectura de este libro despierta la curiosidad del lector, contesta algunas de sus preguntas

y sirve como estmulo para conocer mejor el mundo nano, se habr cumplido nuestro objetivo.

El comit editorial

Agradecimientos

El comit editorial agradece profundamente a todos aqullos que participaron en la

elaboracin de este libro. Especiales gracias a Juan Peralta por el apoyo tcnico y a Pamela Rubiopor su esmerado trabajo en la edicin final del texto. La colaboracin y paciencia de todos fue

indispensable para lograr que este libro se convirtiera en una realidad.


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A QU NOS REFERIMOS CON NANO?

Joel Antnez Garca, Jess Alberto Maytorena Crdova, Leonardo Morales de la Garza, Mara

Isabel Prez Montfort, Vitalii Petranovskii y Oscar Raymond Herrera

En las ciencias naturales y exactas es muy comn el empleo de prefijos para situarnos en una

escala espacial o temporal. Por ejemplo, usamos el prefijo kilo para referirnos a 1000 metros cuando

decimos kilmetro, la estatura de una persona la citamos en metros y no en milmetros, y con elprefijo mili describimos el tamao de un insecto que puede medir cerca de una milsima de un

metro o, en notacin cientfica, 1 10-3 m. Un microbio se mide en micras que corresponde a 1 x 10-

6 m. De la misma manera, el prefijo nano se emplea para referirnos a la mil-millonsima parte, o 1

10-9, de un metro: el nanmetro, o de un segundo: el nanosegundo. El mundo nano se refiere a

sistemas y fenmenos que involucran esta escala.

Un nanosegundo pareciera un lapso muy corto de tiempo, pero puede ser muy largo si

hablamos de fenmenos que ocurren a nivel atmico o molecular, como las transiciones electrnicas

de un estado de energa a otro, que suceden en tiempos an ms cortos que los nanosegundos, en

femto (10-15) o en picosegundos (10-12), o sea entre 1 10-6 y 1 10-3 nanosegundos. Un ejemplo

mucho ms familiar que ocurre en nanosegundos es el nmero de operaciones que puede llevar a

cabo el procesador de una computadora de las que usamos diariamente en casa: es del orden de un

billn de operaciones por segundo o 1000 operaciones en un nanosegundo. Otro ejemplo es que,

como es muy conocido, la velocidad de la luz es de alrededor de 300,000 km/s; esto significa que en

un nanosegundo la luz recorre casi 30 cm.

Por otra parte, el nanmetro se utiliza como unidad para medir el tamao de grupos de tomos

y molculas; por ejemplo, la molcula de agua mide alrededor de 0.3 nm, por lo que, si alineramos

3 molculas de agua, esta fila medira aproximadamente un nanmetro. El dimetro de algunos

virus, por ejemplo, es del orden de 20 nanmetros.


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Otro concepto importante en este campo de estudio es el de las nanopartculas las cuales son

agrupaciones de tomos de uno o varios compuestos que miden varios nanmetros de dimetro. Las

propiedades fisicoqumicas de estas partculas nanomtricas, por ejemplo, su actividad cataltica y

su interaccin con la luz, dependen de su tamao y de su geometra y, en general, difieren

drsticamente de las propiedades que muestra el mismo material a escala macroscpica. Para

explicar las propiedades de las nanopartculas se recurre principalmente a la mecnica cuntica.A la escala nanomtrica, las propiedades dependen no solo del tamao de la nanopartcula sino

tambin de la forma en la que estn acomodados los tomos. Aun cuando dos nanopartculas estn

formadas por el mismo material y con el mismo nmero de tomos, si su estructura geomtrica es

diferente, sus propiedades sern distintas (Fig. 1).

Figura 1. Nanopartculas formadas por el mismo nmero de tomos con distinta estructura geomtrica: a)icosadrica y b) cuboctadrica. El arreglo distinto de los tomos les da propiedades fisicoqumicasdiferentes.

Por su parte, las estructuras nanomtricas son aquellas que miden nanmetros en al menos una

de sus dimensiones; las otras dimensiones pueden ser de mayor tamao. Por ejemplo, los nanotubos

de carbono tienen un dimetro de algunos nanmetros y pueden tener varias micras de longitud (Fig.

2).

En la primera mitad del siglo XX, ya exista la posibilidad de observar la materia a nivel

nanomtrico gracias a los microscopios electrnicos que para entonces se haban desarrollado. Para

formar la imagen, estos microscopios emplean un haz de electrones, a diferencia de los

microscopios pticos que emplean un haz de luz, y con ello se logra una mucho mayor resolucin de

las imgenes. Un microscopio de este tipo es el microscopio electrnico de barrido (SEM, del ingls


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scanning electron microscope) que es un instrumento de alta precisin con el que se puede observar

la morfologa de los materiales a nivel micro y nanomtrico. Otro, es el microscopio electrnico de

trasmisin (TEM, del ingls transmission electron microscope) con el cual se puede observar la

estructura de la materia a nivel atmico.

Como ejemplo de las capacidades de estos microscopios, en la figura 2 se muestran imgenes

de nanotubos de carbono a diferentes escalas tomadas con estas dos tcnicas de microscopa.

a b c

Figura 2. Nanotubos de carbono de capa multiple con distintas amplificaciones. a) Imagen de SEM quemuestra nanotubos cuya longitud es de varias micras (la escala es de 2.5 micras); b) imagen de SEM quemuestra en detalle los mismos nanotubos donde se aprecia un dimetro exterior menor a 100nm; c) imagende TEM que muestra el dimetro interior menor a 10 nm de un nanotubo. Se observan las multicapas delnanotubo (la escala mostrada es de 5 nm). (Cortesa de Gabriel Alonso, CNyN)

Muchos autores consideran a Richard Feynman como el padre de la nanociencia y la

nanotecnologa ya que en 1959 present una conferencia en el Instituto Tecnolgico de California

(Caltech), titulada There's plenty of room at the bottom, o Hay mucho espacio en el fondo. En

esta conferencia, plante que las leyes de la fsica no impedan manipular la materia tomo por

tomo y que, de hacerlo, existira todo un universo de posibilidades tecnolgicas.

Esta posibilidad se hizo realidad a partir de la invencin del microscopio de efecto tnel (STM

del ingls scanning tunneling microscope) que, a diferencia del SEM y el TEM, present por

primera vez la posibilidad de manipular la materia a nivel atmico. A partir de este descubrimientose desarroll la nanotecnologa, con lo que tambin se cumpli la prediccin de Richard Feynman,

quien vivi unos aos ms despus de la invencin del STM. Como ejemplo de la resolucin de este


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microscopio, en la figura 3, se muestra una imagen de STM de una capa de tomos de yodo sobre

una superficie cristalina de oro.

Figura 3. Imagen de STM (5 nm x 5 nm) de una capa de tomos de yodo, puntos ms brillantes, sobre unasuperficie cristalina de oro. La escala de la derecha indica la profunidad relativa en nm. (Cortesa de JosValenzuela, CNyN)

Las nanociencias utilizan primordialmente la mecnica cuntica para modelar, predecir y

explicar propiedades de los materiales que se observan experimentalmente; por ejemplo, investigan

bajo qu parmetros de temperatura y presin se pueden obtener nanomateriales de tamao y

estructura controlada y qu propiedades fsico-qumicas exhiben. Es claro que la fsica y la qumica

forman los bloques fundamentales de las nanociencias. Hoy en da estas disciplinas tambin

incluyen a la medicina, a la biologa y a la agronoma, entre otras, lo que seala su naturaleza

multidisciplinaria.

Las nanociencias se encargan de estudiar la estructura y las propiedades fsico-qumicas de losmateriales a escala nanomtrica y de desarrollar nuevos materiales, as como del estudio de nuevos

fenmenos que surgen a la escala nanomtrica.


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A su vez, la nanotecnologa comprende la capacidad de construir y manipular objetos y

dispositivos a nivel nanomtrico. En la actualidad, hay muchos productos en el mercado que

incluyen componentes obtenidos por medio de procesos nanotecnolgicos; entre ellos podemos

mencionar las cremas de proteccin solar con nanopartculas que absorben radiacin ultravioleta,

lmparas ms potentes como los LEDs o diodos emisores de luz y circuitos integrados o nanochips.

En la medicina se han hecho pruebas con nanopartculas que muestran gran efectividad en elcombate de ciertos tipos de virus, de tumores y de cncer. En el campo de la biologa se han creado

nuevos pesticidas que contienen nanopartculas que optimizan el tratamiento de aguas residuales.

En el futuro, las nanociencias y la nanotecnologa estarn ms integradas a nuestra vida

cotidiana. No olvidemos que la nanotecnologa es consecuencia del conocimiento que generan las

nanociencias y viceversa, las nanociencias se enriquecen a partir de los avances en la

nanotecnologa. Se espera que juntas, estas disciplinas contribuyan a resolver problemas

fundamentales de nuestra sociedad, como el de la energa que hoy todava es muy dependiente de

los combustibles fsiles, y el del abastecimiento del agua, por mencionar dos entre muchos otros que

tenemos ya en puerta.


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CONCEPTOS


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QU SON LOS NANOCOMPUESTOS?

Oscar Raymond Herrera, Oscar Eugenio Jaime Acua y Pamela Rubio Pereda

Es bien conocido que un compuesto qumico es aquella sustancia constituida por la unin de

dos o ms elementos qumicos que guardan cierta proporcin, y se identifica mediante una frmula

qumica, por ejemplo, el agua (H2O) o el cloruro de sodio (NaCl). En cambio, un material

compuesto, concepto que en el ingls corresponde a la palabra tcnica composite, es un cuerpo

slido constituido por una mezcla de dos o ms diferentes tipos de materiales (metlicos, cermicas,

vidrios, polmeros, entre otros). En un material compuesto se combinan las caractersticas

estructurales y/o funcionales de cada uno de sus componentes, buscando la aparicin de nuevas y

mejores propiedades fsico-qumicas no presentes en cualquiera de los componentes por separado.

Una gran variedad de los materiales empleados en la industria moderna son compuestos que se

fabrican en diferentes escalas en cuanto a las dimensiones de sus componentes. Un ejemplo clsico

de un compuesto fabricado en la escala macroscpica es el concreto que es una mezcla de agua,cemento, grava y arena. Cada uno de estos componentes desempea una funcin y otorga ciertas

propiedades al compuesto final que de ninguna manera pudieran obtenerse por los componentes

individuales. Sin embargo, el concreto, aun con sus magnficas propiedades mecnicas, cuando se

utiliza para la construccin frecuentemente requiere del acero que le otorga mayor rigidez,

resistencia a la compresin o a la traccin y a la flexin, entre otras caractersticas deseables. Muy

similar a la funcin del acero en el concreto, las fibras de carbono o de vidrio son componentes que

han revolucionado la fabricacin de materiales compuestos, dndoles excelentes propiedadesmecnicas como alta dureza, muy bajo peso y gran flexibilidad, las cuales generalmente no se

encuentran en materiales de una sola composicin qumica. Este tipo de fibras han sido empleadas

en industrias como la del deporte, la pesca deportiva, la navegacin y la construccin.


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Figura 2

En la tecnologa se puede hablar de tres arquitecturas bsicas que conforman a los

compuestos, ilustradas en la figura 1 para compuestos de dos componentes. El primero se conoce

como modelo particulado y el concreto es un ejemplo de material con esta arquitectura, el segundo

como laminar, un ejemplo es el taraflex empleado en instalaciones deportivas, y el tercero es el

columnar o de fibra, presente en la estructura de las llantas de automviles con cuerdas de nylon, de

acero, o con una combinacin de ambas.En 1948, se inici el desarrollo de una nueva rama de la industria llamada tecnologa planar

que, basada en el modelo laminar, fabric el primer transistor bipolar de estado slido a escala

micromtrica. El modelo laminar fue el motor principal de la revolucin que se dio en el siglo XX

en la industria microelectrnica y ha tenido gran impacto en el progreso alcanzado hasta nuestros

das en numerosas ramas industriales.

NanocompuestosConociendo las bondades que ofrecen los materiales compuestos, el actual desarrollo de la

nanotecnologa se ha enfocado en el diseo y la fabricacin de tales tipos de compuestos. En el

mbito de la investigacin cientfica-tecnolgica, actualmente se promueve en muchos pases el

desarrollo de nuevas estructuras, sistemas y dispositivos constituidos por partes de dimensiones

nanomtricas que designamos como nanocompuestos.

La estructura de los nanocompuestos sigue los mismos patrones arquitectnicos que

mostramos en la figura 1, o bien, puede presentar una combinacin de stos. La fabricacin de un

compuesto nanoestructurado, adems de presentar incuestionables ventajas por su miniaturizacin,

integra una nuevas funcionalidades a partir de las propiedades que aporta cada una de de las partes

constituyentes. De este modo, con los nanocompuestos se pueden obtener materiales que superen la


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capacidad actual de almacenamiento y transmisin de la informacin en el menor espacio posible,

que permitan el desarrollo de sistemas inteligentes auto gobernables con menor consumo de energa,

que generen nuevas fuentes de energa, o logren mayor control en el tratamiento de enfermedades,

como ejemplos de la infinitud de aplicaciones de la nanotecnologa al bienestar del ser humano.

Figura 3

Nuevos dispositivos transductores, que son elementos que convierten un tipo de energa en

otra, por ejemplo, un transductor electromecnico transforma energa elctrica en mecnica y vice

versa, se investigan actualmente en el CNyN. Los nanocompuestos de inters son aquellos que

gozan de excelentes propiedades elctricas y los que tienen propiedades magnticas. Actualmente,

se investiga el crecimiento de pelculas delgadas conformadas por nanocolumnas del compuesto

ferrimagntico ferrita de cobalto CoFe2O4 (CFO) (con propiedades magnticas) embebidas en una

matriz ferroelctrica de titanato de bario BaTiO3 (BTO) (con propiedades elctricas) (ver figura 2)

para formar nanocompuestos magnetoelctricos (que convierten la energa magntica en energa

elctrica o viceversa). El crecimiento de pelculas delgadas se lleva a cabo mediante la tcnica de

erosin inica. En estos nanocompuestos magnetoelctricos, a partir de la aplicacin de campos

magnticos externos (por ejemplo, acercando un imn) que afectan la magnetizacin de las

nanocolumnas del ferrimagntico CFO, se logra deformar elsticamente la matriz ferroelctrica del

BTO y, por lo tanto, cambiar su estado de polarizacin elctrica, lo cual altera la distribucin decargas en la superficie del nanocompuesto. Esto ltimo, produce una seal de corriente que se puede

medir con galvanmetros de alta sensibilidad. En forma anloga, el efecto magnetoelctrico ocurre

al aplicar un voltage (diferencia de potencial elctrico) o un campo elctrico externo que, al afectar


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la distribucin de las cargas elctricas, deforma elsticamente la matriz ferroelctrica BTO, y sta, a

su vez, deforma al ferrimagntico CFO embebido, logrando cambiar su estado de magnetizacin.

Con ello, se afecta el entorno magntico del nanocompuesto y los cambios pueden detectarse con

espiras metlicas externas de dimensiones adecuadas. Tales nanocompuestos, entre otras muchas

aplicaciones, pueden emplearse como detectores de campos magnticos extremadamente pequeos,

como los que generan sistemas biolgicos minsculos, por ejemplo, las clulas.

Nanocompuestos fotoactivos

Otros nanocompuestos que se desarrollan en el CNyN son los nanocompuestos fotoactivos

basados en la sntesis de nanopartculas de materiales semiconductores adheridos a la superficie

interior y exterior de materiales mesoporosos. Los materiales mesoporosos tienen poros de tamaos

intermedios, o meso, entre los nanoporos (~ 1 nm)y los microporos (~ 1 m). El material que se

utiliza en estas investigaciones se denomina zeolita. En la figura 3, se muestra la estructura de unazeolita tipo mordenita (MOR) en la que se aprecia un canal en el centro que es caracterstico de

este material poroso y tiene 0.6 nm 0.7 nm de dimetro.

Figura 3

Una zeolita se convierte en un nanocompuesto fotoactivo al insertar en el canal un material

semiconductor, el cual, al ser irradiado con luz, se convierte en un intercambiador de electrones que

modifica las propiedades pticas y electrnicas del nanocompuesto (ver, por ejemplo, la respuesta

ptica de diferentes nanocompuestos presentada en la figura 6). Los nanocompuestos formados por

zeolitas y semiconductores tienen gran potencial de aplicacin en el campo de la optoelectrnica

como fotodetectores o convertidores de energa luminosa, en particular la proveniente del Sol, y


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muy especialmente en la fotocatlisis, como se describe en la pregunta QU ES LA

NANOFOTOCATLISIS Y PARA QU NOS SIRVE?de este libro.

Figura 4

Para la obtencin de los nanocompuestos fotoactivos, primero se sintetizan los polvos demordenita empleando el mtodo qumico conocido como sol-gel. Los geles obtenidos de las

soluciones precursoras se someten a presin y temperatura controladas mediante el uso de

autoclaves hermticamente cerradas. Una micrografa de uno de los polvos de las mordenitas

sintetizadas, obtenida por microscopia electrnica de barrido y coloreada, se muestra en la figura 4.

Se pueden apreciar los empaquetamientos de mordenitas en forma de discos ovalados. Las

mordenitas que se muestran en la figura 4 se sintetizan insertando un tomo de un metal (por

ejemplo, Cd, Zn, Pb, Cu o Fe) en el lugar que ocupaba el tomo de sodio en la zeolita. Una vez

intercalado el metal, el nanocompuesto se somete a un proceso de oxidacin que modifica al metal.

De esta manera se obtienen nanopartculas semiconductoras de modo controlado, homogneamente

dispersas y adheridas tanto a las cavidades internas de las mordenitas como a toda su superficie

exterior. A esto se le llama un semiconductorsoportado en mordenita.

Mediante la microscopia electrnica de transmisin se puede determinar que los discos de la

figura 4 son empaquetamientos de nanoagujas de mordenita. La formacin de nanopartculas en la

superficie de estas agujas se ilustra en la figura 5.


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Figura 5

Finalmente, la figura 6 muestra, a la izquierda, una seleccin de polvos de nanocompuestos

sintetizados con nanopartculas semiconductoras de ZnxCdxS a diferentes concentraciones relativas

de Zn y Cd; obsrvese la intensidad del amarillo que aumenta con el incremento de Cd en la

composicin. A la derecha, se muestra la variacin de la absorcin ptica de estos nanocompuestos

en funcin de la longitud de onda y se compara con el comportamiento de los polvos puros

micromtricos de ZnS y CdS, as como de polvos de mordenitas sdicas sin nanopartculas (Na-

MOR). La grfica muestra que los nanocompuestos fotoactivos sintetizados tienen la actividad

ptica deseada y esto los proyecta como nanocompuestos con aplicaciones en el campo de la

fotocatlisis.

Figura 6


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QU ES UN PUNTO CUNTICO?

Ernesto Cota Araiza

En 1959, el fsico Leo Esaki, como parte de su tesis doctoral en la Universidad de Tokio sobre

materiales semiconductores con impurezas, descubri lo que se conoce como el diodo tnel, el

primer dispositivo electrnico basado en efectos cunticos. En 1973, Esaki recibi el Premio Nobel

de Fsica por sus contribuciones acerca del fenmeno de tunelaje cuntico y por sus estudios sobre

superredes y pozos cunticos. Estos estudios abrieron el camino a la posibilidad de desarrollar

sistemas en el laboratorio y estudiar fenmenos que hasta entonces slo existan en los libros de

texto de mecnica cuntica. En los aos setentas, el desarrollo de tcnicas como la litografa de

haces electrnicos hizo posible el confinamiento de gases de electrones en materiales

semiconductores en dos dimensiones (planos), una dimensin (alambres) y hasta cero dimensiones

(puntos cunticos). De esta manera, podemos definir un punto cuntico (PC) semiconductor, como

una regin en el material, de unas decenas de nanmetros, donde un determinado nmero deelectrones (que se puede reducir a uno) queda confinado en las tres direcciones espaciales. Este

confinamiento hace que el espectro de niveles de energa que los electrones pueden ocupar sea

discreto, similar a lo que ocurre en un tomo, y las caractersticas de este espectro (espaciamiento

entre niveles, por ejemplo) dependen del tamao y la geometra del PC. Tenemos entonces un

sistema con un espectro que se puede disear, de manera que, por ejemplo, las frecuencias de

absorcin o emisin pticas seran controlables, con lo cual se abre la posibilidad de aplicaciones en

diversas reas que van desde la nanoelectrnica y las celdas solares hasta el diagnstico ytratamiento de enfermedades.

Actualmente, en algunos laboratorios del mundo se usan tcnicas litogrficas para fabricar PC

semiconductores epitaxiales, usando electrodos de compuerta sobre un gas bidimensional de


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electrones y controlando el nmero de electrones que quedan confinados en cada PC. Raymond

Ashoori (MIT, EUA) y Horst Strmer (Universidad de Columbia, EUA) han obtenido PC con un

solo electrn y han demostrado la posibilidad de ir aadiendo electrones uno por uno. Tambin es

posible fabricar PC acoplados (molcula artificial) y estudiar el acoplamiento de los estados de

ambos PC (Leo Kouwenhoven, Universidad de Delft, Holanda).

En los aos ochentas, se desarrollaron mtodos para producir suspensiones coloidales de PCpor precipitacin de materiales semiconductores en solucin. Estos PC coloidales,cuyos tamaos se

pueden controlar con mucha precisin, tienen propiedades pticas nicas que permiten su utilizacin

como sensores de luz, con diversas aplicaciones en cmaras digitales, pantallas y celdas solares,

entre otras. Actualmente, se estn estudiando aplicaciones muy importantes en el rea de

diagnstico y tratamiento de enfermedades. Por ejemplo, en el caso del cncer, se est considerando

la posibilidad de inyectar el medicamento depositado en el interior de un PC, directamente al tumor,

como una alternativa a la quimioterapia actual. El PC estara revestido de molculas que son

sensibles a enzimas que se producen en la zona afectada (por ejemplo, por tumores cancerosos,

pancreatitis u otras enfermedades), lo cual permite que el PC se ubique en esa zona y el

medicamento sea liberado y acte con mayor eficiencia. En el rea de las neurociencias se usan PC

coloidales para visualizar y medir eventos moleculares, as como PC semiconductores fluorescentes

cuyas propiedades pueden ser controladas a travs de su tamao y composicin.

Similarmente, en las celdas solares, el uso de los PC promete aumentar su eficiencia,

aprovechando sus propiedades de absorber y emitir radiacin en forma preferencial y controlable y

la facilidad para convertir esta energa en electricidad.

Otra rea de inters de aplicacin de los PC es en la nanoelectrnica y particularmente en

espintrnica, en donde la atencin se enfoca en el espn de los electrones en el punto cuntico. En

particular, el autor ha participado en proyectos de investigacin en esta rea, en donde hemos

propuesto un arreglo de dos PC acoplados, tales que en presencia de un campo magntico y de un

voltaje que cambia peridicamente con el tiempo, se demuestra que el sistema realiza bombeo de

electrones y acta como filtro de espines.

Ms recientemente, en el mismo sistema de doble punto cuntico, hemos estudiado el efectode interacciones de los espines electrnicos con los espines nucleares y la interaccin espn-rbita

sobre los tiempos de decoherencia del sistema. Estos estudios son importantes por las posibles


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aplicaciones de este sistema como componentes bsicos (bits cunticos) para almacenamiento y

procesamiento de informacin en el rgimen cuntico.

PC1 PC2

Figura 1. Diagrama esquemtico del arreglo de doble punto cuntico que acta como filtro de espn (a)hacia abajo y (b) hacia arriba. En ambos casos, la configuracin inicial es con un espn hacia arriba enambos PCs. En el caso (a), entra un espn hacia abajo al punto cuntico de la izquierda (PC1) para formarun estado singlete de energa ELS0. Enseguida, este electrn es bombeado al punto cuntico de la derecha(PC2), por medio del campo externo, para formar el estado singlete de energa ERS0. Finalmente, esteelectrn sale al reservorio de la derecha y el sistema regresa a la configuracin inicial. En el caso (b), se

lleva a cabo un proceso similar que involucra la transferencia de un espn hacia arriba. (c) Corrientecalculada como funcin de la frecuencia del voltaje externo. Se observan resonancias de la corriente envalores especiales de la frecuencia para espn hacia arriba (rojo) y hacia abajo (azul).


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FERROELECTRICIDAD: TIENE EFECTO EL TAMAO?

Alejandro Durn, Mara de la Paz Cruz, Jess Mara Siqueiros

Los materiales estn compuestos de tomos y molculas y difieren en su comportamiento

fsico dependiendo de sus arreglos atmicos y de su escala de tamaos. La relacin entre la

estructura atmica de los materiales y sus propiedades fsicas se estudia en el campo de la ciencia de

materiales. Sin embargo, se ha demostrado que esta relacin es enteramente diferente cuando la

escala del material es muy reducida. En este contexto, recientemente ha emergido el estudio de las

propiedades cristalofsicas de materiales a escala nanomtrica. Este tipo de estudios ha sido posible,

en gran parte, debido al desarrollo de tecnologas para la fabricacin, la sntesis, observacin,

manipulacin, ensamblaje y caracterizacin de materiales nanomtricos. La nanociencia y la

nanotecnologa comprenden el estudio tanto terico como experimental de los fenmenos fsicos y

qumicos a escala nanomtrica (1-100 nm) y la manipulacin de los materiales a esta escala para

posibles aplicaciones tecnolgicas.Para tener una idea de qu tan pequeo es un nanmetro, consideremos, por ejemplo, el

dimetro del ion de oxgeno que es de 2.8 . Como 1 nm equivale a 10 , quiere decir que slo

requeriramos de aproximadamente 3.6 iones de oxgeno alineados para alcanzar una longitud de 1

nm. Con 36 iones de oxgeno alineados tendramos una longitud de 10 nm y con 360 iones, una de

100 nm, con lo que nos encontraramos ya en el lmite de la escala nanomtrica.

Por otro lado, las propiedades fsicas como la ferroelectricidad, el magnetismo, la

superconductividad y el transporte elctrico de electrones, son fenmenos cooperativos querequieren de muchas celdas cristalinas. Para que alguno de estos fenmenos se manifieste, las

interacciones de muchos cuerpos son de fundamental importancia. Cuando estas interacciones son

confinadas a dimensiones nanomtricas, muchos fenmenos fsicos adquieren una menor


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importancia y se manifiestan otros, menos conocidos, debido a que, en esta escala, la superficie y

los procesos cunticos tienen mayor preponderancia. Estas propiedades inesperadas ocurren como

resultado del confinamiento de las capas electrnicas de los tomos que conforman el material. En

los ltimos aos, la creciente carrera hacia la miniaturizacin a escala nanomtrica de los

dispositivos ferroelctricos, ha motivado a los investigadores de este campo a discutir y comprender

la presencia o ausencia de la ferrolectricidad a nivel de unas cuantas celdas cristalinas y lasimplicaciones que esto tendr para nuevas aplicaciones tecnolgicas.

Empezaremos por definir a un material ferroelctrico como aqul que experimenta una

transicin de fase, de una fase centrosimtrica a alta temperatura en la que se comporta como un

dielctrico ordinario, a una fase de ms baja temperatura, no-centrosimtrica, en la que presenta una

polarizacin elctrica espontnea cuya direccin puede ser conmutada por medio de un campo

elctrico externo. La aparicin de la polarizacin involucra, en la mayora de los casos, la distorsin

de la celda unitaria. Este hecho implica que la polarizacin y la deformacin elstica de la celda

unitaria estn acopladas. La figura 1 muestra las dos caractersticas fsicas que distinguen a un

material ferroelctrico. Observamos un pico en la curva de permitividad en funcin de la

temperatura que denota el valor de la temperatura crtica (Tc) a la cual ocurre la transicin del

estado ferroelctrico de baja temperatura al estado paraelctrico de alta temperatura.

Lo que ocurre a nivel microestructural en el ejemplo ilustrado es un cambio de una estructura

cbica (centrosimtrica) a una tetragonal (no-centrosimtrica) como consecuencia del

desplazamiento a lo largo de alguna direccin cristalogrfica del ion ubicado en el centro de la celda

cbica, y que es ocasionado por el cambio en la temperatura. Con la finalidad de minimizar la

energa asociada a la deformacin elstica de la superficie del cristal, ste nuevo ordenamiento

estructural conduce a la formacin de dominios ferroelctricos a nivel microestructural. As, cada

dominio, definido como una regin del material donde todos los dipolos elctricos estn orientados

en el mismo sentido, se representa por un vector de polarizacin. Cuando aplicamos un campo

elctrico, la respuesta de la estructura de dominios del material es la encargada de producir la curva

de la polarizacin (histresis en la curva insertada a la izquierda en la figura 1).

Los avances ms significativos en la investigacin de la ferroelectricidad a escalamicromtrica y nanomtrica se han realizado utilizando el mtodo de fabricacin de arriba hacia

abajo, el cual consiste en partir de un material macroscpico y reducir su tamao hasta escalas

nanomtricas. Las capas bidimensionales de espesores ultrafinos (pelculas delgadas) han sido una


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alternativa para estudiar estos fenmenos a escala nanomtrica. Las investigaciones se han enfocado

al desarrollo de sensores y a la tecnologa de almacenamiento de datos. Una de las tcnicas

utilizadas para producir pelculas ultrafinas en el laboratorio, es el crecimiento de pelculas por

ablacin por lser pulsado (PLD, del inglspulsed laser deposition), ya que las capas producidas as

son de alta calidad. El proceso es relativamente rpido y no es necesario emplear mucho material.

Otras tcnicas como la erosin inica (sputtering) y el depsito de vapores qumicos (CVD, delingls chemical vapor deposition) tambin se emplean con este propsito.

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550

Temperatura (oC)

PZT Estado

Ferroelctrico

Estado

Paraelctrico

Tc

Polarizacin (C/cm2)

Campoelctrico

(kV/cm)

1

0

Polarizacin (C/cm2)

Campoelctrico

(kV/cm)

+Emax-Emax

-Ec +Ec

1

2+Pr

-PrPermitividad() Ps

Figura 1. Caractersticas fsicas que definen a un ferroelctrico. La figura principal muestra un pico en lamedida de la permitividad () en funcin de la temperatura que, por debajo de una temperatura crtica(Tc), define el estado ferroelctrico y, por arriba, el estado paraelctrico. Las curvas insertadas muestran

la histresis y ausencia de histresis en las medidas de polarizacin en funcin del campo elctricoaplicado que define ambos estados. Los modelos geomtricos representan la estructura simtrica y no-centrosimtrica del estado paraelctrico y ferroelctrico, respectivamente.


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Es importante seleccionar cuidadosamente las condiciones experimentales para cada una de

las tcnicas, ya que stas determinan el control del crecimiento de la pelcula a espesores

nanomtricos. Algunos materiales ferroelctricos como el BaTiO3 (titanato de bario), Pb(Ti1-xZrx)O3

(circonato-titanato de plomo) y el BiFeO3 (ferrato de bismuto) se han crecido a escalas

nanomtricas por medio de PLD con excelentes resultados.

Por otra parte, la microscopa de piezofuerza (PFM, del inglspiezoelectric force microscopy)es la herramienta ptima para observar y medir el fenmeno ferroelctrico en pelculas de espesores

ultrafinos.

Figura 2. Lazos de histresis ferroelctrica de pelculas de BiFeO3 con espesores de a) 15 nm, b) 8 nm, c)4 nm y d) 2 nm.

En la figura 2 se muestran las curvas de histresis ferroelctrica en pelculas de BiFeO3 con

espesores de 15, 8, 4 y 2 nanmetros. Se observa que la seal ferroelctrica (lazo de histresis)

persiste muy bien entre los 15 y los 8 nm. Pero cuando el espesor de la pelcula disminuye a 4 nm el

lazo de histresis se reduce y, a 2 nm, empieza a ser difuso, marcando el espesor crtico hasta el cual

-3 -2 -1 0 1

-1.0 -0.5 0.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0

-2 -1 0 1

Voltaje

Fase

[]

0

90

180

0

90

180

a) b)

c) d)


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persiste el fenmeno ferroelctrico. Como hemos mencionado anteriormente, la formacin de

dominios es el mecanismo por el cual el cristal minimiza la energa superficial asociada a la

deformacin elstica ocasionada por el desplazamiento del catin central de la estructura. De esta

manera, en unapelcula ultrafina, las condiciones energticas para la presencia y/o ausencia de la

ferroelectricidad estn determinadas por el tamao del dominio (w), el espesor de la pared de

dominio () y por el espesor del depsito sobre el sustrato (d), tal como se observa en la figura 3.

d

w

Pared de dominioDominio

Substrato

Figura 3. Pelcula delgada sobre un substrato, en donde se muestran dominios de 180 o y sus parmetroscaractersticos: ancho de los dominios (w), espesor de la pared de dominio (), y el espesor de la pelcula(d).

Los resultados experimentales de la Figura 2 concuerdan con resultados experimentales en

pelculas nanomtricas de diferentes materiales ferroelctricos. En estos trabajos se mostr que el

espesor de la pared de dominios () de aproximadamente 2 nm, es el mismo para espesores de

pelculas que variaron desde unas cuantas micras hasta unos cuantos nanmetros. Estos resultados

mostraron que la ferroelectricidad comienza a ser difusa cuando el espesor de la pelcula (d) alcanzael tamao del espesor de la pared de dominios, (~2 nm). De esta manera, se espera que si el espesor

de la pelcula decrece hasta el ancho de la pared de dominio, la energa asociada a la superficie del


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cristal puede ser ms grande que la energa necesaria para que ocurra el ordenamiento ferroelctrico,

lo cual lleva a la desaparicin de la ferroelectricidad.

En resumen, la ferroelectricidad es un fenmeno cooperativo que requiere de muchas celdas

cristalinas. Las manifestaciones de la ferroelectricidad pueden ser fielmente reproducidas a tamaos

de dominio mayores a algunos nanmetros. Por ello, ser posible encontrar dispositivos

ferroelctricos que operen en espesores de depsito por encima de 2 nm. Uno de los retos actualespara los investigadores experimentales de los materiales ferroelctricos, es reproducir estos

resultados y probar si la reduccin de tamao hasta espesores nanomtricos tiene efecto sobre las

propiedades ferroelctricas en materiales libres de plomo y cromitas magnetoelctricas.


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QU HACE LA LUZ EN ESPACIOS DE TAMAO NANOMTERICO?

Jess Alberto Maytorena Crdoba, Catalina Lpez Bastidas, Roberto Machorro Meja

En realidad esta es una pregunta amplia, en la que cabe una gran variedad de fenmenos para

los que se han acuado varios trminos con el fin de clasificarlos y ubicarlos en un contexto: nano-

ptica, electrodinmica de campo cercano, nano-fotnica, nano-plasmnica, entre otros. Estos

campos de estudio, en los que se busca comprender fenmenos pticos a la escala nanomtrica,

constituyen actualmente nuevas reas de activa investigacin cientfica y tecnolgica. De lo que se

trata es de tener acceso a la interaccin entre la luz y la materia en una escala de tamao tpicamente

inferior a la longitud de onda de la luz, lo que, en el rango visible de sta, implica dimensiones

menores a unos pocos cientos de nanmetros. Pero, por qu las cosas a esa escala habran de ser

diferentes a lo que sucede en la ptica clsica convencional?

La luz es una onda electromagntica consistente en campos elctricos y magnticos que

oscilan rpidamente en el espacio y en el tiempo. Las variaciones de un campo elctrico generan uncampo magntico cuyas variaciones generan de nuevo uno elctrico que a su vez genera el

magntico, y as sucesivamente, todo segn leyes fsicas precisas (leyes de Faraday y de Ampre-

Maxwell). La onda ms sencilla as generada es la llamada onda plana monocromtica, cuya

oscilacin peridica en el tiempo y en el espacio se caracteriza por una frecuencia y un vector de

onda (inversamente proporcional a la longitud de onda), y cuyo vector de campo elctrico vibra de

manera perpendicular a la direccin de propagacin (especificada por la direccin del vector de

onda). Las ecuaciones matemticas que gobiernan el campo electromagntico (las clebresecuaciones de Maxwell) son lineales y, por lo tanto, la luz obedece el principio de superposicin: la

combinacin lineal de dos soluciones tambin es una solucin, o dicho de otra manera, el campo

elctrico (o el magntico) resultante de una onda, en un punto del espacio donde se superponen dos


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o ms ondas de luz, es igual a la suma de los campos de las ondas constitutivas individuales. Por

ejemplo, cuando un rayo de luz incide sobre un medio, su campo elctrico pone a oscilar a los

electrones de cada tomo, y este movimiento de carga elctrica es a su vez fuente de un campo

electromagntico. Como resultado de la superposicin de los campos producidos por todos los

tomos, estapolarizacin del material genera en su interior una onda que se propaga a la velocidad

de la luz en dicho medio, otra que cancela exactamente al campo incidente, y una tercera ondaradiada hacia el exterior del material. Efectivamente, cuando un haz luminoso incide sobre un

medio, decimos que parte de l se transmite y parte se refleja, como comprobamos diariamente, (y,

aunque parezca que las ondas vienen de la superficie, ellas se generan en el interior).

La onda plana representa el ejemplo ms natural y sencillo de la onda propagante, que se

caracteriza por viajar hasta alcanzar distancias mucho mayores que la longitud de onda,

propagndose libremente, separada ya de las cargas y corrientes que le dieron origen; esto es a lo

que llamamos propiamente campo lejano o de radiacin. Las ondas reflejadas y transmitidas

mencionadas anteriormente, y el mundo todo de la ptica convencional y de lo que vemos con el ojo

a nuestro alrededor, se basa en buena medida en la naturaleza ondulatoria propagante de la luz. Pero

resulta que las ecuaciones de Maxwell predicen, en regiones prximas a superficies e interfaces, la

existencia de otro tipo de solucin, diferente a la onda plana. Este nuevo tipo de onda (o de luz) se

caracteriza por viajar sobre la superficie sin alejarse de ella, en el sentido de que su amplitud

disminuye exponencialmente con la distancia perpendicular a la superficie, lo que revela su

naturaleza localizada o no propagante. La escala espacial de este decaimiento de amplitud depende

de la frecuencia y del tipo de material involucrado (metal, dielctrico, semiconductor), y puede ir

desde unas dcimas de nanmetros hasta algo comparable a la longitud de onda. La existencia de

estas ondas evanescentes o campo cercano constituye un elemento fsico fundamental que permite

transformar la luz en una forma localizada de energa o viceversa, que abre nuevas posibilidades en

lo que se refiere a la interaccin entre la luz y la materia. Esto sugiere, por ejemplo, que si se

manipula la materia, se moldeara a su vez la magnitud de dicha interaccin y, en ltima instancia,

se estara manipulando en algn grado tal luz confinada, lo que puede servir a diversos propsitos.

Esto supone, por otra parte, la capacidad de fabricar nanoestructuras a conveniencia, conprecisas propiedades materiales, as como la capacidad de poder observar esta luz confinada

nanomtricamente. Hoy en da, esto es fsicamente realizable dado el espectacular desarrollo en la

creacin de estructuras submicromtricas de estado slido, con toda clase de escalas, perodos,


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inhomogeneidades, simetras, etc. Para dar una idea de la clase de fenmenos que pueden ocurrir,

mencionaremos tres ejemplos: (i) la superacin del lmite de difraccin en microscopa ptica, (ii)

los plasmones de superficie en metales nanoestructurados y (iii) la respuesta ptica de

nanopartculas. Veamos cada uno de ellos.

(i) La existencia de ondas evanescentes ofrece una va para superar el lmite de resolucin

de la microscopa ptica convencional. Para ver como podra suceder esto, consideremos unelemento ptico sencillo, tal y como una lente con la que deseamos formar la imagen de un objeto.

Sabemos que la imagen de un punto del objeto no es propiamente un punto, sino que se observa una

manchita. Esto es as porque la lente slo colecta inevitablemente ondas planas (provenientes del

objeto) con vectores de onda en un intervalo restringido, es decir, la imagen se forma con ondas

propagantes que viajan hasta el detector y cuyas direcciones de propagacin no apuntan todas al

mismo punto exactamente; el tamao de la manchita queda determinado por la escala de variacin

espacial de las ondas y resulta comparable al de la longitud de onda, en vez de ser puntual. En un

microscopio ptico, esto tiene como consecuencia que su resolucin espacial est limitada a

estructuras espaciales no mucho menores que la longitud de onda; si se ilumina con luz de longitud

de onda (en el rango visible por ejemplo, donde ~ 400-700 nm), slo ser posible la resolucin

de objetos de tamao aproximadamente (esto se conoce como lmite de difraccin). Podemos ver

tambin que este lmite impide la localizacin de ondas electromagnticas en regiones nanomtricas,

mucho ms pequeas que la longitud de onda de la luz en el material. Si recordamos que un campo

ptico (i.e. luz) puede expresarse convenientemente como superposicin de ondas con distintos

vectores de onda, vemos que la superacin de dicho lmite requerira tomar tambin en cuenta la

contribucin de las ondas evanescentes, que por su naturaleza tienen vectores de onda grandes y

permitiran aumentar el intervalo de vectores de onda que contribuyen a formar una imagen. Pero

este campo evanescente no puede llegar desde el objeto de estudio hasta una lente y posteriormente

a una pantalla. El desarrollo de tcnicas para emplear ondas evanescentes para formar imgenes con

una resolucin superior a la impuesta por el mencionado lmite, ha dado lugar a la microscopa

ptica de campo cercano. Tpicamente la escala pequea (i.e. los vectores de onda grandes) se

produce al iluminar una punta delgada muy prxima a una superficie y que se mueve a lo largo deella, de manera que al observar la luz dispersada se puede obtener informacin de la interaccin

entre punta y muestra, o sobre la topografa superficial, a escala nanomtrica. De este modo se han

logrado resoluciones tan finas como de 10 nm con luz visible o infrarroja ( ~ 10 m), y aunque no


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se compara con la resolucin atmica ( 1 ) de un microscopio electrnico de tunelaje, el hecho

de que la microscopa sea de naturaleza ptica, permite aprovechar las ventajas inherentes de la luz

y combinarla con otro tipo de espectroscopias dando lugar a una poderosa tcnica de observacin

submicroscpica

(ii) En una superficie metlica, las cargas libres (esto es, los electrones de conduccin,

desligados de los ncleos atmicos) pueden moverse de manera colectiva y en fase, oscilando enrespuesta a la accin de un campo electromagntico. La interaccin resonante entre la oscilacin de

las cargas superficiales y el campo de una onda luminosa constituye una onda confinada a dos

dimensiones que se propaga a lo largo de la superficie del metal (Figura 1). Debido a la analoga

entre la dinmica electrnica en un metal y el movimiento de partculas cargadas en un plasma, estas

oscilaciones de densidad de carga reciben el nombre de oscilaciones de plasma o simplemente

plasmones de superficie. La naturaleza de esta onda es ms complicada pues no es un puro campo

ptico, sino que involucra la polarizacin del medio, en este caso el movimiento de los electrones

libres; para enfatizar este carcter hbrido tambin se les llama polaritones de plasma. Las

caractersticas fsicas de los plasmones de superficie (energa, velocidad, longitudes de propagacin

y atenuacin) dependen fuertemente del tipo de metal involucrado, de la frecuencia y de la

geometra (interfaces, pelculas delgadas, guas de onda, nanopartculas). Por su naturaleza, los

plasmones son sensibles a las condiciones superficiales y permiten producir una alta concentracin

de luz en espacios de unos cuantos nanmetros, y es posible guiarlos, localizarlos, manipularlos, sin

estar sujetos al lmite de difraccin. A pesar de que los electrones al moverse disipan energa en

forma de calor, la capacidad tcnica para fabricar estructuras metlicas pequeas de todo tipo ha

sugerido el uso de los plasmones de superficie para disear sensores moleculares, circuitos

plasmnicos, tcnicas microscpicas con nanoresolucin, antenas pticas, transmisin

extraordinaria, entre muchas otras ideas y fenmenos nuevos. Se ha acuado el trmino

nanoplasmnica, o simplementeplasmnica, para referirse, en general, al estudio de las propiedades

pticas de metales nanoestructurados.

(iii) Las nanopartculas representan sistemas que se ubican entre los medios macroscpicos,

cuyas propiedades son en esencia independientes del tamao, y los sistemas atmicos o moleculares,donde la naturaleza cuntica de la materia es predominante. Las propiedades de estas partculas

pequeas dependen sensiblemente de su geometra conforme su tamao disminuye y la razn


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superficie/volumen aumenta. Desde hace tiempo se han establecido los fundamentos tericos y

realizado experimentos sobre la absorcin y esparcimiento de luz por partculas pequeas.

Figura 1. Plasmn de superficie en una interfaz plana entre un dielctrico y un metal. El campo elctrico(en verde) de esta luz superficial se propaga sobre la interfaz (plano vertical), pero en la direccinperpendicular a sta su amplitud decae de manera exponencial.

El inters en esta clase de fenmenos existe en muchas disciplinas cientficas, por ejemplo en

la fsica del estado slido, en ptica, qumica, biologa, astronoma, fsica atmosfrica e ingeniera

elctrica. De nuevo, el desarrollo de tcnicas para producir nanopartculas con el tamao, forma y

composicin deseadas, ha hecho que estos sistemas, de manera individual o colectiva, tengan un

papel relevante en una gran cantidad de desarrollos en nanotecnologa. Cuando incide luz sobre una

nanopartcula metlica, se induce en sta una distribucin inhomognea oscilante de cargas cuyo

movimiento se ve restringido por la superficie curveada. Bajo condiciones de resonancia entre la

vibracin de la onda incidente y el ir y venir de las cargas, se establece una oscilacin de plasma que

conduce a una notable amplificacin y localizacin del campo electromagntico en la vecindad de la

superficie (Figura 2). A diferencia de los plasmones de una superficie plana, que se propagan a lo

largo de sta, los plasmones de superficie de una nanopartcula estn enteramente confinados en

todas direcciones; por esta razn se les denomina simplemente plasmones localizados . Una

propiedad importante de estas resonancias es que su frecuencia puede sintonizarse con slo cambiar


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la forma, el tamao o el medio en que se encuentra la nanopartcula. Esto se refleja en el espectro de

emisin o de absorcin, es decir en el color de la nanopartcula. Otras nanoestructuras con

plasmones localizados son los nanocascarones, las inclusiones dielctricas en estructuras metlicas,

o arreglos de nanopartculas. Entre las aplicaciones que se han vislumbrado estn las nanoantenas

pticas, fototerapia trmica, superlentes, amplificacin de plasmn por emisin estimulada de

radiacin (el spaser, la versin nanoplasmnica del lser), por mencionar slo algunas.

Figura 2. Plasmn de superficie en una nanopartcula metlica. A la izquierda se representa eldesplazamiento de los electrones causado por un campo elctrico oscilante. Se producen cargassuperficiales negativas (electrones) y positivas (dficit de electrones), cuyo movimiento resonanteconstituye una oscilacin de plasma. A la derecha se presenta la intensidad del campo elctrico delplasmn, el halo rojo-amarillo corresponde a magnitud mxima y muestra la localizacin espacial en lasuperficie.

Un aspecto particular en el rea de las propiedades pticas de nanoestructuras que se estudia

en el CNyN es la respuesta ptica no lineal de nanopartculas. Este tipo de respuesta aparece cuando

una partcula est sujeta a un haz de luz lo suficientemente intenso para que la polarizacin inducida

en ella sea proporcional no a la magnitud del campo elctrico sino a su cuadrado. Esto da lugar a

fenmenos como el de la generacin de radiacin de frecuencia igual al doble de la del campo

aplicado, proceso que resulta ser muy sensible a la superficie de la nanopartcula, y que, en general,

es la base de una espectroscopa ptica muy til pues permite sondear las condiciones fsicas o

qumicas de superficies e interfaces.


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QU ES UN NANOREACTOR?

Viridiana Evangelista, Brenda Acosta, Andrey Simakov

La palabra reactornos remite frecuentemente a imgenes de reactores nucleares. Sin embargo,

existen muchos tipos distintos de reactores, adems de los nucleares. El cuerpo humano, por

ejemplo, es un reactor ya que con el simple hecho de respirar, se desencadenan en su interior una

serie de reacciones qumicas. Esto nos lleva a una definicin sencilla de lo que es un reactor:

independientemente de su forma, material de construccin o tamao, un reactor es un lugar en el que

se llevan a cabo reacciones qumicas. Los reactores cumplen funciones en mbitos muy distintos: en

la industria de la transformacin, en la mayora de los laboratorios, en los hogares y en el interior de

los organismos vivos. En la figura 1 se ilustran algunos ejemplos de reactores en orden decreciente

de tamao.

Figura 1. Ejemplos de reactores de diferentes tamaos: A) reactor industrial (25 m), B) reactor de laboratorio(0.02 m) y C) reactor de un organismo vivo (enzima de 0.0000003 m).

Cuando senombran los reactores, puede hacerse referencia a su tamao mediante un prefijo;

as, un nanoreactor es un reactor cuyas dimensiones se encuentran entre 1-100 nanmetros. Los


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nanoreactores, por ser tan pequeos, pueden ser consecuencia del auto-ensamblaje espontneo de

molculas, como las micelas o las vesculas, o pueden producirse a partir de sustancias naturales o

sintticas. Algunos ejemplos de nanoreactores son las zeolitas, los silicatos, los nanotubos o algunas

estructuras ms complejas como las que describiremos ms adelante: los nanoreactores de ncleo-

cpsula (del ingls core-shell).

Entre las aportaciones de las nanociencias que han maravillado al mundo se encuentran lasmltiples formas que pueden adquirir las estructuras de dimensiones nanomtricas (esferas, cubos,

cilindros, estrellas), muchas de las cuales se han obtenido controlando estrictamente su proceso de

sntesis. Hace menos de 20 aos, se inici la preparacin de un tipo de nanoestructuras llamadas

nanoreactores de tipo ncleo-cpsula. La figura 2 A) ilustra en qu consiste este tipo de estructura

mediante el ejemplo de un fruto de origen natural, el aguacate. El ncleo del aguacate, la semilla, es

el elemento ms importante del aguacate. La cpsula o sea la cscara del aguacate, protege al

ncleo, mantenindolo aislado del exterior. Los nanoreactores con estructura de tipo ncleo-cpsula,

de igual manera, estn formados por un ncleo alojado en un espacio vaco dentro de una cpsula

porosa. En la figura 2 B) se presenta un nanoreactor y las partes que lo constituyen. Es importante

resaltar la diferencia en las dimensiones de ambos ejemplos, el aguacate es 100 millones de veces

(10 cm = 100,000,000 nm) ms grande que el nanoreactor. Este captulo describe brevemente el

origen, las aplicaciones, la clasificacin y los mtodos de sntesis de los nanoreactores ncleo-

cpsula.

Figura 2. Representacin de la estructura ncleo-cpsula: A) aguacate y B) nanoreactor.

A) B)


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A travs de mltiples investigaciones el hombre ha desarrollado nanoestructuras . que han

evolucionado, pasando de sistemas que servan solo para almacenar ciertos compuestos qumicos

hasta sistemas encargados de la liberacin controlada de frmacos, que es una de las aplicaciones de

los nanoreactores ncleo-cpsula. En el rea de investigacin de la ingeniera biomdica se han

hecho avances destacados en:

Sistemas de transporte de frmacos (Figura 3). Sondas de sensores colorimtricos de ADN y protenas.

Deteccin y terapia trmica de tumores cancergenos.

Figura 3. Esquema de la liberacin de una solucin con el transcurso del tiempo, usando un nanoreactor.ste es el principio de la liberacin controlada de frmacos.

En aos recientes, el conocimiento acumulado sobre los nanorecatores ncleo-cpsula aunado

a su estructura simple y definida ha motivado su aplicacin en reas como la catlisis. La catlisis es

el proceso por el cual se acelera la velocidad de una reaccin qumica en presencia de un

catalizador; en este caso, el ncleo del nanoreactor representa la parte activa del catalizador. El

desempeo de los nanoreactores se ha enfocado en optimizar reacciones de qumica fina y

ambiental.

Con base en la naturaleza de los componentes que constituyen tanto al ncleo como a la

cpsula, los especialistas en el tema han clasificado a los nanoreactores ncleo-cpsula en tres

grupos: i) inorgnicos, en los que el ncleo y la cpsula son inorgnicos; ii) polimricos, en los que

ambos componentes sonpolmeros; y iii) hbridos, cuando uno de sus componentes es inorgnico yel otro orgnico.

Si bien, todos los tipos de nanoreactores son de gran inters cientfico, los inorgnicos son los

ms atractivos en el rea de catlisis debido a las mltiples combinaciones posibles entre los


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elementos que forman el ncleo y la cpsula, que pueden generar interesantes propiedades

catalticas, trmicas, magnticas y pticas, por mencionar algunas.

El xito de los nanoreactores inorgnicos y sus mltiples aplicaciones estn ligados al mtodo

de sntesis. De manera general, las rutas para producir nanoreactores con estructura ncleo-cpsula

son dos:de abajo hacia arriba (del ingls bottom-up), que es la que se utiliza con mayor frecuencia e

implica la construccin de la nanoestructura comenzando por el ncleo, y de arriba hacia abajo (delingls top-down), cuando se inicia con la cpsula. Los pasos de ambas rutas se resumen en las

figuras 4 A) y B), respectivamente.

Figura 4. Rutas de sntesis de nanoreactores ncleo-cpsula: A) de abajo hacia arriba y B) de arriba hacia

abajo.

El inters cientfico en los nanoreactores ha aumentado exponencialmente a nivel mundial a

partir de 2006. Lo anterior es evidente no solo en los excelentes resultados que se han presentado en

las distintas investigaciones, sino que adems representa una ventana de oportunidad en mltiples

campos cientficos. En suma, la investigacin de estructuras avanzadas como los nanoreactores es

un tema de vanguardia que va de la mano con la innovacin tecnolgica.

En Mxico, un grupo de trabajo del Departamento de Nanocatlisis del Centro de

Nanociencias y Nanotecnologa (CNyN) de la UNAM est enfocado en el estudio de nanoreactores

inorgnicos ncleo-cpsula. Entre lo ms destacado del trabajo de este grupo est el diseo

estratgico de una estacin para sintetizar los nanoreactores a gran escala y a bajo costo. El equipo

de investigadores, respaldados por aos de experiencia en el campo de catlisis, cuenta con

A)

B)


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herramientas para desarrollar nanoreactores ncleo-cpsula con propiedades atractivas para

mltiples reacciones de inters, en especial de qumica ambiental y de qumica fina.


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MATERIALES


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QU ES EL NANO-ORO?

Elena Smolentseva, Eunice Vargas y Andrey Simakov

Qu responderas si te preguntan qu es el oro? La mayor parte de la gente contestara que es

un metal relacionado con joyas, dinero, lingotes, monedas, mucho valor o nivel econmico. Desde la

antigedad el oro ha sido un smbolo de poder y se ha relacionado con dioses, reyes e inmortalidad

(Figura 1).

Figura 1. Ejemplos de objetos de oro [1].

El oro es un elemento qumico que se encuentra ubicado en la tabla peridica con el nmero

atmico 79 y que existe de forma natural. Es un metal amarillo, suave y con un lustre muy atractivo.

Su relacin con el poder seguramente comenz cuando se reconoci que es muy estable, es decir,

que sus caractersticas fsicas no cambian con el paso del tiempo, como sucede con otros metalescomo el hierro. Otras caractersticas importantes son su maleabilidad y ductilidad, lo que permite

fcilmente hacer piezas de oro de formas variadas, muy pequeas y muy delgadas, sin que ste

pierda su integridad. Gracias a sus caractersticas, el oro se aplica en la industria electrnica para el


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alambrado elctrico de alta energa, para conexiones elctricas en recubrimiento de tarjetas de

memoria; en la industria cosmtica se usa en forma de fibras (hilos) para la ciruga esttica y, en la

industria textil, como parte de bordados y adornos.

Pero qu es el nano-oro? Es decir qu son las nanopartculas de oro? El trmino nano-oro se

refiere a partculas de oro tan pequeas que su tamao es de escala nanomtrica. Las primeras

nanopartculas de oro (NP-Au) fueron obtenidas por los artesanos romanos. Ellos saban que almezclar una sustancia llamada cloruro de oro con vidrio fundido se obtena un vidrio de color rojo

(Fig. 2). Esta tcnica se us para producir vidrio de un color tan atractivo que se eligi para fabricar

objetos artsticos y para decorar las ventanas de algunas catedrales europeas. Sin embargo, estos

artesanos no saban que estaban empleando partculas de oro de tamao nanomtrico.

Figura 2. Solucin acuosa de cloruro de oro (izquierda) [2] y copa de vidrio fundido en cuya fabricacinse utiliz oro nanomtrico (derecha) [3] cambridge2000.com.

El oro es un material cuyas propiedades fsicas y qumicas cambian drsticamente cuando su

tamao es el de una nanopartcula. Las NP-Au tienen propiedades pticas muy peculiares, ya que

son de distinto color segn su tamao. La Figura 3 muestra soluciones coloidales de NP-Au que

exhiben diferentes colores. El color de cada solucin depende del tamao de las NP-Au que

contiene. El color rojo, por ejemplo, corresponde a las NP-Au de tamao entre 5 y 20 nm. En la

actualidad, hay muchas aplicaciones de las NP-Au: en la medicina, como indicador ptico en el

transporte de medicamentos, o en la terapia llamada trmica contra tumores cancerosos (NP-Au se

colocan en el tumor y se pueden calentar especficamente por medio de un lser; de esta manera se


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destruyen las clulas en las que se encuentran); en la industria alimentaria, como colorante, entre

otras [4]. Adems, el oro de escala nanomtrica cambia sus propiedades pticas al absorber ciertos

gases. Por esta razn, se usa en sensores para detectar la presencia de gases as como en mscaras

anti-gas para evitar su inhalacin.

Figura 3. Diversos colores que presentan las nanopartculas de oro en funcin de su tamao [5].

Hace 20 aos, se descubri que el nano-oro puede ser muy eficiente como catalizador de

algunas reacciones qumicas. Un catalizadores un compuesto que puede incrementar la velocidad de

una reaccin qumica.

Los nanocatalizadores de oro estn formados por NP-Au colocadas en la superficie de un

compuesto llamado soporte (Fig. 4) que generalmente es un xido. Los nanocatalizadores de oro son

activos en diversas reacciones, incluso en algunas que son importantes para la proteccin del medio

ambiente. Por ejemplo, se usan para catalizar la oxidacin del monxido de carbono (CO), un gas

venenoso producido por la combustin de la gasolina.

Debido a que la actividad de este tipo de catalizadores depende de la interaccin qumica entre

las NP-Au y el soporte, para que un nanocatalizador de oro sea exitoso las NP-Au deben tener un

tamao especfico y estar altamente dispersas sobre el soporte adecuado. Para ello es indispensable

un mtodo de obtencin del catalizador que cumpla adecuadamente con estas condiciones. Hay

varios mtodos para preparar catalizadores de oro a escala nanomtrica, tales como el de

impregnacin hmeda, el de intercambio inico, el de depsito-precipitacin y el de depsito de

vapores por medios fsicos o qumicos, entre otros.

Para lograr la oxidacin del monxido de carbono (CO), una de las ventajas notables de los

nanocatalizadores de oro es que son activos a temperaturas considerablemente bajas en comparacin


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con otros catalizadores que slo funcionan a temperaturas ms elevadas. Por otro lado, los

nanocatalizadores de oro son muy selectivos en las reacciones de qumica fina (produccin

especializada de productos qumicos especficos) cuando se comparan con catalizadores basados en

otros metales nobles de escala nanomtrica, como el paladio, el platino y la plata.

Figura 4. Imgenes de TEM de: (A) una nanopartcula de oro vista con alta resolucin; (B) NP-Ausoportadas en cerio mesoporoso y (C) NP-Au soportadas en un nanotubo.

En el Centro de Nanociencias y Nanotecnologa de la UNAM en Ensenada, B.C., se estudian

los catalizadores de NP-Au soportadas en diferentes xidos puros as como en xidos mixtos. Se

investigan tcnicas para su preparacin, su caracterizacin y la evaluacin de estos

nanocatalizadores en reacciones encaminadas a proteger el medio ambiente y en reacciones de

qumica fina.

Lecturas adicionales

[1]. www.google.com.mx (imgenes de oro).

[2]. http://en.wikipedia.org/wiki/Gold(III)_chloride.

[3]. http://www.cambridge2000.com/gallery/html/P70315712.html.

[4]. http://www.food.gov.uk/safereating/chemsafe/additivesbranch/enumberlist.

[5].http://www.ansci.wisc.edu/facstaff/Faculty/pages/albrecht/albrecht_web/Programs/microscopy/c

olloid.html.


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QU ES UN DENDRMERO?

Amelia Olivas Sarabia y Domingo Madrigal Peralta

Un dendrmero es una macromolcula polimrica muy verstil, generalmente de forma

globular y con un dimetro de entre uno y ms de diez nanmetros. El trmino dendrmeroprocede

del griego dendron que significa rbol o rama y mero que significa segmento. Los dendrmeros se

sintetizan qumicamente y tienen una forma bien definida que en ocasiones es simtrica. El tamao

nanomtrico les confiere propiedades fsico-qumicas similares a las de las biomolculas. Contienen

un conjunto de unidades con estructuras ramificadas tridimensionalmente, alta concentracin de

grupos funcionales en la periferia, y presentan huecos o cavidades en su interior. A medida que

aumentan de tamao, los dendrmeros se vuelven ms rgidos.

Los dendrmeros han recibido gran atencin en los ltimos aos debido a su posible utilizacin

en aplicaciones tan variadas como la catlisis a nanoescala, su utilidad como sensores qumicos,

micelas unimoleculares, su capacidad de imitacin de la funcin de las enzimas, la encapsulacin demolculas, el reconocimiento molecular, como agentes de diagnstico y tambin como vehculos

para el transporte de genes y frmacos.

En la actualidad, se han sintetizado dendrmeros en solucin por copolimerizacin y por

reaccin en fase slida y se han definido sus propiedades. El poliestireno y la slice son los soportes

ms frecuentemente usados en la sntesis de dendrmeros soportados en fase slida.

La figura 1 muestra la imagen obtenida por microscopio electrnico de barrido (SEM) de un

conglomerado dendrimrico con un dimetro de 70 micrmetros, y en la imagen obtenida con elmicroscopio de fuerza atmica (AFM) se pueden apreciar los aglomerados dendrimricos que lo

conforman y cuyo dimetro es de 130 3 nanmetros.


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Figura 1. Micrografas de un dendrmero soportado en fase slida visto por SEM (blanco y negro) y porAFM (color).

En la figura 2 se muestra un esquema de la estructura de un dendrmero. Los dendrmeros se

sintetizan por etapas lo que permite injertar los grupos funcionales deseados en casi cualquier parte

de su estructura, ya sea en el ncleo, en las ramificaciones o en la periferia. Estos grupos funcionales

y su colocacin se pueden seleccionar de tal forma que proporcionen las propiedades que se

requieran para su aplicacin en la ciencia de materiales, la catlisis o la biologa.La estructura dendrimrica est caracterizada por capasllamadasgeneraciones que se forman

a partir del punto donde surge una ramificacin (punto focal). La definicin exacta del trmino

generacin ha sido objeto de controversia; generalmente, se acepta que las generaciones de un

dendrmero corresponden al nmero de puntos focales (o puntos cascada) que aparecen desde el

ncleo central hasta la superficie. Un dendrmero de quinta generacin presenta por lo tanto cinco

puntos focales entre el ncleo y la superficie. El ncleo normalmente se denominageneracin cero

(G0) ya que no presenta ningn punto focal, como est marcado en la figura 2.


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N N

N

N

N

N

N

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N

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NH2

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NH2

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NH2

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NH2NH2

NH2NH2

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H2NH2N

H2N

H2N

H2N

H2N

H2N

H2N

H2N

H2N

H2N

G(0)

G(1)

Figura. 2. Ejemplo de un dendrmero poliamina y de las partes que lo constituyen. Aqu, los nitrgenos decolor azul son un punto focal. G(0) indica la generacin cero y G(1) la generacin 1.

Uno de los primeros dendrmeros que se sintetizaron fue la poliamidoamina (PAMAM) quecontiene grupos amida y amina en su estructura. El ncleo de PAMAM puede ser un amonio o bien

1,2-etilendiamina. Actualmente, se investigan las propiedades de estos dendrmeros.

Existen dos caminos para la preparacin de dendrmeros, la sntesis divergente y la sntesis

convergente. En la ruta divergente, el dendrmero se sintetiza desde el ncleo como punto de inicio

y se incorporan monmeros generacin tras generacin hasta la superficie. Sin embargo, el elevado

nmero de reacciones que tiene que llevarse a cabo para formar una nica molcula con muchos

sitios equivalentes de reaccin, requiere de transformaciones muy efectivas para evitar defectos. Porlo tanto, el rendimiento de la sntesis de dendrmeros por el mtodo divergente ser

aproximadamente del 25%.

Por el contrario, la sntesis convergente comienza en la superficie y finaliza en el ncleo,

donde los segmentos del dendrmero (o dendrones) se acoplan. En la aproximacin convergente,

solamente un pequeo nmero de sitios reactivos se funcionalizan en cada paso, dando lugar a un

menor nmero de defectos, por lo que aumenta el rendimiento. Cada generacin que se sintetiza se

puede purificar. En los dendrmeros de gran generacin esta tarea es difcil por la gran similitud

entre los reactantes y el producto formado. Sin embargo, con una purificacin apropiada en cada

etapa, se pueden obtener, por la ruta convergente, dendrmeros sin defectos.

Un dendrmero es en promedio menos compacto que una protena de peso molecular similar,

su interior no est tan eficientemente acomodado como en las protenas hechas por la naturaleza. En


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cambio, un dendrmero contiene un nmero sustancialmente mayor de grupos funcionales en la

superficie que una protena.

Para poder utilizar un dendrmero en la biomedicina, ste debe cumplir varias condiciones de

importancia crucial: no ser txico ni inmunognico, debe poder atravesar barreras biolgicas

(barrera hematoenceflica, membranas celulares, intestino, pared vascular, etc.), ser capaz de

dirigirse a receptores especficos, ser estable y permanecer en circulacin el tiempo necesario paralograr el efecto clnico buscado. Es muy importante mencionar que se han preparado dendrmeros de

generacin 6-7 con dimensiones de seis a diez nanmetros de dimetro. Con este tamao, los

dendrmeros pueden fcilmente atravesar la membrana celular y llevar selectivamente algn frmaco

hasta el punto preciso donde ste debe actuar.

En conclusin, los dendrmeros son un tipo depolmeros sintticos con forma globular y con

propiedades fisicoqumicas nicas entre los compuestos orgnicos. Actualmente, se perfilan como

instrumentos con importantes aplicaciones nanobiolgicas ya que responden en forma predecible en

solucin, pueden ser modificados ampliamente para portar mltiples ligandos con diferente

actividad biolgica y pueden ser fabricados con muy pocos defectos estructurales. Adems, se

pueden caracterizar por tcnicas convencionales como espectrometra de masas, espectroscopa de

infrarrojo o resonancia magntica nuclear (RMN). Por ltimo, los dendrmeros abren la posibilidad

de posicionar en forma controlada nanopartculas metlicas con aplicaciones en nanotecnologa. La

Figura 3 muestra un ejemplo de la armona y belleza de los dendrmeros.

Figura 3. Estructura esquemtica del dendrmero soportado en fase slida de la figura 1.

O

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QU ES UN NANOGEL?

Amelia Olivas Sarabia, Eder Lugo Medina y Jos Manuel Cornejo Bravo

Los geles son un estado de la materia intermedio entre el slido y el lquido y, en su mayora,

estn formados porpolmeros reticulados con bajo grado de entrecruzamiento que contienen un

lquido absorbido. Este lquido puede ser agua, en cuyo caso se usa el trmino de hidrogel, o algn

disolvente orgnico. La capacidad de absorcin y el tipo de disolvente empleado dependen de las

propiedades fisicoqumicas del polmero; as, si el material es hidroflico tendr la capacidad de

absorber agua, mientras que si es hidrofbico tendr la capacidad de absorber disolventes no

polares. A continuacin se presentan un par de imgenes obtenidas mediante microscopia de fuerza

atmica (AFM, del ingls atomic force microscopy), que muestran la distribucin del tamao de

partcula, con un valor promedio de 470 nm, de un gel producido porpolimerizacin a partir de la

dispersin de un material sensible a la temperatura denominadoN-isopropilacrilamida (NIPAAm).

Figura 1

Los geles preparados con partculas de dimensiones menores a 200 nm se llaman nanogeles.

Algunos geles y nanogeles tie

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