Semana 3 Nano

7/24/2019 Semana 3 Nano

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NANOTECNOLOGIA

Y APLICACIONES

Programa deFormacin SENA

ACTIVIDAD DEAPRENDIZAJE 3

Fabricacin, caracterizacin yaplicacin de materia a

nanoescala


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ACTIVIDAD DE APREFabricacin, caracterizacin y aplicacin de mSERVICIO NACIONAL DE APRENDIZAJE 2013

Presentacin 3Herramientas elementales defabricacin y caracterizacinde materiales a nanoescala 4Aplicaciones en los materialescompuestos y estructuradosa nanoescala 12

Consideraciones finales 24Referencias 25Crditos 26

TABLA DE CONTENIDO

Resultado de Aprendizaje:

Identificar las diversas aplicaciones en sectores tranusan propiedades especiales derivadas de nanonanocompuestos.

Conocimientos de Concepto:Herramientas elementales de fabricacin y caracmateriales a nanoescala. Aplicaciones en los materialey estructurados a nanoescala.

Conocimiento de Proceso:Realizar comparativos mtricos en procesos de caridentificacin de propiedades fisicoqumicas a nanoes

Criterios de Evaluacin:Selecciona las diferentes aplicaciones de la nanoteclasifica segn el rea transversal que impacta.


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SERVICIO NACIONAL DE APRENDIZAJE 2013

PRESENTACIN

Bienvenido a la tercera Actividad de Aprendizaje del curso Nanotecnologa y Aplicaciones! Ya ha visto algunos concomo nanociencia, nanoescala, nanotecnologa; ha podido conocer algunos nanomateriales y nanocompuestosnanotecnologa. Ahora, seguramente se estar preguntando, cmo observar y caracterizar los objetos a nanoescala? Cmateriales a nanoescala? Esperamos que los contenidos de esta semana le ayuden a resolver sus inquietudes, as mismoparticipar en todas las actividades planteadas. Recuerde leer los resultados de aprendizaje, los conocimientos de concepy los criterios de evaluacin correspondientes a esta Actividad.

ACTIVIDAD DE APREFabricacin, caracterizacin y aplicacin de m


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Herramientas Elementales de Fabricacin y Caracterizacin de Materiales a Nanoe

Los recientes avances en fabricacin posibilitan la creacin de estructuras cada vez ms pequeas. Existen dos principaascendente y el descendente; el primero se basa en los tomos y molculas para la construccin de estructuras a macrode este grupo se encuentran tres principales tecnologas: qumica molecular y supramolecular, scanning probes y bioen el enfoque descendente se moldean o transforman materiales en bruto en materiales ms pequeos, con tecnfotolitografa (Photolithography), litografa por haz de electrones (Electron beam lithography), litografa por haz de ionebeam lithography), litografa de nanoimpresin (Nanoimprint lithography).


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Tcnicas de fabricacin

en nanotecnologa

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Tcnicas de fabricacin a nanoescala.

Bottom up Top downMicro y nanotcnicas defabricacin que reducen

la mayor rea de losmateriales encomponentes

funcionales diminutosde caractersticas y

propiedadesnanomtricas.

Sntesis de materialesnanoescalares,dispositivos o

macroestructurasmoleculares a partir del

autoensamblaje demolculas de forma

espontnea o inducida.

C


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En qu consisten lastecnologas usadas en la

fabricacin a nanoescala.

Tcnica Fotolitografa Litografa de haz deelectrones

Usos

Descripcin

Desventajas/Ventajas

Litografa de rayos X Litografa suave

Enfoque Descendente o Top Down

Empleada para hacer

microchips para computadoresy estructuras de tamaoinferior a 100nm.

Para micromaquinado,

MEMS Y NEMS.

Fabricacin de dispositivos

electrnicos.

Fabricacin de m

aplicaciones biol

Se diculta la produccin denano estructuras inferiores a100nm debido a efectos dedifraccin. Se necesita una perfectaalineacin del patrn en laoblea. Es necesario controlar los

defectos cuidadosamente. Las herramientas empleadas

son muy costosas.

Es una tcnica costosa ydemorada.

Los lentes convencionales no soncapaces de enfocar los rayos x. Con frecuencia la radiacin daalos materiales usados para lasmscaras y los lentes.

Son varias lastcnica, como surequieren equipoproducen variegeomtricas. Como desventajpolmeros, conpresentan manchen algunos cananoelectrnica.

Durante el proceso seemplea un sustrato rgidousualmente una oblea desilicio, la cual es recubiertapor un materialfotosensible, luego esexpuesta a luz ultravioleta,rompiendo las cadenaspolimricas, posterior a estose sumerge en una solucin

reveladora dejandoexpuesto el patrn en lasuperficie de la oblea.

Durante el proceso seutiliza una pelculapolimrica y el patrn estrazado usando un haz deelectrones, mejorando laresolucin.

Los efectos de la difraccin sonminimizados debido a lalongitud de onda de los rayos x.

Los procesos impresin y procesos mecelectrones o foempieza con la molde usandolitografa por hausan polmeros yse hace con PMDresultado un

corresponde con

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Tcnica

Usos

Descripcin

Desventajas/Ventajas

Biotecnologa

Enfoque Ascendente o Bottom up

Nanotubos de carbono ypuntos qunticos.

Qumica molecular ysupramolecular

Sondas de exploracin(Scanning probes)

Anlisis de arreglos de tomos enuna superficie; tambin pueden serusados para mover tomos.

Construccin de secuencias de ADN yensamblaje artificial de virus; biomotores,biosensores, cajas de ADN, computacin.

Puede ligar estructuras biolgicas con

estructuras inorgnicas que actancomo componentes de un sistema. Produce estructuras que son

relativamente libres de defectos.

La precisin del autoensamblaje disminuye

la probabilidad de crear estructurasdefectuosas.

Esta tcnica est basada en elconcepto de autoensamblaje, el cualse basa en el diseo de molculas quese agregan en estructuras deseadas.

Esta tcnica usa puntas para escanearsuperficies de materiales.

En esta rea se usan diferentes tcnicas parala manipulacin del ADN, como el mtodode origami de ADN, el cual busca construirestructuras de diferente forma que sirvancomo plataforma para el ordenamiento denanomateriales con alta especificidad yprecisin.

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El objetivo de la caracterizacin de nanomateriales es establecer la correlacin entre composicin qumica, forma y esmateriales obtenidos en el proceso. Dentro de este proceso se pueden encontrar dos categoras bsicas: MicroscopiEspectroscopia (tcnicas analticas).

Caracterizacin de nanomateriales

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Microscopia (Imgenes)Un microscopio ptico usa luz visible (radiacin electromagntica) y un sistema de lentes paraaumentar el tamao de las imgenes de muestras pequeas, por esta razn tambin se conocen comomicroscopios de luz. Esta categora puede involucrar electrones, iones, luz o sondas de exploracin.

MICROSCOPIO PTICO DE BARRIDO DE CAMPO CERCANO (NSOM). USOS:Solo muestras slidas y secas que sean heterogneas desde el punto de vista ptico. Se obtienen imgenescon resolucin de 50nm, punto a punto de la superficie y topografa. Se obtiene informacin sobre propiedadespticas como cambios en el ndice de refraccin, reflectividad y/o transparencia.

MICROSCOPIA DE EFECTO TNEL.Esta tcnica es una de las ms empleadas en la industria para obtener imgenesa escala atmica de metales y superficies semiconductoras, su alta resolucin permite observar tomos de maneraindividual sobre una superficie.

MICROSCOPIA DE BARRIDO CONFOCAL.USOS:Es una de las tcnicas ms llamativas para obtener informacin 3D de los materiales, la resolucin lateral es de100-200nm y la vertical de 400-500nm, permite observar forma, tamao, topografa y reconstruccin de imgenes 3D

MICROSCOPIA DE FUERZA ATMICA.

USOS:Todo tipo de muestras, slidas, secas, puede ser usado para materiales no conductivos, permite observar elperfil superficial o topografa, mapeo superficial y propiedades mecnicas.

MICROSCOPIA ELECTRNICA.Es una de las tcnicas ms usada para la caracterizacin de nanomateriales. Dentrode esta se agrupan varias tcnicas como: microscopia de escaneo electrnico (SEM), microscopia de transmisin deelectrones (TEM) y microscopia de transmisin electrnica de barrido (STEM); pueden aumentar el tamao de unobjeto hasta 2millones de veces, permite observar forma, composicin, orientacin de partculas y topografa.

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Espectroscopia (tcnicas analticas)Tcnicas de espectroscopia para la caracterizacin de materiales a nanoescala.

Rayos xEste mtodo puede ser usadopara analizar polvos en estadoseco y suspendidos en un

medio, tambin permite medirel tamao de una nanopartcula.

EspectroBrinda presenciaen una

concentraen una mmaterialelquido absorcinestructurananotubonanovaril

Espectroscopia de energadispersa (EDS)Sirve para determinar la

composicin del material enanlisis.

Espectroscopia de RanmannUsada para caracterizarnanotubos, muestra cambios en

el tamao de las nanopartculas;se pueden analizar las muestrasen estado gaseoso, lquido oslido, tambin se puedeanalizar la composicin qumicade compuestos orgnico einorgnico sin destruir lamuestra.

Espectroscopia de prdida deenerga de electrones (EELS)Brinda informacin sobre

composicin y enlacesqumicos.

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Aplicaciones en los Materiales Compuestos y Estructurados a Nanoescala

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1. Diagnstico Nano dispositivos.

Pueden medir iones, molculas o prote

secuencias de ADN diagnsticas de umdica o enfermedad en particular.

2. Imgenes

Agentes de contraste: al mejorar las propy qumicas de los agentes de contrastconcentrar y direccionar en el sitio de inte

3. Terapia Terapia especca: con el n de solo

malignas.

4. Medicina regenerativa

Aplicaciones de nanotecnologa en m


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1. Diagnstico

4. Medicina regenerativ

Algunos ejemplos de dispositivos son:nanopartculas de perfluorocarbonocomo agentes de contraste enimgenes nucleares, imgenes deresonancia magntica y ultrasonido;nanocpsulas de oro como agentesdiagnsticos en cncer; diagnsticos insitu, en las que se emplean cmaras encapsulas endoscpica para eldiagnstico de problemas digestivos.

Algunos ejemplos de dispositivosdiagnsticos son: biosensores,biosensores de cantilever, biosensoresplasmnicos, biosensor de narizartificial, microarreglos, nanocdigosde barras, laboratorio en un chip.

2. Imgenes 3. Terapia

En la terapia se ve en la entrega defrmacos dirigidos, silenciadoresRNA, terapia gnica, portadoresde frmacos, teragnosis, unejemplo de este son las cpsulasde oro para la toma de imgenes ytratamiento de cncer al mismotiempo.

Algunos ejemplos son: tejidos y biomateriales, ny regeneracin regeneracin neuronal, estimulacin neuronal, manejo del dolor.

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1. Mitigacin y remediacin Se pueden desarrollar herramientas especca

contaminantes, incrementando su afinidad y seejemplo en el caso de los metales.

2. Prevencin de contaminacin Con mtodos que incrementen la eciencia de c

industriales, se pueden crear materiales que no con

3. Monitoreo ambiental El uso de sensores en la identicacin de compon

txicos en bajas concentraciones ya sea en muessuelos, el uso de nanomateriales con propiedadqumicas especiales pueden mejorar la sensibilidaprecisin del sensor.

Aplicaciones de nanotecnologa en medio am

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1. Mitigacin y remediacin

Plsticos biodegradables; materialesnanocristalinos compuestos quereemplacen los electrodos de grafito ylitio en las bateras recargables; vidriosautolimpiables; telas hidrofbicas;recubrimiento y telas autolimpiables;recubrimientos y textilesantimicrobianos; nanopartculas de

plata como antimicrobianos usados enproductos como cosmticos,desodorantes, fertilizantes, medias,lavadoras, refrigeradores, tratamientospara maderas, teclados.

Dentro de los nanomateriales que estnsiendo inventados para remediacinestn las nanopartculas de hierro ydendrmeros; nanopartculas de TiO2 yZnO, son usadas para remediacinfotocataltica; uso de aerogeles y slidosabsorbentes, nanomembranas,nanofiltros y filtros superhidroflicos.

2. Prevencin de contaminacin 3.Monitoreo ambiental

Sensores basados en nanocablenanotubos actan como sensobiolgicos y qumicos, pueddetectar diferentes analitos tiempo real, los cuales podrn serpara desarrollar sensores qdetecten agentes biolgicqumicos y patgenos en agua, a

y comida.

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1. Envasado La nanotecnologa ha revoluciona

alimentaria en el desarrollo de nuevopermitan detectar contaminantes, contravanzar en el desarrollo molecular y celu

2. Desarrollo de nuevos productos Se busca lograr alimentos ms seg

nutritivos y de ms sabor.

3. Calidad y seguridad alimentaria En este se encuentran los biosensores

de monitorear la calidad de los alimento

Aplicaciones de nanotecnologa ende alimentos y monitoreo.

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1. Envasado

Nanoalimentos funcionales, pueden

servir para el tratamiento deenfermedades y la prevencin deenfermedades.

Nanorecubrimientos que mantienen

la frescura de los alimentos, alargandosu vida til. Nanomateriales con propiedades

antimicrobianas.

2. Desarrollo de nuevosproductos

3.Calidad y seguridadalimentaria

Sensores para detec

contaminacin microbiana.

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1. Energa SolarDentro del grupo de energas renovables, la ene

gran potencial.

2. Energa del hidrgenoEl hidrgeno puede ser usado como portadorgenerar electricidad.

3. Bateras recargablesDispositivos de almacenamiento de energcomputadores y equipos moviles, donde la pote

son importantes.

4. Termoelectricidad Los materiales termoelctricos son materiales

tienen la capacidad de convertir calor en electricid Este tipo de energa puede ser generada apa

material conductivo.

5. Ahorro de energa

Aplicaciones de nanotecnologa en Energ

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1. Energa solar

4. Termoelectricidad

Extraccin fotoqumica de hidrogenoa partir de agua, usando luz solar.

Tambin encontramos las celdas decombustible de hidrgeno, celdas decombustible con membranas deintercambio de protones.

Celdas fotovoltaicas: estos dispositivosconvierten la energa solar en energaelctrica. Son los materiales de los queestn hechas y que permiten aumentarla eficiencia de las mimas, es aqudonde la nanotecnologa juega unpapel importante, brindando laposibilidad de nuevos materiales ynuevas tcnicas de fabricacin.

Nanocristales: usados para aumentar lacorriente.

Celdas fotoelectroqumicas: usan unasustancia que emula la funcin de laclorofila en la fotosntesis.

Tambin encontramos celdas solarescon: puntos cunticos, superficiessuperhidrofbicas.

2. Energa del hidrgeno 3. Bateras recargables

Materiales compuestosnanocristalinos y nanotubos sonusados para reemplazar loselectrodos de grafito y litio.

Bateras de papel: combinancelulosa y nanotubos de carbono.

En este campo la nanotecnologa esten la bsqueda de materiales que seanbuenos conductores elctricos y conbaja conductividad trmica, hasta elmomento se sabe de materialesnanoestructurados termoelctricoscomo aleaciones de ZrNiSn y Zn4Sb3.

5. Ahor

Matericonstrque aumaterims fotocromateriaprovemecn

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Aplicaciones de nanotecnologa en tecnologas de informacin y comunicacin

Los microprocesadores paracomputadores y dispositivosde almacenamiento dememoria han seguido unpatrn de miniaturizacin enlos ltimos 20 aos.

Componente clave de muchosdispositivos usados hoy en dacomo computadores (discoduro y RAM), tarjetas dememoria, reproductoresmultimedia.

La fotnicainteraccin dmateria, denencuentran aptecnologa lacomputacin biolgicos y q

Circuitosintegrados

Almacenamientode datos

Pantallas Fotnic

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1. Circuitos integrados

4.Fotnica

MRAM: donde cada celda de la

memoria est conformada por dosfinas capas ferromagnticas, separadaspor una capa aislante.

FeRAM: una capa ferroelctricareemplaza la capa dielctrica de laMRAM.

RRAM: el patrn de conduccin escreado a travs de un materialdielctrico.

PCM: Se usa un material cristalino yamorfo.

Nanotubos RAM.

Circuitos integrados de mayor

conmutacin CMOS; procesadores conmateriales high k, con bajo consumo;spintrnica, fotnica, electrnicacuntica, transistores de nanotubos decarbono, electrnica molecular.

2. Almacenamiento de datos 3. Pantallas

OLEDS: se usan molculas

orgnicas impresas sobre unsustrato polimrico que permitemulticapas, son usados enpantallas de dispositivos mvilescmaras, bombillos, radios ytelevisores.

QDLEDs: los puntos qunticos sonpartculas semiconductoras queemiten un color especfico, sonmuy eficientes y pueden serusados en pantallas y fuentes deluz.

Papel electrnico (ePaper) es unatecnologa que permite imita latinta original en el papel, comopor ejemplo, eBooks, etiquetaselectrnicas, FED.

Cristales fotnicos.

Otras aplicaciones en dispositivos de almaceinformacin como losbarras; los identificadofrecuencia; sensores inacomunicacin como alojados; fuentes de podtambin encontramos textiles porttiles, biosen

Si desea conocer ms sobre Aplicaciones industriales de la nanotecnologa visita el siguiente enlace:http://www.idepa.es/sites/web/EuropaI_D_i/Repositorios/galeria_descargas_EuropaI_D_i/folleto_aplicaciones_industriales_nanote

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De las dos categoras de fabricacin (Bottom up o Top Down) escoja uno de los mtodos que estas contemplan.

Relacione las palabras de la columna izquierda con las palabras de columna derecha.

1. Mitigacin y remediacin

1. Es una tcnica de fabricacin ascendente obottom up.

a. Fotovoltaicas.

2. Es la tcnica de microscopia ms usada en lacaracterizacin de materiales.

b. Nanocpsulas de oro.

3. Una de las aplicaciones en el campo de lamedicina para la deteccin de cncer.

c. Fotnica.

4. As se conocen a este tipo de celdasempleadas en el aprovechamiento de laenerga solar.

d. Autoensamblaje.

5. Es una de las aplicaciones de lananotecnologa en las Tic y estudia lainteraccin entre la materia y la luz.

e. SEM

2. Prevencin de contaminacin

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CONSIDERACIONES FINALES

Estimado aprendiz, durante esta semana, usted ha aprendido sobre tcnicas de caracterizacin y fnanoescala, as como las aplicaciones de materia a nanoescala.Recuerde revisar el material de apolas evidencias de aprendizaje propuestas para esta semana.

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Aplicaciones industriales de la nanotecnologa. Recuperado dehttp://www.idepa.es/sites/web/EuropaI_D_i/Repositorios/galeria_descargas_EuropaI_D_i/folleto_aplicaciones_industriales_nanotecnolog

Cuberes Montserrat, M. Nanotecnologa: Actualidad y Futuro. Recuperado dehttp://haydychuk.files.wordpress.com/2012/10/nanotecnologc3ada-actualidad-y-futuro.pdf

Guerrero, V., Dvila, J., Galeas, S., Pontn, P., Rosas, N., Sotomayor, V. y Valdivieso, C. (2011) Nuevos materiales: Aplicaciones e

industriales. Ecuador: Imprefepp.Recuperado dehttp://bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/4532/1/Nuevos%20materiales,%20aplicaciones%20estructurales%20e%20indust

REFERENCIAS

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Lder de Proyecto: Jairo Antonio Castro Casas

Expertos temticos: Andrea Reyes Meneses

Asesor Pedaggico:

Mnica Patricia Osorio Martnez

Guionistas:

Beatriz Helena Duque Ospina scar Daro Cardozo Garzn scar Ivn Pineda Cespedes

Lder de Proyecto: Jairo Antonio Castro Casas

Expertos temticos: Andrea Reyes Meneses

Asesor Pedaggico:

Mnica Patricia Osorio Martnez

Guionistas:

Beatriz Helena Duque Ospina scar Daro Cardozo Garzn scar Ivn Pineda Cespedes

Programadores: Diego Rodrguez Ortegn Jos Felix Arizala Segura Mayra Durango

Equipo de Diseo: Gabriel David Surez Vargas

Guillermo Armando Aponte Celis Jhonny Ronald Narvez Olarte Julin Mauricio Milln Bonilla

Leonardo Stiglich Campos

Programadores: Diego Rodrguez Ortegn Jos Felix Arizala Segura Mayra Durango

Equipo de Diseo: Gabriel David Surez Vargas

Guillermo Armando Aponte Celis Jhonny Ronald Narvez Olarte Julin Mauricio Milln Bonilla

Leonardo Stiglich Campos

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