Este documento presenta información sobre nanociencia y nanotecnología. Se describe el tamaño nano y cómo las propiedades de los materiales cambian a esa escala. También se explican varios métodos para estudiar y fabricar nanoestructuras, incluyendo microscopía electrónica, simulaciones por computadora, crecimiento epitaxial, litografía y métodos químicos y biológicos. Finalmente, se discuten ejemplos de nanoestructuras encontradas en la naturaleza y el potencial de usar organismos vivos para fabricar materiales a nan

1. Nanociencia y la Nanotecnología
Dr. Noboru Takeuchi
Centro de Nanociencias y Nanotecnología
Universidad Nacional Autónoma de México
Campus Ensenada
Red "José Roberto Leite"
de Divulgación y Formación en Nanotecnología

3. Centro de Nanociencias y Nanotecnología
Educación
Investigación Posgrados:
Nanoestructuras Física de Materiales CICESE
Materiales Avanzados Ciencias e Ing. Materiales
Nanocatálisis UNAM
Fisicoquímica de superficies Ciencias Fisicas UNAM
Física Teórica
Bionanotecnología Pregrado
Carrera de Nanotecnología
Centro de Nanociencias y Nanotecnología
UNAM-Campus Ensenada

4. Nanobots
Existen?

5. Los nanobots como los de las
películas no existen todavía.
Pero si existen la Nanociencia y la
Nanotecnología

6. ¿Qué quiere decir nano?
Museo de
Delicias
Chihuahua
Nano viene del
griego y significa
enano
¿Que tan enano es
un nano?
Nano= 10-9 = 1/mil millones
Nanometro: 10-9 metros
1metro/mil millones
1 milimetro dividido en un millon

7. Para tener una idea del tamaño de un nanómetro:
Diámetro de un cabello humano
~75,000 nm,
Diámetro de un glóbulo rojo
~ 3,000 nm
Diámetro del virus de la influenza
~ 200 nm

8. DEFINICIONES
Nanoestructuras: objetos de tamaño entre 1 y 100
nanómetros.
La nanociencia estudia las nanoestructuras y los
procesos fundamentales que ocurren en escalas entre
1 y 100 nm.
La nanotecnología aplicaciones de la nanociencia en
productos utiles.
En muchas ocasiones se denomina nanotecnología a
la habilidad de controlar la materia átomo por átomo

9. ¿Qué tiene de especial la nanoescala?
Primero hablemos de las propiedades de los materiales
macroscopicos
Ejemplo:
El Oro.
Es un metal,
buen conductor de la
electricidad,
maleable
Dorado!

10. mm micras
Si cortamos una moneda de oro a la mitad, sus propiedades
no cambian. Media moneda es metálica, conductora,
DORADA.
Si repetimos el proceso, las cosas no cambian
podemos llegar hasta las micras sin que se modifiquen las
propiedades del oro.

11. Si pudiésemos seguir cortando la
moneda,
al llegar a los nanómetros nos
sorprenderíamos:
Oro nanoscopico
Propiedades distintas!!
Depende del tamaño
No es dorado

12. Ventajas de los nanomateriales para las
aplicaciones
Los nanomateriales tienen un área superficial muy grande,
propiedad que presenta ventajas significativas en procesos como la
absorción de la luz y de separación de carga en semiconductores y en
la actividad catalitica.
Una segunda ventaja de las nanopartículas es la dependencia de sus
propiedades ópticas con su tamaño. Cuando los electrones están
confinados en una partícula muy pequeña (tamaño nanométrico)
sólo pueden ocupar niveles de energía bien definidos y la separación
entre estos niveles de energía depende del tamaño de la partícula.
Esto se conoce como el efecto de confinamiento cuántico y en este
caso las nanopartículas se denominan puntos cuánticos.
En tercer lugar, los dispositivos basados en nanomateriales puedes
ser más baratos de fabricar.

13. METODOS PARA EL ESTUDIO DE
LAS NANOESTRUCTURAS

14. Los microscopios
Resolución α λ
Luz visible
λ ~3800-7800 Å
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UNAM-Campus Ensenada

15. Microscopios electrónicos
Debido a la dualidad partícula onda los electrones
tienen propiedades ondulatorias
La longitud de onda del electrón es de
aproximadamente λ ~0.5Å
Se puede tener resoluciones atómicas
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16. Microscopio electrónico de Transmisión
(TEM)
Nanoestructuras de 0D
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17. Microscopio electrónico de
Barrido (SEM)
NO TIENE RESOLUCION ATOMICA
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19. Microscopio de tunelamiento
electronico (STM)

20. Se basa en el efecto
tunel
(efecto cuantico)

21. Scanning tunneling microscope

22. Con el STM podemos ver los átomos
Cada punto brillante corresponde a un
átomo

23. Muchas veces no es posible identificar los
átomos en los microscopios
Simulaciones por computadora:
Cálculos de primeros principios (ab initio)

24. Crecimiento en la capacidad de cómputo
Nuevos métodos de cálculo, problemas
16
más complicados
10
15 Petaflop IBM Roadrunner
10
IBM Blue Gene L
14
10 NEC Earth Simulator
13
10 Intel ASCI White
Teraflop Intel ASCI Red
12
10
Hitachi CP-Pacs
11 Intel Fujitsu NWT
10
Flops
NEC SX3 TM CM5
10
10 Cray2 ETA 10
Gigaflop
9 Cray XMP
10
Cray1
8 CDC-Cyber205
10 CDC7600
CDC-Star100
7
10
CDC6600
6
10 IBM7030
5
10
1960 1970 1980 1990 2000 2010
Año

25. Computadora Roadrunner
Los Alamos National Laboratory
1.105 petaflop/s

26. Synapsys in the brain 1015

27. 1997
Se decia que el ajedrez era un juego tan
complicado que necesitaba de la inteligencia
humana y que una computadora jamas podria
vencer a un buen jugador.

28. 2010 80 Teraflops

29. Que sigue?

30. Espectroscopías
Infrarroja Radiación inicidente Radiación saliente
Raman
Ultravioleta
Auger
Muestra

31. Infrarroja Si iluminamos nuestra muestra con
radiación infrarroja de una determinada
frecuencia, podemos observar que en
algunos casos la radiación es absorbida
casi completamente.
Sabemos que a cada frecuencia de la luz le
corresponde una energía.
Si la radiación es adsorbida para una
frecuencia particular cuando pasa por la
muestra, significa que la energía es
transferida al material, cambiando el
modo de vibración de las moléculas.
La frecuencia depende del enlace de la
molecula

32. Espectro infrarrojo del Formaldehido, H2C=O

33. Raman Se hace incidir radiación de una sola
frecuencia (normalmente de un láser)
sobre una muestra.
Se mide entonces la frecuencia de la
radiación saliente, la cual pude ser igual
Radiación inicidente Radiación
saliente
o diferente a la frecuencia de la
radiación incidente.
En el segundo caso, el cual es el que nos
interesa, la molécula termina vibrando
en un modo diferente.
Muestra
A partir de la diferencia de frecuencias
podemos obtener información sobre las
moléculas y su estado

34. Espectro Raman de Caucho de Estireno/Butadiene.

35. Hay muchas otras espectroscopias:
Auger
UV
Rayos X

36. METODOS DE FABRICACION
DE NANOESTRUCTURAS
• METODOS FISICOS
• METODOS QUIMICOS
• METODOS BIOLOGICOS

37. Otra vez el:
Microscopio de tunelamiento
electronico (STM)

38. Pagina web de la IBM
Con el STM se pueden
manipular o mover
atomo por atomo
Ejemplo:
Palabra Atomo
en caracteres kanji
Fe sobre Cu:

39. Se acerca la
Esta es la forma como se punta
pueden mover los
átomos con el STM

40. Creacion de un corral
cuantico usando el STM
Prof.
Saw Hla
U. Ohio

41. Se puede usar el STM para fabricar dispositivos
Mediante la inyección de
electrones a la molécula
de la clorofila, ésta
adquiere cuatro
posiciones diferentes que
varían de lineal a
completamente curvada,
las cuales pueden ser
controladas, creando así
un interruptor molecular
de cuatro pasos con
precisión atómica.

45. Crecimiento MBE, Epitaxia de haces moleculares:

46. hay un control capa por capa
En forma similar a como se
pinta con un aerosol
pintamos las
superficies con
atomos

47. Litografía y Nanolitografía
Litografía se refiere a la impresión
con tinta de una imagen grabada en
Luz
una matriz o molde de piedra sobre
un papel.
Lente
condensador
Los “chips” de computadoras son
fabricados usando un método
Máscara llamado fotolitografía. En lugar de
tinta se usa luz
Lente de
enfoque Con luz ultravioleta se tiene líneas
de 100 nm de ancho
Con luz del extremo ultavioleta se
Sustrato
tienen lineas de 14 nm
Usar electrones en lugar de luz

48. Nanolitografia usando una punta de un
microscopio de fuerza atomica
Punta del AFM
Dirección de
escritura
Sustrato

49. METODOS DE FABRICACION
DE NANOESTRUCTURAS
• METODOS FISICOS
• METODOS QUIMICOS
• METODOS BIOLOGICOS

50. Los métodos físicos son muy caros.
En la década de los 90 se comenzaron a usar
métodos químicos- para fabricar
nanopartículas en forma fácil y económica.
Muchos de los métodos tradicionales de la
química resultaba en la fabricación de
nanoestructuras

51. Método de microemulsiones.
Aceite
Surfactante
Agua o
detergente
No se mezclan Microemulsiones

52. Se disuelven los reactivos adecuados (A y B) en
diferentes micoremulsiones cada uno. Por ejemplo, si
queremos fabricar nanopartículas de oro, A podría
sería una sal de oro, y B un reductor.
Hydracine N2H2

53. Ha sido aplicada para
fabricar partículas
metálicas puras (Pt, Pd,
Ir, Rh, Au, etc), binarias
(Pt/Pd, Pt/Ru, Pt/I, etc) y
también pude ser usada
para fabricar
nanopartículas
multimetálicas.
Nanopartículas de rutenio fabricadas por el método de micoremulsiones.

54. Metodo de Aspersión Pirolítica o spray
pyrolysis
Solución Gas inerte
Sobre un sustrato (metal,
vidrio, etc) colocado dentro
de un calefactor al cual se le
puede graduar la
temperatura.
Le hacemos incidir un spray Superficie donde
formado por un gas portador se crece la
(inerte al sistema) más una nanoestructura
solución que contiene una Calefactor
sustancia, la cual al
descomponerse sobre la
superficie del sustrato,
producirá la naonopartícula.

55. Imagen de microscopía electrónica de transmisión de un nanotubo de
carbón fabricado con spray pirólisis.

56. METODOS DE FABRICACION
DE NANOESTRUCTURAS
• METODOS FISICOS
• METODOS QUIMICOS
• METODOS BIOLOGICOS

57. En la búsqueda por hacer más eficiente y barata la
fabricación de nanoestructuras, se está explorando el
uso de organismos vivos, los cuales se pretenden que
remplacen las herramientas de alta tecnología que
usamos actualmente.

58. Materiales nano-estructurados
y la biología
Nanoestructuras que se
encuentran en los seres vivos

59. Materiales nano-estructurados
Nanoporos
Poros o
cavidades de
tamaños
nanoscópicos

60. En los seres vivos tenemos
Las diatomeas son formas microscópicas unicelulares de vida marina
El cuerpo celular de las diatomeas está encerrado por paredes de sílice (óxido de
silicio), las cuales constituyen una especie de “esqueleto” que recibe el nombre de
frústula.

61. Nanotubos
Diámetro de
algunos
nanómetros

62. En los seres vivos tenemos
Tubos vasculares

63. Nanopartículas
Diámetro de
algunos
nanómetros

64. Virus

65. Uso de los seres vivos para
fabricar nanoestructuras

66. Plantas
J.L Gardea-Torresdey, et al.
Nano Letters vol 2, (2008).
Nanoestructuras de oro cuando se crecen plantas de
alfalfa en un ambiente rico en cloruro de oro

67. Bacterias
Imagen de miscroscopía de varias bacterias magnetostáticas y
magnetosomas.

68. Nanofibras
Producidas por Shewanella

69. El hongo fusarium oxysporum puede
sintetizar puntos cuánticos de CdSe con
una alta luminiscencia mediante la
incubación en una mezcla de CdCl2 y SeCl4
.

70. Materiales luminiscentes usando diatomeas
La capacidad de bio-
mineralización de las diatomeas
puede ser controlada para
fabricar biológicamente
materiales nanoestructurados de
silicio y germanio. Investigadores
pudieron insertar
metabólicamente metales
foráneos (por ejemplo germanio)
en la frústula (de sílice) de la
célula de una diatomea viva para
luego producir copias en forma
masiva (aproximadamente un
millón por milímetro de
suspensión líquida de cultivo de
célula). Estos materiales poseen
propiedades optoelectónicas
incluyendo una fuerte
luminiscencia en la región azul.

72. Gracias por su atención
takeuchi@cnyn.unam.mx
cienciapumita@hotmail.com