Miércoles, 04 Abril 2018 10:57

Cecilia Noguez

La luz a escala nanométrica y su aplicación

Parte 2

Dra. Cecilia Noguez Garrido

Ciencias Físicas, Químicas y Matemáticas Comité



El átomo de hidrógeno tiene un tamaño aproximado de 10 -10 m, es decir, diez veces más pequeño que el nanómetro, por lo que a lo largo de un nanómetro podríamos tener una cadena compuesta de alrededor de diez átomos de hidrógeno. Cuando hablamos de estructuras nanométricas nos referimos a partículas con tamaños de entre 1 y 100 nm, que pueden estar compuestas de decenas de átomos e inclusive hasta millones (La luz a escala nanométrica y su aplicación-Parte 1).

A estas escalas, la naturaleza cuántica del sistema cobra relevancia. Recordemos que en un centímetro cúbico tenemos del orden de 1023 átomos (cien mil millones de millones de millones), por lo tanto, las nanoestructuras están compuestas por muy pocos átomos si se compara con la macroescala. Por otro lado, tenemos muchos átomos si nuestra intención es investigar las propiedades físicas del sistema desde un punto de vista analítico o computacional usando la mecánica cuántica para muchos átomos y sus correspondientes electrones. Estos materiales de tamaño nanométrico les llamamos nanoestructuras o nanopartículas y forman un puente de enlace entre la escala atómica y molecular, y la materia a escala micrométrica (10-6 m), aquella que inunda los circuitos electrónicos de nuestros más preciados “gadgets”.

Las nanoestructuras no sólo se distinguen por su tamaño y número de átomos que la componen, principalmente se distinguen por sus propiedades físicas y químicas que son muy distintas a las que presentarían los mismos materiales a escalas mayores, como a la micro y macro escalas, o a escalas menores en forma de átomos o moléculas.

A la nanoescala, la naturaleza cuántica del sistema domina la respuesta a diferentes estímulos externos. Un ejemplo es el relacionado con los colores de los vitrales, el color de un pedazo grande es el mismo si éste se corta en diferentes tamaños y en diferentes formas, como lo puede ser una cuchara, un arete, una esfera, un prisma o un cubo hechos de plata.

Por otro lado, el color de las nanopartículas de plata depende totalmente de su tamaño y su forma. Esto significa que la respuesta de las nanopartículas a diferentes estímulos externos depende del tamaño y forma, que, a su vez, dependen de diferentes variables como el proceso de formación de las partículas, la temperatura, el ambiente, entre otros.

Otra cualidad importante de las nanopartículas es que cuando su tamaño se reduce, la relación entre los átomos que forman la superficie respecto a aquellos en el volumen, cambia drásticamente, dominando en algunos casos la superficie sobre el volumen, como sucede con los nanotubos, los fulerenos y nanopartículas de alrededor de 1 nm. Este hecho potencia algunas propiedades físicas y químicas, como la catálisis y la actividad bactericida de la plata, entre otras, en parte porque la superficie expuesta es mucho mayor. Aunque también se observan algunos fenómenos que no se ven a la macro escala o en átomos y moléculas. El estudio y control de estas nuevas propiedades, así como el proceso de entender los nuevos fenómenos físicos que suceden en los nanomateriales es una de las tareas más interesantes y retadoras que tiene la Física y en general la Nanociencia en este siglo. La complejidad de fabricar, observar y manipular nanoestructuras, así como su potencial aplicación, demanda de la colaboración de varias disciplinas.

La comunidad científica está muy interesada en el estudio de las propiedades ópticas de nanopartículas, esta propiedad que le da color a los vitrales de la edad media. Esto se debe principalmente a la alta dependencia de esta propiedad con la morfología y tamaño de las nanopartículas, así como con otros parámetros como su interacción con otras nanopartículas y el medio ambiente en donde se encuentran, entre otros.

El entendimiento de este fenómeno proporciona una gama de aplicaciones importantes en diferentes áreas. El tamaño y la temperatura determinan la morfología de las nanopartículas, mientras que la morfología y el tamaño determinan su color. Lo que sucedía en los vitrales es que al diluir sales de oro y/o plata en los vidrios, al calentarse se formaban nanopartículas de diferentes tamaños y formas. Por lo tanto, el color se controlaba con la cantidad de sales en el vidrio y cambiando la temperatura y tiempo de cocción para después enfriarlos repentinamente. Por supuesto, en esa época no se sabía cuál era el proceso físico de fabricación, ni que se formaban nanopartículas mediante ese procedimiento, por lo que los colores se obtenían a base de ensayo y error, donde la experiencia del artesano era muy importante. En la actualidad, la experiencia del científico también resulta muy importante, ya que se busca establecer procesos para fabricar nanoestructuras de un sólo tamaño y de una sola forma, es decir, fabricar muestras de nanoestructuras monodispersas con propiedades uniformes.

Referencias

Noguez, C. (2013) “Física a escala nanométrica” Perspectivas de la Física para el Siglo XXI, Miramontes, O.; Volke, K. (editores), CopIt-arXives, ISBN: 978-1-938128-03-5 http://scifunam.fisica.unam.mx/mir/copit/TS0011ES/Noguez.pdf

Garzón, I.L.; Noguez C. (2005) “Nanociencia y Nanotecnología”, Ciencia y Tecnología, 30, 46-49.

Noguez, C. (2016) “Comprimiendo la luz”,
Ciencia 63 (3), 39-45. http://www.revistaciencia.amc.edu.mx/images/revista/67_3/PDF/ComprimiendoLaLuz.pdf



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