miércoles, 27 de junio de 2007

Evolucion del ser humano

En el principio de los tiempos, los seres humanos nos hemos preocupado en la forma de cambiar la formas en que vivimos y en transportarnos. Desde la era de los nomadas al de ser un pueblo asentado y el de tratar de buscar la manera de generar agricultura para sostento y asi como la de mejorar la instrumentacion para llevar acabo el trabajo. La utilizacion de los elementos llevo mejoras, el uso la piedra, para mejorar la caza, despues llego el uso del hierro, no podria faltar el agua que es unos de los principales de los elementos para sobrevivir.
Figura 1: Homo sapiens utilizando un apiedra como herramienta. (1)


Referencia
(1)http://redescolar.ilce.edu.mx/redescolar/act_permanentes/historia/histdeltiempo/mundo/prehis/t_evolu.htm

lunes, 25 de junio de 2007

Nanotubos de Carbono

Estudio de nanotubos de carbono funcionalizados por métodos Físico-químicos

Omar Morales Soto
Universidad Autónoma de Baja California
Km. 103 Carretera Tijuana-Ensenada,
Ensenada B. C.
omarfisico@gmail.com

I. Introducción

En 1985, una molécula llamada buckminsterfullerene fue descubierta por un grupo de investigadores del la Universidad de Rice, EU [1]. Esta molécula de 60 átomos de carbono con una hibridación sp3 se arregla en una sorprendente forma “esférica” (balón de fútbol). Por el descubrimiento de esta forma alotrópica del carbono, Richard Smalley, Robert Curl y Harry Kroto recibieron el Premio Nobel. Este descubrimiento es el punto de inicio de la hoy llamada: “Nanotecnología del carbono”.

Los nanotubos de carbono, descubiertos por Sumio Iijima en 1991 (Premio Nobel) [2], son miembros de una gran familia “los fulerenos”. Su morfología se considera equivalente a una hoja de grafeno enrrollada en forma de tubo sin costura y cerrada en los extremos. Los nanotubos de carbono pueden ser simples, una sola hoja (SWCNTs), o de hojas múltiples (MWCNTs). Su diámetro oscila entre <10>

La funcionalización de los nanotubos de carbón amplia de manera significativa su espectro de aplicaciones y usos industriales. La formación o incorporación de grupos funcionales diferentes en la pared externa del nanotubo abre una infinidad de posibilidades a la industria de los materiales y dispositivos de muy diversa índole. Por ejemplo, una funcionalización adecuada del nanotubo aumenta notablemente su solubilidad en diversos solventes, incluida, el agua. Incrementando su solubilidad se propicia una mejor interacción con otras especies moleculares como polímeros, partículas metálicas, semiconductoras, etc... [3]

En la actualidad existe gran interés en desarrollar protocolos de funcionalización, ya que cada uno ellos, busca la selectividad para una aplicación específica. La funcionalización permite la manipulación dirigida de los nanotubos y con ello producir materiales planificados, o sea, la verdadera Ingeniería Molecular de los Nanotubos de Carbón IMNC. [3]

En este proyecto nos proponemos como objetivo central la funcionalización de SWCNTs y MWCNTs mediante la utilización de sales de bencendiazonio combinadas con radiación ultravioleta y ozonólisis. Emplearemos diversas técnicas de caracterización como: UV-vis-NIR, TGA, XPS, SEM, TEM y STM, principalmente.

II.- Antecedentes



a) Generales

El carbono es el elemento más versátil de la tabla periódica, sus propiedades fisicoquímicas como; radio atómico electronegatividad y afinidad electrónica le permiten enlazarse con la mayoría de los elementos de la tabla periódica. La diversidad de enlaces que puede formar y las geometría que de ellos se derivan, propician la formación de diversos compuestos, isómeros estructurales, isómeros geométricos, enantiómeros etc.

Las propiedades del carbono son una consecuencia del arreglo de los electrones en el átomo. Los seis electrones del átomo de carbono se encuentran distribuidos entre los niveles 1s2 2s2 y 2p2. Los electrones de valencia 2s y 2p se pueden mezclar formando orbitales híbridos. Dependiendo de la forma en que se mezclen los electrones de valencia pueden existir tres diferentes maneras de hibridación. La hibridación sp genera dos orbitales con geometría lineal separados por un ángulo de 180 grados. La hibridación sp2 genera tres orbitales en el mismo plano formando ángulos 120 grados. Finalmente la hibridación sp3 genera cuatro orbitales con un arregle espacial tetrahedral con ángulos de 109.5 grados.

El átomo de carbón al enlazarse presenta la formación de enlaces tipo sigma () y enlaces tipos pi (), lo que también determina la geometría y propiedades de las moléculas en que el átomo de carbón participa.

El átomo de carbón al presentar distintas formas de hibridación presenta distintas estructuras alotrópicas, actualmente se conocen cuatro de ellas en forma cristalinas: el diamante con una hibridación sp3 y un arreglo tetrahedral, el grafito con una hibridación sp2 y un arreglo hexagonal y los fullerenos y nanotubos de carbón con una hibridación sp2 con formas esferoidales o cilíndricas.

Los nanotubos de carbono (NTC) se componen de una o varias láminas de grafito enrolladas sobre si mismas. Algunos nanotubos están cerrados con media esfera de fullereno; se puede imaginar que un fullereno alargado pudiera ser lo que se transforma en un ñaño tubo de carbono, ya que en algunos casos imágenes de nanotubos de carbono demuestran arreglos hexagonales tubulares con arreglo fullereno en los extremos.

El diámetro de un nanotubo de carbono depende del tamaño del semifulereno en el extremo, de ahí que el diámetro de los nanotubos de carbono sea variable.

Si el punto de inicio se considera una hoja de grafeno, la forma de enrolar esta hoja definirá las propiedades geométricas y físicas del nanotubo de carbono. El enrollamiento de la hoja de grafeno puede hacerse de diversas maneras. Con diámetros de 1 a 2 nm si se trata de SWCNT y con diámetros de 80nm o más si se trata de MWCNTs. La manera en que la hoja de grafeno se enrolla determina también las propiedades del nanotubo. [3]

Para describir las características fundamentales de la estructura de los nanotubos de carbono, se definen dos vectores que determinan la celda unitaria, Ch y T. Donde Ch es el vector que define la circunferencia del nanotubo:

Ch = na1 + ma2

donde a1 y a2 son los vectores de la base del grafeno y n y m son números enteros que determinan el ángulo quiral θ.

θ=tan[(3)n/(2n + n )]

Dependiendo del ángulo quiral se formaran tres estructuras diferentes con propiedades físicas diferentes, para θ igual a 30 grados armchair, zig-zag para θ igual a 0 grados y quiral para θ menor que 30 grados. [3]

Figura a: diagrama de los diferentes nanotubos de carbono que se pueden formar: izq. armchair (10,10), centro charal (14,7), derecha zigzag (17,0). [3]

Figura b: diagrama de la hoja de grafeno y las formas estructural que puede tomar dependiendo de los valores (m, n), donde a1 y a2 son los vectores de la red unitaria, R es la resultante [4]

El carácter helicoidal de los nanotubos es unos de los aspectos más reveladores de los primeros artículos de Iijima, [5] y [6] referencia reviews.

Recientemente imágenes de STM de resolución atómica verifican la estructura helicoidal de los nanotubos de carbono [7] [8].

Los nanotubos de carbono forman en lo general dos categorías; la primera, llamada nanotubos de carbono multipared (MWCNTs), que fueron los primeros descubiertos. [16]. Estos son tubos concéntricos con un espaciamiento entre ellos de 0.34 nanometros. Este espaciamiento es ligeramente mayor al del grafito que es de 0.35nm. La segunda categoría lo forman los llamados nanotubos de carbono de pared sencilla (SMCNTs) que poseen un diámetro entre 1 y 2 nm. Después de los descubrimientos de los nanotubos de carbono se han realizados un sin números de investigaciones para obtener información de su estructuras y sus propiedades. La microscopia de transmisión electrónica y la microscopia y espectroscopia de tunalemiento son las que han ayudado a tener mas información de las propiedades electrónicas y estructurales de los nanotubos de carbono como producto de su helicoisidad y diámetro. [6] [9]

Los nanotubos de carbono son estructuras que presentan propiedades mecánicas y electrónicas que permiten generar muchas expectativas para sus posibles aplicaciones en muy diversas disciplinas, por ejemplo: en la electrónica: alambres, transitotes switch, interconectares, dispositivos de almacenamientos de memorias. En optoelectronica: diodos emisores de luz y laceres en otras áreas; en sensores, baterías y celdas de combustibles, fibras, catálisis, como almacenadotes de gas etc. etc.…

b) Funcionalización de NTC

La funcionalización de los NTC, abre una gran ventana de aplicaciones ya que aunado a sus propiedades derivadas de su estructura “original” se suman las producidas por su funcionalización.

Un primer aspecto que la funcionalización modifica, es la solubilidad. La solubilidad del los NTC, ya sea en solventes polares o no polares, permite la interacción molecular de los NTC con cualquier otra molécula o nanoestructura. Esta situación permite que de manera covalente, la pared del NT interaccione con moléculas o partículas metálicas, semiconductoras, poliméricas, etc.

Los métodos de funcionalización aplicados hasta ahora, son principalmente químicos a base de agentes oxidantes como; ácidos minerales, fluoruros, y sales de diazónio. Estos métodos forman grupos carboxilato o agregan algún grupo sobre la pared externa del NTC como CO-, -SH, Ar- etc. Poco se han investigado métodos físicos como; radiaciones uv formadora de radicales libres y ozonólisis [10] [11].


III. Metodología.

(Opcional)

2.- Síntesis y caracterización de NTC por el método de CVD

1.- Funcionalización de SWCNTs y MWCNTs

Se aplicarán dos métodos

  1. Formación micelar. A partir de sales de Aril-diazonio , NTC y surfactantes se forman miscelas que se someten a un proceso de reducción química de la sal.

  2. Formación micelar. A partir de sales de Aril-diazonio , NTC y surfactantes se forman miscelas que se someten a un proceso de reducción electroquímica de la sal.[3]

3.- Análisis y caracterización.

La caracterización del NTC funcionarizados se hará por los métodos:

Uv-visible-IR determinación de grupos funcionales

TGA relación peso en para obtener el grado de funcionalización

XPS y Auger composición superficial [3]

SEM y TEM Morfología antes y después de la funcionalización[3]


Literatura citada


[1] Iijima, S. Nature 1991, 354, 56.

[2] H. W. Kroto, J. R. Heath, S. C. O’Brien, R. F. Curl & R. E. Smalley

Rice Quantum Institute and departments Of Chemistry And Electrical

Rev. Nature Vol. 318, 14 de Noviembre de 1985

[3] Michael J. O’Connell, Carbon Nanotube Properties and aplications, Taylor & Francis Group

[4] Ajayan, P. M.; Ebbesen, T. W. Rep. Prog. Phys. 1997, 60, 1025.

[5] Iijima, S.; Ichihashi, T. Nature 1993, 363, 603.

[6] Iijima, S. Nature 1991, 354, 56.

[7]Ge, M.; Sattler, K. Science 1993, 260, 515.

[8] Odom, T.; Huang, J.; Kim, P.; Lieber, C. Nature 1998, 391, 62.

[9] Bethune, D. S.; Kiang, C. H.; de Vries, M. S.; Gorman, G.; Savoy,

[10] de Jonge, N., Lamy, Y., and Kaiser, M., Controled mounting of individual multiwalled carbon nanotubes on support tips, nano lett., 3, 1621, 2003

[11] Hafner, J.H. Cheung, C.-L., and Lieber., C. M., Direct Grown of single-walled

carbon nanotube scanning probe microscopy tips. J. Am. Chem. Soc., 121, 9750, 1999.

http://www.pa.msu.edu/cmp/csc/nanotube.html