INTRODUCCIÓN
La nanotecnología es un campo de las ciencias aplicadas dedicados al control y manipulación de la materia a una escala menor que 100 nanómetros, es decir, a nivel de átomos y moléculas. A este nivel la física cuántica se manifiesta de forma mas precisa que la física clásica, y las propiedades de los materiales a esta escala pueden ser diferentes a las del mismo material a una escala macro. Así pues, la nanotecnología implica la manipulación de la materia a nivel atómico y molecular para la creación de nuevos productos. [1].
La nanotecnología es una consecuencia de la búsqueda de nuevos materiales con nuevas propiedades a menores costos, para mejorar la calidad de vida. De esta manera se podrán diseñar mejores herramientas, dispositivos electrónicos, dispositivos biomédicos, mejorar el transporte etc. Por todo lo anterior, promete ser la mayor revolución tecnológica de todos los tiempos. También se predice que la nanotecnología detonará una nueva utopía económica y cultural.
La nanotecnología es una de las áreas más prometedoras de la ciencia y tecnología moderna con un gran impacto económico y social. En ella se trabaja con elementos extremadamente pequeños como una millonésima parte de un milímetro y aún más. Para ello, el ser humano ha tenido que desarrollar técnicas que le permitan, incluso, manipular la materia átomo por átomo.
Importancia científica y tecnológica.
Las nanopartículas (nanovarillas, nanocúmulos, nanocristales, nanotubos) presentan dimensiones menores a los 100 nm. El estudio de las nanopartículas es actualmente un área de la investigación científica intensa, debido a una variedad amplia de usos potenciales en campos biomédicos, ópticos, y electrónicos por mencionar algunos. Una vez que haya cambiado de tamaño la partícula empieza a exhibir efectos mecánico-cuánticos interesantes, uno de ellos son los puntos cuánticos los cuales se convierten en candidatos ideales para los dispositivos electrónicos de alta eficiencia, ya que pueden operar a bajos voltajes y a altas velocidades. En forma colectiva, estos “átomos artificiales” constituyen los bloques de construcción de sistemas artificiales más complejos, tales como “moléculas artificiales” o incluso “sólidos artificiales”. Estos sistemas de puntos cuánticos, conocidos con el nombre genérico de arreglos de puntos cuánticos, poseen interesantes propiedades ópticas y electrónicas que hacen de ellos materiales idóneos para su aplicación en memorias [2] y en computación cuántica [3].
Históricamente, la formación de una solución acuosa coloidal es probablemente el método más antiguo para preparar nanopartículas en una dispersión estable. Sin embargo este método se considero poco viables y se desarrollaron nuevos procedimientos para la separación de las fases coloidal y líquido como por ejemplo (térmicos, electrolíticos, etc.).
Cuando los materiales pasan del bulto (escala macroscópica) a formar nanopartículas (escala nanométrica), aparecen cambios notables en sus propiedades físicas y químicas que los hacen objeto de estudios fundamentales. Algunas de estas propiedades son:
a) Incremento de la razón área superficial/volumen induciendo un enorme incremento en el área interfacial de las especies en la superficie.
b) Cambios en la estructura electrónica de las especies que conforman a la nanopartícula y en general a la nanopartícula en si.
c) Cambios en el ordenamiento (estructura cristalina, distancias interatómicas, etc.) de las especies en la nanopartícula y presencia de defectos.
d) Confinamiento y efectos cuánticos de tamaño (quantum size effect), debido al confinamiento de los portadores de carga dentro de la nanopartícula de tamaño comparable con la longitud de De Broglie)
Por todo lo anterior se espera que las nanoparticulas encuentren aplicaciones, como sensores; en pinturas con mejor definición del color. En la electrónica y en la computación cuántica, se abre la posibilidad de manipular los estados electrónicos de los puntos cuánticos, lo que ampliaría considerablemente el control de la información [4].
Otro ejemplo, son los nanotubos de carbono descubiertos por Sumio Iijima en 1991, constituyen parte de las formas alotrópicas del carbono (fulerenos, diamante, grafito) [7]. Su morfología se considera equivalente a una hoja de grafito enrollada en forma de tubo sin costura y cerrada o abiertos en los extremos como se muestra en la (figura 2). Los nanotubos de carbono pueden ser de pared simple (SWCNTs, por sus siglas en ingles), o de múltipared (MWCNTs, por sus siglas en ingles). Su diámetro oscila desde 10 nm para el caso de los de pared simple (SWCNT) hasta decenas de nm para el caso de los de paredes múltiples o multi pared (MWCNTs). Su longitud, puede ser de decenas de nanómetros hasta micras. Los nanotubos de carbono tienen muy diversas propiedades dependiendo de su estructura. Los SWCNTs, presentan extraordinarias propiedades mecánicas, ideales para su incorporación en materiales compuestos (composites) y sistemas nanoelectromecánicos (NEMs). Su modulo de Young es mayor que 1x1012 Pa 1TPa que equivale a mil gigas o a algo más de un billón de Pa. Su resistencia a una fuerza de tensión se estima en 200 Gpa.
Figura 2: Enrollamiento de la placa de grafito para formar el nanotubo de carbono.
Otra propiedad interesante es su alta capacidad de emisión de electrones. El interés radica en sus aplicaciones en pantallas planas ya que son capaces de emitir electrones a baja energía mientras que los mejores emisores de electrones utilizados en la actualidad emiten en un intervalo entre 0.6 y 0.3 eV. Además del estrecho intervalo de emisión de energía, los nanotubos presentan otras ventajas respecto a los cristales líquidos utilizados en las pantallas planas actuales como: amplio ángulo de visión, capacidad de trabajar en condiciones extremas de temperatura y brillo suficiente para poder ver las imágenes a la luz del sol. [8]
En el campo de las nanopartículas metálicas con aplicaciones en catálisis recientemente se han sintetizado nanopartículas metálicas de Ru, Pd, Pt utilizando como precursores sales de amonio (hexaclororutenato de amonio ((NH4)2RuCl6), hexacloropaladato de amonio ((NH4)2PdCl6), y hexacloroplatinato de amonio ((NH4)2PtCl6) ) estas nanopartículas fueron soportadas en nanotubos de carbono de multipared (MWCNTs) in situ, mediante un método de reducción de descomposición térmica en nitrógeno o argón y como resultado se obtuvieron nanopartículas entre 3 y 12 nm con una buena dispersión sobre los nanotubos de carbono. Y con posibles aplicaciones en celdas de combustibles [9]
Aspectos sociales y económicos
Desde el punto de vista económico se ve como hoy en día los materiales reforzados con nanopartículas están influyendo considerablemente en la Industria Automotriz y Aeronáutica; la fabricación de pozos cuánticos, superredes, alambres cuánticos y puntos cuánticos, así como nuevos dispositivos producidos a partir de estos objetos, están revolucionando la electrónica y las comunicaciones; la obtención de nuevas drogas nanoestructuradas, nuevos estudios genéticos y sistemas de liberación controlada de drogas dan lugar a nuevas concepciones en la obtención de productos farmacéuticos, en la salud humana y animal y en general en las ciencias de la vida [10].
Rusia ha propuesto la creación de una agencia estatal llamada Rosnanotech con una inversión de 5,000 millones de dólares, esto con el fin de reducir el retraso nanotecnológico por la que esta pasando y esto le permitirá estar al día con los demás países y entrar a un mercado que apenas inicia [11]. “Algunos gigantes del mundo informático como IBM, Hewlett-Packard (HP), NEC e Intel están invirtiendo millones de dólares al año en la cuestión nanotecnológica, la cual incluye a los puntos cuánticos. Los gobiernos del llamado Primer Mundo también se han tomado el tema muy en serio, con el claro liderazgo del gobierno estadounidense, que ha destinado 570 millones de dólares a su National Nanotechnology Initiative, una importante iniciativa para el desarrollo de la Nanotecnología en los próximos años” [12].
En Europa la universidad de Oviedo pretende construir un centro de investigaciones de nanomateriales y nanotecnología, en el cual se espera iniciar con 42 investigadores, para después llegar a los 100 investigadores. Y a todo esto con una inversión de 18 millones de euros [13].
Revisión bibliográfica
a) Referencias básicas
1) C60: BUCKMINSTERFULLERENE
H. W. Kroto, J. R. Heath, S. C. O’Brien, R. F. Cu
rl & R. E. Smalley Rice Quantum Institute and departments Of Chemistry and Electrical Rev. Nature Vol. 318, 14 of November de 1985
En este trabajo utilizan una técnica de evaporización por vía láser utilizando al grafito como blanco el cual se produjo cúmulos estables consistidos de átomos de carbono se sugirió que esta estructura estable tenia la forma de un isocahedro truncado con 60 vértices y 32 caras el cual 12 son pentagonal y 20 hexagonal como se muestra en la figura 1. El objetivo del trabajo era realizar un experimento para entender la formación de cadenas largas de moléculas de carbono en el espacio interestelar el cual se termino descubriendo este hallazgo inesperado.
2) HELICAL MICROTUBULES OF GRAPHITIC CARBON
Sumio Iijima NEC, Corporation, Fundamental Research Laboratories 34 Miyukigaoka, Tsukuba,
En este trabajo describen el mecanismo de formación de nanotubos de carbono utilizando un método evaporización por descarga de arco método y utilizaron como blanco al grafito similar al utilizado para la síntesis de los fullerenos y se encontraron nanotubos con arreglos de átomos de carbono en forma hexagonal entre los 10 nanometros de diámetro.
3) High Resolution TEM Studies of Carbon Nanotubes Produced by Spray Pyrolysis. D. H. Galvan, A. Aguilar-Elguézabal, G. Alonso. ScienceDirect, Optical Materials 29 (2006) 140-143
En este trabajo describen el método de crecimiento de nanotubos de carbono de pared múltiples por spray pyrolisis, utilizando ferroceno/benceno como compuesto catalítico para después ser analizados por HRTEM, y observaron que dentro de los nanotubos se encontraban aleaciones de hierro en el interior del nanotubo, y este hecho puede ser aprovechable ya que se pueden alinear estos nanotubos para ser usados como panel de displays.
4) Study of carbon nanotubes synthesis by spray pyrolisis and model of growth. A Aguilar-Elguézabal, Wilber Antúnez, Gabriel Alonso, F. Paraguay Delgado, Francisco Espinosa, M. Miki-Yoshida. Diamond and Related Materials 15- (2006) 1329-1335.
En este trabajo, también describen el método de spray pyrolisis para la formación de nanotubos de carbono de multiparedes (MWCNTs), y utilizando un tubo de cuarzo y ferroceno/benceno como compuesto catalítico bajo un flujo de gas argón, las dimensiones de los nanotubos fueron de 200 micras de longitud, y se cree que el diámetro de los tubos dependen del tamaño de las gotas rociadas que son llevadas hacia el interior del tubo, cabe destacar que nos brinda información de varios tipos de parámetros (temperatura, concentración, flujo) que estudiaron para la formación de MWCNTs.
5) Controlled synthesis of nanoparticles in microheterogeneous systems, Vincenzo Turco Liveri, Editor David J. Lockwood.
En este libro nos describe diferentes tipos de métodos de síntesis de nanopartículas en sistemas microheterogéneos, y también nos proporciona información y los tipos de compuestos químicos viables para la preparación de un sistema microheterogéneo utilizando varios tipos de reactantes, así como la metodología para la síntesis de nanopartículas y también los tipos de reductores que son necesarios para la formación de nanopartículas.
6) Aqueous Deposition of Metals on Multiwalled Carbon Nanotubes to be Used as Electrocatalyst for Polymer Exchange Membrane Fuel Cells. Y. Verde, A. Keer M. Miki-Yoshida F. Paraguay-Delgado G. Alonso-Nuñez, M. Avalos. Journal of Fuel Cell Science and Technology MAY 2007, Vol. 4
En este trabajo emplean un método por descomposición térmica para formar nanopartículas metálicas de Ru, Pd, Pt utilizando como precursores sales de amonio (hexaclororutenato de amonio ((NH4)2RuCl6), hexacloroparadato de amonio ((NH4)2PdCl6), y hexacloroplatinato de amonio ((NH4)2PtCl6) ), Con este método de síntesis obtuvieron una distribución de nanopartículas entre los 3 y 12 nm en tamaños. Posteriormente son soportadas sobre nanotubos de carbono y caracterizadas por HRTEM
7) Oxygen Reduction Reaction and PEM Fuel Cell Performance Of a Chalcogenide Platinum Material. Y. Gochi-Ponce, R. Barbosa, L. G. Arriaga, G. Alonso-Núñez, N. Alonso-Vante
En este trabajo se enfoca en el desarrollo de electrocatálisis através de una síntesis con sulfuro-platino combinado con tungsteno. También muestran un método simple para la reacción usando thio-salt y sales metálicas en temperatura ambiente esta reacción produce un precursor químico electrocataliico que posteriormente es soportado en carbón vulcan. Después de un tratamiento térmico se le adhiere tungsteno y se caracterizan mediante XRD y TEM.
Cabe mencionar que además de estas referencias se cuenta con una base de datos de 12,000 artículos referente a nanopartículas, 1000 artículos relacionados de dispersión coloidal, 79 artículos referentes a nanopartículas de Ru, Pd, Pt, Au soportadas NTC, y 15 artículos en relación a síntesis de Ru soportadas en nanotubos. Día con día se publican artículos referentes a nanotecnología.
Hipótesis de trabajo
Mediante un nuevo método de reducción con borohidruro, es posible producir nanopartículas metálicas altamente distribuidas sobre la superficie de nanotubos de carbono. Con este método de síntesis se obtendrán una distribución de nanopartículas entre los 5 y 20 nm en tamaños. Por otra parte, los nuevos materiales preparados (nanotubos de carbono con nanopartículas) presentaran propiedades conductoras mejoradas con relación a los nanotubos de carbono limpios.
Metodología
En este trabajo se estudiarán nanoestructuras de metales de transición, especialmente los del periodo 5 y grupo I B de la tabla periódica soportadas en nanotubos de carbono. Se seleccionaron para su estudio los metales de transición: Ru, Rh, Ag, Cu, Au de acuerdo a su posición en la tabla. La contribución de este trabajo es optimizar la síntesis de nanopartículas por el método de reducción de precursores metálicos usando borohidruro de sodio y tratamiento térmico. Además se realizarán estudios de propiedades eléctricas de los nanotubos con las nanopartículas en su superficie comparándolos con los nanotubos de carbono limpios.
El Objetivo fundamental de este trabajo es poder aportar una metodología que sea la guía para la síntesis de nanopartículas metálicas soportadas en nanotubos de carbono con alta dispersión en la superficie.
Para el estudio de las nanopartículas se recurre a un método químico conocido como reacción de oxidación-reducción, o también llamado como reacciones redox, que se basan en transferencia de electrones. Asimismo, la mayoría de los elementos metálicos y no metálicos se obtienen de sus minerales por procesos de oxidación o de reducción. Una reacción redox consiste en dos semireacciones, una semi-reacción implica la perdida de electrones de un compuesto, en este caso el compuesto se oxida, mientras que en la otra semi-reacción el compuesto se reduce, es decir gana electrones, uno actúa como oxidante y el otro como reductor [14]
En nuestro caso utilizáremos como agente reductor al borohidruro de sodio con fórmula química es NaBH4. Se trata de un agente reductor de carácter selectivo, mientras que los materiales que serán reducidos son los precursores metálicos: HAuCl4, (NH4)2RuCl6, H2RhCl4, AgNO3, H2PdCl4, CuCl2. Es importante señalar que esta reacción redox, se lleva a cabo in situ una vez que el material metálico ha sido dispersado con los nanotubos de carbono aplicando ultrasonido.
Procedimiento:
Se prepara una solución, de un complejo metálico la cual se adiciona a los nanotubos de carbono que se encuentran previamente dispersos en agua, sometidos a ultrasonido durante cierto tiempo. Por otra parte se prepara una solución acuosa de borohidruro y se agregan a la disolución nanotubos y complejo, esto con la finalidad de reducir al complejo metálico así como se muestra en la siguiente reacción:
NaBH4 + M+ àMo + NaOH + B(OH)3
Así también se realizaran pruebas de sus propiedades eléctricas en el bulto, y se hará una comparación con nanotubos limpios. La propiedad eléctrica que se pretende medir es la conductancia como se describe a continuación: mediante una fuente de poder, se le aplicara una cantidad de voltaje al material en bulto, y se medirá con un voltímetro el voltaje inducido, através del material.
La caracterización de los materiales se llevara a cabo mediante las siguientes técnicas:
ü Difracción de Rayos-x:
Esta técnica nos proporcionara información de la cristalinidad de las nanopartículas (Ru, Rh, Pd, Ag, Au, Cu), la técnica consiste en hacer incidir un haz de rayos-X en el material, este haz se dispersa en todas direcciones a causa de los electrones asociados a los átomos, pero el resto del haz puede dar lugar al fenómeno de difracción de rayos-X permitiendo obtener un patrón característico del elemento.
ü Espectroscopio Auger:
La emisión electrónica Auger es un fenómeno físico en el cual la remoción de un electrón interno de un átomo causa la emisión de un segundo electrón llamado electrón Auger debido a la energía de la transición electrónica. Y esta emisión es característica para cada elemento de la tabla periódica, y nos proporcionara patrones de referencia para identificar cada elemento en la muestra analizada y determinar el porcentaje de cada uno de los materiales, así también determinar el estado de oxidación de los elementos.
ü Microscopia Electrónica de Transmisión (TEM) y Barrido (SEM):
Mediante esta técnica se determinara la morfología y el tamaño de la nanopartículas (cúbicas, tetraédricas, esféricas, octaédricas, etc.). La microscopía electrónica de transmisión (TEM) es una técnica de imagen en virtud del cual un haz de electrones que se transmite a través de una muestra, entonces se forma una imagen, ampliada y dirigida a proyectarse ya sea en una pantalla fluorescente o capa de película fotográfica. Por SEM se definirá la morfología de los nanomateriales, también se pueden generar mapeos de cada uno de los elementos de la muestra para determinar la homogeneidad de las nanopartículas de Ru, Rh, Pd, Ag, Au, Cu en la superficie de los nanotubos de carbono.
ü Análisis Térmico Diferencial.
Esta técnica nos proporciona información del porcentaje de material metálico depositado en la superficie de los nanotubos de carbono. El análisis consiste en aplicar un barrido de temperatura desde temperatura ambiente hasta 700 C en atmosfera de aire para eliminar el carbono y determinar así el peso de material remanente.
CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES
Etapa 1: En esta etapa se preparan los complejos metálicos.
Etapa 2: Deposito de nanopartículas de Ru sobre NTC.
Etapa 3: En esta etapa se realizaran las caracterizaciones.
Etapa 4: Discusión.
Etapa 5: Escritura de la tesis y presentación de examen de grado.
| Etapas | En. | Feb. | Mar. | Abr. | Mar. | Jun. | Jul. | Ago. | Sep. | Oct. | Nov. | Dic. |
| 1 | | | | | | | | | | | | |
| 2 | | | | | | | | | | | | |
| 3 | | | | | | | | | | | | |
| 4 | | | | | | | | | | | | |
| 5 | | | | | | | | | | | | |
Referencias
[1] http://www.etcgroup.org/es/materiales/publicaciones.html?pub_id=102
[2] J.J Wesler, S. Tiwari, S. Rishton, K.Y. Lee, IEEE Electrón Device Lett. 18, 287 (1997)
[3] C.S. Lent, P.D. Towgaw, W. Prod, and G.H. Bernstein, Nanotechnology 4, 49 (1993). W.P. Porod, C.S. Lent, G.H. Bernstein, A.O. Orlov, I. Amlani, G.L Zinder and J.L Merz, Int. Electron, 86, 549 (1999). A.N. Korothov, Int. Electron, 86, 511, (1999).
[4] Waser Rainer Nanoelectronics and information Technology, WILEY-VCH, 2005
[5] http://es.wikipedia.org/wiki/Buckminsterfullereno
[6] http://scifun.chem.wisc.edu/chemweek/buckball/bucky.gif
[7] Iijima, S. Nature 1991, 354, 56.
[8] Controlled Synthesis of Nanoparticles in Microheterogeneous Systems, Vincenzo Turco Liveri, editor David J. Lockwood.
[9] Aqueous Deposition of Metals on Multiwalled Carbon Nanotubes to be Used as Electrocatalyst for Polymer Exchange Membrane Fuel Cells, Y Verde, A Keer, M. Miki-Yoshida , F. Paraguay-Delgado, G. Alonso-Nuñes, M. Avalos. Journal of Fuel Cell Science and Technology. Vol. 4 Mayo 2007.
[10] http://fisica.ciens.ucv.ve/svf/Feiasofi/nanociencia.pdf
[12] http://www.evidenttech.com/
[14] http://es.wikipedia.org/wiki/Reductorb
