Nano estructuras de Carbono: Los. Nanotubos. Maribel Ortega Quispe Docente: Guarepi Valentin ESB N 27 La Plata, Buenos Aires

Transcripción

1 Nano estructuras de Carbono: Los Fullerenos (C 60 ) y Los Nanotubos Maribel Ortega Quispe Docente: Guarepi Valentin ESB N 27 La Plata, Buenos Aires

2 Introducción: Nanociencia y nanotecnología En 1959, el científico Richard Feynman, introdujo en el mundo científico la idea que engloba estos conceptos. El afirmó que en un futuro no muy lejano se podría manipular directamente a los átomos y moléculas. Claro que esta afirmación era un poco extraña para esa época porque no existían instrumentos para poder visualizar átomos o moléculas, todo lo que se sabía sobre éstas partículas era meramente teórico. Para definir este concepto primero hay que conocer lo que significa el prefijo NANO, proveniente del griego, quiere decir: enano, diminuto o la milmillonésima parte de algo (Sería como multiplicar algo por 0, ). Entonces la NANOCIENCIA es el estudio de la materia a escala nanométrica y la NANOTECNOLOGÍA es el diseño, fabricación de materiales, estructuras, dispositivos y sistemas funcionales por medio de la manipulación de la materia a nanoescala. Estas dos palabras se encuentran siempre relacionadas, porque la nanociencia busca conocer las diferentes propiedades de la materia a escala atómica para poder caracterizarla en dicha escala, mientras que la nanotecnología busca desarrollar instrumentos y técnicas para a su vez poder aplicarlas en el estudio de la materia. Además, la nanociencia y la nanotecnología, se rigen o se basan en otras disciplinas de forma necesaria, fundamentalmente la física, la química, la biología, la informática y la electrónica. Una herramienta fundamental en el desarrollo del estudio de las partículas subatómicas, es el MICROSCO- PIO. Gracias a su invención y evolución es que se puede visualizar la materia a escalas tan pequeñas, llegando a ver átomos y moléculas. Básicamente, es un instrumento que nos permite obtener imágenes aumentadas de objetos que a simple vista no logramos ver. La siguiente es una lista con los diferentes microscopios que se han ido perfeccionando a lo largo de los años: Microscopio óptico: Fue el primero que se creó. Era un instrumento compuesto por una serie de lentes de vidrios y basado en la utilización de luz Microscopio Electrónico: Se baza en la sustitución de la luz visible para iluminar los objetos en estudio por un haz de electrones, mientras que reemplaza las lentes de vidrio por campos electromagnéticos. Microscopio de campo cercano: una nueva herramienta capaz no sólo de ver la materia a escala nanométrica, sino también de interaccionar con ella Microscopio efecto túnel: fue el primero en ser usado para visualizar superficies a nivel atómico. Microscopio de fuerzas atómicas: Básicamente funciona utilizando como magnitud de interacción de las fuerzas que aparecen al acercarse a la muestra del objeto en estudio. He aquí un cuadro que intenta comparar el funcionamiento de los diferentes microscopios: Microscopio Microscopio ELEC- Microscopio EFECTO de FUERZAS Microscopio ÓPTICO TRÓNICO TÚNEL ATÓMICAS Sonda Luz Haz de electrones Punta Punta

3 Tamaño de la nm. 10nm. 0,1nm 0,5nm sonda Resolución 1000nm. 20nm. 0,01nm. 0,1nm. Tipo de lentes Vidrios Campos electromagnéticos No hay No hay Entorno de Aire Vacío Cualquiera Cualquiera trabajo Acerca del carbono Está ampliamente distribuido en toda la naturaleza, a pesar de no ser un elemento tan abundante; sólo representa un 0,3% de la corteza terrestre; sin embargo es el principal componente de los seres vivos y es la base de la química orgánica. Éste elemento es tan especial o importante porque posee propiedades inigualables; por eso es que se le dedica más estudio en comparación de los demás elementos de la tabla periódica. Una de sus propiedades más interesante, y muy curiosa: es que de un mismo átomo se pude dar lugar a materiales muy distintos. Un buen ejemplo es comparar diamante con grafito, estos dos materiales son dos formas alotrópicas del carbono, porque se diferencian en la forma en que se acomodan estructuralmente en el espacio, ambos están compuestos sólo por átomos de carbono; sus propiedades tan distintas surgen porque los átomos están ordenados de formas diferentes. Esto se debe a que la estructura electrónica de los átomos de carbono es 1s2 2s2 2p2, lo hace que los orbitales atómicos de estos átomos tengan hibridación sp, sp2 y sp3, por eso la formación de las cadenas de carbono. La Serendipia es el arte de encontrar algo que originalmente no era lo que se pretendía, como son los casos de los fullereno y los nanotubos de carbono, ya que los científicos que los descubrieron estaban buscando otros resultados y terminaron hallando estas maravillosas estructuras que tienen propiedades muy prometedoras. Los Fullerenos Fueron hallados cuando unos científicos vaporizaron grafito con un pulso intenso de láser y utilizaron un flujo de helio gaseoso para llevar el carbono vaporizado a un espectrómetro de masas, donde se demostró picos que correspondían a un conjunto de átomos de carbono, pero había un pico de en especial: moléculas formadas por. Éste gran hallazgo fue gracias a los científicos: Harold Kroto, Richard E. Smalley y Robert F. Curl, en el año Posteriormente, diez años después, recibieron el premio Nobel de Química de Cabe destacar que un fullereno es la tercera forma molecular más estable del carbono, luego del grafito y el diamante.

4 Imagen 1. Extraida de Http: com/ fullerenos Los fullerenos son una familia de moléculas huecas de átomos de carbono. También son llamados Buckyballs, en honor a Richard Buckmister Fuller, arquitecto que le dio forma a ésta molécula. El más conocido es el fullereno (Imagen 1) cuyos átomos que forman su pared están ordenados en anillos de 5 y 6 átomos que a su vez forman 20 hexágonos y 12 pentágonos que se unen tomando forma esférica, más específicamente un icosaedro truncado, igual a un balón de futbol. Es un sólido negro de densidad 1,86 g/m con interacciones intermoleculares débiles, lo que hace que las moléculas esféricas estén rotando libremente a temperatura ambiente, dando origen a un cristal plástico. Algunas propiedades y aplicaciones: Su estructura y dureza permiten la fabricación de nuevos materiales sólidos. Un ejemplo son las fullenitas que son cristales de fullereno, en los que las moléculas de carbono forman estructuras enrejadas hexagonales, que constituyen una película sólida y amarillenta. Se podría introducir, en un fullereno, las impurezas de distintos elementos químicos en la estructura de los átomos de carbono, para lograr nuevas propiedades fisicoquímicas. Cuando de combina un fullereno con flúor, se forma y se consigue uno de los mejores lubricantes conocidos, y lo mejor de esto es que ya se están utilizando. Sus propiedades eléctricas son importantes, porque según con que elemento se lo combine pueden ser aislantes, conductores o superconductores. La combinación de un fullereno con potasio, cesio o rubidio se convierte en un superconductor a bajas temperaturas. Pueden actuar como cápsulas flexibles y resistentes. Se podría unir a los fármacos inhibidores del virus sida, sin que se deforme su estructura y transportarlos por el organismo hasta llegar al virus. Los Nanotubos Como se mencionó anteriormente, junto con el diamante y el grafito, los fullerenos son las formas alotrópicas

5 del carbono más estables. También como ya se dijo, fueron descubiertas por accidente, por S. Ijima, en Cuando él estaba estudiando el depósito de carbono que se consigue con una descarga eléctrica al grafito. Cuando analizo los resultados, halló unos filamentos de unos pocos nanómetros de diámetro y algunas micras de largo. En ese entonces no se le dio mucho valor, pensaban que sólo era un desecho pulverizado de carbono, pero luego resultaron ser más interesantes de lo que se creía. Si se enrolla una lámina de grafeno para formar un cilindro, se obtiene un nanotubo de carbono; como éstos se obtienen enrollando planos de diferentes formas se pueden formar gran variedad de estructuras. De entre ellas podemos distinguir dos grupos: nanotubos de PARED SIMPLE o de PARED MULTIPLE, según la cantidad de paredes o láminas enrolladas que contengan (imagen 2). Imagen 2: Nanotubos de carbono. Extraído de: Http/ Un hilo mágico? Estos nanotubos de carbono son muy valorados y estudiados por sus propiedades electrónicas, mecánicas y térmicas: Según como se enrolle el nanotubo, puede ser aislante, conductor o semiconductor; se sabe que son buenos conductores a temperatura ambiente y se pueden armar nanotubos infinitamente largos. Con estos datos se puede considerar la idea de fabricar nanocables para sustituir a los que se usa actualmente, que son los gruesos y caros cables de cobre. Las moléculas de este material están conformadas por átomos de carbono, que son ligeros y están unidos por fuertes enlaces, lo cual hace que sea 100 veces más duro que acero y a su vez 10 veces más

6 ligero. Además poseen una alta capacidad de doblarse sin romperse y sin modificar su estructura interna. Un nanotubo de pared simple es muy duro, tal dureza aumenta si se le agregan más paredes a la estructura del tubo. Considerando las propiedades nombradas anteriormente, podríamos suponer que el acero en las construcciones ya tiene un futuro sustituto, que logrará edificios o puentes muchísimo más resistentes y más ligeros. Además son muy buenos conductores de calor, así mismo poseen un muy bajo coeficiente térmico de expansión. Conclusiones Es asombroso saber como la ciencia está evolucionando a pasos agigantados, y es más asombroso aún imaginar y soñar que en un futuro no tan lejano, y gracias al desarrollo constante de estructuras como los fullerenos y los nanotubos, existirán curas para enfermedades que hoy es imposible curar, formas de energía que no contaminan el ambiente, materiales para la infraestructura más resistentes y así evitar accidentes y tragedias que se originan por falta de mantenimiento de la estructura o por catástrofes ambientales, que éstas a su vez son cada vez más peligrosas, debido a los cambios negativos que ha hecho el hombre en el ambiente. Quien sabe quizá hasta se pueda llegar a fabricar los nanorobots con los que tanto se relaciona a la nanotecnología. Nada nos impide dejar volar nuestra imaginación, como lo hizo Julio Verne, que soñó que el hombre llegaría a la Luna y también a Marte, uno ya ocurrió, en 1969 y el viaje del hombre a Marte ya se está planeando. Soñar no le hace mal nadie.

7 Bibliografía Gago, J.A.M. (Ed.) (2009). Nanociencia y nanotecnología. Entre la ciencia ficción del presente y la tecnología del futuro. FECYT, Madrid, España. Kirschembaum, J. M. (Ed.) (2011). Colección Encuentro Inet/ capitulo doce: Nanomateriales. Centro Atómico Constituyentes (CAC), Centro Atómico Bariloche (CAB), Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA). Ciudad Autónoma de Buenos Aires. República Argentina. Castro, G. R. (Ed.) (2011), Nanobiotecnología Campo promisorio de exploración y desarrollo de nuestras sociedades. Roma. Italia. Kharissova, O. V. Ortiz, Méndez, U. (Ed.) (2002). CIENCIA UANL / VOL. V, No. 4, La estructura del fullereno C60 y sus aplicaciones. Referencia: TECNOLOGIA.pdf aplicaciones_industriales_nanotecnologia.pdf