Bloque 0. Antecedentes

Transcripción

1 Bloque 0. Antecedentes

2 Experimentos en Una Molécula Estructura DRX 1 H-RMN

3 RMN Difracción de rayos X

4 Caracterización de Una Molécula Modelo STM AFM AFM

5 Bloque 1. Introducción i) Nanociencia y Nanotecnología ii) Concepto de Miniaturización iii) Definicón de Nanoquímica

6 Nanotecnologia-Nanoquimica Nanotecnología: conjunto de técnicas y ciencias en las cuales se estudian, manipulan y obtienen de forma controlada materiales y dispositivos de dimensiones nanometricas Nanoquimica: se encarga de la preparación y estudio de esos nanomateriales Preparación materiales nanométricos Propiedades en la Nanoescala

7 Nanotecnología: Ciencia Interdisciplinar Química Biología Nanotecnología La única forma de nanotecnología conocida de acuerdo con las características señaladas es la Biología Características Ingeniería Física Componentes a escala nanométrica Autoensamblado de los componentes Complejidad

8 Replicación de ADN Síntesis de peptidos

9 El Origen There is plenty of room at the bottom (1959) Primera invitación a la manipulación y control de las cosas a pequeña escala: Miniaturización. Punto de partida de la NANOTECNOLOGiA 1981 Binning y Rohrer : Microscopio de Efecto Túnel Don Eigler 1989, investigador de IBM R. Feynman (Premio Nobel 1965) Xenon on Nickel (110)

10 La nanotecnología, un fenómeno nuevo? La copa de Licurgo Color cambiante de la Copa de Licurgo (verde con luz reflejada y rojo con luz transmitida) y una de las nanopartículas de Au que contiene el vidrio del que está hecha IV century AD, British Museum Au and Ag nanoparticles, nm in diameter Licurgo, en un ataque de locura, mató a su hijo Drías, confundiéndolo con una cepa de vid, y su país quedó yermo en señal de luto. Sólo al morir licurgo volvió a florecer la tierra

11 Rosetón de la Iglesia de San Felipe (Brihuega, s.xiii) La primera fotografía en color fue realizada por James Clark Maxwell, universalmente recordado por sus contribuciones a la teoría electromagnética, la cual, a su vez, tuvo una importancia trascendental para que en 1908 Gustav Mie explicara por qué el color de los vidrios dependía del tamaño y composición de las nanopartículas incluidas en ellos.

12 Vidrieras medievales y nanopartículas Deep red colors in some stained glass windows created during the Middle Ages were the result of surface plasmons, an electronic state of gold nanoparticles in the glass.

13 Espadas de Damasco y Nanotubos de carbono

14 La concha del molusco avalón, muy común en el Caribe, que presenta una dureza excepcional, está compuesta por bloques nanoestructurados de carbonato cálcico "pegados" por una mezcla de carbohidratos y proteínas y es una demostración viva de que los materiales nanoestructurados son mecánicamente más resistentes. Los humanos hemos aprovechado los materiales nanoestructurados desde hace mucho tiempo.

15 La nanociencia está unida desde la década de los 80 con Drexler y sus aportaciones a la"nanotecnología molecular", esto es, la construcción de nanomáquinas hechas de átomos y capaces de construir ellas mismas otros componentes moleculares. K. Eric Drexler, PhD Is a researcher, author, and policy advocate focused on emerging technologies and their consequences for the future. He pioneered studies of productive nanosystems and their products (nanotechnology). He has authored numerous technical publications on this topic as well as books including Engines of creation: the coming era of nanotechnology which first introduced the basic concepts to a general audience. He was Chief Technical Advisor of Nanorex, a company developing software for the design and simulation of molecular machine systems. He is presently the president of the Foresight Institute. In 1991 he received a doctoral degree in the field of molecular nanotechnology from MIT, the first degree of this kind. Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology Anchor Books, New York, 1986

16 Año Acontecimientos relevantes en el desarrollo de la Nanotecnología Acontecimiento 1905 Albert Einstein publica un artículo en el que calcula el diámetro de una molécula de azúcar en aproximadamente un nanómetro Richard Feynman da su famosa conferencia sobre miniaturización: "There is plenty of room at the bottom" 1968 Alfred Y. Cho y John Arthur de los Laboratorios Bell y sus colegas inventan la epitaxia molecular (molecular-beam epitaxy), una técnica que posibilita depositar un solo nivel atómico (atomic layers) en una superficie Norio Taniguchi concibe la palabra "nanotecnología" refiriéndose al trabajo con materiales de menos de un micrón El verdadero nacimiento de la Nanociencia y la Nanotecnología se produce con la invención del microscopio de efecto túnel por Binnig y Rohrer Robert F. Curl Jr., Harold W. Kroto y Richard E. Smalley descubren la "buckminsterfullerenos", también conocidos como "buckyballs" de alrededor de un nanómetro de diámetro Sumio Iijima de NEC en Tsukuba, Japón, descubre los nanotubos de carbono El grupo de trabajo de Cees Dekker de la Universidad Delft de Tecnología en los Países Bajos crea un transistor a partir de un nanotubo de carbono James M. Tour, ahora de la Universidad Rice, y Mark A. Reed de la Universidad de Yale demostraron que las moléculas individuales pueden actuar como interruptores moleculares (molecular switches) La administración de Clinton anuncia la Iniciativa Nacional en Nanotecnología, la cual, además de financiar ese campo de la investigación en EUA, también da un gran impulso a las expectativas que ésta genera. Los laboratorios Luncent y Bell, en alianza con la Universidad de Oxford, crean el primer nanomotor de ADN Descubrimiento del grafeno por Gleim y Novoselov (premio Nobel 2010).

17 Nanomateriales: Contexto Actual 0D : Fulerenos 1D: CNTs 2D: Grafeno

18 Estructuras del Carbono sp 2 3D 2D 1D 0D Grafito Grafeno 2004 (Novoselov) Nanotubos 1991(Ijima) Fulerenos 1985(Kroto, Samlley)

19 Químicos crean la botella de agua Más pequeña del mundo (Nov. 2010) Abierta Cerrada

20 Long Waves of Innovation Major conceptual advances that spur new industries occur about twice a century and lead to massive wealth creation Rapid adoption Textile Railway Auto Computer Nanotecnology Industrial revolution Information evolution Introduction of technology Today we are at the intersection of three major innovation advances: One nearing its end, one that will continue another years, and one that is just starting. These innovation waves spur enormous investments and radically alter the economics of affected industries. As with the computer wave, the current one, distributed intelligence is affecting virtually all industries.

21 Nanoescala: Concepto de Miniaturización Escala 10 2 m 1 cm Hormiga ~ 5 mm 10 3 m 10 4 m 1 mm 0.1 mm Microdispositivos electromecánicos ~ mm Glóbulos rojos ~ 2 5 μm 10 5 m 10 6 m 0.01 mm 1 μm Cabello humano ~ μm de diámetro 10 7 m 0.1 μm Nanotubo de Carbono de capa única ~ 1 nm de diámetro 10 8 m 10 9 m 0.01 μm 1 nm ADN ~ 2 nm Manipulación de la materia a escala atómica y molecular

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23 Tamaño del Universo Galaxias Sistema Solar Tierra Humanos Célula Átomo de C Partículas Tamaño de las cosas (m) nanómetro

24 1 nm 100 millones 100 millones

25 Efectos de tamaño cuántico y su importancia para la reactividad y estabilidad de nanoestructuras En la base misma de la nanociencia está el concepto de que la materia muestra nuevas propiedades si reducimos su tamaño, por debajo de una cierta longitud crítica. Detrás de este concepto esta el hecho de que el confinamiento electrónico produce la aparición de un conjunto nuevo de estados cuánticos discretos, llamados Estados de Pozo Cuántico, cuya ocupación secuencial por los electrones resulta en que muchas propiedades físicas oscilen con el tamaño del objeto. Esto es lo que se conoce como Efectos de Tamaño Cuántico: Aquí se describen efectos de este tipo en lo que refiere a la reactividad química y a la estabilidad de nanoestructuras. Nos interesa, más que su concepto, lo que representa potencialmente dentro del conjunto de investigaciones y aplicaciones actuales cuyo propósito es crear nuevas estructuras y productos que tendrían un gran impacto en la industria, la medicina, etc..

26 La importancia del Tamaño UV (365 nm) 2 nm 8 nm 15 nm CdSe quantum-dot nanoparticles that different in size 20 nm 90 nm

27 PREMIO NOBEL DE QUÍMICA 2007 Los procesos catalíticos vistos con detalle atómico. Las investigaciones básicas de Gerhard Ertl sobre procesos en superficies sólidas tienen múltiples aplicaciones directas Gerhard Ertl paseó por el jardín del Instituto Fritz-Haber de Berlín tras ser galardonado con el Nobel de Química Nazario Martín León y Enrique García Michel. EL PAÍS, FUTURO miercoles 17 de octubre de 2007

28 PREMIO NOBEL DE QUÍMICA 2007 Se considera con razón a Gerhard Ertl uno de los creadores de una nueva disciplina, la fisicoquímica de superficies sólidas, que involucra por igual a físicos y químicos.

29 Combustibles petroquímicos Convertidores catalíticos Los convertidores catalíticos de dos etapas se introdujeron en 1975 para controlar las emisiones de monóxido de carbono e hidrocarburos. Luego se introdujo una tercera etapa para limpiar los óxidos de nitrógeno de los tubos de escape. La forma en que los convertidores catalíticos funcionan es produciendo una serie de reacciones químicas alrededor del metal, usualmente un catalízador de platino. Los óxidos de nitrógeno se convierten en gases de nitrógeno y oxigeno, el monóxido de carbono se convierte en dióxido de carbono y los hidrocarburos sin quemar en agua y dióxido de carbono. Convertidor catalítico de tres etapas

30 GERHARD ERTL Aplicaciones de las nanopartículas

31 Herramientas para la Nanotecnología Microscopias de Campo Cercano Scanning Tunnel Microscope (STM) Atomic Force Microscope (AFM) 460nm Ver Manipular - Organizar Medir Propiedades

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33 Herramientas para la Nanotecnología Microscopio de Fuerzas Atómica (AFM) Microscopias de Campo Cercano Scanning Tunnel Microscope (STM) Atomic Force Microscope (AFM) (punta) (palanca) nm 460nm Ver Condiciones ambientales Manipular - Organizar Medir Propiedades

34 La punta: Conexión Nanomundo-Macromundo

35 Nanoquímica: Definición Nanotecnología: conjunto de técnicas y ciencias en las cuales se estudian, manipulan y obtienen de forma controlada materiales y dispositivos de dimensiones nanometricas Nanoquimica: se encarga de la preparación y estudio de esos nanomateriales Preparación materiales nanométricos Propiedades en la Nanoescala

36 Estrategias para la obtención de Nanomateriales Bottom-up Top-down

37 Estrategias para preparar Nanomateriales Material Nanoestructurado Top-down Litografía Botton-up Autoensamblaje Síntesis covalente

38 Química Supramolecular Estrategia Bottom-up J.M. Lehn: Premio Nobel 1987 Química Supramolecular Enlaces de Hidrógeno Enlaces Intermoleculares Enlaces de Coordinación Fuerzas Van der Waals Fuerzas Electrostáticas Química Supramolecular de Coordinación

39 Estrategia Bottom-up Síntesis Proceso Espontáneo Enlaces no covalentes Supramolécula Bloques de Construcción (moléculas o iones) Autoensamblaje Reconocimiento Molecular Selectividad en la unión entre Moléculas

40 ADN un interesante candidato

41 Hacia la Nanoescala HO O O C C OH Un matraz diferente + Fe K STM en ultra-alto vacío (10-10 mbar) Superficie Cu Organización Basada en La Molécula S. Stepanow et al. Nature Mat (3) 229.

42 Retos y oportunidades en nanotecnología Retos: Una nueva ciencia? Comprender mejor nuestro mundo Aplicaciones en áreas como salud, medioambiente, energía, Nuevas industrias, nuevos hábitos, Hasta donde podemos disminuir el tamaño de las cosas? (aproximación «top-down») Oportunidades: Manipular la materia a nivel de átomos y moléculas (ver lo que nunca antes habíamos visto ) Determinar propiedades de una sola molécula Nuevas posibilidades «electrónica molecular» Creación de nuevos materiales «bottom-up»

43 Potenciales Aplicaciones Nanopartículas de TiO 2 (UV) Aplicaciones Médicas Transporte de drogas Bio materiales Etiquetas Moleculares Chips de Diagnóstico Pantalla táctil de Grafeno Bio sensores Pinturas Cosm éticos Comercialización de productos Nano filtros Catalizadores Lubricantes Pinturas Textiles Pinturas / Pigmentos Energía / Células combustible Energía / Industrial / Varias Envases Comida Iluminación Células Solares portátiles Materiales Composites Basicos Composites avanzados OLEDs flexibles < 1 año 1 2 años 3 4 años Sensores pasivos Nanomemorias almacenamiento Pantallas Nanoescala IC mfg procesesos Nanoscale transistores Aparatos / Microreactores

44 Au nanoparticles (3-5 nm) are active for CO oxidation at 200 K Au/TiO 2 Masatake Haruta, Osaka

45 Semiconductor nanocrystals as fluorescent biological labels In As InP CdSe nm nm nm Mouse 3T3 fibroblasts P. Alivisatos et al, Science, 281, 2013 (1998)

46 Escribir con átomos (IBM 1989) Átomos de xenón sobre una superficie de níquel (-270 ºC) Se podían construir cosas a nanoescala!!! IBM, San José (California)

47 Manipulando átomos y moléculas en superficies Átomos de Fe en Cu(111) Moléculas de CO en Pt(111)

48 NANOMAGNETISM Self-organized growth of magnetic nanodots Toshiba, Gb Drive. ADVANCED MAGNETIC STORAGE ORDERED CATALYTIC REACTORS Tumor Magnetic nanoparticles HYPERTHERMAL CANCER TREATMENT ADVANCED CONTRAST AGENTS

49 Tratamiento de tumores mediante hipertermia Tumor Nanopartículas magnéticas

50 Magnetic nanoparticles HYPERTHERMAL CANCER TREATMENT ADVANCED CONTRAST AGENTS Tumor

51 Nanomedicina Nanotecnología aplicada a la medicina Nanomedicina: Una de las vertientes más prometedoras dentro de los potenciales nuevos avances tecnologicos en la medicina. Podríamos aventurar una definición situándola como la rama de la nanotecnología que permitiría la posibilidad de curar enfermedades desde dentro del cuerpo y al nivel celular o molecular. Se considera que determinados campos pueden ser objeto de una autentica revolución, especialmente: monitorización (imágenes), reparación de tejidos, control de la evolución de las enfermedades, defensa y mejora de los sistema biológicos humanos; diagnóstico, tratamiento y prevención, alivio del dolor, prevención de la salud, administración de medicamentos a las células, etc. etc. Todos ellos constituirían nuevos avances tecnológicos en la medicina que la posicionarían en una nueva era científica y asistencial.