TEMA 2: Nanomateriales y nanoestructuras

Transcripción

1 TEMA 2: Nanomateriales y nanoestructuras 1. Tipos de enlaces a. Enlace iónico b. Enlace covalente c. Enlace metálico d. Fuerzas intermoleculares: Fuerzas de van der Waals 2. Estructuras cristalinas: Redes de Bravais. Silicio. 3. Nanoestructuras a. Nanopartículas b. Hilos c. Películas y recubrimientos d. Materiales porosos e. Materiales policristalinos f. Estructuras cuánticas: pozos, hilos y puntos cuánticos g. Moléculas i. Fullerenos ii. Nanotubos iii. Grafeno

2 ENERGÍA DE LOS ENLACES Energía Distancia de enlace Ar kcal/mol =0.013eV 3.76 Å He kcal/mol= ev 3.0 Å H ev 0.74 Å k B T = ev=0.6 kcal/mol a temperatura ambiente

3 ENLACES QUÍMICOS ENLACE IÓNICO 4 ENLACE METÁLICO

4 ENLACES QUÍMICOS ENLACE COVALENTE

5 ENLACES QUÍMICOS HIBRIDACIÓN

6 ENLACES QUÍMICOS ORBITALES HÍBRIDOS Hibridación sp 2 Hibridación sp 3 CH 4 Hibridación sp

7 ENLACES QUÍMICOS ESTRUCTURA ELECTRÓNICA DEL BENCENO Grafeno

8 FUERZAS DE VAN DER WAALS Fuerzas de Van der Waals 1. Fuerza dipolo-dipolo, o fuerza de Keesom: Interacción entre dipolos permanentes. 2. Fuerza de inducción o de Debye: dipolo dipolo inducido 3. Fuerza de dispersión de London: Interacción entre dipolos ocasionales Electronegatividad: H > 2.2 Cl > 3.16 MOMENTO DIPOLAR DE UNA MOLÉCULA Ácido clorhídrico: HCl Agua: H 2 O Anhídrido carbónico: CO 2

9 FUERZAS DE VAN DER WAALS Fuerzas de van der Waals 1. Fuerza dipolo-dipolo, o fuerza de Keesom: Interacción entre dipolos permanentes. Ejemplo Enlaces de Hidrógeno Nitrógeno, Oxígeno, Fluor

10 FUERZAS DE VAN DER WAALS Fuerzas de Van der Waals 2. Fuerza de inducción o de Debye: dipolo dipolo inducido Por ejemplo: HCl y Ar o H 2 O y CCl 4 3. Fuerza de dispersión de London: Interacción entre dipolos ocasionales Por ejemplo: metano, gases nobles, etc. Elemento He Ne Ar Kr Xe Número atómico Punto de ebullición (K)

11 compuesto Punto ebullición C Momento dipolar D % dipolo dipolo % dipolodipolo inducido % dispersion Ar CO HCl HBr HI NH H 2 O

12 Tipo de enlace Energía de disociación (kcal/mol) Energía de la red iónica Energía del enlace covalente Enlaces de hidrógeno 1 12 Dipolo Dipolo Fuerzas de dispersión de London <1 to m 2 Tipo de enlace Tipo de fuerza n m ions Coulomb 12 1 ion molécula polar ion dipolo 12 2 Dos moléculas polares dipolo dipolo 12 3 ion molécula no polar ion dipolo inducido 12 4 Molécula polar y no polar dipolo dipolo inducido 12 6 moléculas no polares dispersión 12 6

13 Fuerzas de Van der Waals: geckos - salamanquesas 1 mm 2 : microapéndices (setae) de 5µm que acaban en 100 o 1000 spatulae de 200nm de largo

14 ESTRUCTURAS CRISTALINAS Redes de Bravais

15 2. Nanoestructuras a. Nanopartículas b. Hilos c. Películas y recubrimientos d. Materiales porosos e. Materiales policristalinos f. Estructuras cuánticas: pozos, hilos y puntos g. Moléculas i. Fullerenos ii. Nanotubos iii. Grafeno

16 NANOPARTÍCULAS Nanoparticles of Titanium Oxide Porcentaje de átomos superficiales en una nanopartícula en función del número total de átomos

17 NANOPARTÍCULAS propiedades Oro (Au) Oro Nano Color Amarillo rojo Conductividad eléctrica Conductor Pierde la conductividad a 1 3 nm Magnetismo No magnético Se hace magnético a3 nm Reactividad química Químicamente inerte Explosivo; actúa como catalizador (a) (b) (c) Nanotecnología romana de hace 1600 años: La copa de Licurgo. Los efectos de color están hechos con nanopartículas de oro y plata: (a) luz reflejada. (b) luz transmitida. (c) Una disolución de nanopartículas de oro en agua.

18 NANOPARTÍCULAS propiedades, 1 1

19 NANOPARTÍCULAS funcionalización 1-Mercapto-(triethylene glycol) methyl ether functionalized 5 nm gold nanoparticles: Soluble in a variety of solvents including toluene, chloroform, ethyl acetate, acetone, water and alcohols. (1-Mercaptoundec-11-yl) tetraethyleneglycol functionalized 5 nm gold nanoparticles: Soluble in alcohol and water Dodecanethiol functionalized 5 nm gold nanoparticles: Use in organic solvents such as toluene.

20 nano HILOS PELÍCULAS AUTOENSAMBLADAS SAM Self Assembled Monolayers

21 MATERIALES POROSOS MATERIALES POLICRISTALINOS Zeolitas

22 ESTRUCTURAS CUÁNTICAS: POZOS, HILOS Y PUNTOS CUÁNTICOS

23 FULLERENOS Y NANOTUBOS Premio Nobel de Química 1996 H. Kroto, R. Curl, R. Smalley Nanopartículas de carbono: fullereno C 60 Premio Nobel de Química 1991 Sumio Iijima Estructura de los nanotubos de carbono

24 NANOTUBOS Pared simple (Single Wall nanotube SWNT) Pared múltiple (Multiwall nanotube MWNT)

25 NANOTUBOS ESTRUCTURA (, 0) (, )

26 NANOTUBOS PROPIEDADES Y APLICACIONES Mechanical performances of CNT compared to carbon fibers, Kevlar and stainless steel Transistor FET con puerta de nanotubos

27 NANOTUBOS FABRICACIÓN Fig An ordered array of MWCNTs grown using an alumina template (From J. Li et al., Appl. Phys. Lett. 75, 367 (1999) Fig Vertically alligned CNTs from a DC plasma enhanced process Handbook of nanoscience, 2007 Nanotube arrays grown on Ni dots: (b) Single nanotubes on Ni dot of 100 nm, as only a single nanoparticle is formed from such a dot. (c) Demonstration of high yield, uniform, and selective growth of nanotubes at different densities. Copyright 2001 American Institute of Physics. (Functionalization of vertically aligned carbon Nanotubes, E. Van Hooijdonk et al., Beilstein J. Nanotechnol. 2013, 4, )

28 GRAFENO

29 GRAFENO

30 MOLÉCULAS ORGÁNICAS K. Stokbro et al., Theoretical study of the nonlinear conductance of Di thiol benzene coupled to Au(1 1 1) surfaces via thiol and thiolate bonds, Computational materials Science 27, 151 (2003)

31 MOLÉCULAS ORGÁNICAS S. Lenfant et al., Electron Transport through Rectifying Self Assembled Monolayer Diodes on Silicon: Fermi Level Pinning at the Molecule Metal Interface, J. Phys. Chem. B, Vol. 110, No. 28, 2006

32 MOLÉCULAS ORGÁNICAS H. He, Nanotechnology 19, (2008) Electronic conduction in a novel three-terminal molecular transistor

33 MOLÉCULAS ORGÁNICAS Nano. The essentials (2007)

34 MOLÉCULAS ORGÁNICAS