Introducción a la nanotecnología: conceptos clave y aplicaciones

TEMA 1: INTRODUCCION A LA NANOTECNOLOGÍA

Introducción: nanociencia y nanotecnologia

Nano-> 10^-9 m Tecnología: uso y conocimiento de herramientas, técnicas, oficios, sistemas o métodos de organización. Ciencia: Estudio sistemático de la estructura y el comportamiento del mundo físico y natural mediante la observación, la experimentación y la contrastación de teorías con la evidencia. Nanotecnología: la manipulación y manufactura de materiales y sistemas a escala de átomos o pequeños grupos de átomos. La nanoescala es medida normalmente en nanómetros o billones de un metro y los materiales construidos a esta escala exhiben propiedades físicas y químicas distintivas gracias a los efectos mecánicos cuánticos. Tecnología de los materiales y de las estructuras en la que el orden de magnitud se mide en nanómetros con aplicación a la física, la química y la biología. Ciencia de la ingeniería que se ocupa de la manipulación de partículas si estas tienen un tamaño inferior a 100 nanómetros. diameter between 1-100 nanometers 1 mm 100.000 nanoparticles !! 10 nm

¿Cuándo comenzó la nanotecnología ?

Textile "THERE'S PLENTY OF ROOM AT THE BOTTOM" 1959 Annual Meeting of the American Physical Society, CALTECH California Chemical industry Defense Richard P. Feynman "What I want to talk about is the problem of manipulating and controlling things on a small scale. .... " Nanotechnology Biomedical engineering Electronics Food industry Energy Norio Taniguchi "Nano-technology' mainly consists of the processing of separation, consolidation, and deformation of materials by one atom or one molecule" Nanorobótica se refiere a la nanotecnología que consiste en diseñar y construir nanorobots con dispositivos cuyo tamaño oscila entre 0,1 y 10 micrómetros y construidos con componentes a nanoescala o componentes moleculares. Scanning Tunneling Microscope (STM)1981 Gerd Binnig & Heinrich Rohrer (IBM Zurich) STM Nobel Prize in Physics (1986) Harold Kroto (U. Essex) Robert Curl and Richard Smalley (Rice University) Nobel Prize in Chemistry (1996) NANOROBOTS nanorobotics refers to the nanotechnology engineering discipline of designing and building nanorobots with devices ranging in size from 0.1 to 10 micrometres and constructed of nanoscale or molecular components WORLD SMALLEST LOGO-April 1990 35 XENON ATOMS (IBM Research Division) CARBON NANOTUBES (1991) FULLERENES (1985) Sumio lijima NEC Corporation Tokyo University of Science 1974 "I would like to describe a field, in which little has been done, but in which an enormous amount can be done in principle.

¿Para qué sirve la nanotecnología?

• INVESTIGACIÓN BÁSICA: Nuevo fenómenos asociados a la escala nanométrica
• APLICACIONES:

  a- Biomedicina b- Química y medio ambiente verde C- Energía d- Comunicaciones e informática e- Industria pesada f- Bienes de consumo

Aplicaciones de la nanotecnología

BIOMEDICINE TISSUE ENGINEERING CATALYSIS DIAGNOSTICS BIOSENSORS WASTE-WATER TREATMENT CO2 REDUCTION (artificial photosynthesis) H2 PRODUCTION RMN + magnetic nanoparticles DRUG DELIVERY THERAGNOSIS Therapy Diagnosis 0 Theragnostic Nanoparticle nanomedicii EUROPEAN TECHNOLOGY PLAT https://etp-nanomedicine NANOMed PHOTOVOLTAIC (Solar Cells) COMMUNICATIONS AND COMPUTER SCIENCE 1 = Magnetic recording HEAVY INDUSTRY AEROSPACE CONSTRUCTION washer coll U. S. AIR FORCE VEHICLE MANUFACTURE CONSUMER GOODS FOOD, ELCTRONICS, OPTICS, COSMETICS, TEXTILES ....

¿Preocupación por la nanotecnología?

Mayor exposición a los nanomateriales Toxicity Human Health Environment out counter electrode shunt Superconducting qubit ENERGY Imaging agent Therapeutic agent Therapeutic monitoring CHEMISTRY AND GREEN ENVIRONMENT

Alcance de las nanotecnologías

Normalización en el ámbito de las NANOTECNOLOGÍAS que incluya uno o ambos de los siguientes elementos

1. Comprensión y control de la materia y los procesos en la nanoescala, típicamente, pero no exclusivamente, por debajo de 100 nanómetros en una o más dimensiones, donde la aparición de fenómenos dependientes del tamaño suele permitir aplicaciones novedosas.
2. Utilizar las propiedades de los materiales a nanoescala que difieren de las propiedades de los átomos individuales, moléculas y materia en masa, para crear materiales, dispositivos y sistemas mejorados que exploten estas nuevas propiedades.

Ingeniería biomédica (BME ) o ingeniería médica es la aplicación de principios de ingeniería y conceptos de diseño a la medicina y la biología con fines sanitarios (p. ej., diagnóstico o tratamiento).

Clasificación de nanomateriales

Basado en el número de dimensiones, que no se limitan al rango de la nanoescala (<100 nm).

• Cero dimensional (0D)
• Uno dimensional (1D)
• Dos dimensional (2D)
• Tres dimensional (3D)

Bulk crystal Quantum wire (nanowires, nanorods) Quantum dot (nanocrystals) Quantum well "0 d" 3d 2d 1d States Density of states Energy Prepare Wafer Coat with Photoresist Prebake Align and Expose Develop Etch, Implant Strip Resist Agglomerates, crystals μη Germs nanoparticles nm Atoms, molecules Å

Nuevas propiedades de los nanomateriales

Nanotecnología se encuentra en la zona intermedia entre los átomos o moléculas individuales y conjuntos más grandes de átomos y moléculas. > Aparecen nuevos fenómenos que no pueden detectarse en objetos macroscópicos. > Específicas propiedades que dependen del tamaño Quantum mechanics Surface and interface effects Limited number of constituents Classical physical laws Quantum confinement Averaged statistical behavior

¿Cómo hacer nanomateriales ?

• Top-down (Método Físico): descomposición de grandes trozos de material para generar las nanoestructuras necesarias.
• Bottom-up (Método químico): ensamblar átomos y moléculas individuales en grandes nanoestructuras.

Nuevas propiedades asociadas con la escala nanometrica

Efectos de superficie e interfaz

Propiedades mecánicas de nanomateriales

¿Tienen los nanomateriales mejores propiedades mecánicas que sus materiales a granel correspondientes? GRAIN BOUNDARY STRENGTHENING Hall-Petch strengthening k 0= 00+ 0000 000000 0-0-0-0-0-0 0-0-0-0-0-0 ... 0 Materiales cerámicos: Materiales inorgánicos constituidos por la combinación de compuestos metálicos y compuestos no metálicos. BIOCERÁMICA ( biocompatibles) :marcapasos, diálisis renal, máquinas, respiradores implantes Calcium phosphates Calcium carbonate Hydroxyapatite Titania-based Ceramics Ceramic Nanoparticles Alumina Ceramics Bioactive Glass Ceramics Substituted Hydroxyapatite Zirconia Ceramics La dureza y resistencia de un material consolidando materiales cerámicos de partículas a nanoescala

Materiales basados en carbono

2s22p2 Diamond (a) >\Hardness (covalent bond) 3-D (c) Londsleite (hexagonal diamond) Graphite (b) C 0-D (d-f) Fullerenes (CBD, CTO, Com) Amorphous carbon (g) e 1-D (h) Carbon nanotubes - Extremely hard - Low electrical conductivity - High thermal conductivity =0.357 mm Diamond SSAIS Veload PLASTIC DEFORMATION Dislocation: crystallographic defect Reapply Icad. Streim Elastic strain recovery b h Grafito: Estructura en capas fuerte enlace dentro de las capas planas y débil, enlace de van der Waals entre las capas; Buen conductor eléctrico; Químicamente estable incluso a altas temperaturas; Excelente resistencia al choque térmico

Grafeno y nanotubos de carbono

2-D ??? Graphene Grafeno: El grafeno es el elemento estructural básico de algunos alótropos del carbono como el grafito, los nanotubos de carbono y los fullerenes. Young's Modulus (in GPa) of Selected Materials Diamond 1050 Pyrite 380 Steel 200 Silk 50 Wood 10 Keratin 5 DNA 0.3 0.1 1 10 100 1000 2-D Carbon-based Bulk graphite (in plane) 1.02 ± 0.03 TPa En 0.7 0.9 12 13 14 15 10 Counts 1 235 268 302 335 369 402 436 469 00 E (Nim) C. Lee et al., Measurement of the and Intrinsic Strength of Monolayer Science 321 (2008) 18. 1-D Carbon-based Single-walled carbon nanotubes and multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) (0.27 TPa to 1.47 TPa)

Biomateriales de carbono

Biomateriales: (citotoxicidad mínima para las células de osteoblastos) El tamaño, la forma, la concentración, la funcionalización de la superficie y la tasa de agregación de los nanomateriales de carbono influyen sustancialmente en la materiales de carbono. Los CNT y el grafeno pueden penetrar membranas celulares, causando las membranas celulares, induciendo inflamación e incluso genotoxicidad. En compuestos (movimiento libre restringido), recubrimiento superficial o funcionalización, los efectos citotóxicos son mínimos o incluso nulos. Carbon-based Scaffolds: State-of-the-art Graphene Carbon CNT Diamond C Allotropes Fullerene Glassy carbon Cells (stem cells, osteochondral cels, etc.] Growth factors, cytokines and drugs (BMP:2, TGF-81, bFGF, VEGF etc.) Carbon dots Tissue Engineering Carbon Living Material Current Challenges Arthritic joints To the future Long-term in vivo performance Microvascular complexity Fatigue and material scavenging Gender differences From lab.to practise transition Safety and regulation

Estructuras 2D

2D STRUCTURES: Películas bidimensionales de una sola capa atómica

• Nitruro de boro hexagonal (h BN): grafito blanco sp^2 conjugado con boro y nitrógeno: Baja densidad; Estabilidad a altas temperaturas; Inercia química; Alta conductividad térmica. ACM Lubricant
• Disulfuro de molibdeno (MoS2): dicalcogenuro de metales de transición estratificado 3D printing Electropsun fibers DLC coating Template-synthesis Composite . ..... 3-D Carbon-based Effective Young's Modulus (TPa) 10

Propiedades termodinámicas

SUPERFICIE RELACIÓN SUPERFICIE/VOLUMEN SA:V SA = 4Tr2 V=4Tr3 3 SA: V = 4 3 -= 3r-1 TTT 3 400 A 350 300 280 250 200 150 100 70 50 (a) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 V Gráficos del área superficial, A, frente al volumen, V, de los sólidos platónicos y de una esfera, que muestran que el área superficial disminuye para las formas más redondeadas, y que la relación área superficial/volumen disminuye al aumentar el volumen Sus intercepciones con las líneas discontinuas muestran que cuando el volumen aumenta 8 2 3) veces, el área superficial aumenta 4 22) veces Química física (Catalisis): Los materiales con una elevada relación superficie/volumen (por ejemplo, de diámetro muy pequeño, muy porosos o no compactos) reaccionan a un ritmo mucho más rápido que los materiales monolíticos, ya que disponen de más superficie para reaccionar. Depresión del punto de fusión: Reducción del punto de fusión de un material con reducción de su tamaño. 12. (b) 1 08 Gold nanoparticles 02 Diameter 'nerà

Propiedades ópticas y plasmones

Plasmones: Oscilaciones colectivas de la densidad del «gas de electrones libres», a menudo a frecuencias ópticas (Metales). Medium 1 Medium 2 Vacuum Conductor Incident em wave No transmitted wave electrons in the material screen the electric field ne2 Wp = mão n: conduction electron density, e: elementary charge, m: electron mass, 80 : permittivity of free space Medium 1 Medium 2 Metal sphere ++ Vacuum Conductor Discrete positive nuclei Approximated by continuous, immobile positive charge distribution Transmitted wave Reflected wave electrons in the material cannot respond fast enough to screen the electric field - surface fraction 1.4 20 8 90 00 70 69 90 100 Reflected wave PLASMON RESONANCE Plasmons: - collective oscillations of the "free electron gas" density, often at optical frequencies (Metals). Plasmons Incident em wave Free Electron cloud Displacement -+ Coulomb Restoring Force Plasmon Oscillation! Collective_ coherent oscillation of charge 15 4Tr2