"Nanomateriales de hoy y del mañana", por Roberto Guzman de Villoria

Cuando Roberto me dijo que construía nanomateriales le pedí que me llevara a su laboratorio Aero&Astro del MIT. “No verás nada, es muy aburrido”, me contestó este físico e ingeniero de materiales salmantino, que hizo su doctorado sobre nanocomposites en Zaragoza y ahora investiga en el MIT. “No me importa. Quiero entender el día a día de alguien que trabaja en nanotecnología, las técnicas que utiliza, proyectos de futuro realistas, roles dentro del laboratorio…”. Mientras me mostraba cómo sintetizaban nanotubos de carbono aparecieron las palabras “etileno, enlaces covalentes, resinas epoxi, matrices …”; “Esto es química, no?”, pregunté. “Bueno… nosotros le llamamos física de materiales”. Me quedé dudando hasta que explicándome la fase de caracterización me habló de rigidez, fuerza, resistencia, constante de Hook… esto ya me sonaba a física (y un poco a chino también). La verdad es que Roberto Guzmán de Villoria tenía razón, pero sólo en parte. El día a día del científico no es de una exaltación constante. La investigación es un trabajo a veces tedioso, y los laboratorios no suelen ser la alegría de la huerta. Pero en ocasiones incluso ellos pierden la perspectiva de lo asombroso que puede ser su trabajo visto desde fuera. Detalles insignificantes para ellos a nosotros nos dejan boquiabiertos. Sólo hace falta que se alejen mentalmente del hoy y el aquí, que observen su disciplina desde lejos, y nos cuenten de donde vienen, a donde van, y qué están aprehendiendo por el camino. Observar el proceso científico en cámara rápida es fascinante. Un tal Iijinca descubrió por accidente los nanotubos en 1991, en Berkeley construyen nanoradios , y Roberto nos cuenta que podrían utilizarse para construir un ascensor espacial. No dejéis de abrumarle a preguntas sobre nanociencia; el tipo es un crack. Nanotubos y nanocomposites , por Roberto Guzmán de Villoria Dentro de la ciencia uno de los términos de moda en los últimos años es el de “nanotecnología”. Parece que todo ha empezado a menguar y si antes teníamos “ microelectrónica”, “microfibras” o “microestructuras”, etc… ahora empezamos a hablar de “nanoelectrónica”, “nanofibras” o “nanoestructuras”, e incluso el ipod, tiene su hermano pequeño, el “ipod nano”. Sin embargo, ¿cuándo algo es realmente “nano?”. El prefijo de origen griego “nano”( extremadamente pequeño) indica en el Sistema Internacional de Unidades un factor de 10-9. Por ello, se suele decir que algo es “nanométrico” cuando una de sus dimensiones es del orden de nanómetros, o lo que es lo mismo, mil veces más grande que un micrómetro. Con esta definición, evidentemente, el ipod nano queda realmente lejos de ser realmente “nano” La nanociencia se define como aquella disciplina que se encarga de controlar y manipular estas nanoestruturas, algo evidentemente bastante complejo debido al pequeño tamaño con el que se trabaja. Por eso todavía se está un poco lejos de poder fabricar nanorobots que puedan circular por la sangre y manipular células como en algunas novelas de ciencia ficción. Uno de los mayores problemas para poder hacer robots de este tipo es el cómo fabricar las distintas piezas que lo componen. Lo ideal sería poder mecanizar alambres de diámetro minúsculo, pero las técnicas del mundo macroscópico en el que nos movemos no funcionan muy bien en el “nanomundo”. Nanotubos de carbono, y el ascensor espacial Afortunadamente, hace unos años se descubrió un material de propiedades muy interesantes para poder comenzar a trabajar: los nanotubos de carbono. Hablar de nanotubos de carbono podría llevarnos mucho tiempo, pero en una rápida descripción son semejantes a una fibra de carbono (ambos son 100% carbono) pero de un diámetro del orden de nanómetros y longitudes que pueden alcanzar varios milímetros. Realmente son huecos, en forma de tubo, y pueden estar formados por uno o varios cilindros concéntricos como los que se representa en la siguiente imagen. Pero ¿Qué les hace tan interesantes desde el punto de vista estructural? Aparte de sus asombrosas propiedades eléctricas (dependiendo del tipo pueden ser materiales semiconductores o conductores) y térmicas (estables hasta altas temperaturas en vacío), los nanotubos de carbono poseen unas elevadísimas propiedades mecánicas. Su rigidez y resistencia veces superiores al acero, unido a su baja densidad, los convierten en un refuerzo ideal a pequeña escala. Con un material así ya parece más viable poder hacer robots que viajen y suministren medicamentos a las células enfermas, aunque de momento hay que ser un poco menos ambicioso en el diseño y simplificar un poco. En esta idealización de la izquierda, el posible robot está compuesto por un solo nanotubo al que se le han unido unas cadenas de péptidos para poder orientarse. Está impulsado por un motor fabricado con biomoléculas. Los científicos de la Universidad de Rutgers estiman que para el 2020 esté funcionando. El interés de los nanotubos de carbono no se quedan sólo en dispositivos miniatura. Sería una pena no aprovechar sus propiedades a escala macroscópica, e incluso ir más allá y hacer construcciones realmente grandes que sin un material tan resistente no fueran posibles. Y eso mismo debió pensar Bradley Edwards cuando comenzó a estudiar la viabilidad de un ascensor espacial . Lo que comenzó siendo un proyecto para la el Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA (NIAC), se ha convertido en una de los mayores retos de la ingeniería de los últimos años. Aunque en un principio parece de ciencia ficción, Arthur C.Clarke ya hablaba de ello en su novela “Fuentes del Paraíso”, no es tan aventurado como en un principio pueda parecer. La primera ventaja es que sería más rentable que utilizar una lanzadera. Ahora mismo cada kilo que se manda al espacio sale a unos 34000 € frente a los 340 € que costaría con el ascensor espacial. Los astronautas se evitarían todos los problemas que sufren al acelerar y sobre todo al reducir la velocidad para entrar en la atmósfera, y evidentemente, al ser mucho más barato y seguro, ir al espacio sería casi tan sencillo como pulsar el botón del ascensor. Aunque realmente, todavía queda mucho por andar. El mayor reto está en cómo hacer un cable lo suficientemente resistente para que se pueda extender una longitud de 10 000 Km sin romperse. Y es ahí donde entran los materiales compuestos de nanotubos de carbono. Debido a sus altísimas propiedades mecánicas, se podría fabricar una fibra compuesta por estos diminutos tubos. Ya se han hecho algunos intentos y en los dos últimos años bastante prometedores, aunque aún lejos de la resistencia y rigidez requerida. La industria aeroespacial está muy interesada en cualquier avance en nanocomposites y por ello han lanzado un concurso, que finaliza en 2010, para animar a los investigadores a desarrollar un cable que cumpla los requerimientos para el ascensor espacial. Aunque no tiene porqué tener nanotubos, recomiendan a los participantes que los utilicen en sus investigaciones. El premio de este año , 600 000 € subvencionados por la NASA, aunque cada año sube la cantidad de dinero así como los requisitos a cumplir. Arte nanoscópico Al igual que la industria aeroespacial, las empresas aeronaúticas también están muy interesadas en los nanotubos de carbono. En el departamento de Aero&Astro utilizamos este refuerzo para añadírselo a materiales utilizados en aviación, como son resinas de muy baja viscosidad y fibra de carbono de altas prestaciones. Tengo la suerte de poder trabajar y fabricar estructuras tan bonitas como estas (http://www.nanobliss.com/). Cada cubito de la siguiente figura, está compuesto por millones de nanotubos de carbono, que son esa especie franjas que se ven en la segunda imagen. Uno de los principales inconvenientes de los nanotubos de carbono en la actualidad es su elevado coste. Afortunadamente los precios se están abaratando ya que los componentes necesarios para la fabricación de los nanotubos no son nada caros (básicamente no son más que un poco de catalizador metálico e hidrocarburos). Para concluir, hay que destacar que en este caso España no tiene nada que envidiar a otros países y ya hay empresas que están empezando a apostar por la nanotecnología y los materiales nanocompuestos.

Comments

[Publicado por: diet pills]

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[Publicado por: Ulises]

Primero de todo felicitarte por el artículo, ahora bien he visto un pequeño error que seria conveniente corregir para evitar malentendidos, es éste: ''¿cuándo algo es realmente “nano?”. El prefijo de origen griego “nano”( extremadamente pequeño) indica en el Sistema Internacional de Unidades un factor de 10-9. Por ello, se suele decir que algo es “nanométrico” cuando una de sus dimensiones es del orden de nanómetros, o lo que es lo mismo, mil veces más grande que un micrómetro.'' Cuando dices: ''lo que es lo mismo, mil veces más grande que un micrómetro.'', es incorrecto, querrás decir mil veces más pequeño que un micrómetro. Ya que un nanómetro es del órden de 10^{-9} m y un micrómetro del orden de 10^{-6} m. saludos pd: he visto que alguien comentaba la aparición de una tecnología del orden de picométros y femtómetros, hace falta remarcar que los átomos son del órden de un angström ( 10^{-10} m ), en cambio cuando entramos en la escala de un picómetro ( 10^{-12} m ) ya estamos en el interior de un átomo y una tecnología de materiales basada en ése tamaño no lo veo plausible, recalco: de materiales, porque técnicamente la electrónica tiene como base los electrones que son cargas de un tamaño mucho menor que el de un nanómetro.

[Publicado por: Diego Cardalliaguet]

Hola Roberto... estoy encantado de leerte. Y sabiendo que eres tú leeré con mucha más atención :-) Envía un abrazo a Juan de mi parte. Diego

[Publicado por: recomendaria]

Solución para Hacer Nanos Kilométricos: Pienso que sería combinar los átomos de Carbono con los de Hidrógeno en estructuras hexagonales o mejor pentagonales. La Nano es el futuro saludos a todos

[Publicado por: ELECTROFEEL]

ESTA MUY INTERASANTE , AUNQUE PRACTICAMENTE SOY PRIMIPARO ( SOY ESTUDIANTE DE ELECTRONICA EN EL SENA ) PERO YA TENGO MIS AVANCES , CUALQUIER DOCUMENTO DE PROGRACION DE ANALISIS DE NANO ELCTRONICA SERIA MUY BUENO DE LA PARTE DE ALGUNO DE USTED QUE ME LA ENVIARAN AL CORREO O POR AQUI MISMO ESTOY MUY APASIONADO AMI CARRERA Y NO HAYO LA AHORA DE APRENDER COSAS NUEVAS Y CONSTRUCTIVAS PARAA MI FUTUTRO GRACIAS MI CORREO ES [email protected]

[Publicado por: Jcs]

Ese Nano, oé!

[Publicado por: alfonso jativa gomez]

TODO TIENE SU HORA SU SITIO …, su razon de ser…, y lo demás, o lo otro es estupidez, capricho o prejuicio!. … No existen parásitos en el Cosmos o todos lo somos o lo fuimos, ya que a cada uno le toca pagar, sudar, trabajar o sufrir , lo que consume, cobra y gasta. … Solo que por ello, cada quien lo cancela a su manera: unos penando…, y otros haciéndole “la vida de cuadritos” a los primeros. … Pues hasta el látigo y el gatillo poseen su oficio y su razon de ser, ya que no es crueldad la negación del “si”, cuando este cae en la disipación y el ridículo …, o impide que algo se pudra antes de tiempo en su sitio, por una vida facil y sin adversidades, dificultades o merito …, que no amar la vida, es producto de errores que se quedaron por el camino …, o al menos así nos dicen esos jueces, sumergidos en el negocio sucio …, que para ello les pagan y obligan Alfonso Játiva Gómez

[Publicado por: Roberto G.]

Hola Luis, Gracias por tu interés, me alegro que te haya gustado. Sobre el “recubridor molecular de metales”, con la información que me das poco te puedo decir. No sé si te servirá para tu aplicación pero existen técnicas de microfabricación para recubrir superficies con precisión nanométrica como la litografía por ebeam ( http://en.wikipedia.org/wiki/Electron_beam_lithography). Si tu capa es muy delgada, tendrás una película transparente, pero en este caso tendrás que pensar sobre todo qué piezas estas tratando (morfología, tamaño..), cuánta precisión necesitas y a partir de ahí comenzar a buscar la vía mas adecuada para tu aplicación. Los laboratorios de microfabricación no son precisamente baratos ni accesibles. Espero haberte ayudado un poco, si necesitas cualquier cosa, no dudes en preguntar, Un saludo, Roberto

[Publicado por: Luis]

Este artículo es sumamente didáctico y nos introduce al mundo de la nanotecnología. Por otro lado, espero que me puedan ayudar; estoy buscando información de cómo construir un recubridor molecular de metales, de tal manera que la película transparente superficial creada, protega el metal base. Agradezco de antemano por su ayuda. Saludos

[Publicado por: Anónimo]

E.J. Garcia????

[Publicado por: Roberto G.]

Hola Ruben Avila, Gracias, una buena noticia que te haya gustado el post. Sobre lo que comentas de la nanotecnología, ahora mismo el problema es que existen muchas listas de correo o “enews” con información repetida, y un tanto especializada, pero supongo que es algo común en internet. Te mando alguna, las puedes mirar periódicamente, Esta página no está mal, en ingles, pero no es demasiado técnica, http://www.azonano.com/nanotechnology%20news.asp Y por supuesto, la sección de nanotechnology de Nature (en esta hay que pagar para leer los artículos enteros) y de Technology review, esta ultima un poco mas divulgativa. Por supuesto en inglés, http://www.nature.com/nnano/index.html http://www.technologyreview.com/Nanotech/ Espero que te sirvan, un saludo,

[Publicado por: Roberto G.]

Hola Jesús, Acabo de ver el terminal de Nokia “Morph” y realmente me he quedado asombrado. Si ya lo fabricaran a escala industrial a un precio razonable, podría ser un buen momento para pedirles trabajo. La tecnología que anuncia existe a escala de laboratorio pero no industrial. Según parece esperan tener componentes del “Morph” para dentro siete años, (http://www.nokia.com/A4136001?newsid=1194251)así que me temo que todavía les queda mucho para venderlo. Desde luego, una buena manera de utilizar el término Nanotecnología y su colaboración con la Universidad de Cambridge para hacer publicidad. De todas formas, si te interesan las futuras aplicaciones “nano”, hace poco publicaron un artículo en una revista científica sobre la posible utilización de la nanotecnología para hacer el traje de Spiderman. Lo mismo lo lanzan antes que el móvil de Nokia http://blog.wired.com/wiredscience/2007/08/nanotech-discov.html

[Publicado por: Ruben Avila]

Que tal La informacion que tiene el articulo esta exelente, cuando busco informacion sobre nanotecnologia es compleja y aqui viene de una manera simple y exelente. Ojala alguien pueda proporcionar paginas de internet para buscar noticias sbre nano y los avances que se estan adndo.

[Publicado por: Jesús]

He visto que Nokia a anunciado un nuevo terminal llamado Morph, el cual utilizará nanotecnología. Aquí hay un video http://www.youtube.com/watch?v=ukRb34HMFKM. y esta es su página http://www.nokia.com/A4852062. Ellos afirman que sobre el 2015 sería posible fabricarlo. ¿Es un farol o realemnte es factible?

[Publicado por: Roberto G.]

Hola a todos, Juan jose, lo de unirnos a otros planetas mediante autopistas , bueno, supongo que queda un poco lejano, me imagino que la nanotecnología ayudara, aunque solo en una pequeña parte. Todavía quedan bastantes avances científicos y tecnológicos para que esto ocurra. JGL, Bueno, la nanotecnología se está aplicando a bastantes campos, alguno con más éxito que otros, y parece que en imagen medica se están obteniendo algún resultado. El objetivo es basándose en su pequeño tamaño aumentar la resolución de las técnicas utilizadas en medicina. Por ejemplo, es posible detectar nanovarillas o “nanorods” de oro, previamente introducidas en el flujo sanguíneo, mediante luz en el infrarrojo cercano. En este vinculo encontraras mas información y una foto de cómo funciona la técnica http://www.physorg.com/news7561.html En técnicas como la resonancia magnética, también influyen. Se utilizan nanoparticulas magnéticas como agente de contraste, por ejemplo nanoparticulas de hierro recubiertas con oro, aunque me temo que de momento están en fase de investigación. Gracias por vuestro interés y mensajes en el blog, Un saludo y gracias por los animos, Hasta pronto (o hasta la siguiente pregunta)

[Publicado por: JGL]

A mi también me parece estupendo el post. En mi caso estoy especialmente interesado en las aplicaciones de la nanotecnología en la imagen médica. En este campo los avances han sido espectaculares, de tal forma que el estudio del intestino delgado se ha revolucionado con las cápsulas endoscópicas. Pero ¿es posible crear dispositivos de imagen más pequeños con nanoelementos?. Mi segunda pregunta es confirmar si los nanomateriales no se ven afectados por los campos magnéticos (como por ejemplo, una Resonancia Magnética). Muchas gracias de antemano.

[Publicado por: Matías]

Que buen trabajo y que artículo más interesante!! Muchas gracias, Pere, por informarnos tan detalladamente y enhorabuena Roberto por este trabajo!! Me alegro de que haya un scientifico representando España y la Universidad de Zaragoza de una manera tan fantástica! Mucha suerte con todo y saludos

[Publicado por: Jesús]

Muy buenas, un artículo realmente interesante. La nanotecnología es una de las investigaciones más punteras existentes hoy en día, y ver que tenemos un investigador español trabajando en ellas es una alegría. Mi enhorabuena Roberto!!!

[Publicado por: juan jose]

Podríamos entonces en un futuro lejano, unirnos a otros planetas por verdaderas carreteras espaciales aprovechando el avance futuro de la nano tecnologia.

[Publicado por: Antonio]

Un trabajo fantastico, enhorabuena!

[Publicado por: tenachico]

Fantástica aclaración,gracias Roberto y Pere. Flipo con el blog cada vez me engancha más y eso que soy un analfabeto total de cada tema que se trata. Saludos

[Publicado por: Roberto G.]

Hola a todos, Gracias por los comentarios, me alegro que os haya interesado el tema. Respecto a las preguntas de “Mike san”, intentare responderlas Sobre lo de la paradoja, la verdad es que tienes razón. Lo ideal sería tener nanorobots que se auto replicasen, aunque dicho asi da un poco de miedo. Hay alguna herramienta para manejar nanoestructuras directamente, la más popular es el microscopio de fuerzas atómicas que consiste en una pequeña viga que en su punta tiene una pirámide con el que se empujan las nanoestructuras, pero empiezan a surgir nuevos dispositivos como esta “nano-mano” que puedes ver cómo funciona en este video de música horrible http://www.youtube.com/watch?v=r1ebzezSV6s. En cualquier caso no es necesario manejar las estructuras directamente (lo que denomina “top-down”) sino que se puede aprovechar todo el conocimiento de ensamblar estructuras moleculares, al igual que hace la naturaleza, para construir estructuras “nano” (“down-top”) Sobre nuestros “bosques”, podemos controlarlos, pero relativamente. A veces se pierde la perspectiva por la escala del problema, pero realmente es sencillo. Supongamos que en lugar de movernos a escala nano, nos movemos a escala macroscopica y pretendemos hacer en “macrobosque” que se vea desde una montaña, con la forma que queramos. Pongamos que queremos hacer la silueta de un conejo, por ejemplo. Marcamos la zona donde va a ir la silueta, por ejemplo, con arena de otro color y plantamos las semillas. Al cabo de unos cuantos años, gracias al sol y a la lluvia, tenemos los árboles ya crecidos, y si miramos desde lo alto de la montaña, tendremos nuestra silueta del conejo. Con los nanotubos, tal cual los producimos, se hace más o menos lo mismo, salvando las distancias. Con un proceso similar al empleado en electrónica para hacer circuitos, marcamos la zona donde van a ir nuestras semillas, que en este caso son partículas metálicas. En lugar de sol y agua, nos hace falta temperatura e hidrocarburos. Al cabo de unos segundos/minutos, tenemos los nanotubos crecidos en la zona donde hemos depositado las “semillas”, que no tiene porque ser simétrica, el diseño lo escogemos nosotros. Sin embargo el problema que tenemos es el mismo que en el bosque. Los arboles, aunque desde lejos parecen iguales, al observarlos de cerca son completamente distintos, y además, tampoco han crecido árboles en todas las semillas que hemos plantado. Igual ocurre con los nanotubos, aunque microscópicamente controlamos el diseño, a nivel “nano” no controlamos como es cada nanotubo. Con el tiempo que han crecido, podemos controlar más o menos la altura promedio, pero como puedes ver es un control muy relativo. Bueno, y el resultado lo tendrías en este vinculo http://pergatory.mit.edu/ajhart/nanobliss/departments/impressions/nanoRabbits/nanobliss%20-%20nanoRabbits/index.html Para ver estas estructuras utilizamos microscopios electrónicos. Lamentablemente los nanotubos crecen a temperaturas bastante elevadas así que suele ser bastante complicado ver el proceso de crecimiento. Afortunadamente algunos grupos tienen microscopios que trabajan a altas temperaturas y han filmado el proceso. Te mando el vínculo de la Universidad de Cambridge, bastante espectacular para los que nos dedicamos a esto. http://www.youtube.com/watch?v=-1fJ1GoGbB4 Por último, sobre si es posible trabajar con estructuras mas pequeñas y que problemas habría. Bueno, el problema es sencillo, a escalas tan pequeñas nos acercamos al límite cuántico. Para explicar la física de los átomos y estructuras más pequeñas hay que recurrir a la mecánica cuántica en lugar de la teoría clásica de Newton (la que rige nuestro mundo “macro”). En el caso de nanomateriales, ir a escalas de femtometros significaría estar hablando de estructuras más pequeñas que los propios átomos y entraríamos en la física de partículas. El abandonar la física clásica no sería tan dramático si tuviéramos un completo conocimiento de los fenómenos cuánticos en los materiales, pero todavía quedan unos cuantos años de investigación para entender bien que ocurre con los nanomateriales, lo que sin duda nos ayudara alcanzar escalas más pequeñas. Hay algunos estudios teóricos al respecto Espero que más a menos haya aclarado un poquillo tus interesantes preguntas, Un saludo,

[Publicado por: Mike san]

Hola Roberto, aprovecho que Pere te ha abducido en su blog para preguntarte sobre el tema. Siempre he pensado en la supuesta paradoja que para construir estructuras nanoscópicas se necesitarían herramientas nanoscópicas, que a su vez deben ser construidas con...O sea que es un bucle dificil de salirse. Pero sin embargo, lo haceis. ¿Dónde esta el punto de contacto entre los dos mundos? entre esas estructuras nanascópicas y las herramientas macroscópicas (como vuestras manos)? ¿Podéis realmente controlar la forma final de esas estructuras? O muchas de ellas son de forma aleatoria? Veo en vuestras fantásticas fotos que muchas tienen diferentes tipo de simetria. ¿Podeis construir formas asimétricas? Como supongo que el microscopio no llega tan lejos, vuestro "nanoscopio" debe ser el electrónico. ¿Es posible observar el proceso de síntesis a tiempo real? Qué impedimento hay para ir más lejos y hacer "pico- o femto-ciencia"? Gracias y tera-saludos!

[Publicado por: Javier]

El otro día te ví en el laboratorio de Aero-Astro hablando con Todd y me dió la sensación de que tenías acento mediterraneo, pensaba que eres italiano. ¡A ver si te vuelvo a pillar! Yo estoy haciendo un Exchange Program de undergraduate.