Semana 3 Nano

NANOTECNOLOGIA Y APLICACIONES

Programa de Formación SENA

ACTIVIDAD DE APRENDIZAJE 3 Fabricación, caracterización y aplicación de materia a nanoescala


SERVICIO NACIONAL DE APRENDIZAJE 2013

TABLA DE CONTENIDO Presentación Herramientas elementales de fabricación y caracterización de materiales a nanoescala Aplicaciones en los materiales compuestos y estructurados a nanoescala Consideraciones finales Referencias Créditos

3

Resultado de Aprendizaje: Identificar las diversas aplicaciones en sectores transversales que usan propiedades especiales derivadas de nanomateriales y nanocompuestos.

4

Conocimientos de Concepto: Herramientas elementales de fabricación y caracterización de materiales a nanoescala. Aplicaciones en los materiales compuestos y estructurados a nanoescala.

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Conocimiento de Proceso: Realizar comparativos métricos en procesos de caracterización e identificación de propiedades fisicoquímicas a nanoescala. Criterios de Evaluación: Selecciona las diferentes aplicaciones de la nanotecnología y las clasifica según el área transversal que impacta.

ACTIVIDAD DE APRENDIZAJE 3 SERVICIO NACIONAL DE APRENDIZAJE 2013

Fabricación, caracterización y aplicación de materia a nanoescala

PRESENTACIÓN ¡Bienvenido a la tercera Actividad de Aprendizaje del curso “Nanotecnología y Aplicaciones”! Ya ha visto algunos conceptos básicos como nanociencia, nanoescala, nanotecnología; ha podido conocer algunos nanomateriales y nanocompuestos usados en la nanotecnología. Ahora, seguramente se estará preguntando, ¿cómo observar y caracterizar los objetos a nanoescala? ¿Cómo construir materiales a nanoescala? Esperamos que los contenidos de esta semana le ayuden a resolver sus inquietudes, así mismo, es impor tante participar en todas las actividades planteadas. Recuerde leer los resultados de aprendizaje, los conocimientos de concepto, de proceso y los criterios de evaluación correspondientes a esta Actividad.



Herramientas Elementales de Fabricación y Caracterización de Materiales a Nanoescala Los recientes avances en fabricación posibilitan la creación de estructuras cada vez más pequeñas. Existen dos principales enfoques el ascendente y el descendente; el primero se basa en los átomos y moléculas para la construcción de estructuras a macroescala, dentro de este grupo se encuentran tres principales tecnologías: química molecular y supramolecular, scanning probes y biología. Mientras en el enfoque descendente se moldean o transforman materiales en bruto en materiales más pequeños, con tecnologías como: fotolitografía (Photolithography), litografía por haz de electrones (Electron beam lithography), litografía por haz de iones (Focused ion beam lithography), litografía de nanoimpresión (Nanoimprint lithography).


Técnicas de fabricación en nanotecnología




Técnicas de fabricación a nanoescala.

Bottom up

Top down

Síntesis de materiales nanoescalares, dispositivos o macroestructuras moleculares a partir del autoensamblaje de moléculas de forma espontánea o inducida.

Micro y nanotécnicas de fabricación que reducen la mayor área de los materiales en componentes funcionales diminutos de características y propiedades nanométricas.



En qué consisten las tecnologías usadas en la fabricación a nanoescala.

Enfoque Descendente o Top Down

Técnica

Fotolitografía

Usos

Empleada para hacer Para micromaquinado, Fabricación de microchips para computadores MEMS Y NEMS. electrónicos. y estructuras de tamaño inferior a 100nm.

Descripción

Durante el proceso se emplea un sustrato rígido usualmente una oblea de silicio, la cual es recubierta por un material fotosensible, luego es expuesta a luz ultravioleta, rompiendo las cadenas poliméricas, posterior a esto se sumerge en una solución reveladora dejando expuesto el patrón en la superficie de la oblea.

Desventajas /Ventajas

• Se diculta la producción de • Es una técnica costosa y • Los lentes convencionales no son • Son varias las ventajas de esta

Litografía de haz de Litografía de rayos X electrones

• Se necesita una perfecta

alineación del patrón en la oblea. • Es necesario controlar los

defectoscuidadosamente. • Las herramientas empleadas

son muy costosas.

dispositivos Fabricación de microestructuras con aplicaciones biológicas.

Durante el proceso se Los efectos de la difracción son utiliza una película minimizados debido a la polimérica y el patrón es longitud de onda de los rayos x. trazado usando un haz de electrones, mejorando la resolución.

nano estructuras inferiores a demorada. 100nm debido a efectos de difracción.

Litografía suave

capaces de enfocar los rayos x.

Los procesos para estampado, impresión y moldeado, usan procesos mecánicos en vez de electrones o fotones. El proceso empieza con la construcción de un molde usando fotolitografía o litografía por haz de electrones. Se usan polímeros y el ataque químico se hace con PMDS, lo que da como resultado un estampado que corresponde con el patrón del molde.

técnica, como su bajo costo. No se

• Con frecuencia la radiación daña requieren equipos especializados, se

los materiales usados para las producen variedad máscaras y los lentes. geométricas.

de

formas

• Como desventaja, debido al uso de

polímeros, con frecuencia se presentan manchas que no son útiles en algunos campos, como la nanoelectrónica.



Enfoque Ascendente o Bottom up

Técnica

Química molecular y supramolecular

Sondas de exploración (Scanning probes)

Usos

Nanotubos de carbono y puntos quánticos.

Análisis de arreglos de átomos en Construcción de secuencias de ADN y una superficie; también pueden ser ensamblaje artificial de virus; biomotores, usados para mover átomos. biosensores, cajas de ADN, computación.

Descripción

Esta técnica está basada en el concepto de autoensamblaje, el cual se basa en el diseño de moléculas que se agregan en estructuras deseadas.

Esta técnica usa puntas para escanear En esta área se usan diferentes técnicas para superficies de materiales. la manipulación del ADN, como el método de origami de ADN, el cual busca construir estructuras de diferente forma que sirvan como plataforma para el ordenamiento de nanomateriales con alta especificidad y precisión.

Desventajas /Ventajas

• Puede ligar estructuras biológicas con

• La precisión del autoensamblaje disminuye

estructuras inorgánicas que actúan como componentes de un sistema.

la probabilidad defectuosas.

•

Produce

estructuras

que

relativamente libres de defectos.

son

Biotecnología

de

crear

estructuras



Caracterización de nanomateriales El objetivo de la caracterización de nanomateriales es establecer la correlación entre composición química, forma y estructura de los materiales obtenidos en el proceso. Dentro de este proceso se pueden encontrar dos categorías básicas: Microscopia (imágenes) y Espectroscopia (técnicas analíticas).



Microscopia (Imágenes)

Un microscopio óptico usa luz visible (radiación electromagnética) y un sistema de lentes para aumentar el tamaño de las imágenes de muestras pequeñas, por esta razón también se conocen como microscopios de luz. Esta categoría puede involucrar electrones, iones, luz o sondas de exploración. MICROSCOPIO ÓPTICO DE BARRIDO DE CAMPO CERCANO (NSOM). USOS: Solo muestras sólidas y secas que sean heterogéneas desde el punto de vista óptico. Se obtienen imágenes con resolución de 50nm, punto a punto de la superficie y topografía. Se obtiene información sobre propiedades ópticas como cambios en el índice de refracción, reflectividad y/o transparencia. MICROSCOPIA DE BARRIDO CONFOCAL. USOS: Es una de las técnicas más llamativas para obtener información 3D de los material es, la resolución lateral es de 100-200nm y la vertical de 400-500nm, permite observar forma, tamaño, topografía y reconstrucción de imágenes 3D. MICROSCOPIA DE FUERZA ATÓMICA. USOS: Todo tipo de muestras, sólidas, secas, puede ser usado para materiales no conductivos, permite observar el perfil superficial o topografía, mapeo superficial y propiedades mecánicas. MICROSCOPIA ELECTRÓNICA. Es una de las técnicas más usada para la caracterización de nanomateriales. Dentro de esta se agrupan varias técnicas como: microscopia de escaneo electrónico (SEM), microscopia de transmisión de electrones (TEM) y microscopia de transmisión electrónica de barrido (STEM); pueden aumentar el tamaño de un objeto hasta 2millones de veces, permite observar forma, composición, orientación de partículas y topografía. MICROSCOPIA DE EFECTO TÚNEL. Esta técnica es una de las más empleadas en la industria para obtener imágenes a escala atómica de metales y superficies semiconductoras, su alta resolución permite observar átomos de manera individual sobre una superficie.



Espectroscopia (técnicas analíticas) Técnicas de espectroscopia para la caracterización de materiales a nanoescala.

Rayos x Este método puede ser usado para analizar polvos en estado seco y suspendidos en un medio, también permite medir el tamaño de una nanopartícula.

Espectroscopia de energía dispersa (EDS) Sirve para determinar la composición del material en análisis.

Espectroscopia de pérdida de energía de electrones (EELS) Brinda información sobre composición y enlaces químicos.

Espectroscopia de Ranmann Usada para caracterizar nanotubos, muestra cambios en el tamaño de las nanopartículas; se pueden analizar las muestras en estado gaseoso, líquido o sólido, también se puede analizar la composición química de compuestos orgánico e inorgánico sin destruir la muestra.

Espectroscopia infraroja(IF) Brinda información sobre presencia de grupos funcionales en una estructura química; concentración de un elemento en una mezcla; identificación de materiales en estado gaseoso, líquido o solido; grado de absorción de nanoparticulas; estructura de nanocables, nanotubos de carbono y nanovarillas.



Aplicaciones en los Materiales Compuestos y Estructurados a Nanoescala



Aplicaciones de nanotecnología en medicina. 1. Diagnóstico • Nano dispositivos. • Pueden medir iones, moléculas o proteínas, pequeñas

secuencias de ADN diagnósticas de una condición médica o enfermedad en particular. 2. Imágenes • Agentes de contraste: al mejorar las propiedades físicas

y químicas de los agentes de contraste se pueden concentrar y direccionar en el sitio de interés. 3. Terapia • Terapia especíca: con el n de solo atacar células

malignas. 4. Medicina regenerativa



1. Diagnóstico Algunos ejemplos de dispositivos diagnósticos son: biosensores, biosensores de cantilever, biosensores plasmónicos, biosensor de nariz artificial, microarreglos, nanocódigos de barras, laboratorio en un chip.

2. Imágenes

Algunos ejemplos de dispositivos son: nanopartículas de perfluorocarbono como agentes de contraste en imágenes nucleares, imágenes de resonancia magnética y ultrasonido; nanocápsulas de oro como agentes diagnósticos en cáncer; diagnósticos in situ, en las que se emplean cámaras en capsulas endoscópica para el diagnóstico de problemas digestivos.

3. Terapia

En la terapia se ve en la entrega de fármacos dirigidos, silenciadores RNA, terapia génica, portadores de fármacos, teragnosis, un ejemplo de este son las cápsulas de oro para la toma de imágenes y tratamiento de cáncer al mismo tiempo.

4. Medicina regenerativa

Algunos ejemplos son: Ingeniería de tejidos y biomateriales, nanoingeniería y regeneración de huesos, regeneración neuronal, neuroprótesis, estimulación neuronal, monitoreo y manejo del dolor.



Aplicaciones de nanotecnología en medio ambiente. 1. Mitigación y remediación • Se pueden desarrollar herramientas especícas para ciertos

contaminantes, incrementando su afinidad y selectividad, por ejemplo en el caso de los metales. 2. Prevención de contaminación • Con métodos que incrementen la eciencia de ciertos procesos

industriales, se pueden crear materiales que no contaminen. 3. Monitoreo ambiental • El uso de sensores en la identicación de componentes químicos

tóxicos en bajas concentraciones ya sea en muestras de agua o suelos, el uso de nanomateriales con propiedades biológicas y químicas especiales pueden mejorar la sensibilidad y por ende la precisión del sensor.



1. Mitigación y remediación

2. Prevención de contaminación

3.Monitoreo ambiental

Dentro de los nanomateriales que están siendo inventados para remediación están las nanopartículas de hierro y dendrímeros; nanopartículas de TiO2 y ZnO, son usadas para remediación fotocatalítica; uso de aerogeles y sólidos absorbentes, nanomembranas, nanofiltros y filtros superhidrofílicos.

Plásticos biodegradables; materiales nanocristalinos compuestos que reemplacen los electrodos de grafito y litio en las baterías recargables; vidrios autolimpiables; telas hidrofóbicas; recubrimiento y telas autolimpiables; recubrimientos y textiles antimicrobianos; nanopartículas de plata como antimicrobianos usados en productos como cosméticos, desodorantes, fertilizantes, medias, lavadoras, refrigeradores, tratamientos para maderas, teclados.

Sensores basados en nanocables y nanotubos actúan como sensores biológicos y químicos, pueden detectar diferentes analitos en tiempo real, los cuales podrán servir para desarrollar sensores que detecten agentes biológicos, químicos y patógenos en agua, aire y comida.



Aplicaciones de nanotecnología en el empacado de alimentos y monitoreo. 1. Envasado • La nanotecnología ha revolucionado la industria

alimentaria en el desarrollo de nuevos materiales que permitan detectar contaminantes, controlar trazabilidad y avanzar en el desarrollo molecular y celular. 2. Desarrollo de nuevos productos • Se busca lograr alimentos más seguros, saludables,

nutritivos y de más sabor. 3. Calidad y seguridad alimentaria • En este se encuentran los biosensores que se encargan

de monitorear la calidad de los alimentos.


1. Envasado


2. Desarrollo de nuevos productos

3.Calidad y seguridad alimentaria

• Nanorecubrimientos que mantienen

• Nanoalimentos funcionales, pueden

•

la frescura de los alimentos, alargando su vida útil.

servir para el tratamiento de enfermedades y la prevención de enfermedades.

contaminación microbiana.

• Nanomateriales con propiedades

antimicrobianas.

Sensores

para

detectar


Fabricación, caracterización y aplicación de materia a nanoescala Aplicaciones de nanotecnología en Energía. 1. Energía Solar Dentro del grupo de energías renovables, la energía solar tiene un gran potencial. 2. Energía del hidrógeno El hidrógeno puede ser usado como portador de energía para generar electricidad. 3. Baterías recargables Dispositivos de almacenamiento de energía, usados en computadores y equipos moviles, donde la potencia y la ligereza son importantes. 4. Termoelectricidad • Los materiales termoeléctricos son materiales funcionales que

tienen la capacidad de convertir calor en electricidad y viceversa. • Este tipo de energía puede ser generada apartir de cualquier

material conductivo. 5. Ahorro de energía



1. Energía solar Celdas fotovoltaicas: estos dispositivos convierten la energía solar en energía eléctrica. Son los materiales de los que están hechas y que permiten aumentar la eficiencia de las mimas, es aquí donde la nanotecnología juega un papel importante, brindando la posibilidad de nuevos materiales y nuevas técnicas de fabricación. Nanocristales: usados para aumentar la corriente. Celdas fotoelectroquímicas: usan una sustancia que emula la función de la clorofila en la fotosíntesis. También encontramos celdas solares con: puntos cuánticos, superficies superhidrofóbicas.

2. E nergía del hidrógen o

Extracción fotoquímica de hidrogeno a partir de agua, usando luz solar. También encontramos las celdas de combustible de hidrógeno, celdas de combustible con membranas de intercambio de protones.

3. Baterías recargables

Materiales compuestos nanocristalinos y nanotubos son usados para reemplazar los electrodos de grafito y litio. Baterías de papel: combinan celulosa y nanotubos de carbono.

4. Termoelectricidad

En este campo la nanotecnología está en la búsqueda de materiales que sean buenos conductores eléctricos y con baja conductividad térmica, hasta el momento se sabe de materiales nanoestructurados termoeléctricos como aleaciones de ZrNiSn y Zn4Sb3.

5. Ahorro de energía

Materiales usados en la construcción como materiales que aumenten la luminosidad; materiales más resistentes y más ligeros; recubrimientos fotocromáticos en el uso de material piezoeléctrico para el aprovechamiento de la energía mecánica (sliding motion).



Aplicaciones de nanotecnología en tecnologías de información y comunicación

Circuitos integrados

Almacenamiento de datos

Los microprocesadores para computadores y dispositivos de almacenamiento de memoria han seguido un patrón de miniaturización en los últimos 20 años.

Componente clave de muchos dispositivos usados hoy en día como computadores (disco duro y RAM), tarjetas de memoria, reproductores multimedia.

Pantallas

Fotónica

La fotónica estudia la interacción de la luz con la materia, dentro de esta se encuentran aplicaciones como: tecnología laser, fibra óptica, computación óptica, sensores biológicos y químicos.



1. Circuitos integrados Circuitos integrados de mayor conmutación CMOS; procesadores con materiales high k, con bajo consumo; spintrónica, fotónica, electrónica cuántica, transistores de nanotubos de carbono, electrónica molecular.

2. Almacenamiento de datos

MRAM: donde cada celda de la memoria está conformada por dos finas capas ferromagnéticas, separadas por una capa aislante. FeRAM: una capa ferroeléctrica reemplaza la capa dieléctrica de la MRAM. RRAM: el patrón de conducción es creado a través de un material dieléctrico. PCM: Se usa un material cristalino y amorfo. Nanotubos RAM.

3. Pantallas

OLEDS: se usan moléculas orgánicas impresas sobre un sustrato polimérico que permite multicapas, son usados en pantallas de dispositivos móviles cámaras, bombillos, radios y televisores. QDLEDs: los puntos quánticos son partículas semiconductoras que emiten un color específico, son muy eficientes y pueden ser usados en pantallas y fuentes de luz.

4.Fotónica

Cristales fotónicos. Otras aplicaciones en TIC son los dispositivos de almacenamiento de información como los códigos de barras; los identificadores de radio frecuencia; sensores inalámbricos y de comunicación como los sensores alojados; fuentes de poder integradas; también encontramos los sensores textiles portátiles, biosensores en ropa.

Papel electrónico (ePaper) es una tecnología que permite imita la tinta original en el papel, como por ejemplo, eBooks, etiquetas electrónicas, FED.

Si desea conocer más sobre “Aplicaciones industriales de la nanotecnología” visita el siguiente enlace: http://www.idepa.es/sites/web/EuropaI_D_i/Repositorios/galeria_descargas_EuropaI_D_i/folleto_aplicaciones_industriales_nanotecnologia.pdf



De las dos categorías de fabricación (Bottom up o Top Down) escoja uno de los métodos que estas contemplan. Relacione las palabras de la columna izquierda con las palabras de columna derecha. 1. Mitigación y remediación

2. Prevención de contaminación

1. Es una técnica de fabricación ascendente o bottom up.

a. Fotovoltaicas.

2. Es la técnica de microscopia más usada en la caracterización de materiales.

b. Nanocápsulas de oro.

3. Una de las aplicaciones en el campo de la medicina para la detección de cáncer.

c. Fotónica.

4. Así se conocen a este tipo de celdas empleadas en el aprovechamiento de la energía solar.

d. Autoensamblaje.

5. Es una de las aplicaciones de la nanotecnología en las Tic y estudia la interacción entre la materia y la luz.

e. SEM



CONSIDERACIONES FINALES Estimado aprendiz, durante esta semana, usted ha aprendido sobre técnicas de caracterización y fabricación a nanoescala, así como las aplicaciones de materia a nanoescala.Recuerde revisar el material de apoyo y realizar las evidencias de aprendizaje propuestas para esta semana.



REFERENCIAS • Aplicaciones industriales de la nanotecnología. Recuperado de

http://www.idepa.es/sites/web/EuropaI_D_i/Repositorios/galeria_descargas_EuropaI_D_i/folleto_aplicaciones_industriales_nanotecnologia.pdf • Cuberes Montserrat, M. Nanotecnología: Actualidad y Futuro. Recuperado de

http://haydychuk.files.wordpress.com/2012/10/nanotecnologc3ada-actualidad-y-futuro.pdf • Guerrero, V., Dávila, J., Galeas, S., Pontón, P., Rosas, N., Sotomayor, V. y Valdivieso, C. (2011) Nuevos materiales: Aplicaciones estructurales e

industriales. Ecuador: Imprefepp.Recuperado de http://bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/4532/1/Nuevos%20materiales,%20aplicaciones%20estructurales%20e%20industriales.pdf



CRÉDITOS Líder de Proyecto: Jairo Antonio Castro Casas Expertos temáticos: Andrea Reyes Meneses Asesor Pedagógico: Mónica Patricia Osorio Martínez Guionistas:

Beatriz Helena Duque Ospina Óscar Darío Cardozo Garzón Óscar Iván Pineda Cespedes

Programadores: Diego Rodríguez Ortegón José Felix Arizala Segura Mayra Durango Equipo de Diseño: Gabriel David Suárez Vargas Guillermo Armando Aponte Celis Jhonny Ronald Narváez Olarte Julián Mauricio Millán Bonilla Leonardo Stiglich Campos

Semana 3 Nano

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