Transcript Nuevos materiales inteligentes

Primer Congreso
Línea estratégica de Nanociencia, nanotecnología y nuevos materiales
Tema: Nanociencia y Nantecnología; Nuevos materiales inteligentes
Participantes en la ponencia
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López Rodríguez, Daniel
Sánchez Blanco, Begoña
Franco Guisasola, Álvaro
Hernández López de Castro, Carmen
Kazkaz Panadero, Ismael
García Hernanz, Jaime
Loredo Pérez, Ana
Azzouz Zizaqui, Ikram
Arcega Corral, Sabela
Diferencias entre nanociencia y
nanotecnología.
• Nanociencia: Conjunto de saberes y metodologías dirigidos a
estudiar, fabricar y caracterizar estructuras funcionales que se
encuentren dentro de la escala nanométrica (1-100nm) y sus
propiedades físicas, químicas y electromagnéticas.
• Nanotecnología: Aplicación práctica de la nanociencia en la
construcción de materiales, estructuras y dispositivos.
Historia
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1959 Conferencia de Feynman: “ There is plenty of room at the
botton.”
1974 Norio Taniguchi acuña el termino de “nanotecnología”.
1981 Creación del microscopio de efecto túnel que permite
visualizar átomos individuales.
1986 Eric Drexler publica “Engines of creation”.
1989 Donald M. Eigler escribe las letras de la multinacional IBM
usando átomos de xenón.
1991 Iijima descubre los nanotubos de carbono.
2001 Investigadores de la IBM en Zurich y de la Universidad de
Delft aplican nanotubos en la construcción de un circuito lógico.
2002 Creación de un dispositivo de almacenamiento con
capacidad de un billón de bits por pulgada cuadrada.
Presupuestos en Europa y
Estados Unidos.
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En Europa con el Programa Marco se han destinado 3475
millones de euros entre 2007-2013.
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En Estados Unidos se ha incrementado desde 464 millones de
dólares en 2001 a 1500 millones en 2009 .
División por sectores público y
privado
Evolución del gasto mundial
Centros de investigación en
España
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CSIC
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Institut de biología molecular de Barcelona
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Instituto de sistemas optoelectrónicos y microtecnología (ISOM)
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Instituto universitario de investigación en nanociencia de Aragón (INA)
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Laboratorio de física de sistemas pequeños
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Parque científico de Madrid
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Nanotec electrónica S.L. (Empresa más relevante en esta campo)
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Instituto nacional de tecnología aeroespacial (INTA)
Centros de investigación en
Europa.
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MESA + Instituto de nanotecnología (Universidad de Twente, Países Bajos)
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Grupo de Investigación en Nanobiología (Universidad de Greenwich, Reino
Unido)
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MINATEC (Instituto Nacional Politécnico de Grenobel, Francia)
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Laboratorios de IBM (Zurich, Suiza)
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IMEC (Bélgica)
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Centro de Nano y Microtecnología, Real Instituto de Tecnología. (Suecia)
Aplicaciones.
Nuevos materiales
Nanobiotecnología
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Biología molecular
Nanomedicina
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Cura de enfermedades
Fabricación de medicamentos
Nanoelectrónica
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Nanocomputación
Almacenamiento de datos
Nuevos semiconductores
Medio ambiente
•
•
Formas de energía
Contaminación
Industria
Química
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Catalizadores
Nuevos materiales
Fullereno
Moléculas con átomos de carbono
cerradas sobre si mismas
diferenciándose entre ellas en
el número total de átomos de
carbono. (La más abundante
en la naturaleza es la molécula
de carbono 60)
•
Hace referencia a las cúpulas
de Buckminster Fuller.
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Está formado por 12
pentágono y 20 hexágonos.
Nuevos materiales
Nanotubos
•
Estructuras cilíndricas
compuestas por láminas de
redes hexagonales curvadas.
El material usado por
excelencia es el carbono.
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Publicación del artículo en el
que se hace referencia por
primera vez a un nanotubo
de carbono por Iijima en
1991 en la revista Nature.
Nuevos materiales
Clasificación de los nanotubos
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Atendiendo al número de capas:
Single wall nanotubes (SWNTS)
Multiple wall nanotubes (MWNTS)
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Atendiendo a sus extremos:
Abiertos
Cerrados
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Atendiendo al material de composición
De carbono
Nitruro de boro
Platino
Silicio
Nuevos materiales
Técnicas de fabricación de nanotubos de carbono:
•
Ablación láser: plegamiento de láminas de grafito mediante la irradiación
con un rayo láser, formando el nanotubo.
•
Descarga de arco: aplicación de una chispa a una lámina de grafito,
provocando la formación de nanotubos.
•
CVD (Deposición química por vapor): reacción de una mezcla de gases en
el interior de una cámara de vacío para dar lugar a la formación de un
material en forma de capa delgada.
Nuevos materiales
Propiedades físicas
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Mecánicas:
–
–
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Resistencia mecánica extraodinaria (tensión máxima de 150 GPa)
Elásticas: resistencia a esfuerzos de deformación intensos manteniéndose en la
zona elástica
Eléctricas:
–
–
excelente conductividad (10 9 A/cm 2)
Comportamiento aislante, semiconductor, conductor o superconductor.
•
Térmicas: estables a 2800ºC en vacío y 750ºC en el aire
•
Susceptibilidad de modificar las propiedades mediante dopado con metales
o gases.
Nuevos materiales
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Aplicaciones de nanotubos:
–
Fabricación de componentes de automóviles que permitan un gran amortiguamiento en un
impacto.
–
Fabricación de materiales ligeros usados en la industria aeroespacial.
–
Fabricación de materiales de construcción muy resistentes (adecuado para edificios que sufren
movimientos sísmicos).
–
Tejidos ignífugos, trajes de seguridad y ropa anti-bacterias y anti-manchas.
–
Fabricación de complementos deportivos.
–
Almacenamiento de hidrógeno.
–
Filtración de agua y aire.
–
Implantación en circuitos a pequeña escala y chips.
–
Fabricación de transistores y condensadores de gran capacidad.
–
Fabricación de células fotovoltaicas.
Nuevos materiales
• Nanobiopolímeros:
– Son sustancias que permiten adaptar situaciones in vivo para distintos
entornos gracias a la selectividad de sus propiedades.
– Clasificación:
• Bioinertes
• Biocompatibles
• Bioactivos
– Ejemplo: el ADN, la policaprolactona.
Nanomedicina y nanobiotecnología
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Nanomedicina:
– Es la ciencia que trata de la aplicación de la nanotecnología a la
medicina mediante el uso de nanorobots, nanotubos o materiales a la
misma escala que trabajan de manera selectiva e implantados en el
organismo.
– Nanorobots: son dispositivos a escala nanométrica para realizar una
tarea específica en el interior de un organismo.
•
Nanobiotecnología:
– Es una rama de la nanotecnología basada en el uso de estructuras
biológicas y materiales orgánicos.
Nanomedicina y nanobiotecnología
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Aplicaciones actuales:
– Cura de enfermedades
• Tratamiento de enfermedades degenerativas del sistema nervioso,
mediante la sustitución de las neuronas dañadas por nanotubos de
carbono ya que debido a sus propiedades no son rechazadas por el
sistema nervioso.
• Tratamiento del cáncer mediante el tratamiento de los tumores con
nanotubos.
– Utilización del ADN como material (cubo hecho de ADN, dispositivos
nanomecánicos basados en ADN).
– Uso de nanorobots para el ensamblaje de dispositivos
mecánicos a escala nanométrica.
Nanomedicina y nanobiotecnología
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Aplicaciones futuras:
–
Cura de enfermedades
• Modificación del ADN para evitar la transmisión de enfermedades
hereditarias o tratamiento de enfermedades genéticas.
• Sustitución de neuronas dañadas en algún tipo de accidente.
• Creación de ciborgs: criatura compuesta por elementos orgánicos y
artificiales.
– Sustitución de órganos inoperativos por dispositivos que hacen la
misma función.
• Liberación de medicamentos de forma controlada y local en el organismo.
• Implantación de nanotubos de platino en el torrente sanguíneo para poder
tratar cualquier parte del cerebro sin ocasional daños colaterales.
Nanomedicina y nanobiotecnología
• Aplicaciones futuras:
– Ampliación de las capacidades humanas
• Manipulación del ADN
• Conexión a dispositivos externos
– Creación de nuevos chips a partir de ADN (Empresa
IBM)
Medioambiente y biocombustibles
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Las zeolitas
– Minerales de aluminio, silicio y oxígeno que presentan una estructura
ordenada de micro o nanoporos que permiten o no el paso de algunas
moléculas.
– Tienen usos como catalizadores en la industria petroquímica y como
tamices moleculares en la purificación de gases y líquidos.
•
Almacenamiento de hidrógeno
–
•
Quimisorción: proceso mediante el cual el hidrógeno se almacena en nanotubos de carbono
Posible nueva fuente de energía
–
Una mezcla de hidruro de litio y nanotubos de carbono rellenos de oro demostró ser capaz de
convertir la radiación en electricidad
Riesgos y problemas
•
La inhalación de nanotubos de
carbono inhibe el sistema
inmunológico.
•
La ingestión de nanopartículas es
tóxica y disminuye la eficacia de
mecanismos de depuración y
protección interna.
•
La falta de legislación puede llevar
a un cierto descontrol dentro del
desarrollo de estas tecnologías.
•
La aplicación de estas tecnologías a
líneas de investigación
armamentísticas puede evolucionar
en armamentos demasiado
potentes.
Futuro de la nanotecnología
•
Los nanotubos de carbono se pueden usar para crear un nuevo tipo de
fotosíntesis artificial.
•
Desarrollo de transistores y memorias de mayor capacidad
(Nanoelectrónica)
•
Desarrollo de nuevos chips que podrían servir como integrantes de un
posible computador cuántico.
•
Uso de la molécula de ADN para fabricar chips que permitirían una nueva
generación de ordenadores.
•
Desarrollo de la espintrónica.
•
Construcción de nuevos materiales moleculares (Desarrollo de técnicas
bottom-up).
Conclusiones
• Ciencia horizontal que influye en el resto de ciencias
básicas
• España es uno de los países que menos invierte en
nanociencia en la Unión Europea
• Los nanotubos son un elemento esencial para el desarrollo
de la nanotecnología.
• La acción estratégica de nanotecnología del Ministerio de
ciencia se basa en la creación de nuevos materiales, en la
nanomedicina y el desarrollo del medio ambiente.