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Nanoquímica: Ingeniería de Nanomateriales
in t r o d u C C i ó n
U
n área de investigación de mucha actualidad es el desarrollo de
auto-ensambles nanoestructurados para fabricar nuevos materia-
les. Se espera que dichos materiales posean propiedades únicas, las cua-
les los hagan útiles en áreas como la electrónica, la medicina, la catálisis,
los cosméticos, los alimentos, etc. Se sabe que al reducir el tamaño de los
materiales a escala nanométrica, éstos adquieren propiedades diferentes
en relación con su tamaño macroscópico (partículas micrométricas). Así,
reactividad química y selectividad, son más ligeras y presentan propieda-
des electrónicas y ópticas que dependen de su tamaño en esta escala. Las
nanoestructuras pueden tener cero, una o dos dimensiones (, y
respectivamente). En el primer caso, se conocen como puntos cuánticos
y un ejemplo de ello son las nanopartículas. Los nanoalambres y nanotu-
bos son nanoestrucutras de , mientras que los recubrimientos de capas
delgadas son nanoestructuras de (Iijima, 1991).La nanoquímica es una
herramienta que permite desarrollar materiales complejos o sistemas au-
toensamblados a escala molecular. Durante los últimos años, la química ha
evolucionado hacia un modelo multidisciplinario, el cual ha llevado a la
los polímeros como disciplinas emergentes englobadas dentro del término
nanociencia y nanotecnología. Mientras que la nanociencia es el conjunto
de conocimientos y metodologías dirigidos a estudiar, sintetizar y caracte-
el desarrollo que permite la construcción y manipulación de materiales a
escala nanométrica. Todo esto promete un impacto social y económico ma-
yor en varios órdenes de magnitud que el logrado por las tecnologías que
existen hasta la fecha.
En la ingeniería de nano-
materiales es muy im por-
tante conocer las condiciones
óptimas para llevar a cabo
una reacción química que
permita obtener un pro-
ducto con propiedades in-
teresantes. Para lograr este
objetivo, se debe entender
la química a nivel molecu-
lar. En este trabajo se des-
criben algunos métodos
químicos, los cuales nos
permiten obtener materia-
les nanoestructurados y se
dan algunos ejemplos de
sus aplicaciones. Explicare-
mos sobre la preparación
de nanotubos de carbón
de multipared mediante
una técnica conocida como
“spray pyrolysis”, así como
también sobre la síntesis
de nanopartículas deposita-
das en dichos nanotubos, la
cual se lleva a cabo por el
método de microemulsión.
* Centro de Nanociencias y Nanotecnología-; Centro de Investigación en Materiales Avan-
zados S.C., Miguel de Cervantes 120, Complejo Industrial Chihuahua, C.P. 31109, Chihuahua,
México. Contacto: galonso@cnyn.unam.mx
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lo s n a n o t u B o s d e C a r B ó n
La investigación en nanotubos de carbono () ha despertado gran interés
et al., 2000). Éstos consisten en estructuras tubula-
) de
una sola hoja se les llama nanotubos de carbono de pared simple (Figura
1a), mientras que cuando éstos están formados por más de dos hojas, se les
denomina de multipared (Figura 1b).
FIGURA 1. n t c a) de una sola pared (s w c n t ), b) de multipared (m w c n t ).
Los poseen varias propiedades superiores a otros materiales, por
9 pascales mientras que la
del acero es de 2×109 pascales su capacidad de corriente se estima de 1×109
A/cm2, mientras los hilos de cobre se funden a 1×106 A/cm2. Debido a las
propiedades electrónicas únicas de los nanotubos de
carbono, éstos pueden ser usados como materiales
de emisión de campo o “field-emission” (). Ésta es la
capacidad de algunos materiales de emitir electrones
bajo un intenso campo eléctrico. Una de las aplicacio-
nes relacionadas con este efecto es la de su uso en
las (fiel emission display) de las nuevas pantallas
planas de (Figura 2) (Seraphin, 2006). El efecto
también permite usar los como puntas emisoras
de electrones en los microscopios electrónicos de ba-
rrido y en los microscopios de fuerza atómica.
mé t o d o s d e f a B r i C a C i ó n
La síntesis de de multipared se lleva a cabo
mediante el método de “spray pyrolysis” (Aguilar-
FIGURA 2. a) Esquema de una pantalla de tv utilizando c n t ; b)
n t c dopados con B, los cuales podrían incrementar el efecto
f e disminuyendo el voltaje de encendido de 3.0 V µm-1 a 1.4
V µm-1.
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Elguézabal et al., 2006). Se tiene un tubo “vicor” (óxido de silicio o vidrio),
el cual se calienta a 900ºC dentro de un horno cilíndrico equipado con un
controlador de temperatura. Una solución de 25 mL preparada con ferro-
Argon al interior del tubo “vicor”. En el interior de este tubo, las moléculas
de tolueno se descomponen en átomos de carbono y se ordenan hexago-
nalmente en forma de nanotubos. Esto sucede por la presencia de nano-
partículas de hierro provenientes de la descomposición del ferroceno, las
cuales funcionan como catalizadora de la formación de los . De esta
manera, se deposita una capa de en forma radial con respecto a la pa-
red interior del tubo “vicor”.
-
nica de barrido de los -
tipo bosque, éstos
se encuentran alineados verticalmente sobre un trozo de tubo “vicor”. Una
-
FIGURA 3. Imágenes de n t c de multipared. a) Crecimiento de los n t c sobre tubo “vicor”,
b) Amplificación de n t c . c) Imagen de alta resolución donde se muestran las paredes de
carbono de un nanotubo.
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paredes de carbono de un nanotubo de multipared.
El depósito de nanopartículas sobre los nanotubos de carbono se lleva
a cabo por el método de microemulsión. En las siguientes líneas, daremos
una breve explicación acerca de este proceso. Existen diferentes tipos de
microemulsiones. Por ejemplo: la de agua en aceite (w/o) se forma cuando
una pequeña cantidad de agua se dispersa en una fase continua de algún
hidrocarburo con la ayuda de un surfactante. La relación molar agua/sur-
-
las (“gotas”) invertidas. Éstas actúan como nanorreactores donde se llevan
a cabo las reacciones químicas de forma muy controlada. Estas micelas
son de tamaño menor a los 10 nm. Los surfactantes son macromoléculas
está formada por un grupo frontal, el cual es polar o iónico donde inte-
raccionan los precursores metálicos que darán lugar a las nanopartículas.
Las propiedades de los surfactantes son esenciales para la construcción
de máquinas moleculares que tengan propiedades tales como auto-organi-
zación, ensamblaje, autorreproducción y reconocimiento. Las microemul-
siones son sistemas líquidos homogéneos a escala macroscópica, pero son
heterogéneos en la escala molecular, ya que existen dominios de agua y
aceite separados por una monocapa de surfactante. El tamaño típico de es-
tos dominios está por debajo de la longitud de onda de la luz visible, por lo
que estos sistemas son óptimamente transparentes. Este método consiste
de reacción y difusión.
-
da por los surfactantes, los cuales delimitarán el espacio requerido para la
formación de la nanopartícula. Una vez sintetizada la nanopartícula (re-
ducción del catión metálico), dichos surfactantes quedan absorbidos a la
éstas. Al mismo tiempo, permiten tener un control del tamaño y la forma
de la nanopartícula. Los funcionan como soporte de las nanopartícu-
las, para lograr mayor dispersión de éstas y así aumentar el área super-
ácido/base y por su transporte electrónico (Verde et al.-
partículas sintetizadas por microemulsión y soportadas en presentan
propiedades útiles en catálisis heterogénea, por ejemplo: como electroca-
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talizadores en celdas de combustible de intercambio protónico, síntesis de
Aquí se describe la síntesis de nanopartículas de Ru y Pt depositadas so-
bre por el método de microemulsión. Primero se prepara una solución
acuosa de hexaclororutenato de amonio (NH)2RuCl6 o ácido hexacloro-
platínico H2PtCl6 como precursores de nanopartículas de Ru o Pt respec-
tivamente a una concentración de 0.01M. Como surfactante se utilizó el
éter-docecil-glicol-tetraetileno y hexano como fase oléica, posteriormente
se añadió una suspensión previamente dispersados en la misma fase
su carácter hidrofóbico. Finalmente, las nanopartículas depositadas sobre
los se obtienen al precipitar el material con acetona y una solución de
agente reductor (borohidruro de sodio) sobre la suspensión. El material se
de transmisión de las nanopartículas de Ru depositadas sobre por el
de multipared.
Ru a lo largo de un nanotubo de carbono con un histograma indicando el
promedio del tamaño de las nanopartículas.
Por este mismo método de síntesis se pueden obtener materiales bi-
. En la imagen
FIGURA 4. Nanopartículas de Ru depositadas en n t c . a) Amplificación de las nanopartí-
culas de Ru. b) Histograma de distribución de nanopartículas de Ru.
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FIGURA 5. Nanopartículas de Ru-Pt soportadas en n t c . a) baja y b) alta amplificación.
5b se puede observar que las nanopartículas presentan una dispersión y
Co n C l u s i o n e s
Por el método de spray pyrolysis se obtienen de multipared con buena
calidad, siendo éste, un proceso sencillo y de bajo costo. Por el método de
microemulsión se logra obtener nanopartículas de tamaño homogéneo y
depositadas con buena dispersión sobre .
BiB l i ogr a fía
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