Nanociencia

La nanociencia es la rama del saber que estudia los fenómenos, las propiedades y la manipulación de la materia a una escala nanométrica, generalmente comprendida entre 0,1-100 nm (1 nm = 10-9). Su estudio se centra en el comportamiento y la manipulación de los átomos, de las moléculas y de las macromoléculas que manifiestan diferentes propiedades a las de los materiales de mayores dimensiones. La nanociencia abarca otras áreas del conocimiento como: la física y la química cuánticas, la ciencia de los materiales y la biología molecular. Es, por tanto, una ciencia interdisciplinar y su objeto de estudio son los nanomateriales.

Nanotecnología

La nanotecnología es la ciencia aplicada, enfocada al diseño, a la caracterización, a la producción y a la aplicación de estructuras, dispositivos y sistemas que, mediante una manipulación controlada de las nanopartículas, producen estructuras, dispositivos y sistemas con propiedades o características nuevas o superiores. El objetivo de la nanotecnología es conseguir el ensamblado controlado de nanopartículas que produzcan, a macroescala, objetos y productos nanoestructurados de propiedades diferentes y superiores. La nanotecnología fabrica dispositivos átomo a átomo o molécula a molécula.

Definición de nanopartículas

Se definen como nanopartículas aquellas que tienen un diámetro

Clasificación de los nanomateriales

  • Basados en carbono: Estos nanomateriales están compuestos mayoritariamente por carbono y suelen adoptar formas como esferas huecas, elipsoides o tubos. Los nanomateriales de carbono con forma elipsoidal o esférica se conocen como fullerenos, mientras que los cilíndricos reciben el nombre de nanotubos.
  • Basados en metales: Estos nanomateriales incluyen puntos cuánticos, nanopartículas de oro y plata y óxidos metálicos como el dióxido de titanio.
  • Dendrímeros: Estos nanomateriales son polímeros de tamaño nanométrico construidos a partir de unidades ramificadas. La superficie de un dendrímero tiene numerosos extremos de cadena, que se pueden adaptar para desempeñar funciones químicas específicas. Esta propiedad se podría utilizar también para la catálisis. Además, debido a que los dendrímeros tridimensionales contienen cavidades interiores en las que se pueden introducir otras moléculas, pueden ser útiles para la administración de fármacos.

Fullerenos

Los fullerenos son la tercera forma más estable del carbono, tras el diamante y el grafito. El primer fullereno se descubrió en 1985 y se han vuelto populares por su versatilidad para la síntesis de nuevos compuestos, ya que se presentan en forma de esferas, elipsoides o cilindros. El hallazgo casual del fullereno se produjo al irradiar un disco de grafito con un láser y mezclar el vapor de carbono resultante mediante una corriente de helio. Cuando se examinó el residuo cristalizado, se encontraron moléculas constituidas por 60 átomos de carbono.

Historia y descubrimiento

Hasta el siglo XX, el grafito y el diamante eran las únicas formas alotrópicas conocidas del carbono. En experimentos de espectroscopia molecular, se observaron picos que correspondían a moléculas con una masa molecular exacta de 60, 70 o más átomos de carbono. Se descubrieron el C60 y otros fullerenos en 1985, en un experimento que consistió en hacer incidir un rayo láser sobre un trozo de grafito.

C60

Es el fullereno más conocido. Se trata de un fullereno formado por 60 átomos de carbono (C60), en el que ninguno de los pentágonos que lo componen comparten ninguna arista. La estructura de C60 se asemeja a un balón de fútbol constituido por 20 hexágonos y 12 pentágonos, con un átomo de carbono en cada una de las esquinas de los hexágonos y un enlace a lo largo de cada arista.

C36

Se pudo aislar una esfera de fullereno con solo 36 átomos de carbono. Es mucho más reactivo químicamente que su primo grande C60, lo que podría hacerlo transformarse en todo, desde superconductores de alta temperatura hasta materiales de alta resistencia.

Otros fullerenos

  • El fullereno C20 es el más pequeño de todos, no tiene hexágonos, solo 12 pentágonos.
  • El fullereno C70 tiene 12 pentágonos al igual que el C60, pero tiene más hexágonos, y su forma en este caso se asemeja a un balón de rugby.

Propiedades de los fullerenos

Los fullerenos no son muy reactivos debido a la estabilidad de los enlaces tipo grafito. Son muy poco solubles en la mayoría de disolventes. Entre los disolventes comunes para los fullerenos se incluyen el tolueno y el disulfuro de carbono. Las disoluciones de C60 puro tienen un color púrpura intenso. El fulereno es la única forma alotrópica del carbono que puede ser disuelta. Se puede aumentar su reactividad uniendo grupos activos a las superficies de los fullerenos. El C60 no presenta “superaromaticidad”, es decir, los electrones de los anillos hexagonales no pueden deslocalizar en la molécula entera. Se pueden atrapar otros átomos dentro de los fullerenos; de hecho, existen evidencias de ello gracias al análisis del gas noble conservado en estas condiciones tras el impacto de un meteorito a finales del periodo Pérmico. En el campo de la nanotecnología, la resistencia térmica y la superconductividad son algunas de las características más profundamente estudiadas.

Nanotubos

Se denominan nanotubos a estructuras tubulares cuyo diámetro es del orden del nanómetro (nm). Existen nanotubos de muchos materiales, tales como silicio o nitruro de boro, pero generalmente el término se aplica a los nanotubos de carbono o CNTs (Carbon Nanotubes). Los nanotubos de carbono son una forma alotrópica del carbono, como el diamante, el grafito o los fullerenos. Su estructura puede considerarse procedente de una lámina de grafito enrollada sobre sí misma. Dependiendo del grado de enrollamiento y la manera como se conforma la lámina original, el resultado puede llevar a nanotubos de distinto diámetro y geometría interna.

Clasificación de los nanotubos de carbono

De acuerdo al número de capas:

  • Nanotubos de capa múltiple.