Nanomateriales (1)
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Universidad de Santiago de Chile Profesor: Samuel Baltazar LEFM Evelyn Aguillón Santelices Física Frontera Nanotecnología Diciembre del 2011 Nanomateriales Los nanomateriales son materiales con al menos una dimensión de tamaño inferior a una décima de micra y una superficie muy grande con relación a su volumen, lo que representa una mayor reactividad para su aplicación en campos tan importantes como la adsorción y la catálisis. Pueden modificar numerosas propiedades (magnéticas, ópticas y térmicas) respecto a los materiales a escala micro o macroscópica. La composición del material puede ser cualquiera, si bien las más importantes son silicatos, carburos, nitruros, óxidos, boruros, seleniuros, teluros, sulfuros, haluros, aleaciones metálicas, intermetálicos, metales, polímeros orgánicos y materiales compuestos. Síntesis de Nanometariales La producción nanomateriales se puede llevar a cabo mediante dos estrategias diametralmente opuestas, por un lado, técnicas descendentes o “top-down” (reducción del tamaño de materiales másicos hasta límites nanométricos), y por otro, técnicas ascendentes o “bottom-up” (síntesis de nanomateriales mediante unidades de construcción más pequeñas). Centrándonos en las técnicas ascendentes, el uso de unidades de construcción de tamaño nanométrico permite la preparación de sólidos organizados a varias escalas con gran precisión. Nanotubos de carbono. Los nanotubos de carbono (CNT), que fueron descubiertos en 1991 y desarrollados a partir de ese año, son unos materiales formados únicamente por carbono, donde la unidad básica es un plano grafítico enrollado que forma un cilindro, formando unos tubos cuyo diámetro es del orden de algunos nanómetros. Las propiedades de los nanotubos son: Los nanotubos simples pueden crecer hasta varios centímetros (10 9 veces su diámetro). Se han descrito extraordinarias propiedades mecánicas. Mediante dopaje se puede modificar su respuesta electrónica. Atractivos para aplicaciones en: 1. Nano-electrónica 2. Sensores 3. Rellenos en polímeros 4. Cerámica 5. Compuestos metálicos. Métodos de síntesis v/s propiedades de nanotubos de carbono La producción de nanotubos de carbono es sencilla. Todos los métodos requieren de una fuente de C, un catalizador metálico y calor. La preparación de nanotubos simples requieren del catalizador metálico. A. Arco de descarga de C Utiliza dos electrodos de grafito a través de los cuales se pasa una corriente directa en una atmósfera inerte de He. Se obtiene un depósito en el cátodo con una capa externa gris y dura con una capa interna y blanda que contiene nanotubos de carbono con capas concéntricas de grafeno, partículas poliédricas y carbono amorfo. Con el empleo de catalizadores (Fe, Co, Ni) se pueden obtener nanotubos simples. B. Técnicas de vaporización laser ó ablación laser. También utiliza la condensación de átomos de C. La generación de nanotubos simples necesita del empleo de catalizadores (Ni, Co, Pt) en la fuente de grafito. En este caso no se producen nanotubos de carbono con capas concéntricas de grafeno. La calidad, longitud, diámetro y distribución quiral es similar a la de los nanotubos obtenidos por arco de descarga. C. Deposición de vapor químico (CVD) Se obtuvo las primeras fibras de carbono en 1890.
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Universidad de Santiago de ChileProfesor: Samuel BaltazarLEFM
Evelyn Aguilln SantelicesFsica FronteraNanotecnologa
Diciembre del 2011
NanomaterialesLos nanomateriales son materiales con al menos una dimensin de tamao inferior a una dcima de micra y una superficiemuy grande con relacin a su volumen, lo que representa una mayor reactividad para su aplicacin en campos tanimportantes como la adsorcin y la catlisis. Pueden modificar numerosas propiedades (magnticas, pticas y trmicas)respecto a los materiales a escala micro o macroscpica.
La composicin del material puede ser cualquiera, si bien las ms importantes son silicatos, carburos, nitruros, xidos,boruros, seleniuros, teluros, sulfuros, haluros, aleaciones metlicas, intermetlicos, metales, polmeros orgnicos ymateriales compuestos.
Sntesis de Nanometariales
La produccin nanomateriales se puede llevar a cabomediante dos estrategias diametralmente opuestas, porun lado, tcnicas descendentes o top-down (reduccindel tamao de materiales msicos hasta lmitesnanomtricos), y por otro, tcnicas ascendentes obottom-up (sntesis de nanomateriales medianteunidades de construccin ms pequeas). Centrndonosen las tcnicas ascendentes, el uso de unidades deconstruccin de tamao nanomtrico permite lapreparacin de slidos organizados a varias escalas congran precisin.
Nanotubos de carbono.
Los nanotubos de carbono (CNT), que fuerondescubiertos en 1991 y desarrollados a partir de eseao, son unos materiales formados nicamente porcarbono, donde la unidad bsica es un plano grafticoenrollado que forma un cilindro, formando unos tuboscuyo dimetro es del orden de algunos nanmetros.
Las propiedades de los nanotubos son:
Los nanotubos simples pueden crecer hastavarios centmetros (109 veces su dimetro).
Se han descrito extraordinarias propiedadesmecnicas.
Mediante dopaje se puede modificar surespuesta electrnica.
Atractivos para aplicaciones en:1. Nano-electrnica2. Sensores3. Rellenos en polmeros4. Cermica5. Compuestos metlicos.
Mtodos de sntesis v/s propiedades de nanotubos decarbono
La produccin de nanotubos de carbono essencilla.
Todos los mtodos requieren de una fuente deC, un catalizador metlico y calor.
La preparacin de nanotubos simples requierendel catalizador metlico.
A. Arco de descarga de C
Utiliza dos electrodos de grafito a travs de los cuales sepasa una corriente directa en una atmsfera inerte deHe. Se obtiene un depsito en el ctodo con una capaexterna gris y dura con una capa interna y blanda quecontiene nanotubos de carbono con capas concntricasde grafeno, partculas polidricas y carbono amorfo.
Con el empleo de catalizadores (Fe, Co, Ni) se puedenobtener nanotubos simples.
B. Tcnicas de vaporizacin laser ablacinlaser.
Tambin utiliza la condensacin de tomos de C. Lageneracin de nanotubos simples necesita del empleode catalizadores (Ni, Co, Pt) en la fuente de grafito. Eneste caso no se producen nanotubos de carbono concapas concntricas de grafeno. La calidad, longitud,dimetro y distribucin quiral es similar a la de losnanotubos obtenidos por arco de descarga.
C. Deposicin de vapor qumico (CVD)
Se obtuvo las primeras fibras de carbono en 1890.
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Universidad de Santiago de ChileProfesor: Samuel BaltazarLEFM
Evelyn Aguilln SantelicesFsica FronteraNanotecnologa
Diciembre del 2011
Este mtodo es el ms utilizado para obtener uncrecimiento alineado de los nanotubos de carbono concapas concntricas de grafeno y nanotubos simples envarios sustratos silicio, acero, vidrio, etc.
Los nanotubos de carbono con capas concntricas degrafeno obtenidos son poco cristalinos, con gran nmerode defectos. Estos pueden alcanzar 1 cm de longitud ydimetros de hasta 100 nm, variando el nmero deparees de 3 a 100, creciendo perpendicularmente alsustrato, por lo que resulta fcil medir su longitud.
D. Electrolisis
Los nanotubos de carbono con capas concntricas degrafeno se forman cuando una corriente se pasa entredos electrodos de grafito inmersos en sales inicasfundidas, LiCl a 600 C.
El material obtenido se compone de nanotubos decarbono, partculas metlicas encapsuladas en carbn,carbono amorfo y filamentos de carbono. Slo producenanotubos de carbono, con dimetros de 10-20 nm,longitud > 500 nm y slo unas pocas paredes. Es elmtodo menos usado.
Fullerenos
Se trata de un material obtenido por interaccin detomos de carbono C60 en fase gaseosa, logrando quelos tomos de carbono se unieran en hexgonos y condobles enlaces resonantes entre tomos de carbonovecinos, como si se tratara del benceno.
En la Unin de Arizona y en el Instituto Max Planck, atravs de descargas elctricas con electrodos de grafitoen atmsfera de helio y disolucin en tolueno, pudoobtenerse un polvo que permiti su estudio medianteespectrometra infrarroja-resonancia magntica nucleary difraccin de rayos X. As se pudo identificar elFullereno C60 y definir su estructura por medio de lostpicos modelos orgnicos (12 pentgonos - 20hexgonos con tomos de carbono tetravalente en losvrtices). Otras estructuras se fueron descubriendodesde los C16 a C60 que pudieron corroborar para el msescptico la estructura de baln similar a la pelotaolmpica del ftbol mundial. En esa configuracin lostomos de carbono de los hexgonos tienen dobles
enlaces resonantes entre tomos vecinos como si setratara del benceno.
Procesos de Bottom-up
En los procesos de botton-up se construyennanomquinas de tomo a tomo o de molcula amolcula con el fin de construir estructurasnanometricas con especiales caractersticas.
Comparaciones.
Superficieplaneta tierra
(km2)
SuperficieFullereno C60
(km2)
Razn desuperficie
Fullereno/ tierra5,1 *108 1,3*10-23 2,54 *10-32
Superficie balnde futbol(km2)
SuperficieFullereno C60
(km2)
Razn desuperficie
Fullereno/ baln1,5*10-7 1,3*10-23 8,66*1017
Superficieplaneta tierra
(km2)
Superficie balnde futbol(km2)
Razn desuperficie
baln/tierra5,1 *108 1,5*10-7 2,94*10-16
Volumen planetatierra (km3)
Volumenbaln de futbol
(km3)
Razn deVolumen
baln/tierra1.08321*1012 5,6*10 -12 5,2*10-24
Volumen planetatierra (km3)
VolumenFullereno C60
(km3)
Razn deVolumenFullereno/tierra
1.08321*1012 4,2*10-36 3,8*10-48
Volumen balnde futbol (km3)
VolumenFullereno C60
(km3)
Razn deVolumen
Fullereno /baln5,6*10 -12 4,2*10-36 7,5*10-25
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Universidad de Santiago de ChileProfesor: Samuel BaltazarLEFM
Evelyn Aguilln SantelicesFsica FronteraNanotecnologa
Diciembre del 2011
Una superficie muy grande con relacin a su volumen, loque representa una mayor reactividad para su aplicacinen campos tan importantes como la adsorcin y lacatlisis.
Los nanomateriales son importantes en todos lossectores socio-econmicos, desde la sanidad y la salud ala energa, tecnologas de la informacin ycomunicacin, seguridad, transporte, etc.
Su principal ventaja es que pueden dar lugar atecnologas que sustituyen a otras ya existentes concostos muy inferiores, tanto de materias primas comode produccin.
