Sinopsis: Nanotecnología

Moléculas extralargas
Los nanotubos de carbono se estiran

Contexto: Con poco más de un nanómetro de ancho, los nanotubos de carbono se han convertido en superestrellas del mundo nano: inusualmente fuertes, eléctricamente conductores y estables a altas temperaturas. Las fibras compuestas de nanotubos deberían superar a las fabricadas con cualquier material existente. Sin embargo, la longitud de los tubos, la mayoría de solo décimas de milímetro de largo, requiere que estén alineados para un rendimiento máximo. Ahora, los investigadores del Laboratorio Nacional de Los Alamos y la Universidad de Duke han creado nanotubos que tienen centímetros de largo, y cuya longitud se verifica solo por el tamaño de la cámara utilizada para crearlos.

Esta historia fue parte de nuestro número de enero de 2005

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Métodos y resultados: El equipo de Los Alamos sintetizó los nanotubos haciendo fluir vapores de etanol a 900 grados C sobre un catalizador de hierro colocado sobre una oblea de silicio. Los tubos crecieron a partir de estos puntos de catalizador; el catalizador se empujó a lo largo de la superficie de la oblea en la dirección del flujo de gas. Los tubos más largos crecieron a cuatro centímetros como líneas rectas a lo largo de la oblea de silicio, terminando solo en el borde de la oblea.

Por qué es importante: Se han promovido paquetes de nanotubos de carbono, hilados como fibras, para aplicaciones donde la alta resistencia y el bajo peso son críticos, desde equipos deportivos como palos de golf o raquetas de tenis hasta sueños de ciencia ficción de ascensores que se extienden al espacio exterior. Aunque los tubos más cortos tienen muchas aplicaciones prometedoras por derecho propio, los haces de ellos no han podido funcionar a la altura de su potencial debido a los enlaces débiles entre los tubos. Alargar los tubos reduce estos problemas, acercando a los investigadores a aprovechar la notable resistencia y conductividad de los haces de nanotubos. Pero los investigadores de Los Alamos y Duke han hecho más que promover una tecnología; han hecho lo impensable, construyendo moléculas individuales tan largas como un clip.

Fuente: Zheng, L. X. et al. (2004) Nanotubos de carbono de pared simple ultralargos. Materiales de la naturaleza 3:673-6.

Nanocalderas
Una ruta más amigable a las zeolitas

Contexto: Los minerales llamados zeolitas son esenciales para la química industrial porque ayudan a convertir el petróleo crudo en productos químicos útiles, incluidos los materiales utilizados en los plásticos. Al reducir drásticamente el costo de los productos petroquímicos, las zeolitas hacen que todo, desde las píldoras hasta los protectores de bolsillo, sea más asequible. Ahora, investigadores de la Universidad de St. Andrews en Escocia han descubierto una forma de fabricar estos minerales nanoestructurados que no solo es más barata sino también más rápida, segura y menos tóxica.

Métodos y resultados: Las zeolitas se fabrican típicamente en agua caliente a presiones peligrosamente altas. Los minerales están plagados de poros de nanómetros de ancho; las moléculas escondidas dentro de estos poros reaccionan rápida y limpiamente. Los químicos crean las zeolitas a través de una reacción de condensación, durante la cual los precursores minerales encapsulan las moléculas agregadas como plantillas, formando un sólido poroso. En lugar de producir zeolitas en agua, Emily Cooper, una postdoctora en química en St. Andrews, y sus colegas utilizaron sales líquidas a una temperatura relativamente baja. Estos líquidos están hechos de moléculas cargadas o iones, por lo que los precursores minerales se condensan directamente a su alrededor, eliminando la necesidad de plantillas. Posteriormente, se eliminan los iones de sal, dejando una estructura con orificios de tamaño nanométrico. La receta produjo cinco nuevos materiales nanoporosos; dos representaban clases que nunca antes se habían visto.

Por qué es importante: El proceso estándar para fabricar zeolitas es caro y peligroso y requiere equipo especializado. Con la nueva técnica, incluso un laboratorio de secundaria debería poder hacerlos. Los millones de posibles composiciones de sal producidas a través de este proceso podrían resultar en la creación de familias de zeolitas con funciones completamente nuevas, lo que conduciría a productos cotidianos mejores y más baratos.

Fuente: Cooper, E. R. et al. (2004) Líquidos iónicos y mezclas eutécticas como disolvente y molde en síntesis de análogos de zeolita. Naturaleza 430:1012-6.

Tengo que lucir bien
La microscopía de fuerza atómica realiza mediciones eléctricas

Contexto: La tasa de corrosión en dispositivos como baterías y semiconductores a menudo está dictada por imperfecciones de tamaño nanométrico. La realización de microscopios de fuerza atómica (AFM, por sus siglas en inglés) puede obtener imágenes de estas nanoflaws, pero medir con precisión sus propiedades eléctricas requiere saber qué parte de la punta conductora afilada del microscopio entra en contacto con la superficie activa. Utilizando un modelo matemático, Ryan O'Hayre, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Stanford, y sus colegas han encontrado una manera de medir indirectamente esta área de contacto, superando el límite de la microscopía de punta conductiva y mejorando el control de calidad.

Métodos y resultados: Los investigadores utilizaron una punta AFM recubierta de platino para monitorear la reacción entre el hidrógeno y el oxígeno en la superficie de una membrana de celda de combustible de polímero; la pila de combustible se eligió para mostrar que las mediciones a nanoescala pueden correlacionarse con los resultados a macroescala. La velocidad de la reacción depende de cuánta fuerza aplique la punta a la membrana: la fuerza empuja los materiales juntos, lo que hace que se deformen ligeramente y, por lo tanto, aumenta el área de interacción entre los dos. Fundamentalmente, los investigadores demostraron que el área de interacción se puede estimar determinando la dureza de la membrana, acompañada de algunas suposiciones y trucos matemáticos. Los investigadores experimentaron en tres órdenes de magnitud de fuerza entre la punta y la muestra, y todos sus resultados fueron consistentes con los experimentos convencionales, lo que los hizo más creíbles.

Por qué es importante: La realización de AFM puede dar resolución a nanoescala a mediciones eléctricas de semiconductores, pilas de combustible, baterías y otros dispositivos. Pero si bien era posible medir cambios relativos en propiedades como conductividad, capacitancia e impedancia en la superficie de una sola muestra de material, comparar tales mediciones entre materiales había sido imposible. La realización de AFM, aunque era capaz de encontrar fallas, no podía medir su gravedad absoluta, ya que diferentes materiales interactuaban con la punta de AFM de diferentes maneras. Este refinamiento puede convertir el AFM conductor de un instrumento de investigación en una herramienta útil en varias industrias.

Fuente: O’Hayre, R. et al. (2004) Medición de impedancia cuantitativa mediante microscopía de fuerza atómica. Revista de física aplicada 96:3540-9.

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