Nanomaterial para niños

Los nanomateriales son materiales muy, muy pequeños. Son tan diminutos que al menos una de sus partes mide menos de 1 micrómetro (µm). Para que te hagas una idea, un micrómetro es mil veces más pequeño que un milímetro.

Aunque no hay un acuerdo exacto sobre su tamaño, muchos expertos dicen que los nanomateriales miden entre 1 y 100 nanómetros (nm). Un nanómetro es mil millones de veces más pequeño que un metro. ¡Son tan pequeños que no se pueden ver con un microscopio normal!

En 2011, la Comisión Europea definió los nanomateriales como aquellos que tienen partículas de entre 1 y 100 nm en al menos una de sus dimensiones. Esto incluye materiales naturales, los que se forman por accidente o los que se fabrican a propósito.

¿Qué hace especiales a los nanomateriales?

Una de las cosas más interesantes de los nanomateriales es que, al ser tan pequeños, sus propiedades cambian mucho. Esto se debe a algo llamado "efecto de tamaño cuántico". Por ejemplo, la forma en que los electrones se mueven en un material cambia cuando este se reduce a escala nanométrica. Esto no ocurre cuando pasamos de objetos grandes a objetos pequeños, pero sí cuando llegamos a la nanoescala.

Las propiedades de los nanomateriales son un campo de estudio muy activo. Por ejemplo, pueden comportarse de forma diferente al interactuar con materiales biológicos.

La nanotecnología es como una extensión de las ciencias y la ingeniería que se enfoca en estas propiedades especiales. Se trata de entender y crear materiales y dispositivos nuevos y sorprendentes.

Propiedades sorprendentes de los nanomateriales

Cuando los materiales se hacen muy pequeños, pueden mostrar propiedades totalmente distintas a las que tienen en tamaño normal. Esto abre la puerta a usos únicos. Por ejemplo:

• El cobre, que es opaco, puede volverse transparente.
• El platino, que normalmente no reacciona, puede convertirse en un catalizador (una sustancia que acelera reacciones químicas).
• El aluminio, que es estable, puede volverse combustible.
• El oro, que es un sólido, puede volverse líquido a temperatura ambiente.
• La silicona, que es un aislante, puede volverse conductor.

El oro, que es inerte a tamaños normales, puede actuar como catalizador a nanoescala. Gran parte de la fascinación por la nanotecnología viene de estos fenómenos especiales que la materia muestra cuando es tan pequeña.

Las partículas de polvo de tamaño nanométrico, llamadas nanopartículas, son importantes en la fabricación de cerámica y en la pulvimetalurgia (fabricación de objetos a partir de polvos). Sin embargo, estas partículas tienden a agruparse, lo que es un problema. Se están investigando sustancias que ayudan a que no se aglomeren.

Los nanomateriales se pueden dividir en nanopartículas, nanocapas y nanocompuestos. La idea es construir estos materiales "de abajo hacia arriba", diseñando y uniendo pequeños bloques de forma controlada.

Se espera un gran crecimiento en el uso de nanomateriales, como las nanoarcillas para hacer plásticos más fuertes o los nanotubos de carbono para dar conductividad a otros materiales.

¿De dónde vienen los nanomateriales?

Los nanomateriales pueden tener diferentes orígenes:

Nanomateriales creados por el ser humano

Estos nanomateriales son diseñados y fabricados por las personas para tener propiedades específicas. Son el resultado de la ingeniería.

También existen nanomateriales que se producían comercialmente antes de que la nanotecnología se desarrollara como tal. Son mejoras de materiales coloidales o en partículas, como el negro de carbón (usado en neumáticos) y las nanopartículas de dióxido de titanio (usadas en pinturas).

Nanomateriales accidentales

Estos se producen sin querer, como un subproducto de procesos industriales o mecánicos, por ejemplo, al quemar algo o al vaporizar. Algunas fuentes de nanopartículas accidentales son:

• Los tubos de escape de los vehículos.
• Los humos de la soldadura.
• La combustión de combustibles en la calefacción de casas.
• La cocina.

Por ejemplo, los fullerenos se forman al quemar gas, biomasa y velas. También pueden ser un subproducto del desgaste o la corrosión de materiales. Las nanopartículas que se forman en la atmósfera por accidente se llaman partículas ultrafinas y pueden contribuir a la contaminación atmosférica.

Nanomateriales naturales

La naturaleza también crea nanomateriales, tanto orgánicos como inorgánicos.

Los nanomateriales orgánicos naturales se encuentran en sistemas biológicos. Algunos ejemplos son:

• La estructura de los foraminíferos (organismos marinos).
• Los virus (hechos de proteínas).
• La cera que cubre las hojas de la planta de loto (que las hace autolimpiables).
• La seda de las arañas.
• El color azul de algunas tarántulas.
• Las "espátulas" en las patas de las salamanquesas que les permiten adherirse a las superficies.
• Algunas escamas de alas de mariposa.
• Los coloides naturales como la leche y la sangre.
• Materiales como la piel, las garras, los picos, las plumas, los cuernos y el pelo.
• El papel, el algodón, el nácar, los corales y nuestros propios huesos.

Los nanomateriales inorgánicos naturales se forman por el crecimiento de cristales en la corteza terrestre. Por ejemplo:

• Las arcillas tienen nanoestructuras complejas.
• La actividad volcánica puede producir ópalos, que son cristales fotónicos naturales debido a su estructura a nanoescala.
• Los incendios pueden producir pigmentos y sílice pirógena.

Otras fuentes naturales de nanopartículas son los productos de la combustión de incendios forestales, las cenizas volcánicas, las salpicaduras del océano y la desintegración del gas radón. También pueden formarse por el desgaste de rocas que contienen metales.

Galería de nanomateriales naturales

• 

  Cápside viral

• 

  "Efecto loto", efecto hidrófobo con capacidad de autolimpieza

• 

  Detalle de la parte inferior del pie de un geco (espátula: 200 × 10-15 nm)

• 

  Micrografía SEM de la escama de un ala de mariposa (× 5000)

• 

  Pluma de pavo real (detalle)

• 

  Ópalo de cristal brasileño. El juego de colores se debe a la interferencia y difracción de la luz entre esferas de sílice (150 - 300 nm de diámetro).

• 

  Tonalidad azul de una especie de Tarántula (450 nm ± 20 nm)

Tipos de nanomateriales

Los nanoobjetos se clasifican según cuántas de sus dimensiones son de tamaño nanométrico.

Una nanofibra tiene dos dimensiones en la nanoescala. Los nanotubos son nanofibras huecas, y los nanorods son nanofibras sólidas. Una nanoplaca o nanohoja tiene una dimensión en la nanoescala. Si las otras dos dimensiones son muy diferentes, se llama nanocinta.

Los materiales nanoestructurados se clasifican a menudo por las fases de la materia que contienen. Un nanocompuesto es un sólido con al menos una parte de tamaño nanométrico. Una nanoespuma tiene una matriz líquida o sólida con gas, donde una de las fases es de tamaño nanométrico. Un material nanoporoso es un sólido con nanoporos (huecos muy pequeños). Un material nanocristalino tiene muchos granos de cristal de tamaño nanométrico.

Nanopartículas

Las nanopartículas tienen sus tres dimensiones en la nanoescala. También pueden incrustarse en un sólido para formar un nanocompuesto.

Fullerenos

Los fullerenos son una forma especial de carbono que parecen láminas de grafeno enrolladas en tubos o esferas. Incluyen los nanotubos de carbono, que son interesantes por su resistencia y sus propiedades eléctricas.

Vista giratoria del C60, un tipo de fullereno

El buckminsterfullereno (C₆₀), que parece una pelota de fútbol, fue descubierto en 1985 por Richard Smalley y otros científicos. Le pusieron ese nombre en honor a Richard Buckminster Fuller, un arquitecto famoso por sus cúpulas geodésicas. Los fullerenos también se han encontrado en la naturaleza y en el espacio.

Las propiedades de los fullerenos son un tema de investigación muy importante. Se están estudiando para posibles usos en medicina, como para llevar antibióticos a bacterias resistentes o para atacar ciertos tipos de células. También se investigan por su resistencia al calor y su superconductividad.

Una forma común de producir fullerenos es haciendo pasar una corriente eléctrica fuerte entre dos electrodos de grafito en un ambiente sin aire. Esto crea un plasma de carbono que, al enfriarse, forma un hollín del que se pueden extraer los fullerenos.

Nanopartículas metálicas

Las nanopartículas de metales, semiconductores u óxidos son muy interesantes por sus propiedades mecánicas, eléctricas, magnéticas, ópticas y químicas. Se usan como puntos cuánticos y catalizadores químicos. Últimamente, se investigan para usos biomédicos como la ingeniería de tejidos, la entrega de medicamentos o los biosensores.

Las nanopartículas son un puente entre los materiales grandes y las estructuras atómicas o moleculares. A escala nanométrica, las propiedades físicas de un material pueden cambiar mucho. Por ejemplo, el confinamiento cuántico en partículas semiconductoras o el superparamagnetismo en materiales magnéticos.

Las nanopartículas tienen propiedades especiales. Por ejemplo, el cobre normal se dobla fácilmente, pero las nanopartículas de cobre de menos de 50 nm son muy duras. El cambio de propiedades no siempre es bueno; algunos materiales ferroeléctricos muy pequeños pueden perder su capacidad de almacenar memoria. Las suspensiones de nanopartículas son posibles porque la superficie de la partícula interactúa fuertemente con el disolvente. Las nanopartículas a menudo tienen colores inesperados porque son tan pequeñas que sus electrones se comportan de forma diferente. Por ejemplo, las nanopartículas de oro en solución pueden verse de color rojo oscuro o negro.

La gran relación superficie/volumen de las nanopartículas facilita la difusión y la sinterización (unión de partículas por calor) a temperaturas más bajas. Los efectos superficiales también reducen su temperatura de fusión.

Nanoestructuras unidimensionales

Son como hilos muy finos, tan delgados como un átomo. Los nanotubos de carbono son un ejemplo y pueden usarse como base para crear otras estructuras.

Nanoestructuras bidimensionales

Son materiales cristalinos formados por una sola capa de átomos. El grafeno, descubierto en 2004, es el más conocido. Las películas delgadas de tamaño nanométrico también son nanoestructuras.

Materiales nanoestructurados a granel

Son materiales grandes que contienen características a nanoescala, como los nanocompuestos o los materiales nanocristalinos.

Un ejemplo es la nanoestructura de grafeno en forma de caja (BSG), que se forma al cortar el grafito pirolítico. Es un sistema de nanocanales huecos paralelos con paredes de aproximadamente 1 nm de grosor.

Usos de los nanomateriales

Los nanomateriales se usan en muchos productos y procesos, desde pinturas hasta productos de salud.

• En salud, las nanozimas son nanomateriales que actúan como enzimas artificiales. Se usan para detectar enfermedades, tomar imágenes del cuerpo y diagnosticar tumores.
• Se pueden fabricar filtros de alta calidad con nanoestructuras que pueden eliminar partículas tan pequeñas como un virus, como los filtros de agua.
• En la purificación del aire, la nanotecnología se usó para combatir la propagación del MERS en hospitales.
• Los nanomateriales se usan en aislantes modernos y seguros para las personas, reemplazando materiales antiguos como el amianto.
• Como aditivos para lubricantes, los nanomateriales pueden reducir la fricción en piezas móviles.
• En la industria del deporte, se han fabricado bates más ligeros con nanotubos de carbono.
• En el ejército, se usan nanopartículas de pigmentos para crear camuflajes más efectivos.
• También se usan en catalizadores de tres vías (TWC) en vehículos para controlar la emisión de óxidos de nitrógeno, que causan la lluvia ácida y el smog. Los nanomateriales protegen los metales preciosos del catalizador y mejoran su funcionamiento.

¿Cómo se fabrican los nanomateriales?

El objetivo es crear materiales con propiedades especiales debido a su tamaño nanométrico (1-100 nm). Los métodos se dividen en dos tipos: "ascendentes" y "descendentes".

Métodos ascendentes

Estos métodos construyen nanomateriales uniendo átomos o moléculas. Las materias primas pueden ser gases, líquidos o sólidos. Se dividen en:

• Procesos caóticos: Se elevan los átomos o moléculas a un estado desordenado y luego se cambian las condiciones para que se formen las nanopartículas. Ejemplos son la ablación por láser o la pirólisis.
• Procesos controlados: Se suministran los átomos o moléculas de forma controlada para que las nanopartículas crezcan hasta un tamaño específico. Ejemplos son el crecimiento en solución o la deposición química de vapor.

Métodos descendentes

Estos métodos rompen materiales grandes en nanopartículas usando una "fuerza" (como una fuerza mecánica o un láser). Un método popular es el "molido de bolas", que descompone mecánicamente los materiales. También se pueden fabricar por ablación láser, que usa láseres de pulsos cortos para quitar material de un objetivo sólido.

¿Cómo se estudian los nanomateriales?

Se pueden observar efectos nuevos en los materiales cuando sus estructuras tienen tamaños similares a escalas muy pequeñas, como la longitud de onda de Broglie de los electrones. En estos casos, la mecánica cuántica puede influir mucho en las propiedades. Un ejemplo es el confinamiento cuántico, donde las propiedades electrónicas de los sólidos cambian al reducir mucho el tamaño de las partículas. Las propiedades ópticas, como la fluorescencia, también dependen del tamaño de la partícula.

Además de las propiedades ópticas y electrónicas, las nuevas propiedades mecánicas de muchos nanomateriales se estudian en nanomecánica. Cuando se añaden a un material normal, las nanopartículas pueden cambiar mucho sus propiedades mecánicas, como la rigidez o la elasticidad. Por ejemplo, los polímeros tradicionales pueden reforzarse con nanotubos de carbono, creando materiales ligeros y más fuertes que pueden reemplazar a los metales.

Los materiales nanoestructurados con partículas pequeñas, como las zeolitas, se usan como catalizadores en muchas reacciones químicas industriales. Un mayor desarrollo de estos catalizadores puede llevar a procesos químicos más eficientes y respetuosos con el medio ambiente.

Las primeras observaciones de nanopartículas se hicieron a principios del siglo XX. Zsigmondy estudió partículas de oro y otros nanomateriales de menos de 10 nm usando un ultramicroscopio.

Existen técnicas tradicionales para estudiar los nanomateriales, especialmente los de "primera generación". Estas incluyen métodos para medir la distribución del tamaño de las partículas, como la dispersión de la luz o el uso de ultrasonidos.

También hay técnicas para medir la carga superficial o el potencial zeta de las nanopartículas en soluciones. Esta información es importante para que el sistema sea estable y no se aglomeren las partículas.

Propiedades mecánicas de los nanomateriales

Las investigaciones muestran que las propiedades mecánicas de los nanomateriales pueden ser muy diferentes a las de los materiales grandes. Esto se debe a los efectos de volumen, superficie y cuánticos de las nanopartículas. Cuando se añaden nanopartículas a un material común, estas pueden mejorar la resistencia del material. Por ejemplo, añadir nano sílice al cemento mejora su resistencia a la tracción, compresión y flexión. Entender estas propiedades ayudará a usar nanopartículas en nuevas aplicaciones en campos como la ingeniería de superficies y la nanofabricación.

Uniformidad en los nanomateriales

Para fabricar componentes de alta calidad para la tecnología, se necesitan materiales muy puros como cerámicas, polímeros y materiales compuestos. Sin embargo, las nanopartículas en polvo suelen tener tamaños y formas irregulares, lo que puede llevar a que el material no se empaquete de forma uniforme.

La tendencia de los polvos a aglomerarse (formar grupos) debido a las fuerzas de Van der Waals también puede causar problemas. Esto puede generar tensiones y grietas en el material.

Cualquier variación en la densidad del material durante su preparación para el horno suele aumentar durante la sinterización (proceso de unión por calor), lo que lleva a una densificación no uniforme. Los poros y otros defectos pueden hacer que el material no alcance su densidad final y que se formen grietas internas.

Por eso, es importante procesar los materiales de forma que sean uniformes en la distribución de sus componentes y porosidad. Controlar las interacciones entre las partículas es clave. Algunos dispersantes, como el citrato de amonio, pueden ayudar a mejorar la dispersión y evitar la aglomeración. Las nanopartículas monodispersas (de un solo tamaño) y los coloides ofrecen esta posibilidad.

Por ejemplo, los polvos de sílice coloidal monodispersos pueden estabilizarse para lograr un alto grado de orden en el cristal coloidal resultante. Esto es un paso importante para entender cómo se forman los materiales de alto rendimiento.

Nanomateriales en la investigación y el mercado

Los nanomateriales son muy populares en la investigación y en el mercado. En septiembre de 2018, se mencionaron en cientos de miles de artículos científicos. También han aparecido en decenas de miles de patentes.

Un seguimiento de unos 7.000 productos comerciales con nanotecnología mostró que las propiedades de más de 2.300 productos se mejoraron con nanopartículas. Los liposomas, las nanofibras, los nanocoloides y los aerogeles son algunos de los nanomateriales más comunes en los productos de consumo.

El Observatorio de Nanomateriales de la Unión Europea (EUON) tiene una base de datos con información sobre patentes, productos y publicaciones de investigación sobre nanomateriales.

Criterios de evaluación de nanomateriales

Es importante evaluar rigurosamente los nanomateriales fabricados para asegurar que son seguros, especialmente aquellos con importancia comercial. Algunos de los nanomateriales que se evalúan son los fullerenos, las nanopartículas de plata, hierro, oro, las nanoarcillas, el óxido de aluminio, el óxido de zinc, el óxido de cerio, el dióxido de silicio, el dióxido de titanio, los dendrímeros, los SWCNTs y los MWCNTs.

Los criterios de evaluación se basan en la seguridad para el medio ambiente y la salud humana, e incluyen:

• Información sobre los nanomateriales.
• Características y propiedades físico-químicas.
• Toxicología (estudio de sus efectos dañinos).
• Destino ambiental (qué les sucede en el medio ambiente).

Véase también

En inglés: Nanomaterials Facts for Kids

• Nanofibra
• Nanoestructura
• Nanotextil