ZTV. LA NANOCIENCIA: EL MUNDO A UNA ESCALA DIMINUTA

21
Jul

En el programa de hoy  hemos realizado una pequeña introducción al mundo de la Nanociencia y hemos jugado con materiales que presentan propiedades sorprendentes debido a sus cambios de estructura en la escala nanométrica.

Pero, ¿qué es la Nanociencia?

La Nanociencia es un área emergente de la ciencia que se ocupa del estudio de cómo se puede actuar sobre las propiedades de los materiales controlando su estructura a muy pequeñas dimensiones; la Nanociencia actúa al nivel de los átomos, las moléculas y en general objetos cuyo tamaño se mide sobre la escala nanométrica. Un nanómetro (nm) equivale a 10 -9 metros. La Nanociencia trata de comprender cómo se relacionan las propiedades macroscópicas (de materiales de tamaño y manejo usual) con la estructura en la nanoescala, y la nanotecnología busca manipular y controlar esas relaciones, con el fin de diseñar y sintetizar materiales con nuevas aplicaciones.

¿Qué ocurre cuando observamos la materia en una escala tan pequeña?

Lo primero que debemos recordar es que la material está formada por átomos. Los átomos son partículas minúsculas. Incluso en un objeto muy pequeño, que apenas podemos ver a simple vista, hay muchísimos miles de millones de átomos.

Para formar los objetos grandes, estas enormes cantidades de átomos se unen unos con otros formando estructuras. Las distancias entre esos átomos son de un tamaño en torno al nanómetro, o sea, como hemos dicho antes, la millonésima parte de un milímetro.

Lo interesante es que los materiales tienen las propiedades que tienen (que sean duros o blandos, flexibles o rígidos, que se comporten como imanes, o como conductores eléctricos…) por la forma en que los átomos se unen unos con otros en la escala nanométrica.

Esto es algo que los científicos ya sabían. Lo que no habían podido hacer hasta hace poco es controlar esa estructura en la nanoescala: no había forma de ver tamaños tan pequeños, ni de cambiar a voluntad la forma en que los átomos se unían.

Desde hace un tiempo, ya existen esas herramientas: y a partir de ahí, ya se puede hacer nanociencia.

Las aplicaciones de la nanociencia se basan en que, a escala nanométrica, los materiales tienen distintas propiedades que a macroescala, es decir, que al trabajar sólo son unos pocos átomos o moléculas de un compuesto, su comportamiento puede ser totalmente diferente al que presenta cuando tenemos cantidades mayores.

 

Materiales fotocrómicos y termocrómicos

¿A qué se debe el cambio de color en los materiales termocrómicos y fotocrómicos?

Estos materiales se componen de moléculas que cambian su estructura, bien cuando reciben luz (materiales fotocrómicos) o cuando cambia la temperatura (materiales termocrómicos). Al cambiar su forma, también cambian sus propiedades, como en este caso, que cambian de color. En nuestro caso el proceso es además reversible, es decir, al volver a las condiciones de temperatura u oscuridad anteriores, las moléculas recupera su forma anterior.

 

¿Qué aplicaciones tienen estos materiales?

Los materiales fotocrómicos se utilizan en óptica y en materiales para la publicidad: carteles, camisetas, zapatos….

Los materiales termocrómicos se utilizan en señalización (etiquetado/control de temperatura) seguridad (tuberías y conducciones, elementos peligrosos, etc.), artículos del hogar (envases microondas, sartenes, placas calefactoras, vasos-jarras, etc.) y juguetería.

El nitinol

El nitinol es un metal con memoria, una aleación de níquel y titanio que recupera su forma inicial al calentarlo.

¿Por qué recupera su forma inicial al calentarlo?

El efecto memoria no representa exactamente un logro de la nanotecnología, sino que se basa en el movimiento de la estructura del metal a nivel nanométrico. El cambio estructural que se produce al variar la temperatura es debido a la transición entre dos estructuras cristalográficas distintas de un mismo material.

El mecanismo de transición de fase más común consiste en el desplazamiento de átomos de sus posiciones de equilibrio, mediante un proceso conocido como difusión, para adoptar una nueva estructura más estable en las condiciones de presión y temperatura a las que se encuentra el material.

¿Qué aplicaciones tienen estos materiales?

Estas propiedades hacen que sean materiales muy interesantes para distintas aplicaciones en el campo de la medicina, como sondas o tubos para cirugía vascular o aparatos de ortodoncia.

Fullereno y nanotubo de carbono

En nuestro programa también mostramos dos estructuras nanométricas muy especiales; el fullereno y el nanotubo de carbono.

Ambas sustancias tienen la misma naturaleza, ya que están formadas por átomos de carbono, pero al igual que ocurre con la mina de un lápiz o un diamante (ambos están también formados por carbono), sus propiedades son muy diferentes ya que estas dependen no sólo de la naturaleza de sus átomos, sino también de la forma en que estos se enlazan (estructura) a nivel macroscópico.

Los fullerenos son grandes moléculas de carbono formadas por estructuras cerradas, como el que hemos mostrado en el programa ( C60 )que contenía 60 átomos de carbono dispuestos formando hexágonos y pentágonos y dando lugar a una estructura cerrada similar a un balón de fútbol.

Los fullerenos tienen aplicaciones en el campo de materiales y de biomedicina debido a su procesabilidad y a sus propiedades particulares.

Los nanotubos están formados por láminas de grafeno, que son láminas formadas por átomos de C dispuestos formando una red de hexágonos.

Cuando las láminas de grafeno se apilan, formando capas planas, dan lugar al grafito (que es el componente de la mina de un lapicero). En cambio, si las láminas de grafeno se enrollan formando un tubo de aproximadamente 1nm de diámetro, dan lugar a nanotubos de carbono, con propiedades completamente distintas. Los nanotubos de carbono tienen numerosas aplicaciones tecnológicas debido a su ligereza (ya que son huecos y porosos) y a su alta resistencia mecánica, lo que los hace útiles para reforzar la estructura de otros materiales y la formación de composites (estructuras compuestas) de bajo peso, alta resistencia y enorme elasticidad.

¡Próximamente podréis ver el vídeo del programa!