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PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE<br />
EL MUNDO NANO<br />
C<strong>en</strong>tro <strong>de</strong> Nanoci<strong>en</strong>cias y Nanotecnología, UNAM
Imág<strong>en</strong>es <strong>de</strong> la portada<br />
Cortesía <strong>de</strong>:<br />
© cambridge2000.com<br />
Gabriel Alonso Núñez, <strong>CNyN</strong><br />
Óscar Eug<strong>en</strong>io Jaime Acuña, <strong>CNyN</strong><br />
Mariana Oviedo Ban<strong>de</strong>ra, <strong>CNyN</strong><br />
Amelia Olivas Sarabia, <strong>CNyN</strong><br />
ii
Comité Editorial<br />
Joel Antúnez García<br />
Jesús Alberto Maytor<strong>en</strong>a Córdova<br />
Vitalii Petranovskii<br />
Oscar Raymond Herrera<br />
Leonardo Morales <strong>de</strong> la Garza<br />
Editor<br />
María Isabel Pérez Montfort<br />
Asist<strong>en</strong>te editorial<br />
iii
ÍNDICE DE ARTÍCULOS<br />
PRÓLOGO ........................................................................................................................................... v<br />
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................. vii<br />
Agra<strong>de</strong>cimi<strong>en</strong>tos ................................................................................................................................ viii<br />
¿A QUÉ NOS REFERIMOS CON NANO ....................................................................................................................... 1<br />
CONCEPTOS ..................................................................................................................................................................... 6<br />
¿QUÉ SON LOS NANOCOMPUESTOS ........................................................................................................................ 7<br />
¿QUÉ ES UN PUNTO CUÁNTICO .............................................................................................................................. 13<br />
FERROELECTRICIDAD: ¿TIENE EFECTO EL TAMAÑO ............................................................................................... 16<br />
¿QUÉ HACE LA LUZ EN ESPACIOS DE TAMAÑO NANOMÉTERICO .......................................................................... 22<br />
¿QUÉ ES UN NANOREACTOR .................................................................................................................................. 28<br />
MATERIALES .................................................................................................................................................................. 33<br />
¿QUÉ ES EL NANO-ORO .......................................................................................................................................... 34<br />
¿QUÉ ES UN DENDRÍMERO ..................................................................................................................................... 38<br />
¿QUÉ ES UN NANOGEL ........................................................................................................................................... 42<br />
¿QUÉ ES UNA NANOEMULSIÓN .............................................................................................................................. 45<br />
APLICACIONES ............................................................................................................................................................... 49<br />
¿CÓMO SE USAN LOS NANOCATALIZADORES PARA PRODUCIR COMBUSTIBLES FÓSILES LIMPIOS ...................... 50<br />
¿CÓMO PUEDE CONTRIBUIR LA NANOTECNOLOGÍA A LA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA LIMPIA ............................. 54<br />
¿QUÉ ES LA NANOFOTOCATÁLISIS Y PARA QUÉ NOS SIRVE ................................................................................... 57<br />
¿CÓMO FUNCIONAN LAS PELÍCULAS ANTIRREFLECTORAS EN CÁMARAS FOTOGRÁFICAS Y BINOCULARES ......... 62<br />
¿POR QUÉ UTILIZAR NANOPARTÍCULAS DE SILICIO PARA EL DESARROLLO DE NUEVOS DISPOSITIVOS<br />
ELECTRÓNICOS........................................................................................................................................................ 69<br />
¿CÓMO SE RELACIONAN LA NANOTECNOLOGÍA Y LA MEDICINA .......................................................................... 74<br />
¿QUÉ ES UN BIOMARCADOR .................................................................................................................................. 80<br />
ANEXOS ............................................................................................................................................... I<br />
GLOSARIO .......................................................................................................................................... II<br />
AUTORES ........................................................................................................................................... X<br />
ÍNDICE TEMÁTICO ....................................................................................................................... XIII<br />
iv
PRÓLOGO<br />
Noboru Takeuchi Tan<br />
En los últimos tiempos, las palabras nanoci<strong>en</strong>cia y nanotecnología se han incorporado al<br />
l<strong>en</strong>guaje cotidiano. Las <strong>en</strong>contramos <strong>en</strong> noticias sobre avances ci<strong>en</strong>tíficos <strong>en</strong> el tratami<strong>en</strong>to <strong>de</strong><br />
<strong>en</strong>fermeda<strong>de</strong>s como el cáncer, <strong>en</strong> nuevos materiales que ofrec<strong>en</strong> una amplia gama <strong>de</strong> v<strong>en</strong>tajas como<br />
el ser ultra resist<strong>en</strong>tes y ligeros y hasta <strong>en</strong> artículos <strong>de</strong> belleza.<br />
Aunque parezca sorpr<strong>en</strong>d<strong>en</strong>te, el uso <strong>de</strong> los nanomateriales no es nuevo, por ejemplo, los<br />
artesanos que diseñaban los vitrales <strong>en</strong> la Edad Media <strong>de</strong>scubrieron que al darle un tratami<strong>en</strong>to al<br />
oro podían obt<strong>en</strong>er una variedad <strong>de</strong> colores, los cuales, hoy sabemos, se <strong>de</strong>b<strong>en</strong> a la formación <strong>de</strong><br />
nanoestructuras. Más cercano a nuestra geografía, los antiguos pobladores <strong>de</strong> Mesoamérica<br />
utilizaban <strong>en</strong> sus murales el azul maya, un colorante artificial que ellos fabricaban, el cual, a<strong>de</strong>más<br />
<strong>de</strong> ser muy atractivo, ha <strong>de</strong>mostrado ser muy resist<strong>en</strong>te al paso <strong>de</strong>l tiempo. Reci<strong>en</strong>tem<strong>en</strong>te, se<br />
<strong>de</strong>scubrió que esas cualida<strong>de</strong>s se <strong>de</strong>b<strong>en</strong> a que el azul maya está formado por una mezcla <strong>de</strong> índigo<br />
(el material usado para colorear <strong>de</strong> azul la mezclilla) con una arcilla, la cual ti<strong>en</strong>e cavida<strong>de</strong>s <strong>de</strong><br />
tamaños nanoscópicos. Durante el procesami<strong>en</strong>to, las moléculas <strong>de</strong> índigo quedan atrapadas <strong>en</strong><br />
dichas cavida<strong>de</strong>s.<br />
Lo que es nuevo, es la habilidad para medir, manipular y organizar la materia a escalas<br />
nanométricas. Esto es posible principalm<strong>en</strong>te porque ya se cu<strong>en</strong>ta con la tecnología y algunos<br />
aparatos como los microscopios electrónicos, con los cuales es posible no sólo ver los átomos y las<br />
moléculas, sino también manipularlos.<br />
El t<strong>en</strong>er la capacidad <strong>de</strong> diseñar casi cualquier estructura molecular que permitan las leyes<br />
físicas es tan trasc<strong>en</strong>d<strong>en</strong>tal que distintos sectores <strong>de</strong> la población, <strong>en</strong>tre ellos los empresarios y los<br />
ci<strong>en</strong>tíficos proclaman que estamos ante el nacimi<strong>en</strong>to <strong>de</strong> una nueva revolución tecnológica, la cual<br />
impactará nuestro modo <strong>de</strong> vida <strong>en</strong> muchos aspectos. Es por eso que es necesaria una participación<br />
informada por parte <strong>de</strong> la sociedad y este texto sin duda será una valiosa aportación.<br />
Como suele suce<strong>de</strong>r <strong>en</strong> casos <strong>de</strong> tecnologías emerg<strong>en</strong>tes, éstas crean gran<strong>de</strong>s expectativas<br />
mezcladas con incertidumbre; por un lado, se espera que la nanoci<strong>en</strong>cia y la nanotecnología<br />
promuevan, <strong>de</strong> manera sust<strong>en</strong>table, una mejor calidad <strong>de</strong> vida para todos y, por el otro, hay<br />
preocupación por los riesgos que pudieran resultar <strong>de</strong> la exposición a productos que conti<strong>en</strong><strong>en</strong><br />
nanomateriales manufacturados. Esta ambigüedad pue<strong>de</strong> <strong>de</strong>berse al hecho <strong>de</strong> que hay una brecha<br />
v
<strong>en</strong>tre la investigación, el <strong>de</strong>sarrollo tecnológico y la información que permea hacia la comunidad<br />
acerca <strong>de</strong> los riegos y b<strong>en</strong>eficios <strong>de</strong> interactuar con este tipo <strong>de</strong> materiales. El C<strong>en</strong>tro <strong>de</strong><br />
Nanoci<strong>en</strong>cias y Nanotecnología (<strong>CNyN</strong>) <strong>de</strong> la UNAM, lí<strong>de</strong>r nacional con reconocimi<strong>en</strong>to<br />
internacional <strong>en</strong> investigación y educación <strong>en</strong> nanoci<strong>en</strong>cia y nanotecnología, <strong>en</strong>ti<strong>en</strong><strong>de</strong> la importancia<br />
<strong>de</strong> vincularse con la sociedad y por eso incluye <strong>en</strong>tre sus misiones difundir el conocimi<strong>en</strong>to <strong>de</strong> las<br />
nanoci<strong>en</strong>cias para promover la cultura y con eso g<strong>en</strong>erar un mayor interés por la ci<strong>en</strong>cia <strong>en</strong> g<strong>en</strong>eral<br />
y las nanoci<strong>en</strong>cias <strong>en</strong> particular.<br />
Con el propósito <strong>de</strong> establecer un contacto directo <strong>en</strong>tre los lectores y los académicos y<br />
divulgar sus conocimi<strong>en</strong>tos, el <strong>CNyN</strong> compiló <strong>en</strong> este <strong>libro</strong> una variedad <strong>de</strong> preguntas y respuestas<br />
especialm<strong>en</strong>te <strong>en</strong>focadas <strong>en</strong> el trabajo que los investigadores están realizando <strong>en</strong> el C<strong>en</strong>tro <strong>en</strong><br />
relación con la materia a esas pequeñas escalas.<br />
A través <strong>de</strong> sus páginas, el usuario podrá darse una bu<strong>en</strong>a i<strong>de</strong>a <strong>de</strong> lo que trata el mundo <strong>en</strong> la<br />
escala <strong>de</strong> lo nano, dón<strong>de</strong> y cómo se produc<strong>en</strong> los materiales con estas características y cuáles son sus<br />
principales aplicaciones.<br />
vi
INTRODUCCIÓN<br />
El <strong>libro</strong> que aquí pres<strong>en</strong>tamos es una colección <strong>de</strong> textos cortos e ilustrados <strong>de</strong> divulgación<br />
acerca <strong>de</strong> diversos aspectos <strong>de</strong> las nanoci<strong>en</strong>cias. Está dirigido principalm<strong>en</strong>te a estudiantes y público<br />
interesado <strong>en</strong> temas ci<strong>en</strong>tíficos y tecnológicos <strong>de</strong> actualidad. Su elaboración estuvo a cargo <strong>de</strong><br />
investigadores <strong>de</strong>l C<strong>en</strong>tro <strong>de</strong> Nanoci<strong>en</strong>cias y Nanotecnología <strong>de</strong> la <strong>Universidad</strong> <strong>Nacional</strong> Autónoma<br />
<strong>de</strong> México (<strong>CNyN</strong>-UNAM) que se <strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tra <strong>en</strong> Ens<strong>en</strong>ada, Baja California. El <strong>CNyN</strong>-UNAM es un<br />
c<strong>en</strong>tro <strong>de</strong> investigación y <strong>en</strong>señanza sobre materiales y f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>os que ocurr<strong>en</strong> a la escala<br />
nanométrica. Los autores <strong>de</strong>l <strong>libro</strong> se propusieron <strong>de</strong>scribir f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>os <strong>de</strong>l campo <strong>de</strong> su especialidad<br />
y el tipo <strong>de</strong> trabajo que <strong>de</strong>sarrollan, para acercar a los lectores interesados a estos temas <strong>de</strong> gran<br />
actualidad.<br />
Hoy <strong>en</strong> día, no se necesita ser un especialista para saber que exist<strong>en</strong> nanochips que hac<strong>en</strong> a<br />
las computadoras más veloces, sobre la exist<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> materiales nanoestructurados que aum<strong>en</strong>tan la<br />
resist<strong>en</strong>cia y flexibilidad <strong>de</strong> otros materiales, sobre los LEDs o diodos emisores <strong>de</strong> luz que vemos<br />
<strong>en</strong> los semáforos <strong>de</strong> tráfico y <strong>en</strong> lámparas <strong>de</strong> uso diario, sobre nanocatalizadores que contribuy<strong>en</strong> a<br />
limpiar el medio ambi<strong>en</strong>te y sobre cremas y cosméticos elaborados con nanopartículas que mejoran<br />
sus propieda<strong>de</strong>s. También es conocido que <strong>en</strong> la medicina ha habido avances <strong>en</strong> la cura <strong>de</strong><br />
<strong>en</strong>fermeda<strong>de</strong>s tratadas con medicam<strong>en</strong>tos nano<strong>en</strong>capsulados, que el uso <strong>de</strong> nanotubos <strong>de</strong> carbón<br />
mejora las propieda<strong>de</strong>s <strong>de</strong> los materiales y que, <strong>en</strong> el futuro, se podrá implem<strong>en</strong>tar la propiedad<br />
intrínseca <strong>de</strong>l electrón llamada espín, para fabricar computadoras. El afán <strong>de</strong> este <strong>libro</strong> ha sido<br />
explicar algunos <strong>de</strong> estos avances <strong>de</strong> la nanotecnología <strong>en</strong> forma accesible.<br />
Por otra parte, el <strong>en</strong>t<strong>en</strong>dimi<strong>en</strong>to <strong>de</strong> los f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>os a nivel teórico constituye un reto para la<br />
ci<strong>en</strong>cia básica y resulta necesario para explicar las observaciones experim<strong>en</strong>tales, <strong>en</strong>focar los<br />
problemas conceptuales relevantes y ori<strong>en</strong>tar futuros experim<strong>en</strong>tos. A<strong>de</strong>más <strong>de</strong> los <strong>de</strong>sarrollos <strong>en</strong><br />
nanotecnología, los avances <strong>en</strong> las técnicas <strong>de</strong> fabricación <strong>de</strong> nanoestructuras han permitido la<br />
realización <strong>de</strong> nuevos experim<strong>en</strong>tos que a su vez han revelado f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>os físicos sorpr<strong>en</strong>d<strong>en</strong>tes cuya<br />
compr<strong>en</strong>sión es <strong>de</strong> importancia fundam<strong>en</strong>tal.<br />
Los problemas ci<strong>en</strong>tíficos <strong>de</strong>l mundo nano, <strong>en</strong> don<strong>de</strong> concurr<strong>en</strong> diversas disciplinas,<br />
<strong>de</strong>spiertan un interés natural, intrínseco, pican la curiosidad, puesto que al final, como <strong>en</strong> toda<br />
ci<strong>en</strong>cia, la motivación primordial, el objetivo <strong>de</strong> las nanoci<strong>en</strong>cias, es el conocimi<strong>en</strong>to.<br />
vii
El <strong>libro</strong> está organizado <strong>en</strong> tres secciones: Conceptos, Materiales y Aplicaciones, pero cada<br />
artículo se pue<strong>de</strong> leer <strong>de</strong> forma in<strong>de</strong>p<strong>en</strong>di<strong>en</strong>te. El artículo inicial <strong>de</strong>l <strong>libro</strong> se titula ¿Qué es lo nano<br />
y conti<strong>en</strong>e <strong>de</strong>finiciones <strong>de</strong>l mundo nano que permitirán una mejor compr<strong>en</strong>sión <strong>de</strong> los <strong>de</strong>más<br />
artículos. Algunos autores sugier<strong>en</strong> lecturas adicionales y que al final se incluye un glosario con<br />
<strong>de</strong>finiciones <strong>de</strong> términos especializados que complem<strong>en</strong>ta la lectura.<br />
Ésta es una invitación a ad<strong>en</strong>trarse <strong>en</strong> el fascinante mundo nano y esperamos que los temas<br />
aquí tratados <strong>de</strong>spiert<strong>en</strong> el interés <strong>de</strong> los lectores por conocerlo mejor. Los datos <strong>de</strong> los autores<br />
aparec<strong>en</strong> al final <strong>de</strong>l <strong>libro</strong> para aquellos lectores que <strong>de</strong>se<strong>en</strong> consultar dudas o hacerles llegar<br />
com<strong>en</strong>tarios.<br />
Si la lectura <strong>de</strong> este <strong>libro</strong> <strong>de</strong>spierta la curiosidad <strong>de</strong>l lector, contesta algunas <strong>de</strong> sus preguntas<br />
y sirve como estímulo para conocer mejor el mundo nano, se habrá cumplido nuestro objetivo.<br />
El comité editorial<br />
Agra<strong>de</strong>cimi<strong>en</strong>tos<br />
El comité editorial agra<strong>de</strong>ce profundam<strong>en</strong>te a todos aquéllos que participaron <strong>en</strong> la<br />
elaboración <strong>de</strong> este <strong>libro</strong>. Especiales gracias a Juan Peralta por el apoyo técnico y a Pamela Rubio<br />
por su esmerado trabajo <strong>en</strong> la edición final <strong>de</strong>l texto. La colaboración y paci<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> todos fue<br />
indisp<strong>en</strong>sable para lograr que este <strong>libro</strong> se convirtiera <strong>en</strong> una realidad.<br />
viii
¿A QUÉ NOS REFERIMOS CON NANO<br />
Joel Antúnez García, Jesús Alberto Maytor<strong>en</strong>a Córdova, Leonardo Morales <strong>de</strong> la Garza, María<br />
Isabel Pérez Montfort, Vitalii Petranovskii y Oscar Raymond Herrera<br />
En las ci<strong>en</strong>cias naturales y exactas es muy común el empleo <strong>de</strong> prefijos para situarnos <strong>en</strong> una<br />
escala espacial o temporal. Por ejemplo, usamos el prefijo kilo para referirnos a 1000 metros cuando<br />
<strong>de</strong>cimos kilómetro, la estatura <strong>de</strong> una persona la citamos <strong>en</strong> metros y no <strong>en</strong> milímetros, y con el<br />
prefijo mili <strong>de</strong>scribimos el tamaño <strong>de</strong> un insecto que pue<strong>de</strong> medir cerca <strong>de</strong> una milésima <strong>de</strong> un<br />
metro o, <strong>en</strong> notación ci<strong>en</strong>tífica, 1 × 10 -3 m. Un microbio se mi<strong>de</strong> <strong>en</strong> micras que correspon<strong>de</strong> a 1 x 10 -<br />
6<br />
m. De la misma manera, el prefijo nano se emplea para referirnos a la mil-millonésima parte, o 1 ×<br />
10 -9 , <strong>de</strong> un metro: el nanómetro, o <strong>de</strong> un segundo: el nanosegundo. El mundo nano se refiere a<br />
sistemas y f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>os que involucran esta escala.<br />
Un nanosegundo pareciera un lapso muy corto <strong>de</strong> tiempo, pero pue<strong>de</strong> ser muy largo si<br />
hablamos <strong>de</strong> f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>os que ocurr<strong>en</strong> a nivel atómico o molecular, como las transiciones electrónicas<br />
<strong>de</strong> un estado <strong>de</strong> <strong>en</strong>ergía a otro, que suced<strong>en</strong> <strong>en</strong> tiempos aún más cortos que los nanosegundos, <strong>en</strong><br />
femto (10 -15 ) o <strong>en</strong> picosegundos (10 -12 ), o sea <strong>en</strong>tre 1 × 10 -6 y 1 × 10 -3 nanosegundos. Un ejemplo<br />
mucho más familiar que ocurre <strong>en</strong> nanosegundos es el número <strong>de</strong> operaciones que pue<strong>de</strong> llevar a<br />
cabo el procesador <strong>de</strong> una computadora <strong>de</strong> las que usamos diariam<strong>en</strong>te <strong>en</strong> casa: es <strong>de</strong>l ord<strong>en</strong> <strong>de</strong> un<br />
billón <strong>de</strong> operaciones por segundo o 1000 operaciones <strong>en</strong> un nanosegundo. Otro ejemplo es que,<br />
como es muy conocido, la velocidad <strong>de</strong> la luz es <strong>de</strong> alre<strong>de</strong>dor <strong>de</strong> 300,000 km/s; esto significa que <strong>en</strong><br />
un nanosegundo la luz recorre casi 30 cm.<br />
Por otra parte, el nanómetro se utiliza como unidad para medir el tamaño <strong>de</strong> grupos <strong>de</strong> átomos<br />
y moléculas; por ejemplo, la molécula <strong>de</strong> agua mi<strong>de</strong> alre<strong>de</strong>dor <strong>de</strong> 0.3 nm, por lo que, si alineáramos<br />
3 moléculas <strong>de</strong> agua, esta fila mediría aproximadam<strong>en</strong>te un nanómetro. El diámetro <strong>de</strong> algunos<br />
virus, por ejemplo, es <strong>de</strong>l ord<strong>en</strong> <strong>de</strong> 20 nanómetros.<br />
1
Otro concepto importante <strong>en</strong> este campo <strong>de</strong> estudio es el <strong>de</strong> las nanopartículas las cuales son<br />
agrupaciones <strong>de</strong> átomos <strong>de</strong> uno o varios compuestos que mid<strong>en</strong> varios nanómetros <strong>de</strong> diámetro. Las<br />
propieda<strong>de</strong>s fisicoquímicas <strong>de</strong> estas partículas nanométricas, por ejemplo, su actividad catalítica y<br />
su interacción con la luz, <strong>de</strong>p<strong>en</strong>d<strong>en</strong> <strong>de</strong> su tamaño y <strong>de</strong> su geometría y, <strong>en</strong> g<strong>en</strong>eral, difier<strong>en</strong><br />
drásticam<strong>en</strong>te <strong>de</strong> las propieda<strong>de</strong>s que muestra el mismo material a escala macroscópica. Para<br />
explicar las propieda<strong>de</strong>s <strong>de</strong> las nanopartículas se recurre principalm<strong>en</strong>te a la mecánica cuántica.<br />
A la escala nanométrica, las propieda<strong>de</strong>s <strong>de</strong>p<strong>en</strong>d<strong>en</strong> no solo <strong>de</strong>l tamaño <strong>de</strong> la nanopartícula sino<br />
también <strong>de</strong> la forma <strong>en</strong> la que están acomodados los átomos. Aun cuando dos nanopartículas están<br />
formadas por el mismo material y con el mismo número <strong>de</strong> átomos, si su estructura geométrica es<br />
difer<strong>en</strong>te, sus propieda<strong>de</strong>s serán distintas (Fig. 1).<br />
Figura 1. Nanopartículas formadas por el mismo número <strong>de</strong> átomos con distinta estructura geométrica: a)<br />
icosaédrica y b) cuboctaédrica. El arreglo distinto <strong>de</strong> los átomos les da propieda<strong>de</strong>s fisicoquímicas<br />
difer<strong>en</strong>tes.<br />
Por su parte, las estructuras nanométricas son aquellas que mid<strong>en</strong> nanómetros <strong>en</strong> al m<strong>en</strong>os una<br />
<strong>de</strong> sus dim<strong>en</strong>siones; las otras dim<strong>en</strong>siones pued<strong>en</strong> ser <strong>de</strong> mayor tamaño. Por ejemplo, los nanotubos<br />
<strong>de</strong> carbono ti<strong>en</strong><strong>en</strong> un diámetro <strong>de</strong> algunos nanómetros y pued<strong>en</strong> t<strong>en</strong>er varias micras <strong>de</strong> longitud (Fig.<br />
2).<br />
En la primera mitad <strong>de</strong>l siglo XX, ya existía la posibilidad <strong>de</strong> observar la materia a nivel<br />
nanométrico gracias a los microscopios electrónicos que para <strong>en</strong>tonces se habían <strong>de</strong>sarrollado. Para<br />
formar la imag<strong>en</strong>, estos microscopios emplean un haz <strong>de</strong> electrones, a difer<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> los<br />
microscopios ópticos que emplean un haz <strong>de</strong> luz, y con ello se logra una mucho mayor resolución <strong>de</strong><br />
las imág<strong>en</strong>es. Un microscopio <strong>de</strong> este tipo es el microscopio electrónico <strong>de</strong> barrido (SEM, <strong>de</strong>l inglés<br />
2
scanning electron microscope) que es un instrum<strong>en</strong>to <strong>de</strong> alta precisión con el que se pue<strong>de</strong> observar<br />
la morfología <strong>de</strong> los materiales a nivel micro y nanométrico. Otro, es el microscopio electrónico <strong>de</strong><br />
trasmisión (TEM, <strong>de</strong>l inglés transmission electron microscope) con el cual se pue<strong>de</strong> observar la<br />
estructura <strong>de</strong> la materia a nivel atómico.<br />
Como ejemplo <strong>de</strong> las capacida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> estos microscopios, <strong>en</strong> la figura 2 se muestran imág<strong>en</strong>es<br />
<strong>de</strong> nanotubos <strong>de</strong> carbono a difer<strong>en</strong>tes escalas tomadas con estas dos técnicas <strong>de</strong> microscopía.<br />
a b c<br />
Figura 2. Nanotubos <strong>de</strong> carbono <strong>de</strong> capa multiple con distintas amplificaciones. a) Imag<strong>en</strong> <strong>de</strong> SEM que<br />
muestra nanotubos cuya longitud es <strong>de</strong> varias micras (la escala es <strong>de</strong> 2.5 micras); b) imag<strong>en</strong> <strong>de</strong> SEM que<br />
muestra <strong>en</strong> <strong>de</strong>talle los mismos nanotubos don<strong>de</strong> se aprecia un diámetro exterior m<strong>en</strong>or a 100nm; c) imag<strong>en</strong><br />
<strong>de</strong> TEM que muestra el diámetro interior m<strong>en</strong>or a 10 nm <strong>de</strong> un nanotubo. Se observan las multicapas <strong>de</strong>l<br />
nanotubo (la escala mostrada es <strong>de</strong> 5 nm). (Cortesía <strong>de</strong> Gabriel Alonso, <strong>CNyN</strong>)<br />
Muchos autores consi<strong>de</strong>ran a Richard Feynman como el padre <strong>de</strong> la nanoci<strong>en</strong>cia y la<br />
nanotecnología ya que <strong>en</strong> 1959 pres<strong>en</strong>tó una confer<strong>en</strong>cia <strong>en</strong> el Instituto Tecnológico <strong>de</strong> California<br />
(Caltech), titulada “There's pl<strong>en</strong>ty of room at the bottom”, o “Hay mucho espacio <strong>en</strong> el fondo”. En<br />
esta confer<strong>en</strong>cia, planteó que las leyes <strong>de</strong> la física no impedían manipular la materia átomo por<br />
átomo y que, <strong>de</strong> hacerlo, existiría todo un universo <strong>de</strong> posibilida<strong>de</strong>s tecnológicas.<br />
Esta posibilidad se hizo realidad a partir <strong>de</strong> la inv<strong>en</strong>ción <strong>de</strong>l microscopio <strong>de</strong> efecto túnel (STM<br />
<strong>de</strong>l inglés scanning tunneling microscope) que, a difer<strong>en</strong>cia <strong>de</strong>l SEM y el TEM, pres<strong>en</strong>tó por<br />
primera vez la posibilidad <strong>de</strong> manipular la materia a nivel atómico. A partir <strong>de</strong> este <strong>de</strong>scubrimi<strong>en</strong>to<br />
se <strong>de</strong>sarrolló la nanotecnología, con lo que también se cumplió la predicción <strong>de</strong> Richard Feynman,<br />
qui<strong>en</strong> vivió unos años más <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> la inv<strong>en</strong>ción <strong>de</strong>l STM. Como ejemplo <strong>de</strong> la resolución <strong>de</strong> este<br />
3
microscopio, <strong>en</strong> la figura 3, se muestra una imag<strong>en</strong> <strong>de</strong> STM <strong>de</strong> una capa <strong>de</strong> átomos <strong>de</strong> yodo sobre<br />
una superficie cristalina <strong>de</strong> oro.<br />
Figura 3. Imag<strong>en</strong> <strong>de</strong> STM (5 nm x 5 nm) <strong>de</strong> una capa <strong>de</strong> átomos <strong>de</strong> yodo, puntos más brillantes, sobre una<br />
superficie cristalina <strong>de</strong> oro. La escala <strong>de</strong> la <strong>de</strong>recha indica la profunidad relativa <strong>en</strong> nm. (Cortesía <strong>de</strong> José<br />
Val<strong>en</strong>zuela, <strong>CNyN</strong>)<br />
Las nanoci<strong>en</strong>cias utilizan primordialm<strong>en</strong>te la mecánica cuántica para mo<strong>de</strong>lar, pre<strong>de</strong>cir y<br />
explicar propieda<strong>de</strong>s <strong>de</strong> los materiales que se observan experim<strong>en</strong>talm<strong>en</strong>te; por ejemplo, investigan<br />
bajo qué parámetros <strong>de</strong> temperatura y presión se pued<strong>en</strong> obt<strong>en</strong>er nanomateriales <strong>de</strong> tamaño y<br />
estructura controlada y qué propieda<strong>de</strong>s físico-químicas exhib<strong>en</strong>. Es claro que la física y la química<br />
forman los bloques fundam<strong>en</strong>tales <strong>de</strong> las nanoci<strong>en</strong>cias. Hoy <strong>en</strong> día estas disciplinas también<br />
incluy<strong>en</strong> a la medicina, a la biología y a la agronomía, <strong>en</strong>tre otras, lo que señala su naturaleza<br />
multidisciplinaria.<br />
Las nanoci<strong>en</strong>cias se <strong>en</strong>cargan <strong>de</strong> estudiar la estructura y las propieda<strong>de</strong>s físico-químicas <strong>de</strong> los<br />
materiales a escala nanométrica y <strong>de</strong> <strong>de</strong>sarrollar nuevos materiales, así como <strong>de</strong>l estudio <strong>de</strong> nuevos<br />
f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>os que surg<strong>en</strong> a la escala nanométrica.<br />
4
A su vez, la nanotecnología compr<strong>en</strong><strong>de</strong> la capacidad <strong>de</strong> construir y manipular objetos y<br />
dispositivos a nivel nanométrico. En la actualidad, hay muchos productos <strong>en</strong> el mercado que<br />
incluy<strong>en</strong> compon<strong>en</strong>tes obt<strong>en</strong>idos por medio <strong>de</strong> procesos nanotecnológicos; <strong>en</strong>tre ellos po<strong>de</strong>mos<br />
m<strong>en</strong>cionar las cremas <strong>de</strong> protección solar con nanopartículas que absorb<strong>en</strong> radiación ultravioleta,<br />
lámparas más pot<strong>en</strong>tes como los LEDs o diodos emisores <strong>de</strong> luz y circuitos integrados o nanochips.<br />
En la medicina se han hecho pruebas con nanopartículas que muestran gran efectividad <strong>en</strong> el<br />
combate <strong>de</strong> ciertos tipos <strong>de</strong> virus, <strong>de</strong> tumores y <strong>de</strong> cáncer. En el campo <strong>de</strong> la biología se han creado<br />
nuevos pesticidas que conti<strong>en</strong><strong>en</strong> nanopartículas que optimizan el tratami<strong>en</strong>to <strong>de</strong> aguas residuales.<br />
En el futuro, las nanoci<strong>en</strong>cias y la nanotecnología estarán más integradas a nuestra vida<br />
cotidiana. No olvi<strong>de</strong>mos que la nanotecnología es consecu<strong>en</strong>cia <strong>de</strong>l conocimi<strong>en</strong>to que g<strong>en</strong>eran las<br />
nanoci<strong>en</strong>cias y viceversa, las nanoci<strong>en</strong>cias se <strong>en</strong>riquec<strong>en</strong> a partir <strong>de</strong> los avances <strong>en</strong> la<br />
nanotecnología. Se espera que juntas, estas disciplinas contribuyan a resolver problemas<br />
fundam<strong>en</strong>tales <strong>de</strong> nuestra sociedad, como el <strong>de</strong> la <strong>en</strong>ergía que hoy todavía es muy <strong>de</strong>p<strong>en</strong>di<strong>en</strong>te <strong>de</strong><br />
los combustibles fósiles, y el <strong>de</strong>l abastecimi<strong>en</strong>to <strong>de</strong>l agua, por m<strong>en</strong>cionar dos <strong>en</strong>tre muchos otros que<br />
t<strong>en</strong>emos ya <strong>en</strong> puerta.<br />
5
CONCEPTOS<br />
6
¿QUÉ SON LOS NANOCOMPUESTOS<br />
Oscar Raymond Herrera, Oscar Eug<strong>en</strong>io Jaime Acuña y Pamela Rubio Pereda<br />
Es bi<strong>en</strong> conocido que un compuesto químico es aquella sustancia constituida por la unión <strong>de</strong><br />
dos o más elem<strong>en</strong>tos químicos que guardan cierta proporción, y se id<strong>en</strong>tifica mediante una fórmula<br />
química, por ejemplo, el agua (H 2 O) o el cloruro <strong>de</strong> sodio (NaCl). En cambio, un material<br />
compuesto, concepto que <strong>en</strong> el inglés correspon<strong>de</strong> a la palabra técnica “composite”, es un cuerpo<br />
sólido constituido por una mezcla <strong>de</strong> dos o más difer<strong>en</strong>tes tipos <strong>de</strong> materiales (metálicos, cerámicas,<br />
vidrios, polímeros, <strong>en</strong>tre otros). En un material compuesto se combinan las características<br />
estructurales y/o funcionales <strong>de</strong> cada uno <strong>de</strong> sus compon<strong>en</strong>tes, buscando la aparición <strong>de</strong> nuevas y<br />
mejores propieda<strong>de</strong>s físico-químicas no pres<strong>en</strong>tes <strong>en</strong> cualquiera <strong>de</strong> los compon<strong>en</strong>tes por separado.<br />
Una gran variedad <strong>de</strong> los materiales empleados <strong>en</strong> la industria mo<strong>de</strong>rna son compuestos que se<br />
fabrican <strong>en</strong> difer<strong>en</strong>tes escalas <strong>en</strong> cuanto a las dim<strong>en</strong>siones <strong>de</strong> sus compon<strong>en</strong>tes. Un ejemplo clásico<br />
<strong>de</strong> un compuesto fabricado <strong>en</strong> la escala macroscópica es el concreto que es una mezcla <strong>de</strong> agua,<br />
cem<strong>en</strong>to, grava y ar<strong>en</strong>a. Cada uno <strong>de</strong> estos compon<strong>en</strong>tes <strong>de</strong>sempeña una función y otorga ciertas<br />
propieda<strong>de</strong>s al compuesto final que <strong>de</strong> ninguna manera pudieran obt<strong>en</strong>erse por los compon<strong>en</strong>tes<br />
individuales. Sin embargo, el concreto, aun con sus magníficas propieda<strong>de</strong>s mecánicas, cuando se<br />
utiliza para la construcción frecu<strong>en</strong>tem<strong>en</strong>te requiere <strong>de</strong>l acero que le otorga mayor rigi<strong>de</strong>z,<br />
resist<strong>en</strong>cia a la compresión o a la tracción y a la flexión, <strong>en</strong>tre otras características <strong>de</strong>seables. Muy<br />
similar a la función <strong>de</strong>l acero <strong>en</strong> el concreto, las fibras <strong>de</strong> carbono o <strong>de</strong> vidrio son compon<strong>en</strong>tes que<br />
han revolucionado la fabricación <strong>de</strong> materiales compuestos, dándoles excel<strong>en</strong>tes propieda<strong>de</strong>s<br />
mecánicas como alta dureza, muy bajo peso y gran flexibilidad, las cuales g<strong>en</strong>eralm<strong>en</strong>te no se<br />
<strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tran <strong>en</strong> materiales <strong>de</strong> una sola composición química. Este tipo <strong>de</strong> fibras han sido empleadas<br />
<strong>en</strong> industrias como la <strong>de</strong>l <strong>de</strong>porte, la pesca <strong>de</strong>portiva, la navegación y la construcción.<br />
7
Figura 2<br />
En la tecnología se pue<strong>de</strong> hablar <strong>de</strong> tres arquitecturas básicas que conforman a los<br />
compuestos, ilustradas <strong>en</strong> la figura 1 para compuestos <strong>de</strong> dos compon<strong>en</strong>tes. El primero se conoce<br />
como mo<strong>de</strong>lo particulado y el concreto es un ejemplo <strong>de</strong> material con esta arquitectura, el segundo<br />
como laminar, un ejemplo es el taraflex empleado <strong>en</strong> instalaciones <strong>de</strong>portivas, y el tercero es el<br />
columnar o <strong>de</strong> fibra, pres<strong>en</strong>te <strong>en</strong> la estructura <strong>de</strong> las llantas <strong>de</strong> automóviles con cuerdas <strong>de</strong> nylon, <strong>de</strong><br />
acero, o con una combinación <strong>de</strong> ambas.<br />
En 1948, se inició el <strong>de</strong>sarrollo <strong>de</strong> una nueva rama <strong>de</strong> la industria llamada tecnología planar<br />
que, basada <strong>en</strong> el mo<strong>de</strong>lo laminar, fabricó el primer transistor bipolar <strong>de</strong> estado sólido a escala<br />
micrométrica. El mo<strong>de</strong>lo laminar fue el motor principal <strong>de</strong> la revolución que se dio <strong>en</strong> el siglo XX<br />
<strong>en</strong> la industria microelectrónica y ha t<strong>en</strong>ido gran impacto <strong>en</strong> el progreso alcanzado hasta nuestros<br />
días <strong>en</strong> numerosas ramas industriales.<br />
Nanocompuestos<br />
Conoci<strong>en</strong>do las bonda<strong>de</strong>s que ofrec<strong>en</strong> los materiales compuestos, el actual <strong>de</strong>sarrollo <strong>de</strong> la<br />
nanotecnología se ha <strong>en</strong>focado <strong>en</strong> el diseño y la fabricación <strong>de</strong> tales tipos <strong>de</strong> compuestos. En el<br />
ámbito <strong>de</strong> la investigación ci<strong>en</strong>tífica-tecnológica, actualm<strong>en</strong>te se promueve <strong>en</strong> muchos países el<br />
<strong>de</strong>sarrollo <strong>de</strong> nuevas estructuras, sistemas y dispositivos constituidos por partes <strong>de</strong> dim<strong>en</strong>siones<br />
nanométricas que <strong>de</strong>signamos como nanocompuestos.<br />
La estructura <strong>de</strong> los nanocompuestos sigue los mismos patrones arquitectónicos que<br />
mostramos <strong>en</strong> la figura 1, o bi<strong>en</strong>, pue<strong>de</strong> pres<strong>en</strong>tar una combinación <strong>de</strong> éstos. La fabricación <strong>de</strong> un<br />
compuesto nanoestructurado, a<strong>de</strong>más <strong>de</strong> pres<strong>en</strong>tar incuestionables v<strong>en</strong>tajas por su miniaturización,<br />
integra una nuevas funcionalida<strong>de</strong>s a partir <strong>de</strong> las propieda<strong>de</strong>s que aporta cada una <strong>de</strong> <strong>de</strong> las partes<br />
constituy<strong>en</strong>tes. De este modo, con los nanocompuestos se pued<strong>en</strong> obt<strong>en</strong>er materiales que super<strong>en</strong> la<br />
8
capacidad actual <strong>de</strong> almac<strong>en</strong>ami<strong>en</strong>to y transmisión <strong>de</strong> la información <strong>en</strong> el m<strong>en</strong>or espacio posible,<br />
que permitan el <strong>de</strong>sarrollo <strong>de</strong> sistemas intelig<strong>en</strong>tes auto gobernables con m<strong>en</strong>or consumo <strong>de</strong> <strong>en</strong>ergía,<br />
que g<strong>en</strong>er<strong>en</strong> nuevas fu<strong>en</strong>tes <strong>de</strong> <strong>en</strong>ergía, o logr<strong>en</strong> mayor control <strong>en</strong> el tratami<strong>en</strong>to <strong>de</strong> <strong>en</strong>fermeda<strong>de</strong>s,<br />
como ejemplos <strong>de</strong> la infinitud <strong>de</strong> aplicaciones <strong>de</strong> la nanotecnología al bi<strong>en</strong>estar <strong>de</strong>l ser humano.<br />
Figura 3<br />
Nuevos dispositivos transductores, que son elem<strong>en</strong>tos que conviert<strong>en</strong> un tipo <strong>de</strong> <strong>en</strong>ergía <strong>en</strong><br />
otra, por ejemplo, un transductor electromecánico transforma <strong>en</strong>ergía eléctrica <strong>en</strong> mecánica y vice<br />
versa, se investigan actualm<strong>en</strong>te <strong>en</strong> el <strong>CNyN</strong>. Los nanocompuestos <strong>de</strong> interés son aquellos que<br />
gozan <strong>de</strong> excel<strong>en</strong>tes propieda<strong>de</strong>s eléctricas y los que ti<strong>en</strong><strong>en</strong> propieda<strong>de</strong>s magnéticas. Actualm<strong>en</strong>te,<br />
se investiga el crecimi<strong>en</strong>to <strong>de</strong> películas <strong>de</strong>lgadas conformadas por nanocolumnas <strong>de</strong>l compuesto<br />
ferrimagnético ferrita <strong>de</strong> cobalto CoFe 2 O 4 (CFO) (con propieda<strong>de</strong>s magnéticas) embebidas <strong>en</strong> una<br />
matriz ferroeléctrica <strong>de</strong> titanato <strong>de</strong> bario BaTiO 3 (BTO) (con propieda<strong>de</strong>s eléctricas) (ver figura 2)<br />
para formar nanocompuestos magnetoeléctricos (que conviert<strong>en</strong> la <strong>en</strong>ergía magnética <strong>en</strong> <strong>en</strong>ergía<br />
eléctrica o viceversa). El crecimi<strong>en</strong>to <strong>de</strong> películas <strong>de</strong>lgadas se lleva a cabo mediante la técnica <strong>de</strong><br />
erosión iónica. En estos nanocompuestos magnetoeléctricos, a partir <strong>de</strong> la aplicación <strong>de</strong> campos<br />
magnéticos externos (por ejemplo, acercando un imán) que afectan la magnetización <strong>de</strong> las<br />
nanocolumnas <strong>de</strong>l ferrimagnético CFO, se logra <strong>de</strong>formar elásticam<strong>en</strong>te la matriz ferroeléctrica <strong>de</strong>l<br />
BTO y, por lo tanto, cambiar su estado <strong>de</strong> polarización eléctrica, lo cual altera la distribución <strong>de</strong><br />
cargas <strong>en</strong> la superficie <strong>de</strong>l nanocompuesto. Esto último, produce una señal <strong>de</strong> corri<strong>en</strong>te que se pue<strong>de</strong><br />
medir con galvanómetros <strong>de</strong> alta s<strong>en</strong>sibilidad. En forma análoga, el efecto magnetoeléctrico ocurre<br />
al aplicar un voltage (difer<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> pot<strong>en</strong>cial eléctrico) o un campo eléctrico externo que, al afectar<br />
9
la distribución <strong>de</strong> las cargas eléctricas, <strong>de</strong>forma elásticam<strong>en</strong>te la matriz ferroeléctrica BTO, y ésta, a<br />
su vez, <strong>de</strong>forma al ferrimagnético CFO embebido, logrando cambiar su estado <strong>de</strong> magnetización.<br />
Con ello, se afecta el <strong>en</strong>torno magnético <strong>de</strong>l nanocompuesto y los cambios pued<strong>en</strong> <strong>de</strong>tectarse con<br />
espiras metálicas externas <strong>de</strong> dim<strong>en</strong>siones a<strong>de</strong>cuadas. Tales nanocompuestos, <strong>en</strong>tre otras muchas<br />
aplicaciones, pued<strong>en</strong> emplearse como <strong>de</strong>tectores <strong>de</strong> campos magnéticos extremadam<strong>en</strong>te pequeños,<br />
como los que g<strong>en</strong>eran sistemas biológicos minúsculos, por ejemplo, las células.<br />
Nanocompuestos fotoactivos<br />
Otros nanocompuestos que se <strong>de</strong>sarrollan <strong>en</strong> el <strong>CNyN</strong> son los nanocompuestos fotoactivos<br />
basados <strong>en</strong> la síntesis <strong>de</strong> nanopartículas <strong>de</strong> materiales semiconductores adheridos a la superficie<br />
interior y exterior <strong>de</strong> materiales mesoporosos. Los materiales mesoporosos ti<strong>en</strong><strong>en</strong> poros <strong>de</strong> tamaños<br />
intermedios, o meso, <strong>en</strong>tre los nanoporos (~ 1 nm) y los microporos (~ 1 µm). El material que se<br />
utiliza <strong>en</strong> estas investigaciones se d<strong>en</strong>omina zeolita. En la figura 3, se muestra la estructura <strong>de</strong> una<br />
zeolita tipo mord<strong>en</strong>ita (MOR) <strong>en</strong> la que se aprecia un canal <strong>en</strong> el c<strong>en</strong>tro que es característico <strong>de</strong><br />
este material poroso y ti<strong>en</strong>e 0.6 nm × 0.7 nm <strong>de</strong> diámetro.<br />
Figura 3<br />
Una zeolita se convierte <strong>en</strong> un nanocompuesto fotoactivo al insertar <strong>en</strong> el canal un material<br />
semiconductor, el cual, al ser irradiado con luz, se convierte <strong>en</strong> un intercambiador <strong>de</strong> electrones que<br />
modifica las propieda<strong>de</strong>s ópticas y electrónicas <strong>de</strong>l nanocompuesto (ver, por ejemplo, la respuesta<br />
óptica <strong>de</strong> difer<strong>en</strong>tes nanocompuestos pres<strong>en</strong>tada <strong>en</strong> la figura 6). Los nanocompuestos formados por<br />
zeolitas y semiconductores ti<strong>en</strong><strong>en</strong> gran pot<strong>en</strong>cial <strong>de</strong> aplicación <strong>en</strong> el campo <strong>de</strong> la optoelectrónica<br />
como foto<strong>de</strong>tectores o convertidores <strong>de</strong> <strong>en</strong>ergía luminosa, <strong>en</strong> particular la prov<strong>en</strong>i<strong>en</strong>te <strong>de</strong>l Sol, y<br />
10
muy especialm<strong>en</strong>te <strong>en</strong> la fotocatálisis, como se <strong>de</strong>scribe <strong>en</strong> la pregunta ¿QUÉ ES LA<br />
NANOFOTOCATÁLISIS Y PARA QUÉ NOS SIRVE <strong>de</strong> este <strong>libro</strong>.<br />
Figura 4<br />
Para la obt<strong>en</strong>ción <strong>de</strong> los nanocompuestos fotoactivos, primero se sintetizan los polvos <strong>de</strong><br />
mord<strong>en</strong>ita empleando el método químico conocido como sol-gel. Los geles obt<strong>en</strong>idos <strong>de</strong> las<br />
soluciones precursoras se somet<strong>en</strong> a presión y temperatura controladas mediante el uso <strong>de</strong><br />
autoclaves herméticam<strong>en</strong>te cerradas. Una micrografía <strong>de</strong> uno <strong>de</strong> los polvos <strong>de</strong> las mord<strong>en</strong>itas<br />
sintetizadas, obt<strong>en</strong>ida por microscopia electrónica <strong>de</strong> barrido y coloreada, se muestra <strong>en</strong> la figura 4.<br />
Se pued<strong>en</strong> apreciar los empaquetami<strong>en</strong>tos <strong>de</strong> mord<strong>en</strong>itas <strong>en</strong> forma <strong>de</strong> discos ovalados. Las<br />
mord<strong>en</strong>itas que se muestran <strong>en</strong> la figura 4 se sintetizan insertando un átomo <strong>de</strong> un metal (por<br />
ejemplo, Cd, Zn, Pb, Cu o Fe) <strong>en</strong> el lugar que ocupaba el átomo <strong>de</strong> sodio <strong>en</strong> la zeolita. Una vez<br />
intercalado el metal, el nanocompuesto se somete a un proceso <strong>de</strong> oxidación que modifica al metal.<br />
De esta manera se obti<strong>en</strong><strong>en</strong> nanopartículas semiconductoras <strong>de</strong> modo controlado, homogéneam<strong>en</strong>te<br />
dispersas y adheridas tanto a las cavida<strong>de</strong>s internas <strong>de</strong> las mord<strong>en</strong>itas como a toda su superficie<br />
exterior. A esto se le llama un semiconductor soportado <strong>en</strong> mord<strong>en</strong>ita.<br />
Mediante la microscopia electrónica <strong>de</strong> transmisión se pue<strong>de</strong> <strong>de</strong>terminar que los discos <strong>de</strong> la<br />
figura 4 son empaquetami<strong>en</strong>tos <strong>de</strong> nanoagujas <strong>de</strong> mord<strong>en</strong>ita. La formación <strong>de</strong> nanopartículas <strong>en</strong> la<br />
superficie <strong>de</strong> estas agujas se ilustra <strong>en</strong> la figura 5.<br />
11
Figura 5<br />
Finalm<strong>en</strong>te, la figura 6 muestra, a la izquierda, una selección <strong>de</strong> polvos <strong>de</strong> nanocompuestos<br />
sintetizados con nanopartículas semiconductoras <strong>de</strong> Zn x Cd x S a difer<strong>en</strong>tes conc<strong>en</strong>traciones relativas<br />
<strong>de</strong> Zn y Cd; obsérvese la int<strong>en</strong>sidad <strong>de</strong>l amarillo que aum<strong>en</strong>ta con el increm<strong>en</strong>to <strong>de</strong> Cd <strong>en</strong> la<br />
composición. A la <strong>de</strong>recha, se muestra la variación <strong>de</strong> la absorción óptica <strong>de</strong> estos nanocompuestos<br />
<strong>en</strong> función <strong>de</strong> la longitud <strong>de</strong> onda y se compara con el comportami<strong>en</strong>to <strong>de</strong> los polvos puros<br />
micrométricos <strong>de</strong> ZnS y CdS, así como <strong>de</strong> polvos <strong>de</strong> mord<strong>en</strong>itas sódicas sin nanopartículas (Na-<br />
MOR). La gráfica muestra que los nanocompuestos fotoactivos sintetizados ti<strong>en</strong><strong>en</strong> la actividad<br />
óptica <strong>de</strong>seada y esto los proyecta como nanocompuestos con aplicaciones <strong>en</strong> el campo <strong>de</strong> la<br />
fotocatálisis.<br />
Figura 6<br />
12
¿QUÉ ES UN PUNTO CUÁNTICO<br />
Ernesto Cota Araiza<br />
En 1959, el físico Leo Esaki, como parte <strong>de</strong> su tesis doctoral <strong>en</strong> la <strong>Universidad</strong> <strong>de</strong> Tokio sobre<br />
materiales semiconductores con impurezas, <strong>de</strong>scubrió lo que se conoce como el diodo túnel, el<br />
primer dispositivo electrónico basado <strong>en</strong> efectos cuánticos. En 1973, Esaki recibió el Premio Nobel<br />
<strong>de</strong> Física por sus contribuciones acerca <strong>de</strong>l f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>o <strong>de</strong> tunelaje cuántico y por sus estudios sobre<br />
superre<strong>de</strong>s y pozos cuánticos. Estos estudios abrieron el camino a la posibilidad <strong>de</strong> <strong>de</strong>sarrollar<br />
sistemas <strong>en</strong> el laboratorio y estudiar f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>os que hasta <strong>en</strong>tonces sólo existían <strong>en</strong> los <strong>libro</strong>s <strong>de</strong><br />
texto <strong>de</strong> mecánica cuántica. En los años set<strong>en</strong>tas, el <strong>de</strong>sarrollo <strong>de</strong> técnicas como la litografía <strong>de</strong><br />
haces electrónicos hizo posible el confinami<strong>en</strong>to <strong>de</strong> gases <strong>de</strong> electrones <strong>en</strong> materiales<br />
semiconductores <strong>en</strong> dos dim<strong>en</strong>siones (planos), una dim<strong>en</strong>sión (alambres) y hasta cero dim<strong>en</strong>siones<br />
(puntos cuánticos). De esta manera, po<strong>de</strong>mos <strong>de</strong>finir un punto cuántico (PC) semiconductor, como<br />
una región <strong>en</strong> el material, <strong>de</strong> unas <strong>de</strong>c<strong>en</strong>as <strong>de</strong> nanómetros, don<strong>de</strong> un <strong>de</strong>terminado número <strong>de</strong><br />
electrones (que se pue<strong>de</strong> reducir a uno) queda confinado <strong>en</strong> las tres direcciones espaciales. Este<br />
confinami<strong>en</strong>to hace que el espectro <strong>de</strong> niveles <strong>de</strong> <strong>en</strong>ergía que los electrones pued<strong>en</strong> ocupar sea<br />
discreto, similar a lo que ocurre <strong>en</strong> un átomo, y las características <strong>de</strong> este espectro (espaciami<strong>en</strong>to<br />
<strong>en</strong>tre niveles, por ejemplo) <strong>de</strong>p<strong>en</strong>d<strong>en</strong> <strong>de</strong>l tamaño y la geometría <strong>de</strong>l PC. T<strong>en</strong>emos <strong>en</strong>tonces un<br />
sistema con un espectro que se pue<strong>de</strong> diseñar, <strong>de</strong> manera que, por ejemplo, las frecu<strong>en</strong>cias <strong>de</strong><br />
absorción o emisión ópticas serían controlables, con lo cual se abre la posibilidad <strong>de</strong> aplicaciones <strong>en</strong><br />
diversas áreas que van <strong>de</strong>s<strong>de</strong> la nanoelectrónica y las celdas solares hasta el diagnóstico y<br />
tratami<strong>en</strong>to <strong>de</strong> <strong>en</strong>fermeda<strong>de</strong>s.<br />
Actualm<strong>en</strong>te, <strong>en</strong> algunos laboratorios <strong>de</strong>l mundo se usan técnicas litográficas para fabricar PC<br />
semiconductores epitaxiales, usando electrodos <strong>de</strong> compuerta sobre un gas bidim<strong>en</strong>sional <strong>de</strong><br />
13
electrones y controlando el número <strong>de</strong> electrones que quedan confinados <strong>en</strong> cada PC. Raymond<br />
Ashoori (MIT, EUA) y Horst Störmer (<strong>Universidad</strong> <strong>de</strong> Columbia, EUA) han obt<strong>en</strong>ido PC con un<br />
solo electrón y han <strong>de</strong>mostrado la posibilidad <strong>de</strong> ir añadi<strong>en</strong>do electrones uno por uno. También es<br />
posible fabricar PC acoplados (molécula artificial) y estudiar el acoplami<strong>en</strong>to <strong>de</strong> los estados <strong>de</strong><br />
ambos PC (Leo Kouw<strong>en</strong>hov<strong>en</strong>, <strong>Universidad</strong> <strong>de</strong> Delft, Holanda).<br />
En los años och<strong>en</strong>tas, se <strong>de</strong>sarrollaron métodos para producir susp<strong>en</strong>siones coloidales <strong>de</strong> PC<br />
por precipitación <strong>de</strong> materiales semiconductores <strong>en</strong> solución. Estos PC coloidales, cuyos tamaños se<br />
pued<strong>en</strong> controlar con mucha precisión, ti<strong>en</strong><strong>en</strong> propieda<strong>de</strong>s ópticas únicas que permit<strong>en</strong> su utilización<br />
como s<strong>en</strong>sores <strong>de</strong> luz, con diversas aplicaciones <strong>en</strong> cámaras digitales, pantallas y celdas solares,<br />
<strong>en</strong>tre otras. Actualm<strong>en</strong>te, se están estudiando aplicaciones muy importantes <strong>en</strong> el área <strong>de</strong><br />
diagnóstico y tratami<strong>en</strong>to <strong>de</strong> <strong>en</strong>fermeda<strong>de</strong>s. Por ejemplo, <strong>en</strong> el caso <strong>de</strong>l cáncer, se está consi<strong>de</strong>rando<br />
la posibilidad <strong>de</strong> inyectar el medicam<strong>en</strong>to <strong>de</strong>positado <strong>en</strong> el interior <strong>de</strong> un PC, directam<strong>en</strong>te al tumor,<br />
como una alternativa a la quimioterapia actual. El PC estaría revestido <strong>de</strong> moléculas que son<br />
s<strong>en</strong>sibles a <strong>en</strong>zimas que se produc<strong>en</strong> <strong>en</strong> la zona afectada (por ejemplo, por tumores cancerosos,<br />
pancreatitis u otras <strong>en</strong>fermeda<strong>de</strong>s), lo cual permite que el PC se ubique <strong>en</strong> esa zona y el<br />
medicam<strong>en</strong>to sea liberado y actúe con mayor efici<strong>en</strong>cia. En el área <strong>de</strong> las neuroci<strong>en</strong>cias se usan PC<br />
coloidales para visualizar y medir ev<strong>en</strong>tos moleculares, así como PC semiconductores fluoresc<strong>en</strong>tes<br />
cuyas propieda<strong>de</strong>s pued<strong>en</strong> ser controladas a través <strong>de</strong> su tamaño y composición.<br />
Similarm<strong>en</strong>te, <strong>en</strong> las celdas solares, el uso <strong>de</strong> los PC promete aum<strong>en</strong>tar su efici<strong>en</strong>cia,<br />
aprovechando sus propieda<strong>de</strong>s <strong>de</strong> absorber y emitir radiación <strong>en</strong> forma prefer<strong>en</strong>cial y controlable y<br />
la facilidad para convertir esta <strong>en</strong>ergía <strong>en</strong> electricidad.<br />
Otra área <strong>de</strong> interés <strong>de</strong> aplicación <strong>de</strong> los PC es <strong>en</strong> la nanoelectrónica y particularm<strong>en</strong>te <strong>en</strong><br />
espintrónica, <strong>en</strong> don<strong>de</strong> la at<strong>en</strong>ción se <strong>en</strong>foca <strong>en</strong> el espín <strong>de</strong> los electrones <strong>en</strong> el punto cuántico. En<br />
particular, el autor ha participado <strong>en</strong> proyectos <strong>de</strong> investigación <strong>en</strong> esta área, <strong>en</strong> don<strong>de</strong> hemos<br />
propuesto un arreglo <strong>de</strong> dos PC acoplados, tales que <strong>en</strong> pres<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> un campo magnético y <strong>de</strong> un<br />
voltaje que cambia periódicam<strong>en</strong>te con el tiempo, se <strong>de</strong>muestra que el sistema realiza bombeo <strong>de</strong><br />
electrones y actúa como filtro <strong>de</strong> espines.<br />
Más reci<strong>en</strong>tem<strong>en</strong>te, <strong>en</strong> el mismo sistema <strong>de</strong> doble punto cuántico, hemos estudiado el efecto<br />
<strong>de</strong> interacciones <strong>de</strong> los espines electrónicos con los espines nucleares y la interacción espín-órbita<br />
sobre los tiempos <strong>de</strong> <strong>de</strong>coher<strong>en</strong>cia <strong>de</strong>l sistema. Estos estudios son importantes por las posibles<br />
14
aplicaciones <strong>de</strong> este sistema como compon<strong>en</strong>tes básicos (bits cuánticos) para almac<strong>en</strong>ami<strong>en</strong>to y<br />
procesami<strong>en</strong>to <strong>de</strong> información <strong>en</strong> el régim<strong>en</strong> cuántico.<br />
PC1<br />
PC2<br />
Figura 1. Diagrama esquemático <strong>de</strong>l arreglo <strong>de</strong> doble punto cuántico que actúa como filtro <strong>de</strong> espín (a)<br />
hacia abajo y (b) hacia arriba. En ambos casos, la configuración inicial es con un espín hacia arriba <strong>en</strong><br />
ambos PC´s. En el caso (a), <strong>en</strong>tra un espín hacia abajo al punto cuántico <strong>de</strong> la izquierda (PC1) para formar<br />
un estado singlete <strong>de</strong> <strong>en</strong>ergía ELS0. Enseguida, este electrón es bombeado al punto cuántico <strong>de</strong> la <strong>de</strong>recha<br />
(PC2), por medio <strong>de</strong>l campo externo, para formar el estado singlete <strong>de</strong> <strong>en</strong>ergía ERS0. Finalm<strong>en</strong>te, este<br />
electrón sale al reservorio <strong>de</strong> la <strong>de</strong>recha y el sistema regresa a la configuración inicial. En el caso (b), se<br />
lleva a cabo un proceso similar que involucra la transfer<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> un espín hacia arriba. (c) Corri<strong>en</strong>te<br />
calculada como función <strong>de</strong> la frecu<strong>en</strong>cia <strong>de</strong>l voltaje externo. Se observan resonancias <strong>de</strong> la corri<strong>en</strong>te <strong>en</strong><br />
valores especiales <strong>de</strong> la frecu<strong>en</strong>cia para espín hacia arriba (rojo) y hacia abajo (azul).<br />
15
FERROELECTRICIDAD: ¿TIENE EFECTO EL TAMAÑO<br />
Alejandro Durán, María <strong>de</strong> la Paz Cruz, Jesús María Siqueiros<br />
Los materiales están compuestos <strong>de</strong> átomos y moléculas y difier<strong>en</strong> <strong>en</strong> su comportami<strong>en</strong>to<br />
físico <strong>de</strong>p<strong>en</strong>di<strong>en</strong>do <strong>de</strong> sus arreglos atómicos y <strong>de</strong> su escala <strong>de</strong> tamaños. La relación <strong>en</strong>tre la<br />
estructura atómica <strong>de</strong> los materiales y sus propieda<strong>de</strong>s físicas se estudia <strong>en</strong> el campo <strong>de</strong> la ci<strong>en</strong>cia <strong>de</strong><br />
materiales. Sin embargo, se ha <strong>de</strong>mostrado que esta relación es <strong>en</strong>teram<strong>en</strong>te difer<strong>en</strong>te cuando la<br />
escala <strong>de</strong>l material es muy reducida. En este contexto, reci<strong>en</strong>tem<strong>en</strong>te ha emergido el estudio <strong>de</strong> las<br />
propieda<strong>de</strong>s cristalofísicas <strong>de</strong> materiales a escala nanométrica. Este tipo <strong>de</strong> estudios ha sido posible,<br />
<strong>en</strong> gran parte, <strong>de</strong>bido al <strong>de</strong>sarrollo <strong>de</strong> tecnologías para la fabricación, la síntesis, observación,<br />
manipulación, <strong>en</strong>samblaje y caracterización <strong>de</strong> materiales nanométricos. La nanoci<strong>en</strong>cia y la<br />
nanotecnología compr<strong>en</strong>d<strong>en</strong> el estudio tanto teórico como experim<strong>en</strong>tal <strong>de</strong> los f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>os físicos y<br />
químicos a escala nanométrica (1-100 nm) y la manipulación <strong>de</strong> los materiales a esta escala para<br />
posibles aplicaciones tecnológicas.<br />
Para t<strong>en</strong>er una i<strong>de</strong>a <strong>de</strong> qué tan pequeño es un nanómetro, consi<strong>de</strong>remos, por ejemplo, el<br />
diámetro <strong>de</strong>l ion <strong>de</strong> oxíg<strong>en</strong>o que es <strong>de</strong> 2.8 Å. Como 1 nm equivale a 10 Å, quiere <strong>de</strong>cir que sólo<br />
requeriríamos <strong>de</strong> aproximadam<strong>en</strong>te 3.6 iones <strong>de</strong> oxíg<strong>en</strong>o alineados para alcanzar una longitud <strong>de</strong> 1<br />
nm. Con 36 iones <strong>de</strong> oxíg<strong>en</strong>o alineados t<strong>en</strong>dríamos una longitud <strong>de</strong> 10 nm y con 360 iones, una <strong>de</strong><br />
100 nm, con lo que nos <strong>en</strong>contraríamos ya <strong>en</strong> el límite <strong>de</strong> la escala nanométrica.<br />
Por otro lado, las propieda<strong>de</strong>s físicas como la ferroelectricidad, el magnetismo, la<br />
superconductividad y el transporte eléctrico <strong>de</strong> electrones, son f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>os cooperativos que<br />
requier<strong>en</strong> <strong>de</strong> muchas celdas cristalinas. Para que alguno <strong>de</strong> estos f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>os se manifieste, las<br />
interacciones <strong>de</strong> muchos cuerpos son <strong>de</strong> fundam<strong>en</strong>tal importancia. Cuando estas interacciones son<br />
confinadas a dim<strong>en</strong>siones nanométricas, muchos f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>os físicos adquier<strong>en</strong> una m<strong>en</strong>or<br />
16
importancia y se manifiestan otros, m<strong>en</strong>os conocidos, <strong>de</strong>bido a que, <strong>en</strong> esta escala, la superficie y<br />
los procesos cuánticos ti<strong>en</strong><strong>en</strong> mayor prepon<strong>de</strong>rancia. Estas propieda<strong>de</strong>s inesperadas ocurr<strong>en</strong> como<br />
resultado <strong>de</strong>l confinami<strong>en</strong>to <strong>de</strong> las capas electrónicas <strong>de</strong> los átomos que conforman el material. En<br />
los últimos años, la creci<strong>en</strong>te carrera hacia la miniaturización a escala nanométrica <strong>de</strong> los<br />
dispositivos ferroeléctricos, ha motivado a los investigadores <strong>de</strong> este campo a discutir y compr<strong>en</strong><strong>de</strong>r<br />
la pres<strong>en</strong>cia o aus<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> la ferrolectricidad a nivel <strong>de</strong> unas cuantas celdas cristalinas y las<br />
implicaciones que esto t<strong>en</strong>drá para nuevas aplicaciones tecnológicas.<br />
Empezaremos por <strong>de</strong>finir a un material ferroeléctrico como aquél que experim<strong>en</strong>ta una<br />
transición <strong>de</strong> fase, <strong>de</strong> una fase c<strong>en</strong>trosimétrica a alta temperatura <strong>en</strong> la que se comporta como un<br />
dieléctrico ordinario, a una fase <strong>de</strong> más baja temperatura, no-c<strong>en</strong>trosimétrica, <strong>en</strong> la que pres<strong>en</strong>ta una<br />
polarización eléctrica espontánea cuya dirección pue<strong>de</strong> ser conmutada por medio <strong>de</strong> un campo<br />
eléctrico externo. La aparición <strong>de</strong> la polarización involucra, <strong>en</strong> la mayoría <strong>de</strong> los casos, la distorsión<br />
<strong>de</strong> la celda unitaria. Este hecho implica que la polarización y la <strong>de</strong>formación elástica <strong>de</strong> la celda<br />
unitaria están acopladas. La figura 1 muestra las dos características físicas que distingu<strong>en</strong> a un<br />
material ferroeléctrico. Observamos un pico <strong>en</strong> la curva <strong>de</strong> permitividad <strong>en</strong> función <strong>de</strong> la<br />
temperatura que d<strong>en</strong>ota el valor <strong>de</strong> la temperatura crítica (Tc) a la cual ocurre la transición <strong>de</strong>l<br />
estado ferroeléctrico <strong>de</strong> baja temperatura al estado paraeléctrico <strong>de</strong> alta temperatura.<br />
Lo que ocurre a nivel microestructural <strong>en</strong> el ejemplo ilustrado es un cambio <strong>de</strong> una estructura<br />
cúbica (c<strong>en</strong>trosimétrica) a una tetragonal (no-c<strong>en</strong>trosimétrica) como consecu<strong>en</strong>cia <strong>de</strong>l<br />
<strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to a lo largo <strong>de</strong> alguna dirección cristalográfica <strong>de</strong>l ion ubicado <strong>en</strong> el c<strong>en</strong>tro <strong>de</strong> la celda<br />
cúbica, y que es ocasionado por el cambio <strong>en</strong> la temperatura. Con la finalidad <strong>de</strong> minimizar la<br />
<strong>en</strong>ergía asociada a la <strong>de</strong>formación elástica <strong>de</strong> la superficie <strong>de</strong>l cristal, éste nuevo ord<strong>en</strong>ami<strong>en</strong>to<br />
estructural conduce a la formación <strong>de</strong> dominios ferroeléctricos a nivel microestructural. Así, cada<br />
dominio, <strong>de</strong>finido como una región <strong>de</strong>l material don<strong>de</strong> todos los dipolos eléctricos están ori<strong>en</strong>tados<br />
<strong>en</strong> el mismo s<strong>en</strong>tido, se repres<strong>en</strong>ta por un vector <strong>de</strong> polarización. Cuando aplicamos un campo<br />
eléctrico, la respuesta <strong>de</strong> la estructura <strong>de</strong> dominios <strong>de</strong>l material es la <strong>en</strong>cargada <strong>de</strong> producir la curva<br />
<strong>de</strong> la polarización (histéresis <strong>en</strong> la curva insertada a la izquierda <strong>en</strong> la figura 1).<br />
Los avances más significativos <strong>en</strong> la investigación <strong>de</strong> la ferroelectricidad a escala<br />
micrométrica y nanométrica se han realizado utilizando el método <strong>de</strong> fabricación “<strong>de</strong> arriba hacia<br />
abajo”, el cual consiste <strong>en</strong> partir <strong>de</strong> un material macroscópico y reducir su tamaño hasta escalas<br />
nanométricas. Las capas bidim<strong>en</strong>sionales <strong>de</strong> espesores ultrafinos (películas <strong>de</strong>lgadas) han sido una<br />
17
alternativa para estudiar estos f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>os a escala nanométrica. Las investigaciones se han <strong>en</strong>focado<br />
al <strong>de</strong>sarrollo <strong>de</strong> s<strong>en</strong>sores y a la tecnología <strong>de</strong> almac<strong>en</strong>ami<strong>en</strong>to <strong>de</strong> datos. Una <strong>de</strong> las técnicas<br />
utilizadas para producir películas ultrafinas <strong>en</strong> el laboratorio, es el crecimi<strong>en</strong>to <strong>de</strong> películas por<br />
ablación por láser pulsado (PLD, <strong>de</strong>l inglés pulsed laser <strong>de</strong>position), ya que las capas producidas así<br />
son <strong>de</strong> alta calidad. El proceso es relativam<strong>en</strong>te rápido y no es necesario emplear mucho material.<br />
Otras técnicas como la erosión iónica (sputtering) y el <strong>de</strong>pósito <strong>de</strong> vapores químicos (CVD, <strong>de</strong>l<br />
inglés chemical vapor <strong>de</strong>position) también se emplean con este propósito.<br />
24000<br />
21000<br />
PZT Estado<br />
Ferroeléctrico<br />
Estado<br />
Paraeléctrico<br />
18000<br />
15000 15000<br />
12000 12000<br />
9000<br />
-Emax<br />
Permitividad (ε)18000<br />
1<br />
Polarización (μC/cm 2 )<br />
Ps<br />
2<br />
+Pr<br />
1<br />
-Ec<br />
+Ec<br />
-Pr<br />
+Emax<br />
Campo<br />
eléctrico<br />
(kV/cm)<br />
Polarización (μC/cm 2 )<br />
Campo<br />
eléctrico<br />
(kV/cm)<br />
6000<br />
0<br />
3000<br />
Tc<br />
0<br />
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550<br />
Temperatura ( o C)<br />
Figura 1. Características físicas que <strong>de</strong>fin<strong>en</strong> a un ferroeléctrico. La figura principal muestra un pico <strong>en</strong> la<br />
medida <strong>de</strong> la permitividad (ε) <strong>en</strong> función <strong>de</strong> la temperatura que, por <strong>de</strong>bajo <strong>de</strong> una temperatura crítica<br />
(Tc), <strong>de</strong>fine el estado ferroeléctrico y, por arriba, el estado paraeléctrico. Las curvas insertadas muestran<br />
la histéresis y aus<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> histéresis <strong>en</strong> las medidas <strong>de</strong> polarización <strong>en</strong> función <strong>de</strong>l campo eléctrico<br />
aplicado que <strong>de</strong>fine ambos estados. Los mo<strong>de</strong>los geométricos repres<strong>en</strong>tan la estructura simétrica y noc<strong>en</strong>trosimétrica<br />
<strong>de</strong>l estado paraeléctrico y ferroeléctrico, respectivam<strong>en</strong>te.<br />
18
Es importante seleccionar cuidadosam<strong>en</strong>te las condiciones experim<strong>en</strong>tales para cada una <strong>de</strong><br />
las técnicas, ya que éstas <strong>de</strong>terminan el control <strong>de</strong>l crecimi<strong>en</strong>to <strong>de</strong> la película a espesores<br />
nanométricos. Algunos materiales ferroeléctricos como el BaTiO 3 (titanato <strong>de</strong> bario), Pb(Ti 1-x Zr x )O 3<br />
(circonato-titanato <strong>de</strong> plomo) y el BiFeO 3 (ferrato <strong>de</strong> bismuto) se han crecido a escalas<br />
nanométricas por medio <strong>de</strong> PLD con excel<strong>en</strong>tes resultados.<br />
Por otra parte, la microscopía <strong>de</strong> piezofuerza (PFM, <strong>de</strong>l inglés piezoelectric force microscopy)<br />
es la herrami<strong>en</strong>ta óptima para observar y medir el f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>o ferroeléctrico <strong>en</strong> películas <strong>de</strong> espesores<br />
ultrafinos.<br />
Fase [°]<br />
0 90 180 0 90 180<br />
a) b)<br />
-2 -1 0 1 -3 -2 -1 0 1<br />
c) d)<br />
-1.0 -0.5 0.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0<br />
Voltaje<br />
Figura 2. Lazos <strong>de</strong> histéresis ferroeléctrica <strong>de</strong> películas <strong>de</strong> BiFeO3 con espesores <strong>de</strong> a) 15 nm, b) 8 nm, c)<br />
4 nm y d) 2 nm.<br />
En la figura 2 se muestran las curvas <strong>de</strong> histéresis ferroeléctrica <strong>en</strong> películas <strong>de</strong> BiFeO 3 con<br />
espesores <strong>de</strong> 15, 8, 4 y 2 nanómetros. Se observa que la señal ferroeléctrica (lazo <strong>de</strong> histéresis)<br />
persiste muy bi<strong>en</strong> <strong>en</strong>tre los 15 y los 8 nm. Pero cuando el espesor <strong>de</strong> la película disminuye a 4 nm el<br />
lazo <strong>de</strong> histéresis se reduce y, a 2 nm, empieza a ser difuso, marcando el espesor crítico hasta el cual<br />
19
persiste el f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>o ferroeléctrico. Como hemos m<strong>en</strong>cionado anteriorm<strong>en</strong>te, la formación <strong>de</strong><br />
dominios es el mecanismo por el cual el cristal minimiza la <strong>en</strong>ergía superficial asociada a la<br />
<strong>de</strong>formación elástica ocasionada por el <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to <strong>de</strong>l catión c<strong>en</strong>tral <strong>de</strong> la estructura. De esta<br />
manera, <strong>en</strong> una película ultrafina, las condiciones <strong>en</strong>ergéticas para la pres<strong>en</strong>cia y/o aus<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> la<br />
ferroelectricidad están <strong>de</strong>terminadas por el tamaño <strong>de</strong>l dominio (w), el espesor <strong>de</strong> la pared <strong>de</strong><br />
dominio (γ) y por el espesor <strong>de</strong>l <strong>de</strong>pósito sobre el sustrato (d), tal como se observa <strong>en</strong> la figura 3.<br />
γ<br />
w<br />
d<br />
Dominio<br />
Pared <strong>de</strong> dominio<br />
Substrato<br />
Figura 3. Película <strong>de</strong>lgada sobre un substrato, <strong>en</strong> don<strong>de</strong> se muestran dominios <strong>de</strong> 180 o y sus parámetros<br />
característicos: ancho <strong>de</strong> los dominios (w), espesor <strong>de</strong> la pared <strong>de</strong> dominio (γ), y el espesor <strong>de</strong> la película<br />
(d).<br />
Los resultados experim<strong>en</strong>tales <strong>de</strong> la Figura 2 concuerdan con resultados experim<strong>en</strong>tales <strong>en</strong><br />
películas nanométricas <strong>de</strong> difer<strong>en</strong>tes materiales ferroeléctricos. En estos trabajos se mostró que el<br />
espesor <strong>de</strong> la pared <strong>de</strong> dominios (γ) <strong>de</strong> aproximadam<strong>en</strong>te 2 nm, es el mismo para espesores <strong>de</strong><br />
películas que variaron <strong>de</strong>s<strong>de</strong> unas cuantas micras hasta unos cuantos nanómetros. Estos resultados<br />
mostraron que la ferroelectricidad comi<strong>en</strong>za a ser difusa cuando el espesor <strong>de</strong> la película (d) alcanza<br />
el tamaño <strong>de</strong>l espesor <strong>de</strong> la pared <strong>de</strong> dominios, (~2 nm). De esta manera, se espera que si el espesor<br />
<strong>de</strong> la película <strong>de</strong>crece hasta el ancho <strong>de</strong> la pared <strong>de</strong> dominio, la <strong>en</strong>ergía asociada a la superficie <strong>de</strong>l<br />
20
cristal pue<strong>de</strong> ser más gran<strong>de</strong> que la <strong>en</strong>ergía necesaria para que ocurra el ord<strong>en</strong>ami<strong>en</strong>to ferroeléctrico,<br />
lo cual lleva a la <strong>de</strong>saparición <strong>de</strong> la ferroelectricidad.<br />
En resum<strong>en</strong>, la ferroelectricidad es un f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>o cooperativo que requiere <strong>de</strong> muchas celdas<br />
cristalinas. Las manifestaciones <strong>de</strong> la ferroelectricidad pued<strong>en</strong> ser fielm<strong>en</strong>te reproducidas a tamaños<br />
<strong>de</strong> dominio mayores a algunos nanómetros. Por ello, será posible <strong>en</strong>contrar dispositivos<br />
ferroeléctricos que oper<strong>en</strong> <strong>en</strong> espesores <strong>de</strong> <strong>de</strong>pósito por <strong>en</strong>cima <strong>de</strong> 2 nm. Uno <strong>de</strong> los retos actuales<br />
para los investigadores experim<strong>en</strong>tales <strong>de</strong> los materiales ferroeléctricos, es reproducir estos<br />
resultados y probar si la reducción <strong>de</strong> tamaño hasta espesores nanométricos ti<strong>en</strong>e efecto sobre las<br />
propieda<strong>de</strong>s ferroeléctricas <strong>en</strong> materiales libres <strong>de</strong> plomo y cromitas magnetoeléctricas.<br />
21
¿QUÉ HACE LA LUZ EN ESPACIOS DE TAMAÑO NANOMÉTERICO<br />
Jesús Alberto Maytor<strong>en</strong>a Córdoba, Catalina López Bastidas, Roberto Machorro Mejía<br />
En realidad esta es una pregunta amplia, <strong>en</strong> la que cabe una gran variedad <strong>de</strong> f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>os para<br />
los que se han acuñado varios términos con el fin <strong>de</strong> clasificarlos y ubicarlos <strong>en</strong> un contexto: nanoóptica,<br />
electrodinámica <strong>de</strong> campo cercano, nano-fotónica, nano-plasmónica, <strong>en</strong>tre otros. Estos<br />
campos <strong>de</strong> estudio, <strong>en</strong> los que se busca compr<strong>en</strong><strong>de</strong>r f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>os ópticos a la escala nanométrica,<br />
constituy<strong>en</strong> actualm<strong>en</strong>te nuevas áreas <strong>de</strong> activa investigación ci<strong>en</strong>tífica y tecnológica. De lo que se<br />
trata es <strong>de</strong> t<strong>en</strong>er acceso a la interacción <strong>en</strong>tre la luz y la materia <strong>en</strong> una escala <strong>de</strong> tamaño típicam<strong>en</strong>te<br />
inferior a la longitud <strong>de</strong> onda <strong>de</strong> la luz, lo que, <strong>en</strong> el rango visible <strong>de</strong> ésta, implica dim<strong>en</strong>siones<br />
m<strong>en</strong>ores a unos pocos ci<strong>en</strong>tos <strong>de</strong> nanómetros. Pero, ¿por qué las cosas a esa escala habrían <strong>de</strong> ser<br />
difer<strong>en</strong>tes a lo que suce<strong>de</strong> <strong>en</strong> la óptica clásica conv<strong>en</strong>cional<br />
La luz es una onda electromagnética consist<strong>en</strong>te <strong>en</strong> campos eléctricos y magnéticos que<br />
oscilan rápidam<strong>en</strong>te <strong>en</strong> el espacio y <strong>en</strong> el tiempo. Las variaciones <strong>de</strong> un campo eléctrico g<strong>en</strong>eran un<br />
campo magnético cuyas variaciones g<strong>en</strong>eran <strong>de</strong> nuevo uno eléctrico que a su vez g<strong>en</strong>era el<br />
magnético, y así sucesivam<strong>en</strong>te, todo según leyes físicas precisas (leyes <strong>de</strong> Faraday y <strong>de</strong> Ampère-<br />
Maxwell). La onda más s<strong>en</strong>cilla así g<strong>en</strong>erada es la llamada onda plana monocromática, cuya<br />
oscilación periódica <strong>en</strong> el tiempo y <strong>en</strong> el espacio se caracteriza por una frecu<strong>en</strong>cia y un vector <strong>de</strong><br />
onda (inversam<strong>en</strong>te proporcional a la longitud <strong>de</strong> onda), y cuyo vector <strong>de</strong> campo eléctrico vibra <strong>de</strong><br />
manera perp<strong>en</strong>dicular a la dirección <strong>de</strong> propagación (especificada por la dirección <strong>de</strong>l vector <strong>de</strong><br />
onda). Las ecuaciones matemáticas que gobiernan el campo electromagnético (las célebres<br />
ecuaciones <strong>de</strong> Maxwell) son lineales y, por lo tanto, la luz obe<strong>de</strong>ce el principio <strong>de</strong> superposición: la<br />
combinación lineal <strong>de</strong> dos soluciones también es una solución, o dicho <strong>de</strong> otra manera, el campo<br />
eléctrico (o el magnético) resultante <strong>de</strong> una onda, <strong>en</strong> un punto <strong>de</strong>l espacio don<strong>de</strong> se superpon<strong>en</strong> dos<br />
22
o más ondas <strong>de</strong> luz, es igual a la suma <strong>de</strong> los campos <strong>de</strong> las ondas constitutivas individuales. Por<br />
ejemplo, cuando un rayo <strong>de</strong> luz inci<strong>de</strong> sobre un medio, su campo eléctrico pone a oscilar a los<br />
electrones <strong>de</strong> cada átomo, y este movimi<strong>en</strong>to <strong>de</strong> carga eléctrica es a su vez fu<strong>en</strong>te <strong>de</strong> un campo<br />
electromagnético. Como resultado <strong>de</strong> la superposición <strong>de</strong> los campos producidos por todos los<br />
átomos, esta polarización <strong>de</strong>l material g<strong>en</strong>era <strong>en</strong> su interior una onda que se propaga a la velocidad<br />
<strong>de</strong> la luz <strong>en</strong> dicho medio, otra que cancela exactam<strong>en</strong>te al campo incid<strong>en</strong>te, y una tercera onda<br />
radiada hacia el exterior <strong>de</strong>l material. Efectivam<strong>en</strong>te, cuando un haz luminoso inci<strong>de</strong> sobre un<br />
medio, <strong>de</strong>cimos que parte <strong>de</strong> él se transmite y parte se refleja, como comprobamos diariam<strong>en</strong>te, (y,<br />
aunque parezca que las ondas vi<strong>en</strong><strong>en</strong> <strong>de</strong> la superficie, ellas se g<strong>en</strong>eran <strong>en</strong> el interior).<br />
La onda plana repres<strong>en</strong>ta el ejemplo más natural y s<strong>en</strong>cillo <strong>de</strong> la onda propagante, que se<br />
caracteriza por viajar hasta alcanzar distancias mucho mayores que la longitud <strong>de</strong> onda,<br />
propagándose librem<strong>en</strong>te, separada ya <strong>de</strong> las cargas y corri<strong>en</strong>tes que le dieron orig<strong>en</strong>; esto es a lo<br />
que llamamos propiam<strong>en</strong>te campo lejano o <strong>de</strong> radiación. Las ondas reflejadas y transmitidas<br />
m<strong>en</strong>cionadas anteriorm<strong>en</strong>te, y el mundo todo <strong>de</strong> la óptica conv<strong>en</strong>cional y <strong>de</strong> lo que vemos con el ojo<br />
a nuestro alre<strong>de</strong>dor, se basa <strong>en</strong> bu<strong>en</strong>a medida <strong>en</strong> la naturaleza ondulatoria propagante <strong>de</strong> la luz. Pero<br />
resulta que las ecuaciones <strong>de</strong> Maxwell predic<strong>en</strong>, <strong>en</strong> regiones próximas a superficies e interfaces, la<br />
exist<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> otro tipo <strong>de</strong> solución, difer<strong>en</strong>te a la onda plana. Este nuevo tipo <strong>de</strong> onda (o <strong>de</strong> luz) se<br />
caracteriza por viajar sobre la superficie sin alejarse <strong>de</strong> ella, <strong>en</strong> el s<strong>en</strong>tido <strong>de</strong> que su amplitud<br />
disminuye expon<strong>en</strong>cialm<strong>en</strong>te con la distancia perp<strong>en</strong>dicular a la superficie, lo que revela su<br />
naturaleza localizada o no propagante. La escala espacial <strong>de</strong> este <strong>de</strong>caimi<strong>en</strong>to <strong>de</strong> amplitud <strong>de</strong>p<strong>en</strong><strong>de</strong><br />
<strong>de</strong> la frecu<strong>en</strong>cia y <strong>de</strong>l tipo <strong>de</strong> material involucrado (metal, dieléctrico, semiconductor), y pue<strong>de</strong> ir<br />
<strong>de</strong>s<strong>de</strong> unas décimas <strong>de</strong> nanómetros hasta algo comparable a la longitud <strong>de</strong> onda. La exist<strong>en</strong>cia <strong>de</strong><br />
estas ondas evanesc<strong>en</strong>tes o campo cercano constituye un elem<strong>en</strong>to físico fundam<strong>en</strong>tal que permite<br />
transformar la luz <strong>en</strong> una forma localizada <strong>de</strong> <strong>en</strong>ergía o viceversa, que abre nuevas posibilida<strong>de</strong>s <strong>en</strong><br />
lo que se refiere a la interacción <strong>en</strong>tre la luz y la materia. Esto sugiere, por ejemplo, que si se<br />
manipula la materia, se mol<strong>de</strong>aría a su vez la magnitud <strong>de</strong> dicha interacción y, <strong>en</strong> última instancia,<br />
se estaría manipulando <strong>en</strong> algún grado tal luz confinada, lo que pue<strong>de</strong> servir a diversos propósitos.<br />
Esto supone, por otra parte, la capacidad <strong>de</strong> fabricar nanoestructuras a conv<strong>en</strong>i<strong>en</strong>cia, con<br />
precisas propieda<strong>de</strong>s materiales, así como la capacidad <strong>de</strong> po<strong>de</strong>r observar esta luz confinada<br />
nanométricam<strong>en</strong>te. Hoy <strong>en</strong> día, esto es físicam<strong>en</strong>te realizable dado el espectacular <strong>de</strong>sarrollo <strong>en</strong> la<br />
creación <strong>de</strong> estructuras submicrométricas <strong>de</strong> estado sólido, con toda clase <strong>de</strong> escalas, períodos,<br />
23
inhomog<strong>en</strong>eida<strong>de</strong>s, simetrías, etc. Para dar una i<strong>de</strong>a <strong>de</strong> la clase <strong>de</strong> f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>os que pued<strong>en</strong> ocurrir,<br />
m<strong>en</strong>cionaremos tres ejemplos: (i) la superación <strong>de</strong>l límite <strong>de</strong> difracción <strong>en</strong> microscopía óptica, (ii)<br />
los plasmones <strong>de</strong> superficie <strong>en</strong> metales nanoestructurados y (iii) la respuesta óptica <strong>de</strong><br />
nanopartículas. Veamos cada uno <strong>de</strong> ellos.<br />
(i) La exist<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> ondas evanesc<strong>en</strong>tes ofrece una vía para superar el límite <strong>de</strong> resolución<br />
<strong>de</strong> la microscopía óptica conv<strong>en</strong>cional. Para ver como podría suce<strong>de</strong>r esto, consi<strong>de</strong>remos un<br />
elem<strong>en</strong>to óptico s<strong>en</strong>cillo, tal y como una l<strong>en</strong>te con la que <strong>de</strong>seamos formar la imag<strong>en</strong> <strong>de</strong> un objeto.<br />
Sabemos que la imag<strong>en</strong> <strong>de</strong> un punto <strong>de</strong>l objeto no es propiam<strong>en</strong>te un punto, sino que se observa una<br />
manchita. Esto es así porque la l<strong>en</strong>te sólo colecta inevitablem<strong>en</strong>te ondas planas (prov<strong>en</strong>i<strong>en</strong>tes <strong>de</strong>l<br />
objeto) con vectores <strong>de</strong> onda <strong>en</strong> un intervalo restringido, es <strong>de</strong>cir, la imag<strong>en</strong> se forma con ondas<br />
propagantes que viajan hasta el <strong>de</strong>tector y cuyas direcciones <strong>de</strong> propagación no apuntan todas al<br />
mismo punto exactam<strong>en</strong>te; el tamaño <strong>de</strong> la manchita queda <strong>de</strong>terminado por la escala <strong>de</strong> variación<br />
espacial <strong>de</strong> las ondas y resulta comparable al <strong>de</strong> la longitud <strong>de</strong> onda, <strong>en</strong> vez <strong>de</strong> ser puntual. En un<br />
microscopio óptico, esto ti<strong>en</strong>e como consecu<strong>en</strong>cia que su resolución espacial esté limitada a<br />
estructuras espaciales no mucho m<strong>en</strong>ores que la longitud <strong>de</strong> onda; si se ilumina con luz <strong>de</strong> longitud<br />
<strong>de</strong> onda λ (<strong>en</strong> el rango visible por ejemplo, don<strong>de</strong> λ ~ 400-700 nm), sólo será posible la resolución<br />
<strong>de</strong> objetos <strong>de</strong> tamaño aproximadam<strong>en</strong>te λ (esto se conoce como límite <strong>de</strong> difracción). Po<strong>de</strong>mos ver<br />
también que este límite impi<strong>de</strong> la localización <strong>de</strong> ondas electromagnéticas <strong>en</strong> regiones nanométricas,<br />
mucho más pequeñas que la longitud <strong>de</strong> onda <strong>de</strong> la luz <strong>en</strong> el material. Si recordamos que un campo<br />
óptico (i.e. luz) pue<strong>de</strong> expresarse conv<strong>en</strong>i<strong>en</strong>tem<strong>en</strong>te como superposición <strong>de</strong> ondas con distintos<br />
vectores <strong>de</strong> onda, vemos que la superación <strong>de</strong> dicho límite requeriría tomar también <strong>en</strong> cu<strong>en</strong>ta la<br />
contribución <strong>de</strong> las ondas evanesc<strong>en</strong>tes, que por su naturaleza ti<strong>en</strong><strong>en</strong> vectores <strong>de</strong> onda gran<strong>de</strong>s y<br />
permitirían aum<strong>en</strong>tar el intervalo <strong>de</strong> vectores <strong>de</strong> onda que contribuy<strong>en</strong> a formar una imag<strong>en</strong>. Pero<br />
este campo evanesc<strong>en</strong>te no pue<strong>de</strong> llegar <strong>de</strong>s<strong>de</strong> el objeto <strong>de</strong> estudio hasta una l<strong>en</strong>te y posteriorm<strong>en</strong>te<br />
a una pantalla. El <strong>de</strong>sarrollo <strong>de</strong> técnicas para emplear ondas evanesc<strong>en</strong>tes para formar imág<strong>en</strong>es con<br />
una resolución superior a la impuesta por el m<strong>en</strong>cionado límite, ha dado lugar a la microscopía<br />
óptica <strong>de</strong> campo cercano. Típicam<strong>en</strong>te la escala pequeña (i.e. los vectores <strong>de</strong> onda gran<strong>de</strong>s) se<br />
produce al iluminar una punta <strong>de</strong>lgada muy próxima a una superficie y que se mueve a lo largo <strong>de</strong><br />
ella, <strong>de</strong> manera que al observar la luz dispersada se pue<strong>de</strong> obt<strong>en</strong>er información <strong>de</strong> la interacción<br />
<strong>en</strong>tre punta y muestra, o sobre la topografía superficial, a escala nanométrica. De este modo se han<br />
logrado resoluciones tan finas como <strong>de</strong> 10 nm con luz visible o infrarroja (λ ~ 10 µm), y aunque no<br />
24
se compara con la resolución atómica ( ≈ 1 Å) <strong>de</strong> un microscopio electrónico <strong>de</strong> tunelaje, el hecho<br />
<strong>de</strong> que la microscopía sea <strong>de</strong> naturaleza óptica, permite aprovechar las v<strong>en</strong>tajas inher<strong>en</strong>tes <strong>de</strong> la luz<br />
y combinarla con otro tipo <strong>de</strong> espectroscopias dando lugar a una po<strong>de</strong>rosa técnica <strong>de</strong> observación<br />
submicroscópica<br />
(ii) En una superficie metálica, las cargas libres (esto es, los electrones <strong>de</strong> conducción,<br />
<strong>de</strong>sligados <strong>de</strong> los núcleos atómicos) pued<strong>en</strong> moverse <strong>de</strong> manera colectiva y <strong>en</strong> fase, oscilando <strong>en</strong><br />
respuesta a la acción <strong>de</strong> un campo electromagnético. La interacción resonante <strong>en</strong>tre la oscilación <strong>de</strong><br />
las cargas superficiales y el campo <strong>de</strong> una onda luminosa constituye una onda confinada a dos<br />
dim<strong>en</strong>siones que se propaga a lo largo <strong>de</strong> la superficie <strong>de</strong>l metal (Figura 1). Debido a la analogía<br />
<strong>en</strong>tre la dinámica electrónica <strong>en</strong> un metal y el movimi<strong>en</strong>to <strong>de</strong> partículas cargadas <strong>en</strong> un plasma, estas<br />
oscilaciones <strong>de</strong> d<strong>en</strong>sidad <strong>de</strong> carga recib<strong>en</strong> el nombre <strong>de</strong> oscilaciones <strong>de</strong> plasma o simplem<strong>en</strong>te<br />
plasmones <strong>de</strong> superficie. La naturaleza <strong>de</strong> esta onda es más complicada pues no es un puro campo<br />
óptico, sino que involucra la polarización <strong>de</strong>l medio, <strong>en</strong> este caso el movimi<strong>en</strong>to <strong>de</strong> los electrones<br />
libres; para <strong>en</strong>fatizar este carácter híbrido también se les llama polaritones <strong>de</strong> plasma. Las<br />
características físicas <strong>de</strong> los plasmones <strong>de</strong> superficie (<strong>en</strong>ergía, velocidad, longitu<strong>de</strong>s <strong>de</strong> propagación<br />
y at<strong>en</strong>uación) <strong>de</strong>p<strong>en</strong>d<strong>en</strong> fuertem<strong>en</strong>te <strong>de</strong>l tipo <strong>de</strong> metal involucrado, <strong>de</strong> la frecu<strong>en</strong>cia y <strong>de</strong> la<br />
geometría (interfaces, películas <strong>de</strong>lgadas, guías <strong>de</strong> onda, nanopartículas). Por su naturaleza, los<br />
plasmones son s<strong>en</strong>sibles a las condiciones superficiales y permit<strong>en</strong> producir una alta conc<strong>en</strong>tración<br />
<strong>de</strong> luz <strong>en</strong> espacios <strong>de</strong> unos cuantos nanómetros, y es posible guiarlos, localizarlos, manipularlos, sin<br />
estar sujetos al límite <strong>de</strong> difracción. A pesar <strong>de</strong> que los electrones al moverse disipan <strong>en</strong>ergía <strong>en</strong><br />
forma <strong>de</strong> calor, la capacidad técnica para fabricar estructuras metálicas pequeñas <strong>de</strong> todo tipo ha<br />
sugerido el uso <strong>de</strong> los plasmones <strong>de</strong> superficie para diseñar s<strong>en</strong>sores moleculares, circuitos<br />
plasmónicos, técnicas microscópicas con nanoresolución, ant<strong>en</strong>as ópticas, transmisión<br />
extraordinaria, <strong>en</strong>tre muchas otras i<strong>de</strong>as y f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>os nuevos. Se ha acuñado el término<br />
nanoplasmónica, o simplem<strong>en</strong>te plasmónica, para referirse, <strong>en</strong> g<strong>en</strong>eral, al estudio <strong>de</strong> las propieda<strong>de</strong>s<br />
ópticas <strong>de</strong> metales nanoestructurados.<br />
(iii) Las nanopartículas repres<strong>en</strong>tan sistemas que se ubican <strong>en</strong>tre los medios macroscópicos,<br />
cuyas propieda<strong>de</strong>s son <strong>en</strong> es<strong>en</strong>cia in<strong>de</strong>p<strong>en</strong>di<strong>en</strong>tes <strong>de</strong>l tamaño, y los sistemas atómicos o moleculares,<br />
don<strong>de</strong> la naturaleza cuántica <strong>de</strong> la materia es predominante. Las propieda<strong>de</strong>s <strong>de</strong> estas partículas<br />
pequeñas <strong>de</strong>p<strong>en</strong>d<strong>en</strong> s<strong>en</strong>siblem<strong>en</strong>te <strong>de</strong> su geometría conforme su tamaño disminuye y la razón<br />
25
superficie/volum<strong>en</strong> aum<strong>en</strong>ta. Des<strong>de</strong> hace tiempo se han establecido los fundam<strong>en</strong>tos teóricos y<br />
realizado experim<strong>en</strong>tos sobre la absorción y esparcimi<strong>en</strong>to <strong>de</strong> luz por partículas pequeñas.<br />
Figura 1. Plasmón <strong>de</strong> superficie <strong>en</strong> una interfaz plana <strong>en</strong>tre un dieléctrico y un metal. El campo eléctrico<br />
(<strong>en</strong> ver<strong>de</strong>) <strong>de</strong> esta ‘luz superficial’ se propaga sobre la interfaz (plano vertical), pero <strong>en</strong> la dirección<br />
perp<strong>en</strong>dicular a ésta su amplitud <strong>de</strong>cae <strong>de</strong> manera expon<strong>en</strong>cial.<br />
El interés <strong>en</strong> esta clase <strong>de</strong> f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>os existe <strong>en</strong> muchas disciplinas ci<strong>en</strong>tíficas, por ejemplo <strong>en</strong><br />
la física <strong>de</strong>l estado sólido, <strong>en</strong> óptica, química, biología, astronomía, física atmosférica e ing<strong>en</strong>iería<br />
eléctrica. De nuevo, el <strong>de</strong>sarrollo <strong>de</strong> técnicas para producir nanopartículas con el tamaño, forma y<br />
composición <strong>de</strong>seadas, ha hecho que estos sistemas, <strong>de</strong> manera individual o colectiva, t<strong>en</strong>gan un<br />
papel relevante <strong>en</strong> una gran cantidad <strong>de</strong> <strong>de</strong>sarrollos <strong>en</strong> nanotecnología. Cuando inci<strong>de</strong> luz sobre una<br />
nanopartícula metálica, se induce <strong>en</strong> ésta una distribución inhomogénea oscilante <strong>de</strong> cargas cuyo<br />
movimi<strong>en</strong>to se ve restringido por la superficie curveada. Bajo condiciones <strong>de</strong> resonancia <strong>en</strong>tre la<br />
vibración <strong>de</strong> la onda incid<strong>en</strong>te y el ir y v<strong>en</strong>ir <strong>de</strong> las cargas, se establece una oscilación <strong>de</strong> plasma que<br />
conduce a una notable amplificación y localización <strong>de</strong>l campo electromagnético <strong>en</strong> la vecindad <strong>de</strong> la<br />
superficie (Figura 2). A difer<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> los plasmones <strong>de</strong> una superficie plana, que se propagan a lo<br />
largo <strong>de</strong> ésta, los plasmones <strong>de</strong> superficie <strong>de</strong> una nanopartícula están <strong>en</strong>teram<strong>en</strong>te confinados <strong>en</strong><br />
todas direcciones; por esta razón se les d<strong>en</strong>omina simplem<strong>en</strong>te plasmones localizados . Una<br />
propiedad importante <strong>de</strong> estas resonancias es que su frecu<strong>en</strong>cia pue<strong>de</strong> sintonizarse con sólo cambiar<br />
26
la forma, el tamaño o el medio <strong>en</strong> que se <strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tra la nanopartícula. Esto se refleja <strong>en</strong> el espectro <strong>de</strong><br />
emisión o <strong>de</strong> absorción, es <strong>de</strong>cir <strong>en</strong> el color <strong>de</strong> la nanopartícula. Otras nanoestructuras con<br />
plasmones localizados son los nanocascarones, las inclusiones dieléctricas <strong>en</strong> estructuras metálicas,<br />
o arreglos <strong>de</strong> nanopartículas. Entre las aplicaciones que se han vislumbrado están las nanoant<strong>en</strong>as<br />
ópticas, fototerapia térmica, superl<strong>en</strong>tes, amplificación <strong>de</strong> plasmón por emisión estimulada <strong>de</strong><br />
radiación (el spaser , la versión nanoplasmónica <strong>de</strong>l láser), por m<strong>en</strong>cionar sólo algunas.<br />
Figura 2. Plasmón <strong>de</strong> superficie <strong>en</strong> una nanopartícula metálica. A la izquierda se repres<strong>en</strong>ta el<br />
<strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to <strong>de</strong> los electrones causado por un campo eléctrico oscilante. Se produc<strong>en</strong> cargas<br />
superficiales negativas (electrones) y positivas (déficit <strong>de</strong> electrones), cuyo movimi<strong>en</strong>to resonante<br />
constituye una oscilación <strong>de</strong> plasma. A la <strong>de</strong>recha se pres<strong>en</strong>ta la int<strong>en</strong>sidad <strong>de</strong>l campo eléctrico <strong>de</strong>l<br />
plasmón, el halo rojo-amarillo correspon<strong>de</strong> a magnitud máxima y muestra la localización espacial <strong>en</strong> la<br />
superficie.<br />
Un aspecto particular <strong>en</strong> el área <strong>de</strong> las propieda<strong>de</strong>s ópticas <strong>de</strong> nanoestructuras que se estudia<br />
<strong>en</strong> el <strong>CNyN</strong> es la respuesta óptica no lineal <strong>de</strong> nanopartículas. Este tipo <strong>de</strong> respuesta aparece cuando<br />
una partícula está sujeta a un haz <strong>de</strong> luz lo sufici<strong>en</strong>tem<strong>en</strong>te int<strong>en</strong>so para que la polarización inducida<br />
<strong>en</strong> ella sea proporcional no a la magnitud <strong>de</strong>l campo eléctrico sino a su cuadrado. Esto da lugar a<br />
f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>os como el <strong>de</strong> la g<strong>en</strong>eración <strong>de</strong> radiación <strong>de</strong> frecu<strong>en</strong>cia igual al doble <strong>de</strong> la <strong>de</strong>l campo<br />
aplicado, proceso que resulta ser muy s<strong>en</strong>sible a la superficie <strong>de</strong> la nanopartícula, y que, <strong>en</strong> g<strong>en</strong>eral,<br />
es la base <strong>de</strong> una espectroscopía óptica muy útil pues permite son<strong>de</strong>ar las condiciones físicas o<br />
químicas <strong>de</strong> superficies e interfaces.<br />
27
¿QUÉ ES UN NANOREACTOR<br />
Viridiana Evangelista, Br<strong>en</strong>da Acosta, Andrey Simakov<br />
La palabra reactor nos remite frecu<strong>en</strong>tem<strong>en</strong>te a imág<strong>en</strong>es <strong>de</strong> reactores nucleares. Sin embargo,<br />
exist<strong>en</strong> muchos tipos distintos <strong>de</strong> reactores, a<strong>de</strong>más <strong>de</strong> los nucleares. El cuerpo humano, por<br />
ejemplo, es un reactor ya que con el simple hecho <strong>de</strong> respirar, se <strong>de</strong>s<strong>en</strong>cad<strong>en</strong>an <strong>en</strong> su interior una<br />
serie <strong>de</strong> reacciones químicas. Esto nos lleva a una <strong>de</strong>finición s<strong>en</strong>cilla <strong>de</strong> lo que es un reactor:<br />
in<strong>de</strong>p<strong>en</strong>di<strong>en</strong>tem<strong>en</strong>te <strong>de</strong> su forma, material <strong>de</strong> construcción o tamaño, un reactor es un lugar <strong>en</strong> el que<br />
se llevan a cabo reacciones químicas. Los reactores cumpl<strong>en</strong> funciones <strong>en</strong> ámbitos muy distintos: <strong>en</strong><br />
la industria <strong>de</strong> la transformación, <strong>en</strong> la mayoría <strong>de</strong> los laboratorios, <strong>en</strong> los hogares y <strong>en</strong> el interior <strong>de</strong><br />
los organismos vivos. En la figura 1 se ilustran algunos ejemplos <strong>de</strong> reactores <strong>en</strong> ord<strong>en</strong> <strong>de</strong>creci<strong>en</strong>te<br />
<strong>de</strong> tamaño.<br />
Figura 1. Ejemplos <strong>de</strong> reactores <strong>de</strong> difer<strong>en</strong>tes tamaños: A) reactor industrial (25 m), B) reactor <strong>de</strong> laboratorio<br />
(0.02 m) y C) reactor <strong>de</strong> un organismo vivo (<strong>en</strong>zima <strong>de</strong> 0.0000003 m).<br />
Cuando se nombran los reactores, pue<strong>de</strong> hacerse refer<strong>en</strong>cia a su tamaño mediante un prefijo;<br />
así, un nanoreactor es un reactor cuyas dim<strong>en</strong>siones se <strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tran <strong>en</strong>tre 1-100 nanómetros. Los<br />
28
nanoreactores, por ser tan pequeños, pued<strong>en</strong> ser consecu<strong>en</strong>cia <strong>de</strong>l auto-<strong>en</strong>samblaje espontáneo <strong>de</strong><br />
moléculas, como las micelas o las vesículas, o pued<strong>en</strong> producirse a partir <strong>de</strong> sustancias naturales o<br />
sintéticas. Algunos ejemplos <strong>de</strong> nanoreactores son las zeolitas, los silicatos, los nanotubos o algunas<br />
estructuras más complejas como las que <strong>de</strong>scribiremos más a<strong>de</strong>lante: los nanoreactores <strong>de</strong> núcleocápsula<br />
(<strong>de</strong>l inglés core-shell).<br />
Entre las aportaciones <strong>de</strong> las nanoci<strong>en</strong>cias que han maravillado al mundo se <strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tran las<br />
múltiples formas que pued<strong>en</strong> adquirir las estructuras <strong>de</strong> dim<strong>en</strong>siones nanométricas (esferas, cubos,<br />
cilindros, estrellas), muchas <strong>de</strong> las cuales se han obt<strong>en</strong>ido controlando estrictam<strong>en</strong>te su proceso <strong>de</strong><br />
síntesis. Hace m<strong>en</strong>os <strong>de</strong> 20 años, se inició la preparación <strong>de</strong> un tipo <strong>de</strong> nanoestructuras llamadas<br />
nanoreactores <strong>de</strong> tipo núcleo-cápsula. La figura 2 A) ilustra <strong>en</strong> qué consiste este tipo <strong>de</strong> estructura<br />
mediante el ejemplo <strong>de</strong> un fruto <strong>de</strong> orig<strong>en</strong> natural, el aguacate. El núcleo <strong>de</strong>l aguacate, la semilla, es<br />
el elem<strong>en</strong>to más importante <strong>de</strong>l aguacate. La cápsula o sea la cáscara <strong>de</strong>l aguacate, protege al<br />
núcleo, mant<strong>en</strong>iéndolo aislado <strong>de</strong>l exterior. Los nanoreactores con estructura <strong>de</strong> tipo núcleo-cápsula,<br />
<strong>de</strong> igual manera, están formados por un núcleo alojado <strong>en</strong> un espacio vacío d<strong>en</strong>tro <strong>de</strong> una cápsula<br />
porosa. En la figura 2 B) se pres<strong>en</strong>ta un nanoreactor y las partes que lo constituy<strong>en</strong>. Es importante<br />
resaltar la difer<strong>en</strong>cia <strong>en</strong> las dim<strong>en</strong>siones <strong>de</strong> ambos ejemplos, el aguacate es 100 millones <strong>de</strong> veces<br />
(10 cm = 100,000,000 nm) más gran<strong>de</strong> que el nanoreactor. Este capítulo <strong>de</strong>scribe brevem<strong>en</strong>te el<br />
orig<strong>en</strong>, las aplicaciones, la clasificación y los métodos <strong>de</strong> síntesis <strong>de</strong> los nanoreactores núcleocápsula.<br />
A) B)<br />
Figura 2. Repres<strong>en</strong>tación <strong>de</strong> la estructura núcleo-cápsula: A) aguacate y B) nanoreactor.<br />
29
A través <strong>de</strong> múltiples investigaciones el hombre ha <strong>de</strong>sarrollado nanoestructuras . que han<br />
evolucionado, pasando <strong>de</strong> sistemas que servían solo para almac<strong>en</strong>ar ciertos compuestos químicos<br />
hasta sistemas <strong>en</strong>cargados <strong>de</strong> la liberación controlada <strong>de</strong> fármacos, que es una <strong>de</strong> las aplicaciones <strong>de</strong><br />
los nanoreactores núcleo-cápsula. En el área <strong>de</strong> investigación <strong>de</strong> la ing<strong>en</strong>iería biomédica se han<br />
hecho avances <strong>de</strong>stacados <strong>en</strong>:<br />
• Sistemas <strong>de</strong> transporte <strong>de</strong> fármacos (Figura 3).<br />
• Sondas <strong>de</strong> s<strong>en</strong>sores colorimétricos <strong>de</strong> ADN y proteínas.<br />
• Detección y terapia térmica <strong>de</strong> tumores canceríg<strong>en</strong>os.<br />
Figura 3. Esquema <strong>de</strong> la liberación <strong>de</strong> una solución con el transcurso <strong>de</strong>l tiempo, usando un nanoreactor.<br />
Éste es el principio <strong>de</strong> la liberación controlada <strong>de</strong> fármacos.<br />
En años reci<strong>en</strong>tes, el conocimi<strong>en</strong>to acumulado sobre los nanorecatores núcleo-cápsula aunado<br />
a su estructura simple y <strong>de</strong>finida ha motivado su aplicación <strong>en</strong> áreas como la catálisis. La catálisis es<br />
el proceso por el cual se acelera la velocidad <strong>de</strong> una reacción química <strong>en</strong> pres<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> un<br />
catalizador; <strong>en</strong> este caso, el núcleo <strong>de</strong>l nanoreactor repres<strong>en</strong>ta la parte activa <strong>de</strong>l catalizador. El<br />
<strong>de</strong>sempeño <strong>de</strong> los nanoreactores se ha <strong>en</strong>focado <strong>en</strong> optimizar reacciones <strong>de</strong> química fina y<br />
ambi<strong>en</strong>tal.<br />
Con base <strong>en</strong> la naturaleza <strong>de</strong> los compon<strong>en</strong>tes que constituy<strong>en</strong> tanto al núcleo como a la<br />
cápsula, los especialistas <strong>en</strong> el tema han clasificado a los nanoreactores núcleo-cápsula <strong>en</strong> tres<br />
grupos: i) inorgánicos, <strong>en</strong> los que el núcleo y la cápsula son inorgánicos; ii) poliméricos, <strong>en</strong> los que<br />
ambos compon<strong>en</strong>tes son polímeros; y iii) híbridos, cuando uno <strong>de</strong> sus compon<strong>en</strong>tes es inorgánico y<br />
el otro orgánico.<br />
Si bi<strong>en</strong>, todos los tipos <strong>de</strong> nanoreactores son <strong>de</strong> gran interés ci<strong>en</strong>tífico, los inorgánicos son los<br />
más atractivos <strong>en</strong> el área <strong>de</strong> catálisis <strong>de</strong>bido a las múltiples combinaciones posibles <strong>en</strong>tre los<br />
30
elem<strong>en</strong>tos que forman el núcleo y la cápsula, que pued<strong>en</strong> g<strong>en</strong>erar interesantes propieda<strong>de</strong>s<br />
catalíticas, térmicas, magnéticas y ópticas, por m<strong>en</strong>cionar algunas.<br />
El éxito <strong>de</strong> los nanoreactores inorgánicos y sus múltiples aplicaciones están ligados al método<br />
<strong>de</strong> síntesis. De manera g<strong>en</strong>eral, las rutas para producir nanoreactores con estructura núcleo-cápsula<br />
son dos: <strong>de</strong> abajo hacia arriba (<strong>de</strong>l inglés bottom-up), que es la que se utiliza con mayor frecu<strong>en</strong>cia e<br />
implica la construcción <strong>de</strong> la nanoestructura com<strong>en</strong>zando por el núcleo, y <strong>de</strong> arriba hacia abajo (<strong>de</strong>l<br />
inglés top-down), cuando se inicia con la cápsula. Los pasos <strong>de</strong> ambas rutas se resum<strong>en</strong> <strong>en</strong> las<br />
figuras 4 A) y B), respectivam<strong>en</strong>te.<br />
A)<br />
B)<br />
Figura 4. Rutas <strong>de</strong> síntesis <strong>de</strong> nanoreactores núcleo-cápsula: A) <strong>de</strong> abajo hacia arriba y B) <strong>de</strong> arriba hacia<br />
abajo.<br />
El interés ci<strong>en</strong>tífico <strong>en</strong> los nanoreactores ha aum<strong>en</strong>tado expon<strong>en</strong>cialm<strong>en</strong>te a nivel mundial a<br />
partir <strong>de</strong> 2006. Lo anterior es evid<strong>en</strong>te no solo <strong>en</strong> los excel<strong>en</strong>tes resultados que se han pres<strong>en</strong>tado <strong>en</strong><br />
las distintas investigaciones, sino que a<strong>de</strong>más repres<strong>en</strong>ta una v<strong>en</strong>tana <strong>de</strong> oportunidad <strong>en</strong> múltiples<br />
campos ci<strong>en</strong>tíficos. En suma, la investigación <strong>de</strong> estructuras avanzadas como los nanoreactores es<br />
un tema <strong>de</strong> vanguardia que va <strong>de</strong> la mano con la innovación tecnológica.<br />
En México, un grupo <strong>de</strong> trabajo <strong>de</strong>l Departam<strong>en</strong>to <strong>de</strong> Nanocatálisis <strong>de</strong>l C<strong>en</strong>tro <strong>de</strong><br />
Nanoci<strong>en</strong>cias y Nanotecnología (<strong>CNyN</strong>) <strong>de</strong> la UNAM está <strong>en</strong>focado <strong>en</strong> el estudio <strong>de</strong> nanoreactores<br />
inorgánicos núcleo-cápsula. Entre lo más <strong>de</strong>stacado <strong>de</strong>l trabajo <strong>de</strong> este grupo está el diseño<br />
estratégico <strong>de</strong> una estación para sintetizar los nanoreactores a gran escala y a bajo costo. El equipo<br />
<strong>de</strong> investigadores, respaldados por años <strong>de</strong> experi<strong>en</strong>cia <strong>en</strong> el campo <strong>de</strong> catálisis, cu<strong>en</strong>ta con<br />
31
herrami<strong>en</strong>tas para <strong>de</strong>sarrollar nanoreactores núcleo-cápsula con propieda<strong>de</strong>s atractivas para<br />
múltiples reacciones <strong>de</strong> interés, <strong>en</strong> especial <strong>de</strong> química ambi<strong>en</strong>tal y <strong>de</strong> química fina.<br />
32
MATERIALES<br />
33
¿QUÉ ES EL NANO-ORO<br />
El<strong>en</strong>a Smol<strong>en</strong>tseva, Eunice Vargas y Andrey Simakov<br />
¿Qué respon<strong>de</strong>rías si te preguntan qué es el oro La mayor parte <strong>de</strong> la g<strong>en</strong>te contestaría que es<br />
un metal relacionado con joyas, dinero, lingotes, monedas, mucho valor o nivel económico. Des<strong>de</strong> la<br />
antigüedad el oro ha sido un símbolo <strong>de</strong> po<strong>de</strong>r y se ha relacionado con dioses, reyes e inmortalidad<br />
(Figura 1).<br />
Figura 1. Ejemplos <strong>de</strong> objetos <strong>de</strong> oro [1].<br />
El oro es un elem<strong>en</strong>to químico que se <strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tra ubicado <strong>en</strong> la tabla periódica con el número<br />
atómico 79 y que existe <strong>de</strong> forma natural. Es un metal amarillo, suave y con un lustre muy atractivo.<br />
Su relación con el po<strong>de</strong>r seguram<strong>en</strong>te com<strong>en</strong>zó cuando se reconoció que es muy estable, es <strong>de</strong>cir,<br />
que sus características físicas no cambian con el paso <strong>de</strong>l tiempo, como suce<strong>de</strong> con otros metales<br />
como el hierro. Otras características importantes son su maleabilidad y ductilidad, lo que permite<br />
fácilm<strong>en</strong>te hacer piezas <strong>de</strong> oro <strong>de</strong> formas variadas, muy pequeñas y muy <strong>de</strong>lgadas, sin que éste<br />
pierda su integridad. Gracias a sus características, el oro se aplica <strong>en</strong> la industria electrónica para el<br />
34
alambrado eléctrico <strong>de</strong> alta <strong>en</strong>ergía, para conexiones eléctricas <strong>en</strong> recubrimi<strong>en</strong>to <strong>de</strong> tarjetas <strong>de</strong><br />
memoria; <strong>en</strong> la industria cosmética se usa <strong>en</strong> forma <strong>de</strong> fibras (hilos) para la cirugía estética y, <strong>en</strong> la<br />
industria textil, como parte <strong>de</strong> bordados y adornos.<br />
Pero ¿qué es el nano-oro Es <strong>de</strong>cir ¿qué son las nanopartículas <strong>de</strong> oro El término nano-oro se<br />
refiere a partículas <strong>de</strong> oro tan pequeñas que su tamaño es <strong>de</strong> escala nanométrica. Las primeras<br />
nanopartículas <strong>de</strong> oro (NP-Au) fueron obt<strong>en</strong>idas por los artesanos romanos. Ellos sabían que al<br />
mezclar una sustancia llamada cloruro <strong>de</strong> oro con vidrio fundido se obt<strong>en</strong>ía un vidrio <strong>de</strong> color rojo<br />
(Fig. 2). Esta técnica se usó para producir vidrio <strong>de</strong> un color tan atractivo que se eligió para fabricar<br />
objetos artísticos y para <strong>de</strong>corar las v<strong>en</strong>tanas <strong>de</strong> algunas catedrales europeas. Sin embargo, estos<br />
artesanos no sabían que estaban empleando partículas <strong>de</strong> oro <strong>de</strong> tamaño nanométrico.<br />
Figura 2. Solución acuosa <strong>de</strong> cloruro <strong>de</strong> oro (izquierda) [2] y copa <strong>de</strong> vidrio fundido <strong>en</strong> cuya fabricación<br />
se utilizó oro nanométrico (<strong>de</strong>recha) [3] © cambridge2000.com.<br />
El oro es un material cuyas propieda<strong>de</strong>s físicas y químicas cambian drásticam<strong>en</strong>te cuando su<br />
tamaño es el <strong>de</strong> una nanopartícula. Las NP-Au ti<strong>en</strong><strong>en</strong> propieda<strong>de</strong>s ópticas muy peculiares, ya que<br />
son <strong>de</strong> distinto color según su tamaño. La Figura 3 muestra soluciones coloidales <strong>de</strong> NP-Au que<br />
exhib<strong>en</strong> difer<strong>en</strong>tes colores. El color <strong>de</strong> cada solución <strong>de</strong>p<strong>en</strong><strong>de</strong> <strong>de</strong>l tamaño <strong>de</strong> las NP-Au que<br />
conti<strong>en</strong>e. El color rojo, por ejemplo, correspon<strong>de</strong> a las NP-Au <strong>de</strong> tamaño <strong>en</strong>tre 5 y 20 nm. En la<br />
actualidad, hay muchas aplicaciones <strong>de</strong> las NP-Au: <strong>en</strong> la medicina, como indicador óptico <strong>en</strong> el<br />
transporte <strong>de</strong> medicam<strong>en</strong>tos, o <strong>en</strong> la terapia llamada térmica contra tumores cancerosos (NP-Au se<br />
colocan <strong>en</strong> el tumor y se pued<strong>en</strong> cal<strong>en</strong>tar específicam<strong>en</strong>te por medio <strong>de</strong> un láser; <strong>de</strong> esta manera se<br />
35
<strong>de</strong>struy<strong>en</strong> las células <strong>en</strong> las que se <strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tran); <strong>en</strong> la industria alim<strong>en</strong>taria, como colorante, <strong>en</strong>tre<br />
otras [4]. A<strong>de</strong>más, el oro <strong>de</strong> escala nanométrica cambia sus propieda<strong>de</strong>s ópticas al absorber ciertos<br />
gases. Por esta razón, se usa <strong>en</strong> s<strong>en</strong>sores para <strong>de</strong>tectar la pres<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> gases así como <strong>en</strong> máscaras<br />
anti-gas para evitar su inhalación.<br />
Figura 3. Diversos colores que pres<strong>en</strong>tan las nanopartículas <strong>de</strong> oro <strong>en</strong> función <strong>de</strong> su tamaño [5].<br />
Hace 20 años, se <strong>de</strong>scubrió que el nano-oro pue<strong>de</strong> ser muy efici<strong>en</strong>te como catalizador <strong>de</strong><br />
algunas reacciones químicas. Un catalizador es un compuesto que pue<strong>de</strong> increm<strong>en</strong>tar la velocidad <strong>de</strong><br />
una reacción química.<br />
Los nanocatalizadores <strong>de</strong> oro están formados por NP-Au colocadas <strong>en</strong> la superficie <strong>de</strong> un<br />
compuesto llamado soporte (Fig. 4) que g<strong>en</strong>eralm<strong>en</strong>te es un óxido. Los nanocatalizadores <strong>de</strong> oro son<br />
activos <strong>en</strong> diversas reacciones, incluso <strong>en</strong> algunas que son importantes para la protección <strong>de</strong>l medio<br />
ambi<strong>en</strong>te. Por ejemplo, se usan para catalizar la oxidación <strong>de</strong>l monóxido <strong>de</strong> carbono (CO), un gas<br />
v<strong>en</strong><strong>en</strong>oso producido por la combustión <strong>de</strong> la gasolina.<br />
Debido a que la actividad <strong>de</strong> este tipo <strong>de</strong> catalizadores <strong>de</strong>p<strong>en</strong><strong>de</strong> <strong>de</strong> la interacción química <strong>en</strong>tre<br />
las NP-Au y el soporte, para que un nanocatalizador <strong>de</strong> oro sea exitoso las NP-Au <strong>de</strong>b<strong>en</strong> t<strong>en</strong>er un<br />
tamaño específico y estar altam<strong>en</strong>te dispersas sobre el soporte a<strong>de</strong>cuado. Para ello es indisp<strong>en</strong>sable<br />
un método <strong>de</strong> obt<strong>en</strong>ción <strong>de</strong>l catalizador que cumpla a<strong>de</strong>cuadam<strong>en</strong>te con estas condiciones. Hay<br />
varios métodos para preparar catalizadores <strong>de</strong> oro a escala nanométrica, tales como el <strong>de</strong><br />
impregnación húmeda, el <strong>de</strong> intercambio iónico, el <strong>de</strong> <strong>de</strong>pósito-precipitación y el <strong>de</strong> <strong>de</strong>pósito <strong>de</strong><br />
vapores por medios físicos o químicos, <strong>en</strong>tre otros.<br />
Para lograr la oxidación <strong>de</strong>l monóxido <strong>de</strong> carbono (CO), una <strong>de</strong> las v<strong>en</strong>tajas notables <strong>de</strong> los<br />
nanocatalizadores <strong>de</strong> oro es que son activos a temperaturas consi<strong>de</strong>rablem<strong>en</strong>te bajas <strong>en</strong> comparación<br />
36
con otros catalizadores que sólo funcionan a temperaturas más elevadas. Por otro lado, los<br />
nanocatalizadores <strong>de</strong> oro son muy selectivos <strong>en</strong> las reacciones <strong>de</strong> química fina (producción<br />
especializada <strong>de</strong> productos químicos específicos) cuando se comparan con catalizadores basados <strong>en</strong><br />
otros metales nobles <strong>de</strong> escala nanométrica, como el paladio, el platino y la plata.<br />
Figura 4. Imág<strong>en</strong>es <strong>de</strong> TEM <strong>de</strong>: (A) una nanopartícula <strong>de</strong> oro vista con alta resolución; (B) NP-Au<br />
soportadas <strong>en</strong> cerio mesoporoso y (C) NP-Au soportadas <strong>en</strong> un nanotubo.<br />
En el C<strong>en</strong>tro <strong>de</strong> Nanoci<strong>en</strong>cias y Nanotecnología <strong>de</strong> la UNAM <strong>en</strong> Ens<strong>en</strong>ada, B.C., se estudian<br />
los catalizadores <strong>de</strong> NP-Au soportadas <strong>en</strong> difer<strong>en</strong>tes óxidos puros así como <strong>en</strong> óxidos mixtos. Se<br />
investigan técnicas para su preparación, su caracterización y la evaluación <strong>de</strong> estos<br />
nanocatalizadores <strong>en</strong> reacciones <strong>en</strong>caminadas a proteger el medio ambi<strong>en</strong>te y <strong>en</strong> reacciones <strong>de</strong><br />
química fina.<br />
Lecturas adicionales<br />
[1]. www.google.com.mx (imág<strong>en</strong>es <strong>de</strong> oro).<br />
[2]. http://<strong>en</strong>.wikipedia.org/wiki/Gold(III)_chlori<strong>de</strong>.<br />
[3]. http://www.cambridge2000.com/gallery/html/P70315712.html.<br />
[4]. http://www.food.gov.uk/safereating/chemsafe/additivesbranch/<strong>en</strong>umberlist.<br />
[5].http://www.ansci.wisc.edu/facstaff/Faculty/pages/albrecht/albrecht_web/Programs/microscopy/c<br />
olloid.html.<br />
37
¿QUÉ ES UN DENDRÍMERO<br />
Amelia Olivas Sarabia y Domingo Madrigal Peralta<br />
Un d<strong>en</strong>drímero es una macromolécula polimérica muy versátil, g<strong>en</strong>eralm<strong>en</strong>te <strong>de</strong> forma<br />
globular y con un diámetro <strong>de</strong> <strong>en</strong>tre uno y más <strong>de</strong> diez nanómetros. El término d<strong>en</strong>drímero proce<strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>l griego d<strong>en</strong>dron que significa árbol o rama y mero que significa segm<strong>en</strong>to. Los d<strong>en</strong>drímeros se<br />
sintetizan químicam<strong>en</strong>te y ti<strong>en</strong><strong>en</strong> una forma bi<strong>en</strong> <strong>de</strong>finida que <strong>en</strong> ocasiones es simétrica. El tamaño<br />
nanométrico les confiere propieda<strong>de</strong>s físico-químicas similares a las <strong>de</strong> las biomoléculas. Conti<strong>en</strong><strong>en</strong><br />
un conjunto <strong>de</strong> unida<strong>de</strong>s con estructuras ramificadas tridim<strong>en</strong>sionalm<strong>en</strong>te, alta conc<strong>en</strong>tración <strong>de</strong><br />
grupos funcionales <strong>en</strong> la periferia, y pres<strong>en</strong>tan huecos o cavida<strong>de</strong>s <strong>en</strong> su interior. A medida que<br />
aum<strong>en</strong>tan <strong>de</strong> tamaño, los d<strong>en</strong>drímeros se vuelv<strong>en</strong> más rígidos.<br />
Los d<strong>en</strong>drímeros han recibido gran at<strong>en</strong>ción <strong>en</strong> los últimos años <strong>de</strong>bido a su posible utilización<br />
<strong>en</strong> aplicaciones tan variadas como la catálisis a nanoescala, su utilidad como s<strong>en</strong>sores químicos,<br />
micelas unimoleculares, su capacidad <strong>de</strong> imitación <strong>de</strong> la función <strong>de</strong> las <strong>en</strong>zimas, la <strong>en</strong>capsulación <strong>de</strong><br />
moléculas, el reconocimi<strong>en</strong>to molecular, como ag<strong>en</strong>tes <strong>de</strong> diagnóstico y también como vehículos<br />
para el transporte <strong>de</strong> g<strong>en</strong>es y fármacos.<br />
En la actualidad, se han sintetizado d<strong>en</strong>drímeros <strong>en</strong> solución por copolimerización y por<br />
reacción <strong>en</strong> fase sólida y se han <strong>de</strong>finido sus propieda<strong>de</strong>s. El poliestir<strong>en</strong>o y la sílice son los soportes<br />
más frecu<strong>en</strong>tem<strong>en</strong>te usados <strong>en</strong> la síntesis <strong>de</strong> d<strong>en</strong>drímeros soportados <strong>en</strong> fase sólida.<br />
La figura 1 muestra la imag<strong>en</strong> obt<strong>en</strong>ida por microscopio electrónico <strong>de</strong> barrido (SEM) <strong>de</strong> un<br />
conglomerado d<strong>en</strong>drimérico con un diámetro <strong>de</strong> 70 micrómetros, y <strong>en</strong> la imag<strong>en</strong> obt<strong>en</strong>ida con el<br />
microscopio <strong>de</strong> fuerza atómica (AFM) se pued<strong>en</strong> apreciar los aglomerados d<strong>en</strong>driméricos que lo<br />
conforman y cuyo diámetro es <strong>de</strong> 130 ± 3 nanómetros.<br />
38
Figura 1. Micrografías <strong>de</strong> un d<strong>en</strong>drímero soportado <strong>en</strong> fase sólida visto por SEM (blanco y negro) y por<br />
AFM (color).<br />
En la figura 2 se muestra un esquema <strong>de</strong> la estructura <strong>de</strong> un d<strong>en</strong>drímero. Los d<strong>en</strong>drímeros se<br />
sintetizan por etapas lo que permite injertar los grupos funcionales <strong>de</strong>seados <strong>en</strong> casi cualquier parte<br />
<strong>de</strong> su estructura, ya sea <strong>en</strong> el núcleo, <strong>en</strong> las ramificaciones o <strong>en</strong> la periferia. Estos grupos funcionales<br />
y su colocación se pued<strong>en</strong> seleccionar <strong>de</strong> tal forma que proporcion<strong>en</strong> las propieda<strong>de</strong>s que se<br />
requieran para su aplicación <strong>en</strong> la ci<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> materiales, la catálisis o la biología.<br />
La estructura d<strong>en</strong>drimérica está caracterizada por capas llamadas g<strong>en</strong>eraciones que se forman<br />
a partir <strong>de</strong>l punto don<strong>de</strong> surge una ramificación (punto focal). La <strong>de</strong>finición exacta <strong>de</strong>l término<br />
g<strong>en</strong>eración ha sido objeto <strong>de</strong> controversia; g<strong>en</strong>eralm<strong>en</strong>te, se acepta que las g<strong>en</strong>eraciones <strong>de</strong> un<br />
d<strong>en</strong>drímero correspond<strong>en</strong> al número <strong>de</strong> puntos focales (o puntos cascada) que aparec<strong>en</strong> <strong>de</strong>s<strong>de</strong> el<br />
núcleo c<strong>en</strong>tral hasta la superficie. Un d<strong>en</strong>drímero <strong>de</strong> quinta g<strong>en</strong>eración pres<strong>en</strong>ta por lo tanto cinco<br />
puntos focales <strong>en</strong>tre el núcleo y la superficie. El núcleo normalm<strong>en</strong>te se d<strong>en</strong>omina g<strong>en</strong>eración cero<br />
(G0) ya que no pres<strong>en</strong>ta ningún punto focal, como está marcado <strong>en</strong> la figura 2.<br />
39
H 2N<br />
H 2N<br />
H 2N<br />
H 2N<br />
H 2N<br />
H 2N<br />
H 2N<br />
N<br />
N<br />
N<br />
N<br />
N<br />
H 2N NH2 H 2N NH2 NH 2<br />
NH2<br />
NH2<br />
N<br />
N N<br />
NH 2<br />
N<br />
N<br />
N<br />
N NH 2<br />
G(1)<br />
NH 2<br />
N<br />
N N<br />
G(0)<br />
N<br />
N N<br />
NH 2<br />
NH2<br />
N<br />
N<br />
N N<br />
H 2N<br />
N<br />
N<br />
N<br />
N<br />
NH 2<br />
NH 2<br />
H 2N<br />
H 2N<br />
N<br />
N<br />
N<br />
N<br />
NH 2<br />
NH 2<br />
H<br />
H 2N 2N<br />
H 2N<br />
NH 2<br />
NH2<br />
NH 2<br />
Figura. 2. Ejemplo <strong>de</strong> un d<strong>en</strong>drímero poliamina y <strong>de</strong> las partes que lo constituy<strong>en</strong>. Aquí, los nitróg<strong>en</strong>os <strong>de</strong><br />
color azul son un punto focal. G(0) indica la g<strong>en</strong>eración cero y G(1) la g<strong>en</strong>eración 1.<br />
Uno <strong>de</strong> los primeros d<strong>en</strong>drímeros que se sintetizaron fue la poliamidoamina (PAMAM) que<br />
conti<strong>en</strong>e grupos amida y amina <strong>en</strong> su estructura. El núcleo <strong>de</strong> PAMAM pue<strong>de</strong> ser un amonio o bi<strong>en</strong><br />
1,2-etil<strong>en</strong>diamina. Actualm<strong>en</strong>te, se investigan las propieda<strong>de</strong>s <strong>de</strong> estos d<strong>en</strong>drímeros.<br />
Exist<strong>en</strong> dos caminos para la preparación <strong>de</strong> d<strong>en</strong>drímeros, la síntesis diverg<strong>en</strong>te y la síntesis<br />
converg<strong>en</strong>te. En la ruta diverg<strong>en</strong>te, el d<strong>en</strong>drímero se sintetiza <strong>de</strong>s<strong>de</strong> el núcleo como punto <strong>de</strong> inicio<br />
y se incorporan monómeros g<strong>en</strong>eración tras g<strong>en</strong>eración hasta la superficie. Sin embargo, el elevado<br />
número <strong>de</strong> reacciones que ti<strong>en</strong>e que llevarse a cabo para formar una única molécula con muchos<br />
sitios equival<strong>en</strong>tes <strong>de</strong> reacción, requiere <strong>de</strong> transformaciones muy efectivas para evitar <strong>de</strong>fectos. Por<br />
lo tanto, el r<strong>en</strong>dimi<strong>en</strong>to <strong>de</strong> la síntesis <strong>de</strong> d<strong>en</strong>drímeros por el método diverg<strong>en</strong>te será<br />
aproximadam<strong>en</strong>te <strong>de</strong>l 25%.<br />
Por el contrario, la síntesis converg<strong>en</strong>te comi<strong>en</strong>za <strong>en</strong> la superficie y finaliza <strong>en</strong> el núcleo,<br />
don<strong>de</strong> los segm<strong>en</strong>tos <strong>de</strong>l d<strong>en</strong>drímero (o d<strong>en</strong>drones) se acoplan. En la aproximación converg<strong>en</strong>te,<br />
solam<strong>en</strong>te un pequeño número <strong>de</strong> sitios reactivos se funcionalizan <strong>en</strong> cada paso, dando lugar a un<br />
m<strong>en</strong>or número <strong>de</strong> <strong>de</strong>fectos, por lo que aum<strong>en</strong>ta el r<strong>en</strong>dimi<strong>en</strong>to. Cada g<strong>en</strong>eración que se sintetiza se<br />
pue<strong>de</strong> purificar. En los d<strong>en</strong>drímeros <strong>de</strong> gran g<strong>en</strong>eración esta tarea es difícil por la gran similitud<br />
<strong>en</strong>tre los reactantes y el producto formado. Sin embargo, con una purificación apropiada <strong>en</strong> cada<br />
etapa, se pued<strong>en</strong> obt<strong>en</strong>er, por la ruta converg<strong>en</strong>te, d<strong>en</strong>drímeros sin <strong>de</strong>fectos.<br />
Un d<strong>en</strong>drímero es <strong>en</strong> promedio m<strong>en</strong>os compacto que una proteína <strong>de</strong> peso molecular similar,<br />
su interior no está tan efici<strong>en</strong>tem<strong>en</strong>te acomodado como <strong>en</strong> las proteínas hechas por la naturaleza. En<br />
40
cambio, un d<strong>en</strong>drímero conti<strong>en</strong>e un número sustancialm<strong>en</strong>te mayor <strong>de</strong> grupos funcionales <strong>en</strong> la<br />
superficie que una proteína.<br />
Para po<strong>de</strong>r utilizar un d<strong>en</strong>drímero <strong>en</strong> la biomedicina, éste <strong>de</strong>be cumplir varias condiciones <strong>de</strong><br />
importancia crucial: no ser tóxico ni inmunogénico, <strong>de</strong>be po<strong>de</strong>r atravesar barreras biológicas<br />
(barrera hemato<strong>en</strong>cefálica, membranas celulares, intestino, pared vascular, etc.), ser capaz <strong>de</strong><br />
dirigirse a receptores específicos, ser estable y permanecer <strong>en</strong> circulación el tiempo necesario para<br />
lograr el efecto clínico buscado. Es muy importante m<strong>en</strong>cionar que se han preparado d<strong>en</strong>drímeros <strong>de</strong><br />
g<strong>en</strong>eración 6-7 con dim<strong>en</strong>siones <strong>de</strong> seis a diez nanómetros <strong>de</strong> diámetro. Con este tamaño, los<br />
d<strong>en</strong>drímeros pued<strong>en</strong> fácilm<strong>en</strong>te atravesar la membrana celular y llevar selectivam<strong>en</strong>te algún fármaco<br />
hasta el punto preciso don<strong>de</strong> éste <strong>de</strong>be actuar.<br />
En conclusión, los d<strong>en</strong>drímeros son un tipo <strong>de</strong> polímeros sintéticos con forma globular y con<br />
propieda<strong>de</strong>s fisicoquímicas únicas <strong>en</strong>tre los compuestos orgánicos. Actualm<strong>en</strong>te, se perfilan como<br />
instrum<strong>en</strong>tos con importantes aplicaciones nanobiológicas ya que respond<strong>en</strong> <strong>en</strong> forma pre<strong>de</strong>cible <strong>en</strong><br />
solución, pued<strong>en</strong> ser modificados ampliam<strong>en</strong>te para portar múltiples ligandos con difer<strong>en</strong>te<br />
actividad biológica y pued<strong>en</strong> ser fabricados con muy pocos <strong>de</strong>fectos estructurales. A<strong>de</strong>más, se<br />
pued<strong>en</strong> caracterizar por técnicas conv<strong>en</strong>cionales como espectrometría <strong>de</strong> masas, espectroscopía <strong>de</strong><br />
infrarrojo o resonancia magnética nuclear (RMN). Por último, los d<strong>en</strong>drímeros abr<strong>en</strong> la posibilidad<br />
<strong>de</strong> posicionar <strong>en</strong> forma controlada nanopartículas metálicas con aplicaciones <strong>en</strong> nanotecnología. La<br />
Figura 3 muestra un ejemplo <strong>de</strong> la armonía y belleza <strong>de</strong> los d<strong>en</strong>drímeros.<br />
HO<br />
HO<br />
HO<br />
HO<br />
HO<br />
HO<br />
HO<br />
HO<br />
HO<br />
HO<br />
HO<br />
O<br />
O<br />
HO<br />
O<br />
O<br />
HO<br />
O<br />
O<br />
HO<br />
O<br />
O<br />
O<br />
OH<br />
OH<br />
O<br />
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OH<br />
Figura 3. Estructura esquemática <strong>de</strong>l d<strong>en</strong>drímero soportado <strong>en</strong> fase sólida <strong>de</strong> la figura 1.<br />
41
¿QUÉ ES UN NANOGEL<br />
Amelia Olivas Sarabia, E<strong>de</strong>r Lugo Medina y José Manuel Cornejo Bravo<br />
Los geles son un estado <strong>de</strong> la materia intermedio <strong>en</strong>tre el sólido y el líquido y, <strong>en</strong> su mayoría,<br />
están formados por polímeros reticulados con bajo grado <strong>de</strong> <strong>en</strong>trecruzami<strong>en</strong>to que conti<strong>en</strong><strong>en</strong> un<br />
líquido absorbido. Este líquido pue<strong>de</strong> ser agua, <strong>en</strong> cuyo caso se usa el término <strong>de</strong> hidrogel, o algún<br />
disolv<strong>en</strong>te orgánico. La capacidad <strong>de</strong> absorción y el tipo <strong>de</strong> disolv<strong>en</strong>te empleado <strong>de</strong>p<strong>en</strong>d<strong>en</strong> <strong>de</strong> las<br />
propieda<strong>de</strong>s fisicoquímicas <strong>de</strong>l polímero; así, si el material es hidrofílico t<strong>en</strong>drá la capacidad <strong>de</strong><br />
absorber agua, mi<strong>en</strong>tras que si es hidrofóbico t<strong>en</strong>drá la capacidad <strong>de</strong> absorber disolv<strong>en</strong>tes no<br />
polares. A continuación se pres<strong>en</strong>tan un par <strong>de</strong> imág<strong>en</strong>es obt<strong>en</strong>idas mediante microscopia <strong>de</strong> fuerza<br />
atómica (AFM, <strong>de</strong>l inglés atomic force microscopy), que muestran la distribución <strong>de</strong>l tamaño <strong>de</strong><br />
partícula, con un valor promedio <strong>de</strong> 470 nm, <strong>de</strong> un gel producido por polimerización a partir <strong>de</strong> la<br />
dispersión <strong>de</strong> un material s<strong>en</strong>sible a la temperatura d<strong>en</strong>ominado N-isopropilacrilamida (NIPAAm).<br />
1.8µm<br />
400nm<br />
Figura 1<br />
Los geles preparados con partículas <strong>de</strong> dim<strong>en</strong>siones m<strong>en</strong>ores a 200 nm se llaman nanogeles.<br />
Algunos geles y nanogeles ti<strong>en</strong><strong>en</strong> la capacidad <strong>de</strong> cambiar <strong>de</strong> tamaño <strong>en</strong> respuesta a estímulos tales<br />
42
como la temperatura, la luz, el campo eléctrico o ciertos solutos como la glucosa. Estos materiales se<br />
llaman geles o nanogeles intelig<strong>en</strong>tes y ti<strong>en</strong><strong>en</strong> aplicaciones como superabsorb<strong>en</strong>tes, sistemas <strong>de</strong><br />
liberación <strong>de</strong> fármacos, s<strong>en</strong>sores y otras. Los nanogeles intelig<strong>en</strong>tes que se utilizan como s<strong>en</strong>sores<br />
ópticos pued<strong>en</strong> ser s<strong>en</strong>sibles al pH y sirv<strong>en</strong> para obt<strong>en</strong>er imág<strong>en</strong>es intracelulares.<br />
La respuesta <strong>de</strong> los nanogeles es mucho más rápida que la <strong>de</strong> los geles macroscópicos <strong>de</strong>bido a<br />
que el coefici<strong>en</strong>te <strong>de</strong> difusión <strong>de</strong> la red polimérica es inversam<strong>en</strong>te proporcional al cuadrado <strong>de</strong> sus<br />
dim<strong>en</strong>siones. Asimismo, <strong>en</strong> contraste con los geles, los microgeles y nanogeles pued<strong>en</strong> ser<br />
dispersados <strong>en</strong> agua, preservando una estructura altam<strong>en</strong>te estable. Por lo tanto, ti<strong>en</strong><strong>en</strong> aplicación <strong>en</strong><br />
muchos campos, incluy<strong>en</strong>do a la nanotecnología.<br />
Los geles ti<strong>en</strong><strong>en</strong> ciertas propieda<strong>de</strong>s físicas comunes con los tejidos vivos; <strong>en</strong>tre ellas, una<br />
consist<strong>en</strong>cia suave y elástica y baja t<strong>en</strong>sión interfacial con el agua o con fluidos biológicos. Se ha<br />
<strong>en</strong>contrado que la naturaleza elástica <strong>de</strong> los geles hidratados minimiza la irritación <strong>de</strong> los tejidos que<br />
ro<strong>de</strong>an un implante. La baja t<strong>en</strong>sión interfacial <strong>en</strong>tre la superficie <strong>de</strong>l gel y los fluidos corporales<br />
minimiza la adsorción <strong>de</strong> proteínas y la adhesión celular, lo que reduce las posibilida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> una<br />
reacción inmune negativa.<br />
Los microgeles y nanogeles híbridos que pose<strong>en</strong> grupos funcionales ópticam<strong>en</strong>te activos<br />
inmovilizados <strong>en</strong> las re<strong>de</strong>s <strong>de</strong>l gel <strong>de</strong> un polímero, al combinar las propieda<strong>de</strong>s <strong>de</strong> ambos, pued<strong>en</strong><br />
ofrecer posibilida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> cambios externos y <strong>de</strong> manipulación cuando se aplican como s<strong>en</strong>sores y<br />
como ag<strong>en</strong>tes etiquetantes <strong>de</strong> la célula. Des<strong>de</strong> el informe <strong>de</strong>l primer s<strong>en</strong>sor basado <strong>en</strong> nanopartículas<br />
llamado PEBBLE (<strong>de</strong>l inglés Photonic Explorer for Biomedical Use with Biologically Localized<br />
Embedding), nuevos materiales a nanoescala han atraído cada vez mayor at<strong>en</strong>ción y se ha ext<strong>en</strong>dido<br />
su aplicación a múltiples funciones.<br />
La gran área superficial <strong>de</strong> los microgeles y nanogeles permite no sólo una alta accesibilidad a<br />
los analitos y a los receptores <strong>de</strong> señales, sino también facilita la adhesión <strong>de</strong> ligandos capaces <strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>tectar células o compon<strong>en</strong>tes específicos <strong>de</strong> las células. Los nanogeles pued<strong>en</strong> cont<strong>en</strong>er una gran<br />
cantidad <strong>de</strong> compon<strong>en</strong>tes simples o múltiples d<strong>en</strong>tro <strong>de</strong> la red <strong>de</strong> gel, así como <strong>en</strong> la superficie, lo<br />
que resulta <strong>en</strong> una amplia variedad <strong>de</strong> métodos <strong>de</strong> <strong>de</strong>tección que se basan <strong>en</strong> la int<strong>en</strong>sidad fotónica.<br />
Grupos funcionales altam<strong>en</strong>te cargados, próximos unos a otros, ya sea d<strong>en</strong>tro <strong>de</strong> la red restringida<br />
<strong>de</strong>l gel o <strong>en</strong> la superficie, también permit<strong>en</strong> múltiples interacciones con los compon<strong>en</strong>tes <strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>tección y ti<strong>en</strong><strong>en</strong> como resultado la amplificación <strong>de</strong> la señal. El estudio sobre geles poliméricos<br />
híbridos <strong>de</strong> nanopartículas es importante ya que estas nanoestructuras cierran la brecha <strong>en</strong>tre la<br />
43
nanoci<strong>en</strong>cia inorgánica y la materia blanda. El interés <strong>en</strong> el <strong>de</strong>sarrollo <strong>de</strong> aplicaciones emerg<strong>en</strong>tes<br />
para el diagnóstico in situ con geles poliméricos <strong>de</strong> baja toxicidad está creci<strong>en</strong>do rápidam<strong>en</strong>te.En<br />
resum<strong>en</strong>, los nanogeles son muy prometedores como portadores y liberadores <strong>de</strong> fármacos <strong>de</strong>bido a<br />
su alta capacidad <strong>de</strong> carga, bu<strong>en</strong>a estabilidad y cambio <strong>de</strong> volum<strong>en</strong> reversible <strong>en</strong> respuesta a<br />
estímulos <strong>de</strong>l medio, tales como el pH, la temperatura, y el nivel <strong>de</strong> glucosa, que no ti<strong>en</strong><strong>en</strong><br />
preced<strong>en</strong>te <strong>en</strong> los transportadores farmacéuticos comunes.<br />
Agra<strong>de</strong>cimi<strong>en</strong>tos<br />
Se agra<strong>de</strong>ce a Pedro Navarro <strong>de</strong>l C<strong>en</strong>tro <strong>de</strong> Graduados e Investigación <strong>de</strong>l Instituto<br />
Tecnológico <strong>de</strong> Tijuana por las imág<strong>en</strong>es <strong>de</strong> AFM.<br />
Lecturas adicionales<br />
W. Wu and S. Zhou. “Hybrid micro-/nanogels for optical s<strong>en</strong>sing and intracellular imaging”.<br />
Review Article.<br />
Nano Reviews 2010, 1: 5730<br />
J.K. Oh, R. Crumright, D.J. Siegwart and K. Matyjaszewski. “The <strong>de</strong>velopm<strong>en</strong>t of<br />
microgels/nanogels for drug <strong>de</strong>livery applications” Progress in Polymer Sci<strong>en</strong>ce 33(4):448 April<br />
2008.<br />
44
¿QUÉ ES UNA NANOEMULSIÓN<br />
Miguel Ángel Estrada, Eunice Vargas y Andrey Simakov<br />
El significado <strong>de</strong> la palabra emulsión quizás no es <strong>de</strong> todos conocido, sin embargo, las<br />
emulsiones están pres<strong>en</strong>tes <strong>en</strong> casi todo mom<strong>en</strong>to <strong>de</strong> nuestra vida cotidiana. La leche, las cremas y<br />
la mantequilla así como la mayoría <strong>de</strong> los a<strong>de</strong>rezos para <strong>en</strong>saladas son algunos <strong>de</strong> los ejemplos más<br />
comunes <strong>de</strong> las emulsiones.<br />
Una emulsión se compone <strong>de</strong> al m<strong>en</strong>os dos líquidos que no se pued<strong>en</strong> mezclar, uno <strong>de</strong> los<br />
cuales está disperso <strong>en</strong> forma <strong>de</strong> gotas <strong>en</strong> el otro. El líquido que está pres<strong>en</strong>te <strong>en</strong> m<strong>en</strong>or proporción<br />
se conoce como la fase dispersa y el que está <strong>en</strong> mayor proporción es la fase dispersante. En la<br />
leche, el agua ro<strong>de</strong>a las gotas <strong>de</strong> aceite, por lo tanto, es una emulsión <strong>de</strong> tipo aceite/agua (O/W, <strong>de</strong>l<br />
inglés oil/water); por el contrario, <strong>en</strong> la mantequilla el aceite ro<strong>de</strong>a las gotas <strong>de</strong> agua y se d<strong>en</strong>omina<br />
una emulsión agua/aceite (W/O).<br />
Figura 1. Ejemplos <strong>de</strong> emulsiones: A) leche, B) mantequilla, C) crema, D) crema para la piel y E)<br />
a<strong>de</strong>rezos.<br />
G<strong>en</strong>eralm<strong>en</strong>te, las emulsiones son inestables y ti<strong>en</strong>d<strong>en</strong> a separarse <strong>en</strong> fases bi<strong>en</strong> <strong>de</strong>finidas.<br />
Exist<strong>en</strong> tres tipos <strong>de</strong> emulsiones inestables (ver Fig. 2): la floculación, <strong>en</strong> la que las partículas<br />
forman una masa, como suce<strong>de</strong> con la leche <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> algún tiempo <strong>de</strong> estar a temperatura<br />
45
ambi<strong>en</strong>te; la cremación, <strong>en</strong> la que las gotas se conc<strong>en</strong>tran <strong>en</strong> la superficie <strong>de</strong> la mezcla (o <strong>en</strong> el<br />
fondo, <strong>de</strong>p<strong>en</strong>di<strong>en</strong>do <strong>de</strong> la d<strong>en</strong>sidad relativa <strong>de</strong> las dos fases), don<strong>de</strong> permanec<strong>en</strong> separadas <strong>en</strong>tre<br />
ellas, como se observa <strong>en</strong> la mezcla <strong>de</strong> agua y aceite <strong>de</strong> cocina; y la coalesc<strong>en</strong>cia, <strong>en</strong> la que las<br />
partículas se fund<strong>en</strong> y forman una fase líquida, como se aprecia <strong>en</strong> la <strong>de</strong>scomposición <strong>de</strong> crema<br />
<strong>de</strong>rivada <strong>de</strong> la leche. Exist<strong>en</strong> sustancias llamadas emulsionantes que son g<strong>en</strong>eralm<strong>en</strong>te surfactantes,<br />
o sea que reduc<strong>en</strong> la t<strong>en</strong>sión interfacial <strong>en</strong>tre dos superficies <strong>de</strong> contacto, y que al añadirlas a una<br />
emulsión la estabilizan, impidi<strong>en</strong>do que las pequeñas gotas dispersas se unan unas a otras.<br />
Figura 2. A) Emulsión estable. Emulsiones inestables: B) floculación, C) cremación y D) coalesc<strong>en</strong>cia.<br />
La estructura molecular <strong>de</strong> un surfactante está constituida por una parte que ti<strong>en</strong>e afinidad por<br />
el agua (polar) y otra con afinidad por las grasas (no polar), lo que le otorga doble afinidad. El<br />
surfactante se adsorbe <strong>en</strong> la interfase agua/aceite <strong>en</strong> forma ori<strong>en</strong>tada, disminuy<strong>en</strong>do la t<strong>en</strong>sión <strong>en</strong>tre<br />
la superficie <strong>de</strong> los dos líquidos, un ejemplo <strong>de</strong> este tipo <strong>de</strong> moléculas es el jabón. La repres<strong>en</strong>tación<br />
común <strong>de</strong> la molécula surfactante es: el grupo polar ocupa la “cabeza” <strong>de</strong> la molécula y el grupo no<br />
polar la “cola” (Figura 3). En el jabón, la parte no polar <strong>de</strong> los surfactantes está constituida por<br />
cad<strong>en</strong>as <strong>de</strong> carbonos lineales <strong>de</strong> 8 a 18 carbonos. La parte polar está formada por grupos con carga<br />
eléctrica neta, tales como los radicales carboxilato (-COO - ) y el amonio primario (-NH 3+ ).<br />
Figura 3. A) Jabón, el surfactante más común; B) esquema <strong>de</strong> la estructura <strong>de</strong> un surfactante.<br />
46
Una vez vez aclarado esto, po<strong>de</strong>mos formular la pregunta: ¿qué es una nanoemulsión Una<br />
nanoemulsión es una emulsión con gotas extremadam<strong>en</strong>te pequeñas, <strong>de</strong> diámetro compr<strong>en</strong>dido <strong>en</strong>tre<br />
20 y 200 nanómetros. Estas gotas se estabilizan mediante una película <strong>de</strong> moléculas <strong>de</strong> surfactantes<br />
(Figura 4). Las nanoemulsiones ti<strong>en</strong>d<strong>en</strong> a ser transpar<strong>en</strong>tes <strong>de</strong>bido al tamaño tan pequeño <strong>de</strong> la fase<br />
dispersa, a<strong>de</strong>más <strong>de</strong> ser muy estables por la pres<strong>en</strong>cia <strong>de</strong>l surfactante.<br />
Figura 4. Esquema <strong>de</strong> una nanoemulsión estabilizada por un surfactante.<br />
Los métodos empleados con mayor frecu<strong>en</strong>cia para obt<strong>en</strong>er nanoemulsiones se basan <strong>en</strong> el<br />
intercambio <strong>de</strong> fases y <strong>en</strong> el empleo <strong>de</strong> surfactantes que permit<strong>en</strong> la estabilidad <strong>de</strong> las emulsiones y<br />
separan las gotas. El método <strong>de</strong> emulsionación por el punto <strong>de</strong> inversión <strong>de</strong> la emulsión (EIP <strong>de</strong>l<br />
inglés emulsion inversion point) permite obt<strong>en</strong>er emulsiones con tamaños <strong>de</strong> gota muy pequeños<br />
mediante la transición <strong>de</strong> una fase a otra, al añadir un compon<strong>en</strong>te que permite a la emulsión pasar<br />
<strong>de</strong> un sistema W/O a un sistema O/W (Figura 5).<br />
Figura 5. Inversión <strong>de</strong> una emulsión W/O a una O/W por adición <strong>de</strong> cationes Ca + al sistema.<br />
47
Las condiciones necesarias para preparar una nanoemulsión son:<br />
• Los compon<strong>en</strong>tes se <strong>de</strong>b<strong>en</strong> seleccionar a<strong>de</strong>cuadam<strong>en</strong>te, tanto <strong>en</strong> conc<strong>en</strong>tración como <strong>en</strong><br />
el ord<strong>en</strong> <strong>en</strong> que se añad<strong>en</strong> al sistema.<br />
• La inversión <strong>de</strong> fase <strong>de</strong>be aplicarse a microgotas para que su ruptura dé como resultado<br />
nanogotas.<br />
• La fase dispersante <strong>de</strong>be estar pres<strong>en</strong>te <strong>en</strong> gran exceso con respecto al surfactante. Este<br />
exceso permite que se cubra rápidam<strong>en</strong>te la nueva superficie <strong>de</strong> las nanogotas formadas<br />
durante la inversión; a<strong>de</strong>más, inhibe la coalesc<strong>en</strong>cia.<br />
En la Tierra, rara vez se <strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tra la fuerza necesaria para la formación <strong>de</strong> nanogotas ya que<br />
la combinación a<strong>de</strong>cuada <strong>de</strong> líquidos y surfactante es muy compleja. En las zonas don<strong>de</strong> el aceite se<br />
filtra <strong>en</strong> los océanos, las emulsiones naturales producidas por la acción <strong>de</strong>l oleaje son comunes, pero<br />
rara vez se forman gotas <strong>de</strong> m<strong>en</strong>or tamaño a las micras. Es posible que las condiciones a<strong>de</strong>cuadas <strong>de</strong><br />
agitación existan <strong>de</strong>bajo <strong>de</strong> la superficie <strong>de</strong> la Tierra, don<strong>de</strong> los líquidos a alta presión podrían fluir<br />
<strong>en</strong>tre las rocas porosas; allí se podrían <strong>en</strong>contrar nanoemulsiones naturales <strong>de</strong> aceites <strong>de</strong><br />
hidrocarburos con agua. Dejando <strong>de</strong> lado este f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>o, las nanoemulsiones que conocemos son<br />
una creación sintética diseñada y producida por el hombre.<br />
En años reci<strong>en</strong>tes, las nanoemulsiones se han estudiado <strong>de</strong>bido a las aplicaciones que pued<strong>en</strong><br />
t<strong>en</strong>er especialm<strong>en</strong>te <strong>en</strong> la medicina, ya que permit<strong>en</strong> transportar y liberar fármacos <strong>en</strong> el interior <strong>de</strong>l<br />
organismo para favorecer su administración por vía oral, tópica, subcutánea e intrav<strong>en</strong>osa. Las<br />
nanoemulsiones mejoran la absorción <strong>de</strong> fármacos a través <strong>de</strong>l tracto gastrointestinal y ofrec<strong>en</strong><br />
nuevas posibilida<strong>de</strong>s para la administración <strong>de</strong> fármacos insolubles <strong>en</strong> agua por vía oral. Las<br />
nanoemulsiones también se han aplicado <strong>en</strong> formulaciones para el cuidado <strong>de</strong>l cabello y la piel, <strong>en</strong> la<br />
fabricación <strong>de</strong> maquillajes y <strong>de</strong> protectores solares.<br />
La formación <strong>de</strong> las nanoemulsiones es un proceso fundam<strong>en</strong>tal <strong>en</strong> la síntesis <strong>de</strong><br />
nanocatalizadores con tamaños <strong>de</strong> partículas <strong>de</strong> la fase activa <strong>de</strong> <strong>en</strong>tre 1-5 nm.<br />
48
APLICACIONES<br />
49
¿CÓMO SE USAN LOS NANOCATALIZADORES PARA PRODUCIR COMBUSTIBLES<br />
FÓSILES LIMPIOS<br />
Trino Zepeda, Gabriel Alonso y Sergio Fu<strong>en</strong>tes<br />
A nivel mundial, la fu<strong>en</strong>te principal <strong>de</strong> combustibles para el autotransporte, tales como diesel<br />
y gasolina, provi<strong>en</strong><strong>en</strong> <strong>de</strong> los cortes intermedios <strong>de</strong>l petróleo obt<strong>en</strong>idos mediante el proceso <strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>stilación. La calidad <strong>de</strong> estos combustibles se obti<strong>en</strong>e a través <strong>de</strong> difer<strong>en</strong>tes procesos <strong>de</strong><br />
refinación, que les van proporcionando las características a<strong>de</strong>cuadas y la calidad necesaria para su<br />
consumo. Los procesos <strong>de</strong> la refinación permit<strong>en</strong> eliminar impurezas que g<strong>en</strong>erarían contaminación<br />
atmosférica, daño a la salud y lluvia ácida.<br />
En la gasolina, <strong>en</strong> particular, se <strong>de</strong>be eliminar el b<strong>en</strong>c<strong>en</strong>o, ya que se ha <strong>de</strong>tectado que es un<br />
ag<strong>en</strong>te canceríg<strong>en</strong>o. En el caso <strong>de</strong>l diesel, las principales impurezas son el azufre (S), el nitróg<strong>en</strong>o<br />
(N) y los metales pesados que se <strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tran <strong>en</strong>lazados a las moléculas <strong>de</strong> hidrocarburos. Sin<br />
embargo, tanto <strong>en</strong> el diesel como <strong>en</strong> la gasolina el principal contaminante a eliminar es el azufre. En<br />
la Figura 1 se muestran algunas <strong>de</strong> los compuestos <strong>de</strong> azufre pres<strong>en</strong>tes <strong>en</strong> el diesel y las gasolinas<br />
antes <strong>de</strong> ser procesados.<br />
Durante la combustión interna <strong>de</strong> los motores <strong>de</strong> autotransporte se g<strong>en</strong>eran difer<strong>en</strong>tes<br />
contaminantes, tales como monóxido <strong>de</strong> carbono (CO), compuestos orgánicos volátiles (COV),<br />
óxidos <strong>de</strong> nitróg<strong>en</strong>o (NOx) y óxidos <strong>de</strong> azufre (SOx). Por lo tanto, la calidad <strong>de</strong>l aire que respiramos<br />
<strong>en</strong> las ciuda<strong>de</strong>s está directam<strong>en</strong>te relacionada con la calidad <strong>de</strong> los combustibles utilizados. Debido a<br />
esto, las nuevas regulaciones ambi<strong>en</strong>tales contemplan la disminución <strong>de</strong> los contaminantes pres<strong>en</strong>tes<br />
<strong>en</strong> los combustibles <strong>de</strong>rivados <strong>de</strong>l petróleo.<br />
Para abatir la emisión <strong>de</strong> CO y NO x a la atmósfera por los automóviles o motores <strong>de</strong><br />
combustión interna, se emplean convertidores catalíticos a la salida <strong>de</strong> los gases <strong>de</strong>l motor (Figura<br />
50
2). En estos convertidores se lleva a cabo la oxidación <strong>de</strong> CO a CO 2 y la reducción <strong>de</strong> NO x a N 2 <strong>en</strong><br />
la pres<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> metales preciosos. Sin embargo, los convertidores catalíticos se <strong>en</strong>v<strong>en</strong><strong>en</strong>an por la<br />
pres<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> óxidos <strong>de</strong> azufre (SO x ) que impid<strong>en</strong> su bu<strong>en</strong> funcionami<strong>en</strong>to.<br />
Compuestos <strong>de</strong> azufre<br />
H<br />
S<br />
H<br />
S<br />
R H<br />
S<br />
R R'<br />
S<br />
S<br />
R S<br />
S<br />
R'<br />
Ac. Sulfhídrico<br />
Mercaptanos<br />
Sulfuros<br />
Sulfuros cíclicos<br />
Disulfuros<br />
Tiof<strong>en</strong>os<br />
Bezotiof<strong>en</strong>o<br />
S<br />
S<br />
S<br />
S<br />
CH 3 CH 3<br />
Dibezotiof<strong>en</strong>o<br />
Naftobezotiof<strong>en</strong>o<br />
4,6-Dimetildibezotiof<strong>en</strong>o<br />
Figura 1. Compuestos <strong>de</strong> azufre pres<strong>en</strong>tes <strong>en</strong> el diesel y la gasolina.<br />
Figura 2. Esquema <strong>de</strong> un convertidos catalítico empleado para la limpieza <strong>de</strong> los gases resultado <strong>de</strong> la<br />
combustión interna (1) .<br />
51
En la actualidad, las regulaciones ambi<strong>en</strong>tales sobre los niveles máximos <strong>de</strong> azufre permitidos<br />
<strong>en</strong> los combustibles <strong>de</strong> transporte son <strong>de</strong> 10 partes por millón (ppm) para el diesel y <strong>de</strong> 15 ppm para<br />
las gasolinas. A estos combustibles se les d<strong>en</strong>omina <strong>de</strong> ultra bajo azufre y ti<strong>en</strong><strong>en</strong> gran <strong>de</strong>manda a<br />
nivel mundial. El azufre se elimina <strong>de</strong> los combustibles mediante el proceso llamado <strong>de</strong><br />
hidro<strong>de</strong>sulfuración (HDS). La HDS extrae el azufre <strong>en</strong> pres<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> hidróg<strong>en</strong>o y <strong>de</strong> catalizadores <strong>de</strong><br />
alta efici<strong>en</strong>cia. Este proceso es actualm<strong>en</strong>te el <strong>de</strong> mayor relevancia <strong>en</strong> la industria <strong>de</strong> la refinación<br />
para producir combustibles limpios.<br />
Los catalizadores empleados <strong>en</strong> la HDS están basados <strong>en</strong> sulfuro <strong>de</strong> molibd<strong>en</strong>o (MoS 2 )<br />
combinado con cobalto o níquel (Co o Ni) y soportado <strong>en</strong> una matriz o <strong>en</strong> un soporte <strong>de</strong> óxido <strong>de</strong><br />
aluminio (alúmina). Los catalizadores <strong>de</strong>b<strong>en</strong> t<strong>en</strong>er la propiedad <strong>de</strong> extraer fácilm<strong>en</strong>te los átomos <strong>de</strong><br />
azufre <strong>de</strong> las moléculas <strong>de</strong> hidrocarburos. Una característica <strong>de</strong> los catalizadores es que su forma<br />
activa requiere que las fases catalíticas activas estén <strong>en</strong> forma <strong>de</strong> sulfuros. La combinación <strong>de</strong> los<br />
sulfuros <strong>de</strong> Mo y Co o Ni <strong>en</strong> los catalizadores <strong>de</strong> HDS aum<strong>en</strong>ta la actividad catalítica con respecto a<br />
la suma <strong>de</strong> las activida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> los sulfuros individuales; este efecto se d<strong>en</strong>omina sinergia catalítica.<br />
Esto es <strong>de</strong>bido a que las dos fases induc<strong>en</strong> un mayor número <strong>de</strong> sitios activos <strong>en</strong> la superficie,<br />
don<strong>de</strong> se lleva a cabo la reacción catalítica.<br />
En los últimos años, se ha registrado un aum<strong>en</strong>to importante <strong>en</strong> la investigación básica sobre<br />
la g<strong>en</strong>eración <strong>de</strong> catalizadores <strong>de</strong> HDS. Los aspectos más investigados han sido: la textura <strong>de</strong>l<br />
catalizador, nuevos soportes, aditivos, nuevas fases activas y la exist<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> difer<strong>en</strong>tes sitios<br />
activos. En este contexto, el investigador <strong>en</strong> catálisis H. Topsoe, investigador y empresario <strong>de</strong>l<br />
corporativo <strong>de</strong> la industria <strong>de</strong> catálisis, propuso un nuevo mo<strong>de</strong>lo <strong>de</strong> sitios catalíticos (Figura 3).<br />
Este mo<strong>de</strong>lo propone que las partículas <strong>de</strong> MoS 2 <strong>de</strong> tamaño nanométrico ti<strong>en</strong><strong>en</strong> dos tipos <strong>de</strong><br />
sitios catalíticos llamados bor<strong>de</strong> y orilla <strong>de</strong> la tapa (<strong>en</strong> inglés, edge y brim). Por lo g<strong>en</strong>eral, durante la<br />
HDS <strong>de</strong> moléculas orgánicas que conti<strong>en</strong><strong>en</strong> azufre, éste último se elimina directam<strong>en</strong>te <strong>de</strong> la<br />
molécula a través <strong>de</strong> la ruptura <strong>de</strong>l <strong>en</strong>lace S-C, una reacción que se d<strong>en</strong>omina <strong>de</strong>sulfuración directa.<br />
Sin embargo, también se pue<strong>de</strong> eliminar al “S” vía hidrog<strong>en</strong>ación <strong>de</strong> los <strong>en</strong>laces dobles carbóncarbón<br />
(C=C). Con base <strong>en</strong> el mo<strong>de</strong>lo <strong>de</strong>l sitio activo pres<strong>en</strong>tado <strong>en</strong> la Figura 3, se ha propuesto que<br />
la eliminación directa <strong>de</strong>l azufre ocurre sobre los sitios bor<strong>de</strong>, mi<strong>en</strong>tras que la eliminación <strong>de</strong> azufre<br />
mediante hidrog<strong>en</strong>ación se lleva a cabo <strong>en</strong> los sitios <strong>de</strong> orilla <strong>de</strong> la tapa.<br />
52
Figura 3. Repres<strong>en</strong>tación esquemática <strong>de</strong>l mo<strong>de</strong>lo “edge-brim” (bor<strong>de</strong>-orilla <strong>de</strong> la tapa) propuesto para la<br />
hidro<strong>de</strong>sulfuración (3) .<br />
Hoy <strong>en</strong> día, el reto <strong>de</strong> la ci<strong>en</strong>cia química y la ing<strong>en</strong>iería <strong>de</strong> materiales es diseñar<br />
nanocatalizadores capaces <strong>de</strong> afrontar las <strong>de</strong>mandas y necesida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> la industria mo<strong>de</strong>rna <strong>de</strong> la<br />
refinación, principalm<strong>en</strong>te <strong>en</strong> crudos complejos como el crudo Maya mexicano, que ti<strong>en</strong>e un<br />
cont<strong>en</strong>ido <strong>de</strong> azufre <strong>de</strong> <strong>en</strong>tre el 3 y el 4 % <strong>en</strong> peso. En este s<strong>en</strong>tido, cabe m<strong>en</strong>cionar que actualm<strong>en</strong>te<br />
<strong>en</strong> el C<strong>en</strong>tro <strong>de</strong> Nanoci<strong>en</strong>cias y Nanotecnología <strong>de</strong> la UNAM, <strong>en</strong> Ens<strong>en</strong>ada, se está llevando a cabo<br />
un proyecto <strong>de</strong> <strong>de</strong>sarrollo tecnológico financiado por la Secretaria <strong>de</strong> Energía y el Consejo <strong>Nacional</strong><br />
<strong>de</strong> Ci<strong>en</strong>cia y Tecnología (SENER-CONACyT) que ti<strong>en</strong>e como objetivo diseñar nuevos catalizadores<br />
para la HDS con alta actividad catalítica para la producción <strong>de</strong> gasolinas y diesel <strong>de</strong> ultra bajo azufre<br />
con el objeto <strong>de</strong> abatir la contaminación ambi<strong>en</strong>tal y fom<strong>en</strong>tar los <strong>en</strong>tornos limpios.<br />
Lecturas adicionales<br />
(1) http://autos.aollatino.com/2010/02/22/como-funciona-un-convertidor-catalitico<br />
(2) J. Kibsgaard, A. Tux<strong>en</strong>, K.G. Knuds<strong>en</strong>, M. Brorson, H. Topsøe, E. Lægsgaard, J.V. Laurits<strong>en</strong>, F.<br />
Bes<strong>en</strong>bacher J. Catal. 272 (2010) 195–203<br />
(3) N.Y. Topsøe, A. Tux<strong>en</strong>, B. Hinnemann, J.V. Laurits<strong>en</strong>, K.G. Knuds<strong>en</strong>, F. Bes<strong>en</strong>bacher, H.<br />
Topsøe J. Catal. 279 (2011) 337-351.<br />
53
¿CÓMO PUEDE CONTRIBUIR LA NANOTECNOLOGÍA A LA PRODUCCIÓN DE<br />
ENERGÍA LIMPIA<br />
Óscar Olvera y Trino Zepeda<br />
La nanotecnología se <strong>en</strong>carga <strong>de</strong> caracterizar, <strong>en</strong>samblar y manipular los materiales a escala<br />
nanométrica. En este texto, más que darte <strong>de</strong>finiciones, te platicaremos cómo po<strong>de</strong>mos utilizar este<br />
tipo <strong>de</strong> tecnología para la producción <strong>de</strong> <strong>en</strong>ergía limpia, con un mínimo impacto ambi<strong>en</strong>tal.<br />
Para ello es importante t<strong>en</strong>er <strong>en</strong> cu<strong>en</strong>ta que todos los procesos asociados al uso <strong>de</strong> <strong>en</strong>ergía tales<br />
como las reacciones <strong>de</strong> transfer<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> carga eléctrica, las reacciones químicas y otros procesos<br />
asociados, ocurr<strong>en</strong> a nivel atómico-molecular, por lo que la nanotecnología pue<strong>de</strong> utilizarse <strong>en</strong> el<br />
<strong>de</strong>sarrollo <strong>de</strong> sistemas más efici<strong>en</strong>tes para la conversión, transmisión, almac<strong>en</strong>ami<strong>en</strong>to y el uso <strong>de</strong><br />
esta <strong>en</strong>ergía.<br />
En el mundo mo<strong>de</strong>rno exist<strong>en</strong> dos <strong>de</strong>mandas importantes <strong>de</strong> <strong>en</strong>ergía, la eléctrica y el uso <strong>de</strong><br />
hidrocarburos, éstos últimos utilizados <strong>en</strong> gran medida como combustibles para el autotransporte.<br />
Sin embargo, las tecnologías principales para la obt<strong>en</strong>ción <strong>de</strong> estas fu<strong>en</strong>tes <strong>de</strong> <strong>en</strong>ergía causan grave<br />
impacto ambi<strong>en</strong>tal. Por lo tanto, es necesario el <strong>de</strong>sarrollo <strong>de</strong> nuevas tecnologías para la obt<strong>en</strong>ción<br />
<strong>de</strong> <strong>en</strong>ergía y que, a<strong>de</strong>más, sean amigables con el medio ambi<strong>en</strong>te.<br />
Hoy <strong>en</strong> día, se pue<strong>de</strong> obt<strong>en</strong>er <strong>en</strong>ergía eléctrica mediante este tipo <strong>de</strong> tecnologías amigables con<br />
el medio ambi<strong>en</strong>te; para esto se ha <strong>de</strong>sarrollado el uso <strong>de</strong> celdas solares y <strong>de</strong> celdas <strong>de</strong> combustible.<br />
Las celdas solares se utilizan para convertir la <strong>en</strong>ergía prov<strong>en</strong>i<strong>en</strong>te <strong>de</strong> los rayos solares <strong>en</strong> <strong>en</strong>ergía<br />
eléctrica, mi<strong>en</strong>tras que las <strong>de</strong> combustible conviert<strong>en</strong> la <strong>en</strong>ergía prov<strong>en</strong>i<strong>en</strong>te <strong>de</strong> combustibles<br />
distintos a los hidrocarburos, como metanol e hidróg<strong>en</strong>o, <strong>en</strong> <strong>en</strong>ergía eléctrica. La v<strong>en</strong>taja <strong>de</strong> las<br />
celdas solares es que no g<strong>en</strong>eran contaminantes para la producción <strong>de</strong> la electricidad, mi<strong>en</strong>tras que<br />
54
los que se g<strong>en</strong>eran <strong>en</strong> las celdas <strong>de</strong> combustible <strong>de</strong>p<strong>en</strong>d<strong>en</strong> <strong>de</strong>l combustible que se utilice, con<br />
excepción <strong>de</strong>l hidróg<strong>en</strong>o, <strong>en</strong> cuyo caso el único residuo que se obti<strong>en</strong>e es el agua (Figura 1).<br />
Para <strong>en</strong>t<strong>en</strong><strong>de</strong>r cómo pue<strong>de</strong> aprovecharse la nanotecnología <strong>en</strong> las celdas solares es necesario<br />
<strong>en</strong>t<strong>en</strong><strong>de</strong>r primero su funcionami<strong>en</strong>to. Una manera <strong>en</strong> la que las celdas solares pued<strong>en</strong> absorber los<br />
fotones <strong>de</strong> los rayos solares es a través <strong>de</strong> un pigm<strong>en</strong>to anclado a partículas <strong>de</strong> óxido <strong>de</strong> titanio<br />
(TiO 2 ). Cuando el pigm<strong>en</strong>to absorbe los fotones, éste se excita y transfiere electrones a la banda <strong>de</strong><br />
conducción <strong>de</strong>l TiO 2 , que a su vez g<strong>en</strong>era una separación <strong>de</strong> cargas que pue<strong>de</strong> aprovecharse para dar<br />
lugar a una corri<strong>en</strong>te eléctrica.<br />
Figura 1. Conversión <strong>de</strong> <strong>en</strong>ergía solar y química a través <strong>de</strong> celdas solares y <strong>de</strong> combustible,<br />
respectivam<strong>en</strong>te.<br />
Así pues, si <strong>en</strong> lugar <strong>de</strong> t<strong>en</strong>er partículas gran<strong>de</strong>s <strong>de</strong> TiO 2 conseguimos t<strong>en</strong>er partículas más<br />
pequeñas, el área disponible <strong>de</strong> TiO 2 para captar la <strong>en</strong>ergía solar será mayor. Para visualizar este<br />
increm<strong>en</strong>to <strong>en</strong> la superficie, basta p<strong>en</strong>sar <strong>en</strong> que el área <strong>de</strong> un cubo <strong>de</strong> 1 m <strong>de</strong> lado es <strong>de</strong> tan solo 6<br />
m 2 . Si este cubo se divi<strong>de</strong> <strong>en</strong> 8 cubos iguales (0.5 m <strong>de</strong> lado) el área total <strong>de</strong> los cubos será <strong>de</strong> 12 m 2<br />
¡el doble <strong>de</strong>l área <strong>de</strong>l cubo original! Por otra parte, mediante el control <strong>de</strong>l tamaño <strong>de</strong> las partículas<br />
<strong>de</strong> TiO 2 también es posible modificar sus propieda<strong>de</strong>s ópticas y eléctricas, a<strong>de</strong>más <strong>de</strong> su actividad<br />
fotocatalítica. De esta manera, se pued<strong>en</strong> diseñar materiales más efici<strong>en</strong>tes que con el tiempo<br />
permitirán reducir los costos <strong>de</strong> manufactura <strong>de</strong> estos dispositivos, aunque hoy <strong>en</strong> día todavía queda<br />
mucho trabajo por hacer.<br />
En años reci<strong>en</strong>tes, se ha increm<strong>en</strong>tado aceleradam<strong>en</strong>te el consumo <strong>de</strong> hidrocarburos líquidos<br />
para el autotransporte. Hasta ahora, la principal fu<strong>en</strong>te <strong>de</strong> dichos combustibles (e.g. gasolina y<br />
diesel) ha sido el petróleo. Sin embargo, surg<strong>en</strong> tres problemas fundam<strong>en</strong>tales por el uso <strong>de</strong> dichos<br />
55
combustibles: i) la emisión <strong>de</strong> contaminantes asociada a estos hidrocarburos (S, N, aromáticos y<br />
otros), ii) no son fu<strong>en</strong>tes r<strong>en</strong>ovables y iii) cada vez es más compleja la extracción <strong>de</strong>l crudo para ser<br />
procesado (se requiere <strong>de</strong> una extracción profunda). El primer problema se pue<strong>de</strong> resolver<br />
(parcialm<strong>en</strong>te) mediante el hidroprocesami<strong>en</strong>to <strong>de</strong> las fracciones ligeras <strong>de</strong>l petróleo, un proceso que<br />
logra disminuir el cont<strong>en</strong>ido <strong>de</strong> los contaminantes pres<strong>en</strong>tes. El segundo problema<br />
<strong>de</strong>safortunadam<strong>en</strong>te no ti<strong>en</strong>e solución, mi<strong>en</strong>tras que el tercero <strong>en</strong>carece sumam<strong>en</strong>te los costos <strong>de</strong><br />
producción.<br />
Queda claro que es necesario buscar alternativas a los combustibles fósiles como, por ejemplo,<br />
hidrocarburos líquidos prov<strong>en</strong>i<strong>en</strong>tes <strong>de</strong> fu<strong>en</strong>tes alternas (hidrocarburos “ver<strong>de</strong>s”) que contribuyan a<br />
solv<strong>en</strong>tar las necesida<strong>de</strong>s <strong>en</strong>ergéticas para el autotransporte, ayudando <strong>de</strong> esta manera a abatir la<br />
contaminación ambi<strong>en</strong>tal.<br />
Una alternativa muy prometedora para producir hidrocarburos ver<strong>de</strong>s es la síntesis <strong>de</strong> Fischer-<br />
Tropsch (FT), mediante la cual es posible obt<strong>en</strong>er gasolinas y diesel <strong>de</strong> alta calidad (sin aromáticos,<br />
nitróg<strong>en</strong>o ni azufre). El proceso FT es conocido <strong>de</strong>s<strong>de</strong> 1923 y lleva el nombre <strong>de</strong> sus <strong>de</strong>scubridores<br />
alemanes: Franz Fischer y Hans Tropsch. Estos autores <strong>en</strong>contraron que la reacción química <strong>de</strong>l<br />
monóxido <strong>de</strong> carbono y el hidróg<strong>en</strong>o, <strong>en</strong> la pres<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> materiales nanoestructurados a base <strong>de</strong><br />
hierro (Fe) y cobalto (Co), pue<strong>de</strong> producir hidrocarburos tales como parafinas (fracciones <strong>de</strong> diesel),<br />
olefinas (fracciones <strong>de</strong> gasolina) y ceras (fracciones sólidas). Las fracciones <strong>de</strong> hidrocarburos <strong>de</strong><br />
mayor interés son las parafinas y las olefinas. Si pret<strong>en</strong><strong>de</strong>mos obt<strong>en</strong>er hidrocarburos <strong>de</strong>l tipo <strong>de</strong> la<br />
gasolina o el diesel, t<strong>en</strong>dremos que explorar las condiciones <strong>de</strong> la reacción, a<strong>de</strong>más <strong>de</strong> controlar la<br />
composición y estructura <strong>de</strong> las nanopartículas <strong>de</strong> Fe y <strong>de</strong> Co, ya que es <strong>en</strong> estas nanopartículas<br />
don<strong>de</strong> ocurre la formación <strong>de</strong> dichos hidrocarburos. Por un lado, se pue<strong>de</strong> controlar fácilm<strong>en</strong>te la<br />
composición química <strong>de</strong> las nanopartículas; por otro, la estructura o morfología se resuelve a través<br />
<strong>de</strong> las metodologías utilizadas para su preparación o síntesis, controlando el tamaño, la estructura, la<br />
coordinación química y, por <strong>en</strong><strong>de</strong>, las propieda<strong>de</strong>s electrónicas <strong>de</strong> las nanopartículas. Dichos<br />
cambios y efectos que po<strong>de</strong>mos modular, los veremos reflejados <strong>en</strong> la transformación <strong>de</strong> H 2 y CO<br />
para obt<strong>en</strong>er diesel o gasolinas ver<strong>de</strong>s, <strong>de</strong>p<strong>en</strong>di<strong>en</strong>do <strong>de</strong> lo que nos interese producir. Aún hay<br />
mucho trabajo por hacer <strong>en</strong> este campo, <strong>de</strong>s<strong>de</strong> aspectos <strong>de</strong> la ci<strong>en</strong>cia básica hasta el <strong>de</strong>sarrollo <strong>de</strong><br />
ing<strong>en</strong>iería <strong>de</strong> alto nivel para mejorar la tecnología <strong>de</strong>l proceso FT.<br />
56
¿QUÉ ES LA NANOFOTOCATÁLISIS Y PARA QUÉ NOS SIRVE<br />
Oscar Eug<strong>en</strong>io Jaime Acuña y Oscar Raymond Herrera<br />
Ent<strong>en</strong><strong>de</strong>mos por nanofotocatálisis, aquella rama <strong>de</strong> la fotocatálisis que estudia el f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>o<br />
catalítico que ocurre <strong>en</strong> fotocatalizadores nanoestructurados activados con luz. Sin embargo, para<br />
t<strong>en</strong>er una respuesta más clara <strong>de</strong> la pregunta, com<strong>en</strong>cemos por <strong>de</strong>finir la catálisis, conocida como el<br />
proceso mediante el cual una sustancia ya sea sólida, líquida o gaseosa aum<strong>en</strong>ta la velocidad con la<br />
que ocurre cierta reacción química. Esta sustancia se llama catalizador.<br />
A continuación explicaremos algunos conceptos introductorios y <strong>de</strong>spués abordaremos procesos<br />
involucrados <strong>en</strong> la nanofotocatálisis e id<strong>en</strong>tificaremos sus aplicaciones tecnológicas.<br />
Fotoquímica<br />
La fotoquímica compr<strong>en</strong><strong>de</strong> el estudio <strong>de</strong> las transformaciones químicas provocadas o<br />
catalizadas por la emisión o absorción <strong>de</strong> luz con longitud <strong>de</strong> onda pert<strong>en</strong>eci<strong>en</strong>te a una <strong>de</strong> las<br />
regiones <strong>de</strong>l espectro electromagnético <strong>de</strong>l infrarrojo, el visible o <strong>de</strong>l ultravioleta. Aquí nos vamos a<br />
conc<strong>en</strong>trar <strong>en</strong> el caso <strong>de</strong> cuando un átomo, una molécula, o un conjunto <strong>de</strong> moléculas que<br />
<strong>de</strong>signaremos como c<strong>en</strong>tros activos (CA) y que, <strong>en</strong>contrándose <strong>en</strong> su estado fundam<strong>en</strong>tal (no<br />
excitado), pued<strong>en</strong> absorber un quantum <strong>de</strong> <strong>en</strong>ergía luminosa o, lo que es lo mismo, un fotón. Si esto<br />
suce<strong>de</strong>, es posible que se produzca la transición <strong>de</strong> un electrón <strong>de</strong> los CA hacia un estado <strong>de</strong> mayor<br />
<strong>en</strong>ergía y, por lo tanto, el átomo, la molécula o el conjunto <strong>de</strong> moléculas, pasan igualm<strong>en</strong>te a un<br />
estado <strong>de</strong> mayor <strong>en</strong>ergía (o estado excitado), convirtiéndose <strong>en</strong> c<strong>en</strong>tros <strong>de</strong> mayor reactividad que al<br />
estar <strong>en</strong> el estado fundam<strong>en</strong>tal. En la figura 1 se muestra una imag<strong>en</strong> <strong>de</strong> microscopia electrónica <strong>de</strong><br />
transmisión <strong>de</strong>l semiconductor soportado <strong>en</strong> mord<strong>en</strong>ita sintetizado por el Grupo <strong>de</strong> Fotocatálisis <strong>de</strong>l<br />
<strong>CNyN</strong> y <strong>de</strong>scrito <strong>en</strong> la pregunta ¿QUÉ SON LOS NANOCOMPUESTOS El f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>o<br />
57
fotoquímico que nos ocupa y que ocurre a través <strong>de</strong> la interacción <strong>en</strong>tre los c<strong>en</strong>tros activos <strong>de</strong> un<br />
sólido y el medio que los circunda (gases o soluciones líquidas, acuosas o no, como: colorantes,<br />
compuestos orgánicos, <strong>en</strong>tre otros), se pres<strong>en</strong>ta <strong>en</strong> dos etapas:<br />
Etapa I. Recepción <strong>de</strong> la <strong>en</strong>ergía luminosa y excitación <strong>de</strong> los c<strong>en</strong>tros activos.<br />
Tal proceso pue<strong>de</strong> ser resumido <strong>en</strong> la ecuación:<br />
CA + Fotón CA*, (1)<br />
don<strong>de</strong> el * simboliza el estado excitado <strong>de</strong>l c<strong>en</strong>tro activo. En la figura 1 se ilustra este proceso:<br />
una vez que el fotón ha sido absorbido, la excitación <strong>de</strong> la nanopartícula se repres<strong>en</strong>ta cambiando la<br />
letra <strong>de</strong> color a ver<strong>de</strong>.<br />
Etapa II. Reacción química con el medio circundante. En esta etapa, según se opere con una<br />
sustancia (AB) o con un sistema <strong>de</strong> varios compon<strong>en</strong>tes (A+B), se realizará ya sea una<br />
<strong>de</strong>scomposición <strong>de</strong> la sustancia <strong>en</strong> sus elem<strong>en</strong>tos constituy<strong>en</strong>tes, o bi<strong>en</strong> la reacción <strong>de</strong> los<br />
compon<strong>en</strong>tes que conforman un compuesto único.<br />
Tales reacciones pued<strong>en</strong> ser expresadas con las ecuaciones:<br />
CA* + AB CA + A + B (2)<br />
CA* + A + B CA + AB (3)<br />
don<strong>de</strong> el c<strong>en</strong>tro activo pier<strong>de</strong> su excitación cedi<strong>en</strong>do y/o aceptando electrones <strong>en</strong> su<br />
interacción con el medio circundante.<br />
Si las reacciones <strong>de</strong> <strong>de</strong>scomposición <strong>de</strong> la sustancia AB o la <strong>de</strong> fusión <strong>de</strong> compon<strong>en</strong>tes A+B<br />
ocurries<strong>en</strong> con la absorción <strong>de</strong>l fotón por uno <strong>de</strong> los elem<strong>en</strong>tos, estaríamos hablando <strong>de</strong> procesos <strong>de</strong><br />
fotólisis o <strong>de</strong> fotosíntesis, respectivam<strong>en</strong>te. Sin embargo, <strong>en</strong> nuestro caso, las reacciones ocurr<strong>en</strong> <strong>en</strong><br />
pres<strong>en</strong>cia <strong>de</strong>l c<strong>en</strong>tro activo o fotocatalizador y a tales procesos se les d<strong>en</strong>omina fotocatálisis. En el<br />
círculo <strong>de</strong> la figura 1, se ilustran dos reacciones posibles <strong>de</strong> oxidación o reducción (flechas curvas),<br />
promovidas <strong>en</strong> el medio circundante cuando nuestras nanopartículas fotocatalizadoras excitadas<br />
actúan como ag<strong>en</strong>tes oxidantes o como ag<strong>en</strong>tes reductores. La simulación estructural a escala que se<br />
ilustra <strong>en</strong> el círculo, obe<strong>de</strong>ce a los resultados <strong>de</strong> caracterización por difracción <strong>de</strong> electrones que han<br />
sido obt<strong>en</strong>idos <strong>en</strong> el análisis estructural <strong>de</strong> las nananopartículas semiconductoras <strong>de</strong> sulfuro <strong>de</strong> zinccadmio.<br />
En nuestro ejemplo, el fotocatalizador excitado, actuando como oxidante, acepta un<br />
electrón <strong>de</strong> la molécula <strong>de</strong> agua H 2 O y la <strong>de</strong>scompone <strong>en</strong> un ión hidroxilo •OH más un átomo <strong>de</strong><br />
hidróg<strong>en</strong>o protonado H + como ocurre <strong>en</strong> la Ecuación 2; mi<strong>en</strong>tras que, al actuar como reductor, le<br />
•<br />
ce<strong>de</strong> un electrón a la molécula <strong>de</strong> oxíg<strong>en</strong>o O 2 , convirtiéndola <strong>en</strong> un ion superóxido O 2 ‾.<br />
58
Figura 1<br />
Fotocatálisis heterogénea<br />
Como hemos visto, la fotocatálisis es el proceso <strong>en</strong> que ocurr<strong>en</strong> ciertas reacciones químicas <strong>en</strong><br />
pres<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> un fotocatalizador que las promueve bajo la acción <strong>de</strong> la luz. Dado que nuestro<br />
fotocatalizador es un sólido que se expone a reactivos <strong>en</strong> fases difer<strong>en</strong>tes (gas o líquido), estamos <strong>en</strong><br />
pres<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> procesos <strong>de</strong> catálisis heterogénea y no <strong>de</strong> catálisis homogénea <strong>en</strong> la que el catalizador y<br />
los reactivos son <strong>de</strong> la misma fase.<br />
Entre los materiales fotocatalizadores por excel<strong>en</strong>cia que se emplean <strong>en</strong> procesos industriales<br />
o comerciales y son objeto <strong>de</strong> estudio <strong>de</strong> investigaciones ci<strong>en</strong>tíficas a nivel internacional, incluy<strong>en</strong>do<br />
aquellas que se realizan <strong>en</strong> el <strong>CNyN</strong>, <strong>de</strong>stacan los compuestos semiconductores como el TiO 2 , el<br />
ZnO y sulfuros como el CdS, ZnS, PbS.<br />
Cuando los compuestos semiconductores se iluminan con luz <strong>de</strong> longitu<strong>de</strong>s <strong>de</strong> onda <strong>de</strong>l<br />
espectro ultravioleta-visible-infrarrojo, los electrones más alejados <strong>de</strong> los núcleos atómicos <strong>de</strong>l<br />
material absorb<strong>en</strong> la <strong>en</strong>ergía <strong>de</strong> los fotones incid<strong>en</strong>tes, haci<strong>en</strong>do que por cada electrón que <strong>de</strong>ja <strong>de</strong><br />
59
pert<strong>en</strong>ecer a un átomo para pasar a pert<strong>en</strong>ecer a todo el material (electrón libre), se g<strong>en</strong>ere un hueco<br />
<strong>en</strong> el sitio <strong>de</strong> aus<strong>en</strong>cia <strong>de</strong>l electrón, formándose así los llamados pares electrón-hueco.<br />
En la figura 2 se muestra un cartel con la palabra nanofotocatálisis que fue cubierta con polvos<br />
<strong>de</strong> nanocompuestos fotoactivos. Tales polvos fueron sintetizados <strong>en</strong> el <strong>CNyN</strong> a partir <strong>de</strong>l<br />
crecimi<strong>en</strong>to <strong>de</strong> nanopartículas semiconductoras <strong>de</strong> CdS adheridas a la superficie <strong>de</strong> aluminosilicatos<br />
nanoestructurados. La imag<strong>en</strong> <strong>de</strong> la figura 2(A) correspon<strong>de</strong> a una fotografía <strong>de</strong> la palabra sin<br />
iluminar y la figura 2(B) muestra la palabra iluminada con luz ultravioleta <strong>de</strong> longitud <strong>de</strong> onda <strong>de</strong><br />
250 nm. La luminisc<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> color amarillo, característica <strong>de</strong>l CdS, es evid<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> la formación <strong>de</strong><br />
pares electrón-hueco.<br />
Figura 2<br />
Con la g<strong>en</strong>eración <strong>de</strong> los pares electrón-hueco por la acción <strong>de</strong> la luz, el material<br />
semiconductor queda excitado (Ecuación 1). Si la superficie <strong>de</strong>l semiconductor queda expuesta al<br />
contacto con las moléculas constituy<strong>en</strong>tes <strong>de</strong>l gas o el líquido <strong>de</strong>l medio circundante, se promuev<strong>en</strong><br />
reacciones <strong>de</strong> oxidación o reducción. Es precisam<strong>en</strong>te durante esta interacción cuando ocurr<strong>en</strong> los<br />
procesos catalíticos <strong>de</strong>scritos <strong>en</strong> las ecuaciones 2 y 3, o los que se ilustran <strong>en</strong> la figura 1. Al<br />
interaccionar con las especies circundantes, las nanopartículas semiconductoras aceptan electrones<br />
que ocupan los estados electrónicos <strong>de</strong> los huecos (oxidación <strong>de</strong> la especie circundante), o donan sus<br />
electrones libres (reducción <strong>de</strong> la especie circundante).<br />
Nanofotocatálisis heterogénea<br />
Como se <strong>de</strong>spr<strong>en</strong><strong>de</strong> <strong>de</strong> lo anterior, la efici<strong>en</strong>cia con la que ocurr<strong>en</strong> los procesos fotocatalíticos<br />
<strong>de</strong>p<strong>en</strong><strong>de</strong> tanto <strong>de</strong> la capacidad <strong>de</strong>l fotocatalizador para crear los pares electrón-hueco como <strong>de</strong>l área<br />
superficial <strong>de</strong> contacto <strong>en</strong>tre el fotocatalizador y el medio circundante. Un campo <strong>de</strong> la nanoci<strong>en</strong>cia<br />
60
<strong>en</strong> el que actualm<strong>en</strong>te se <strong>de</strong>sarrollan numerosos proyectos <strong>de</strong> investigación ci<strong>en</strong>tífico-tecnológicos<br />
es la concepción y fabricación <strong>de</strong> fotocatalizadores nanoestructurados. Al lograr que el<br />
fotocatalizador semiconductor posea dim<strong>en</strong>siones nanométricas, se increm<strong>en</strong>ta <strong>en</strong>ormem<strong>en</strong>te el área<br />
superficial. El lector pue<strong>de</strong> calcular, por ejemplo, que al dividir una partícula esférica <strong>de</strong> 1 mm <strong>de</strong><br />
radio <strong>en</strong> partículas <strong>de</strong> 10 nm <strong>de</strong> radio, el área superficial total <strong>de</strong> las nanoesferas es igual a casi<br />
100,000 veces el valor <strong>de</strong>l área superficial <strong>de</strong> la esfera milimétrica. A su vez, la g<strong>en</strong>eración <strong>de</strong> pares<br />
electrón-hueco increm<strong>en</strong>tará <strong>en</strong> la misma medida <strong>en</strong> las nanopartículas semiconductoras al<br />
increm<strong>en</strong>tarse la frecu<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> la interacción <strong>en</strong>tre la luz incid<strong>en</strong>te y los átomos <strong>de</strong> su superficie.<br />
Por otra parte, para mejorar la efici<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> los procesos fotocatalíticos se requiere que las<br />
nanopartículas semiconductoras se <strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tr<strong>en</strong> homogéneam<strong>en</strong>te dispersas <strong>en</strong> el s<strong>en</strong>o <strong>de</strong>l medio<br />
circundante que se quiere trasformar. Para ello, se recurre a la síntesis <strong>de</strong> nanocompuestos<br />
fotoactivos <strong>en</strong> los que las nanopartículas semiconductoras crec<strong>en</strong> adheridas a la superficie <strong>de</strong>l<br />
compuesto, llamado soporte catalítico, <strong>en</strong> forma homogénea y dispersa como se ilustra <strong>en</strong> la figura 1.<br />
Los procesos catalíticos realizados con fotocatalizadores nanoestructurados activados con luz,<br />
se <strong>de</strong>signan nanofotocatálisis heterogénea y se ha <strong>de</strong>mostrado su gran efici<strong>en</strong>cia <strong>en</strong> aplicaciones<br />
tecnológicas. Entre éstas <strong>de</strong>stacan el tratami<strong>en</strong>to <strong>de</strong> aguas contaminadas para lograr la erradicación<br />
<strong>de</strong> ag<strong>en</strong>tes biológicos y la mineralización u oxidación <strong>de</strong> compuestos orgánicos; la conversión <strong>de</strong><br />
agua a gas hidróg<strong>en</strong>o por disociación, el <strong>de</strong>sarrollo <strong>de</strong> vidrios y pinturas <strong>de</strong> auto-limpieza, la<br />
conversión <strong>de</strong> dióxido <strong>de</strong> carbono <strong>en</strong> gases <strong>de</strong> hidrocarburos, la esterilización <strong>de</strong> instrum<strong>en</strong>tos<br />
quirúrgicos, s<strong>en</strong>sores químicos, así como la g<strong>en</strong>eración <strong>de</strong> <strong>en</strong>ergía aprovechando la luz solar.<br />
61
¿CÓMO FUNCIONAN LAS PELÍCULAS ANTIRREFLECTORAS EN CÁMARAS<br />
FOTOGRÁFICAS Y BINOCULARES<br />
Roberto Machorro Mejía<br />
Todos hemos visto el reflejo <strong>en</strong> un cuerpo <strong>de</strong> agua o <strong>en</strong> una v<strong>en</strong>tana <strong>de</strong> vidrio.<br />
Particularm<strong>en</strong>te, <strong>de</strong> noche d<strong>en</strong>tro <strong>de</strong> una habitación, si está oscuro <strong>en</strong> la parte exterior, veremos<br />
nuestra imag<strong>en</strong> reflejada <strong>en</strong> los vidrios <strong>de</strong> las v<strong>en</strong>tanas.<br />
En el l<strong>en</strong>te <strong>de</strong> una cámara, aun <strong>de</strong> las más económicas, o <strong>de</strong> unos binoculares o anteojos, notamos un<br />
reflejo con cierto tinte que pue<strong>de</strong> ser ver<strong>de</strong>, rojo o violeta. ¿Cuál es el orig<strong>en</strong> <strong>de</strong> este reflejo<br />
Cuando la luz cambia <strong>de</strong> medio, reflexión y transmisión<br />
Tratemos <strong>de</strong> explicar la primera i<strong>de</strong>a: la luz se refleja cuando cambia <strong>de</strong> medio. Cuando<br />
nuestro rostro refleja la luz <strong>de</strong>l Sol o <strong>de</strong> la lámpara, ésta viaja por el aire hasta llegar a la v<strong>en</strong>tana<br />
hecha <strong>de</strong> vidrio. Parte <strong>de</strong> la luz se transmite, y por eso nos pued<strong>en</strong> ver <strong>en</strong> el exterior, parte se refleja,<br />
y nos vemos nosotros mismos.<br />
Figura 1<br />
62
Entre mayor sea el cambio, más gran<strong>de</strong> es la reflectancia R. El cambio se refiere a las<br />
propieda<strong>de</strong>s ópticas <strong>de</strong> cada material. Esa propiedad se <strong>de</strong>fine como índice <strong>de</strong> refracción, n, y<br />
expresa el comportami<strong>en</strong>to macroscópico <strong>de</strong> la interacción <strong>en</strong>tre el campo electromagnético <strong>de</strong> la<br />
luz que ilumina y los átomos y moléculas <strong>de</strong>l material. Se relaciona con la velocidad <strong>de</strong> propagación<br />
<strong>en</strong> el medio, v, relativa a la velocidad <strong>en</strong> el vacío, c, <strong>en</strong> la forma = ⁄ .<br />
La luz es una onda electromagnética y <strong>de</strong>be cumplir condiciones <strong>en</strong> la frontera <strong>en</strong>tre los dos<br />
medios (1 y 2) como se ilustra <strong>en</strong> la figura 1. Las condiciones que nos interesan son las sigui<strong>en</strong>tes:<br />
las compon<strong>en</strong>tes <strong>de</strong>l vector eléctrico E tang<strong>en</strong>ciales a la interfaz y las compon<strong>en</strong>tes <strong>de</strong>l vector<br />
magnético B normales a la interfaz son continuas, es <strong>de</strong>cir, justo <strong>en</strong> la frontera, <strong>en</strong> cada uno <strong>de</strong> los<br />
dos materiales, son iguales.<br />
El balance <strong>de</strong> campos <strong>en</strong> la interfaz, lleva a las relaciones <strong>de</strong> Fresnel<br />
≡ <br />
<br />
= <br />
<br />
, ≡ <br />
<br />
= <br />
<br />
,<br />
don<strong>de</strong> r y t son los coefici<strong>en</strong>tes <strong>de</strong> reflexión y transmisión, y E i , E r , y E t , se refier<strong>en</strong> a los<br />
campos eléctricos incid<strong>en</strong>te, reflejado, y transmitido, respectivam<strong>en</strong>te. Con ello se <strong>de</strong>fin<strong>en</strong> la<br />
reflectancia R y la transmitancia T, referidas a las fracciones <strong>de</strong> <strong>en</strong>ergía luminosa reflejada y<br />
transmitida, respectivam<strong>en</strong>te, a través <strong>de</strong> las ecuaciones<br />
= y = <br />
<br />
, cuyos valores se expresan <strong>en</strong> porci<strong>en</strong>tos.<br />
Ejemplo:<br />
Para un vidrio ( = 1.5) ro<strong>de</strong>ado <strong>de</strong> aire ( = 1), se calcula<br />
= .<br />
= . , y =<br />
<br />
.<br />
.<br />
= . , <strong>de</strong> modo que R = 4 % y T = 96 %.<br />
Es <strong>de</strong>cir, lo que vemos reflejado <strong>en</strong> una v<strong>en</strong>tana es ap<strong>en</strong>as el 4 % <strong>de</strong> la irradiancia incid<strong>en</strong>te,<br />
pero si afuera está obscuro será sufici<strong>en</strong>te para vernos reflejados.<br />
Quizá recuerd<strong>en</strong> la historia <strong>de</strong>l hombre invisible, el cual es casi como nosotros, excepto<br />
porque no lo po<strong>de</strong>mos ver. De acuerdo con las relaciones <strong>de</strong> Fresnel, el hombre invisible <strong>de</strong>bería ser<br />
63
ciego, o no sería <strong>de</strong>l todo invisible; al m<strong>en</strong>os veríamos la l<strong>en</strong>te <strong>de</strong>l ojo. Claro que la historia ti<strong>en</strong>e<br />
muchas otras fallas físicas para ser real.<br />
Influ<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> una capa <strong>de</strong>lgada<br />
Como hemos visto, el reflejo <strong>en</strong> un vidrio es ap<strong>en</strong>as el 4 % <strong>de</strong> la luz incid<strong>en</strong>te, lo que parece<br />
no t<strong>en</strong>er mucha importancia. Sin embargo, cuando usamos una l<strong>en</strong>te <strong>de</strong> cámara, sobre todo las <strong>de</strong><br />
alta calidad, que pued<strong>en</strong> t<strong>en</strong>er 8 o 12 l<strong>en</strong>tes, y como cada interfaz refleja el 4 % <strong>de</strong> la <strong>en</strong>ergía<br />
incid<strong>en</strong>te, <strong>en</strong>tonces t<strong>en</strong>dremos que la transmisión total se reduce <strong>en</strong> T 8 = 72 % o <strong>en</strong> T 12 = 61 % con<br />
respecto al 96 % <strong>de</strong> transmitancia <strong>en</strong> una sola interfaz.<br />
Algui<strong>en</strong> podría argum<strong>en</strong>tar que no es tan grave. Pero la luz reflejada <strong>en</strong> cada interfaz ya no<br />
forma una imag<strong>en</strong> <strong>en</strong>focada y nítida <strong>en</strong> el plano <strong>de</strong>l <strong>de</strong>tector <strong>de</strong>bido a los múltiples rebotes <strong>en</strong>tre las<br />
caras <strong>de</strong> las l<strong>en</strong>tes, lo que da lugar a un halo <strong>de</strong> luz difusa que <strong>de</strong>grada la calidad final <strong>de</strong> nuestra<br />
imag<strong>en</strong>. Es <strong>de</strong>cir, el problema no es sólo una reducción <strong>de</strong> la <strong>en</strong>ergía que llega sino también <strong>de</strong> la<br />
calidad <strong>de</strong> la imag<strong>en</strong>. El halo h es una medida <strong>de</strong>l grado <strong>de</strong> luz difusa que se superpone a la imag<strong>en</strong><br />
principal y que pue<strong>de</strong> ser también expresada <strong>en</strong> porci<strong>en</strong>tos. Al coci<strong>en</strong>te <strong>en</strong>tre la transmitancia y el<br />
halo ⁄ lo <strong>de</strong>signamos como la razón <strong>de</strong> luz útil.<br />
Figura 2<br />
Por ejemplo, una l<strong>en</strong>te comercial realm<strong>en</strong>te pue<strong>de</strong> consistir <strong>de</strong> un arreglo <strong>de</strong> hasta 15 l<strong>en</strong>tes<br />
configuradas <strong>en</strong> 24 interfaces aire-vidrio. El <strong>de</strong>sempeño <strong>de</strong> este sistema sin antirreflectoras sería <strong>de</strong><br />
T ~ 20 % y h ~ 18% lo que da una razón <strong>de</strong> luz útil <strong>de</strong> ⁄ ~ 1, es <strong>de</strong>cir, la transmitancia es casi<br />
64
igual al halo y t<strong>en</strong>dríamos una imag<strong>en</strong> totalm<strong>en</strong>te <strong>de</strong>gradada <strong>de</strong> objeto. En cambio, el <strong>de</strong>sempeño<br />
con antirreflectoras ti<strong>en</strong>e una T ~ 80%, un h ~ 2%, suponi<strong>en</strong>do que R = 1%. En este caso, la razón<br />
⁄ ~40, es <strong>de</strong>cir, la transmitancia, aum<strong>en</strong>ta, el halo baja y la mejoría es <strong>de</strong> ¡40 veces! En una l<strong>en</strong>te<br />
<strong>de</strong> alta calidad, la reflectancia pue<strong>de</strong> llegar a R ~ 0.1%, con lo que ⁄ = 97.6 % ⁄ 3 %, o sea una<br />
razón útil <strong>de</strong> ¡¡¡ ~325!!!<br />
El problema se resuelve introduci<strong>en</strong>do un material, con propieda<strong>de</strong>s físicas a<strong>de</strong>cuadas, <strong>de</strong><br />
manera muy uniforme sobre el vidrio, <strong>de</strong> tal forma que, al reflejarse la luz <strong>en</strong> ese material y también<br />
<strong>en</strong> el vidrio, las dos ondas se superpongan <strong>de</strong>structivam<strong>en</strong>te, es <strong>de</strong>cir, se anule una con la otra, dando<br />
reflectancia cero. Para controlar la relación <strong>de</strong> fase <strong>en</strong>tre las ondas, el espesor <strong>de</strong>be ser <strong>de</strong> escala<br />
nanométrica, típicam<strong>en</strong>te <strong>de</strong> 60 a 100 nanómetros. El <strong>de</strong>talle <strong>de</strong> este proceso <strong>de</strong> interfer<strong>en</strong>cia lo<br />
veremos <strong>en</strong> las sigui<strong>en</strong>tes secciones.<br />
Interfer<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> ondas. Constructiva y <strong>de</strong>structiva<br />
Hasta aquí la reflexión <strong>en</strong> una interfaz. ¿Cómo funciona una película <strong>de</strong>lgada Sobre un<br />
soporte, que pue<strong>de</strong> ser la l<strong>en</strong>te <strong>de</strong> la cámara o los anteojos o cualquier vidrio, se crece un material <strong>de</strong><br />
propieda<strong>de</strong>s ópticas a<strong>de</strong>cuadas (veremos eso <strong>en</strong>seguida) y espesores muy pequeños, <strong>de</strong>c<strong>en</strong>as <strong>de</strong><br />
nanómetros. Ahora t<strong>en</strong>dremos dos interfaces, una <strong>en</strong>tre el medio incid<strong>en</strong>te y la capa crecida , y<br />
la otra <strong>en</strong>tre la capa con el soporte , como se muestra <strong>en</strong> la figura 3. En cada interfaz se refleja (y<br />
transmite) una onda. La figura 3 muestra tanto la onda incid<strong>en</strong>te como las reflejadas.<br />
Figura 3<br />
65
Si la capa ti<strong>en</strong>e índice mayor que el sustrato ( ), las ondas reflejadas estarán <strong>en</strong> fase y<br />
se superpondrán constructivam<strong>en</strong>te. Si el índice <strong>de</strong> la capa es m<strong>en</strong>or al <strong>de</strong>l sustrato ( ), las<br />
ondas reflejadas estarán corridas <strong>en</strong> media onda, <strong>de</strong>sfasadas 180°, por lo que se superpondrán<br />
<strong>de</strong>structivam<strong>en</strong>te. Ambos casos se ilustran <strong>en</strong> la figura 4.<br />
Figura 4<br />
La figura 4 muestra la forma <strong>en</strong> que varía la reflectancia con el espesor óptico (EO), <strong>de</strong>finido<br />
por el producto <strong>de</strong>l espesor físico d multiplicado por el índice <strong>de</strong> refracción, EO = n d. Cuando<br />
hablamos <strong>de</strong> espesor óptico <strong>de</strong> un cuarto <strong>de</strong> onda, nos referimos a una cuarta parte <strong>de</strong> la longitud <strong>de</strong><br />
onda empleada para iluminar. Por ejemplo, si iluminamos con luz ver<strong>de</strong>, λ = 550 nm, el espesor<br />
óptico <strong>de</strong> un cuarto <strong>de</strong> onda es EO = λ/4 = 137.5 nm. Despejando al espesor físico, obt<strong>en</strong>emos que,<br />
para un material con n = 1.35, la capa <strong>de</strong>be t<strong>en</strong>er un espesor <strong>de</strong> d = EO/n = 137.5 nm/1.35 = 101.85<br />
nm.<br />
¿Qué ocurre si iluminamos dicha capa con luz <strong>de</strong> difer<strong>en</strong>te longitud <strong>de</strong> onda ¿Habrá<br />
igualm<strong>en</strong>te un mínimo <strong>de</strong> reflectancia cuando iluminamos con otro color Para otro color, digamos<br />
el rojo <strong>de</strong> 650 nm, el valor <strong>de</strong>l espesor óptico expresado <strong>en</strong> fracciones <strong>de</strong> λ será <strong>de</strong> EO = λ/x = 650/x;<br />
66
y como EO = n d = 1.35 × 101.85 nm; <strong>en</strong>tonces, igualando y <strong>de</strong>spejando x <strong>en</strong>contramos que x = 650<br />
nm/(1.35 × 101.85 nm) = 4.73. Es <strong>de</strong>cir, para el rojo, el espesor óptico ya no es un cuarto <strong>de</strong> onda,<br />
por lo que la reflectancia no t<strong>en</strong>drá un mínimo coincid<strong>en</strong>te con el <strong>de</strong>l ver<strong>de</strong> (ver la figura anterior).<br />
Para el violeta, 400 nm, x = 2.9, tampoco el EO es un cuarto <strong>de</strong> onda y su mínimo <strong>de</strong> reflectancia<br />
tampoco coincidirá.<br />
Resumi<strong>en</strong>do, la reflectancia ti<strong>en</strong>e un mínimo para cierta la longitud <strong>de</strong> onda cuando se emplea<br />
una capa con el espesor y el índice <strong>de</strong> refracción a<strong>de</strong>cuados; para longitu<strong>de</strong>s <strong>de</strong> onda <strong>de</strong> valores<br />
cercanos ya no funciona tan bi<strong>en</strong>. Esto pue<strong>de</strong> mejorar con más <strong>de</strong> una capa, como veremos <strong>en</strong> la<br />
sigui<strong>en</strong>te sección.<br />
El <strong>de</strong>sfasami<strong>en</strong>to <strong>en</strong>tre las dos ondas reflejadas, <strong>de</strong> ap<strong>en</strong>as una fracción <strong>de</strong> longitud <strong>de</strong> onda<br />
requiere espesores muy pequeños <strong>de</strong> <strong>de</strong>c<strong>en</strong>as <strong>de</strong> nanómetros. El índice <strong>de</strong> refracción i<strong>de</strong>al, que hace<br />
que la reflectancia sea cero, <strong>de</strong>be cumplir con = . Si ponemos = 1 y = 1.5, resulta<br />
= 1.22; pero no existe <strong>en</strong> el visible un material con esta característica; el índice más cercano es<br />
= 1.35, que da una reflectancia residual <strong>de</strong> ~ 1 %. En la sigui<strong>en</strong>te sección se da un ejemplo <strong>en</strong> el<br />
que, a pesar <strong>de</strong> la limitación <strong>de</strong> materiales, pue<strong>de</strong> superarse este límite.<br />
Al mom<strong>en</strong>to <strong>de</strong> crecer las capas es muy práctico usar cuartos <strong>de</strong> onda, ya que la reflexión o<br />
transmisión llegan a extremos, máximos o mínimos, y es allí don<strong>de</strong> se <strong>de</strong>ti<strong>en</strong>e el crecimi<strong>en</strong>to <strong>de</strong> esa<br />
capa.<br />
Multicapas antirreflectoras<br />
Las capas antirreflectoras <strong>de</strong> plástico CR-39 que pon<strong>en</strong> <strong>en</strong> los anteojos, reduc<strong>en</strong> la reflexión<br />
normalm<strong>en</strong>te <strong>de</strong> 4 % a un promedio <strong>de</strong> 0.5 % <strong>en</strong> todo el visible. Por cuestiones <strong>de</strong>l diseño, llamado<br />
tipo W <strong>de</strong>bido al perfil <strong>de</strong> la curva, hay un pequeño máximo <strong>en</strong> la zona <strong>de</strong>l ver<strong>de</strong>, 530 nm, <strong>de</strong> ahí<br />
que pue<strong>de</strong> apreciarse esa tonalidad <strong>en</strong> los l<strong>en</strong>tes recubiertos. Aunque hay la posibilidad <strong>de</strong> reducirla<br />
aún más, no es costeable y <strong>de</strong>jan como argum<strong>en</strong>to la cosmética: el ver<strong>de</strong> se ve “bonito”.<br />
En cada capa <strong>de</strong> la figura 5 (izquierda) se anota el material <strong>de</strong>l que está constituida y el<br />
espesor correspondi<strong>en</strong>te. En sistemas ópticos más complejos sí es conv<strong>en</strong>i<strong>en</strong>te mant<strong>en</strong>er la<br />
reflectancia lo más cercana a cero, como <strong>en</strong> las cámaras, binoculares, espectrómetros y otros.<br />
67
Figura 5<br />
Conclusiones<br />
El mundo actual sería imposible sin las películas <strong>de</strong>lgadas, tanto para la óptica como para la<br />
electrónica. La microelectrónica, las computadoras, las comunicaciones, la fotónica no serían<br />
concebibles sin capas <strong>de</strong>lgadas. La t<strong>en</strong>d<strong>en</strong>cia es hacia capas más <strong>de</strong>lgadas cada vez, <strong>en</strong> especial,<br />
para las aplicaciones <strong>en</strong> electrónica.<br />
Lectura adicional<br />
E. Hecht, Óptica, 3a Ed., Addison Wesley, 1998.<br />
68
¿POR QUÉ UTILIZAR NANOPARTÍCULAS DE SILICIO PARA EL DESARROLLO DE<br />
NUEVOS DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS<br />
Mario A. Curiel Alvarez, Jesús M. Siqueiros Beltrones y Jesús L. Heiras Aguirre.<br />
Los dispositivos electrónicos están fabricados, <strong>en</strong> su gran mayoría, <strong>de</strong> un tipo especial <strong>de</strong><br />
materiales llamados semiconductores. El orig<strong>en</strong> <strong>de</strong> su nombre se <strong>de</strong>be a que su conductividad<br />
eléctrica ti<strong>en</strong>e valores intermedios <strong>en</strong>tre los <strong>de</strong> los aislantes y los <strong>de</strong> los metales.<br />
La electrónica es probablem<strong>en</strong>te la industria <strong>de</strong> evolución más rápida <strong>en</strong> el mercado.<br />
Continuam<strong>en</strong>te aparec<strong>en</strong> nuevos dispositivos que introduc<strong>en</strong> mejoras respecto a versiones<br />
anteriores, mejoras que principalm<strong>en</strong>te ti<strong>en</strong><strong>en</strong> que ver con la velocidad <strong>de</strong> respuesta, la efici<strong>en</strong>cia, el<br />
consumo <strong>de</strong> pot<strong>en</strong>cia, el factor <strong>de</strong> forma y la capacidad <strong>de</strong> los dispositivos. Para po<strong>de</strong>r satisfacer<br />
estas <strong>de</strong>mandas, los fabricantes se <strong>en</strong>fr<strong>en</strong>tan con importantes retos físicos y tecnológicos, que<br />
implican procesos <strong>de</strong> manufactura y <strong>de</strong> prueba más sofisticados. La nanotecnología es una <strong>de</strong> las<br />
posibles soluciones a esta problemática y, actualm<strong>en</strong>te, apuestan por ella la mayoría <strong>de</strong> los expertos.<br />
La nanotecnología se refiere a los productos y procesos <strong>de</strong>sarrollados <strong>en</strong> la escala nanométrica. Uno<br />
<strong>de</strong> los principales objetivos <strong>de</strong> la nanotecnología es fabricar sistemas electrónicos novedosos con el<br />
fin <strong>de</strong> optimizar la confiabilidad y la d<strong>en</strong>sidad <strong>de</strong> integración <strong>de</strong> los dispositivos <strong>de</strong> hoy <strong>en</strong> día.<br />
En la mayoría <strong>de</strong> los casos, los sistemas nanotecnológicos utilizan <strong>en</strong> su diseño películas o<br />
capas muy <strong>de</strong>lgadas y, por eso, los f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>os asociados al funcionami<strong>en</strong>to <strong>de</strong> estos dispositivos son<br />
<strong>de</strong> naturaleza interfacial; esto es, la relación <strong>en</strong>tre el número <strong>de</strong> átomos <strong>de</strong> la superficie y los <strong>de</strong>l<br />
cuerpo <strong>de</strong> la superficie <strong>de</strong>lgada es muy cercana a uno. Por lo tanto, es necesario un bu<strong>en</strong><br />
<strong>en</strong>t<strong>en</strong>dimi<strong>en</strong>to <strong>de</strong> las propieda<strong>de</strong>s <strong>de</strong>l material sintetizado <strong>en</strong> forma <strong>de</strong> película <strong>de</strong>lgada para po<strong>de</strong>r<br />
interpretar los f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>os que ocurr<strong>en</strong> <strong>en</strong> las interfaces <strong>de</strong> este material y los <strong>de</strong>más compon<strong>en</strong>tes<br />
69
<strong>de</strong>l dispositivo. Una opción alternativa es la <strong>de</strong> trabajar con nanopartículas <strong>en</strong> este tipo <strong>de</strong> sistemas.<br />
Al hablar <strong>de</strong> una nanopartícula, hablamos <strong>de</strong> una partícula cuyas tres dim<strong>en</strong>siones son nanométricas.<br />
Una v<strong>en</strong>taja muy valorada <strong>en</strong> la fabricación <strong>de</strong> películas <strong>de</strong>lgadas <strong>de</strong> SiO 2 y nanopartículas <strong>de</strong><br />
Si, es su amplia compatibilidad con la tecnología o infraestructura <strong>de</strong> la microelectrónica actual, ya<br />
que estos dos materiales son <strong>de</strong>s<strong>de</strong> hace algunas décadas los más utilizados para la fabricación <strong>de</strong><br />
dispositivos conv<strong>en</strong>cionales, lo que los hace integrables, sin mayor problema, a sistemas y procesos<br />
ya exist<strong>en</strong>tes <strong>en</strong> la industria electrónica.<br />
Por las razones anteriorm<strong>en</strong>te discutidas, estructuras <strong>de</strong>l tipo metal-aislante-semiconductor<br />
(MIS, <strong>de</strong>l inglés metal-insulator-semiconductor) que conti<strong>en</strong><strong>en</strong> una <strong>de</strong>lgada capa <strong>de</strong> nanocristales <strong>de</strong><br />
silicio (Si NCs, <strong>de</strong>l inglés silicon nano-crystals) d<strong>en</strong>tro <strong>de</strong> su película aislante (SiO 2 ), son<br />
pres<strong>en</strong>tadas a continuación para reflexionar sobre su pot<strong>en</strong>cial aplicación <strong>en</strong> dispositivos<br />
electrónicos tales como celdas solares y dispositivos <strong>de</strong> memoria no volátil.<br />
Metal<br />
Aislante (SiO 2 )<br />
SiO 2<br />
Si NCs<br />
Substrato <strong>de</strong> silicio (Si)<br />
Figura 1. Esquema <strong>de</strong> la estructura MIS con nanopartículas <strong>de</strong> Si.<br />
Dispositivos <strong>de</strong> memoria<br />
Las memorias flash conv<strong>en</strong>cionales son <strong>de</strong> tipo no volátil, esto es, la información que<br />
almac<strong>en</strong>an no se pier<strong>de</strong>, aun cuando la memoria se <strong>de</strong>sconecte <strong>de</strong> la fu<strong>en</strong>te <strong>de</strong> alim<strong>en</strong>tación; ésta es<br />
una característica muy valorada <strong>en</strong> este tipo <strong>de</strong> memoria. Las memorias flash se han convertido <strong>en</strong> el<br />
sistema <strong>de</strong> almac<strong>en</strong>ami<strong>en</strong>to y transporte personal <strong>de</strong> datos más utilizado, <strong>de</strong>splazando a los disquetes<br />
y a los discos compactos (CD’s). La creación <strong>de</strong> una nueva versión funcional <strong>de</strong> este tipo <strong>de</strong><br />
dispositivo repres<strong>en</strong>ta un gran avance <strong>en</strong> la búsqueda <strong>de</strong> sucesores para la tecnología <strong>de</strong> compuerta<br />
flotante utilizada actualm<strong>en</strong>te <strong>en</strong> los dispositivos <strong>de</strong> memoria flash.<br />
70
Figura 2. Dispositivos <strong>de</strong> memoria flash utilizados actualm<strong>en</strong>te.<br />
El uso <strong>de</strong> los nanocristales <strong>de</strong> silicio (Si NCs) como nudos <strong>de</strong> almac<strong>en</strong>ami<strong>en</strong>to <strong>de</strong> carga<br />
discreta, ofrece mayor confiabilidad <strong>en</strong> el dispositivo si se compara con los dispositivos <strong>de</strong> memoria<br />
conv<strong>en</strong>cionales utilizados actualm<strong>en</strong>te, <strong>en</strong> los que la compuerta flotante está hecha <strong>de</strong> un material<br />
continuo, por tanto, con el más mínimo <strong>de</strong>fecto <strong>en</strong> el material dieléctrico circundante la información<br />
almac<strong>en</strong>ada se verá afectada. Las principales v<strong>en</strong>tajas <strong>de</strong> utilizar nanopartículas <strong>en</strong> este tipo <strong>de</strong><br />
dispositivos son la simplificación <strong>de</strong>l proceso <strong>de</strong> fabricación, la reducción <strong>de</strong>l espesor <strong>de</strong> las capas<br />
dieléctricas y, por tanto, el aum<strong>en</strong>to <strong>de</strong> las velocida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> procesami<strong>en</strong>to (escritura y borrado). De<br />
manera análoga, al reducir proporcionalm<strong>en</strong>te las dim<strong>en</strong>siones <strong>de</strong> un dispositivo, los voltajes <strong>de</strong><br />
operación se reduc<strong>en</strong>, permitiéndonos <strong>de</strong>sarrollar dispositivos <strong>de</strong> bajo consumo <strong>de</strong> pot<strong>en</strong>cia.<br />
Celdas Solares<br />
Actualm<strong>en</strong>te, la mayoría <strong>de</strong> las celdas solares comerciales están hechas a base <strong>de</strong> silicio<br />
monocristalino. Sin embargo, el uso <strong>de</strong> Si o <strong>de</strong> cualquier otro semiconductor conv<strong>en</strong>cional <strong>en</strong><br />
dispositivos fotovoltaicos se <strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tra, por el mom<strong>en</strong>to, limitado por los altos costos <strong>de</strong> producción.<br />
La fabricación <strong>de</strong> la celda solar más s<strong>en</strong>cilla es aún un proceso complicado que se lleva a cabo bajo<br />
condiciones rigurosam<strong>en</strong>te controladas. Por tal motivo, los costos <strong>de</strong> producción <strong>de</strong> estos<br />
dispositivos son todavía muy altos y <strong>de</strong>b<strong>en</strong> reducirse <strong>de</strong> tal manera que puedan remplazar <strong>de</strong> manera<br />
efectiva el uso <strong>de</strong> combustibles no r<strong>en</strong>ovables.<br />
71
Figura 3. Panel <strong>de</strong> celdas solares conv<strong>en</strong>cionales utilizado para alumbrado público.<br />
Una celda solar conv<strong>en</strong>cional <strong>de</strong> Si g<strong>en</strong>era sólo un electrón por fotón <strong>de</strong> luz solar absorbido.<br />
Algunos otros materiales compuestos a base <strong>de</strong> plomo, cadmio o indio son capaces <strong>de</strong> producir<br />
múltiples electrones por fotón pero, g<strong>en</strong>eralm<strong>en</strong>te, son tóxicos o <strong>de</strong> fu<strong>en</strong>tes limitadas.<br />
Reci<strong>en</strong>tem<strong>en</strong>te, se ha visto que los nanocristales <strong>de</strong> Si son capaces <strong>de</strong> producir dos o tres electrones<br />
por fotón <strong>de</strong> luz solar. Este efecto nos permite producir un novedoso tipo <strong>de</strong> celdas con bajo costo <strong>de</strong><br />
fabricación y, al mismo tiempo, obt<strong>en</strong>er más <strong>de</strong>l doble <strong>de</strong> efici<strong>en</strong>cia que con las celdas solares<br />
conv<strong>en</strong>cionales.<br />
Los electrones adicionales g<strong>en</strong>erados por estos dispositivos, provi<strong>en</strong><strong>en</strong> <strong>de</strong> fotones <strong>de</strong> la luz<br />
azul y ultravioleta, los cuales pose<strong>en</strong> mucha mayor <strong>en</strong>ergía que los <strong>de</strong> la luz roja e infrarroja. En la<br />
mayoría <strong>de</strong> las celdas solares <strong>de</strong> hoy <strong>en</strong> día, la <strong>en</strong>ergía <strong>de</strong> los fotones <strong>de</strong> alta <strong>en</strong>ergía es <strong>de</strong>sperdiciada<br />
al disiparse <strong>en</strong> forma <strong>de</strong> calor. Sin embargo, el tamaño reducido <strong>de</strong> los nanocristales <strong>de</strong> Si, nos<br />
conduce a efectos adicionales que conviert<strong>en</strong> esta <strong>en</strong>ergía <strong>en</strong> electrones <strong>de</strong> forma más efici<strong>en</strong>te. Al<br />
g<strong>en</strong>erar varios electrones a partir <strong>de</strong> fotones <strong>de</strong> alta <strong>en</strong>ergía, este tipo <strong>de</strong> celdas teóricam<strong>en</strong>te podrían<br />
convertir <strong>en</strong>tre el 40 y 60% <strong>de</strong> la <strong>en</strong>ergía <strong>de</strong> la luz incid<strong>en</strong>te <strong>en</strong> <strong>en</strong>ergía r<strong>en</strong>ovable, <strong>en</strong> contraste con<br />
los paneles solares utilizados comercialm<strong>en</strong>te que sólo pose<strong>en</strong> un 20% <strong>de</strong> efici<strong>en</strong>cia.<br />
En conclusión, la fabricación <strong>de</strong> dispositivos semiconductores mo<strong>de</strong>rnos a base <strong>de</strong><br />
nanocristales <strong>de</strong> Si pue<strong>de</strong> ser extremadam<strong>en</strong>te económica, dando lugar a v<strong>en</strong>tajas significativas<br />
sobre otros <strong>en</strong>foques para sustituir a los dispositivos conv<strong>en</strong>cionales. A<strong>de</strong>más <strong>de</strong> estas razones, el Si,<br />
que es por mucho el material más común utilizado actualm<strong>en</strong>te <strong>en</strong> la industria <strong>de</strong> los<br />
semiconductores, es uno <strong>de</strong> los materiales más atractivos para el <strong>de</strong>sarrollo básico <strong>de</strong> una amplia<br />
gama <strong>de</strong> dispositivos <strong>en</strong> un futuro cercano.<br />
72
Lectura adicional<br />
Silicon Nanocrystals: Fundam<strong>en</strong>tals, Synthesis and Applications. Lor<strong>en</strong>zo Pavesi and Rasit Turan,<br />
Wiley-VCH; 1st edition (May 11, 2010)<br />
73
¿CÓMO SE RELACIONAN LA NANOTECNOLOGÍA Y LA MEDICINA<br />
Francisco Rafael Castiello Flores<br />
Una <strong>de</strong> las ramas <strong>de</strong> la ci<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> materiales que recién comi<strong>en</strong>za su <strong>de</strong>sarrollo <strong>en</strong> nuestro país<br />
y que crece a un ritmo acelerado es la <strong>de</strong> los nanobiomateriales. Países como Inglaterra, Francia,<br />
Japón y Estados Unidos llevan la <strong>de</strong>lantera <strong>en</strong> esta novedosa rama altam<strong>en</strong>te interdisciplinaria <strong>de</strong> la<br />
ci<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> los materiales. La i<strong>de</strong>a principal <strong>de</strong> esta disciplina es combinar los conocimi<strong>en</strong>tos <strong>de</strong> la<br />
física, la química, la biología y la medicina para <strong>de</strong>sarrollar herrami<strong>en</strong>tas y tecnologías a escala nano<br />
capaces <strong>de</strong> mejorar la calidad <strong>de</strong> vida <strong>de</strong>l ser humano.<br />
Las principales áreas <strong>en</strong> la que se trabaja actualm<strong>en</strong>te son: bios<strong>en</strong>sores, implantes y prótesis,<br />
<strong>en</strong>trega <strong>de</strong> fármacos, bioetiquetado y creación <strong>de</strong> andamios para el crecimi<strong>en</strong>to <strong>de</strong> células.<br />
Los bios<strong>en</strong>sores no son nuevos <strong>en</strong> la ci<strong>en</strong>cia. El uso <strong>de</strong> microorganismos, biomoléculas o<br />
estructuras subcelulares es bi<strong>en</strong> conocido <strong>de</strong>s<strong>de</strong> hace muchos años. Sin embargo, al lograr crear<br />
nanomateriales capaces <strong>de</strong> respon<strong>de</strong>r a estímulos sumam<strong>en</strong>te pequeños (gracias a efectos cuánticos<br />
como el plasmón y la conducción balística), ya sea <strong>de</strong> carga eléctrica, presión o fuerza y al<br />
combinarlos con biomoléculas o microorganismos, se logran medir conc<strong>en</strong>traciones minúsculas que<br />
hasta el mom<strong>en</strong>to eran imposibles <strong>de</strong> <strong>de</strong>tectar. Un ejemplo <strong>de</strong> este tipo <strong>de</strong> tecnología, <strong>en</strong> la que<br />
actualm<strong>en</strong>te se trabaja <strong>en</strong> el C<strong>en</strong>tro <strong>de</strong> Nanoci<strong>en</strong>cias y Nanotecnología <strong>de</strong> la UNAM, es la<br />
74
combinación <strong>de</strong> nanotubos <strong>de</strong> carbono y macromoléculas como los éteres corona y las<br />
ciclo<strong>de</strong>xtrinas.<br />
Figura 1. Pequeño robot nanométríco d<strong>en</strong>tro <strong>de</strong>l cuerpo humano (la utopía <strong>de</strong> la nanoci<strong>en</strong>cia, una i<strong>de</strong>a que<br />
<strong>en</strong> la actualidad se cree posible y que alguna vez solo existió <strong>en</strong> la imaginación <strong>de</strong> algunos escritores <strong>de</strong><br />
ci<strong>en</strong>cia ficción), el cual será capaz <strong>de</strong> luchar contra bacterias y virus directam<strong>en</strong>te y <strong>de</strong> una manera más<br />
efici<strong>en</strong>te que los medicam<strong>en</strong>tos actuales (Autor: Nestor, I.E.S Marco Fabio Quitiliano, Calahorra, La Rioja<br />
[1].<br />
Las ciclo<strong>de</strong>xtrinas, son una familia <strong>de</strong> macromoléculas compuesta por oligosacáridos cíclicos<br />
cuya forma asemeja a la <strong>de</strong> un cilindro cónico o un vaso (Figura 2b). Los éteres corona, son<br />
compuestos orgánicos con forma <strong>de</strong> anillo, normalm<strong>en</strong>te con más <strong>de</strong> doce átomos <strong>en</strong> su<br />
composición, que conti<strong>en</strong><strong>en</strong> oxig<strong>en</strong>o, nitróg<strong>en</strong>o y azufre (Figura 2a). Estas macromoléculas ti<strong>en</strong><strong>en</strong> la<br />
peculiaridad <strong>de</strong> po<strong>de</strong>r atrapar <strong>en</strong> su interior iones metálicos y moléculas orgánicas. Cuando un ión o<br />
una molécula orgánica queda atrapada <strong>en</strong> su interior se g<strong>en</strong>era una pequeña difer<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> pot<strong>en</strong>cial<br />
químico (cambio <strong>de</strong> <strong>en</strong>ergía <strong>en</strong>tre la macromolécula <strong>en</strong> su estado base y la macromolécula que<br />
75
forma un complejo con el ión o molécula huésped) el cual se traduce <strong>en</strong> un impulso eléctrico que<br />
pasa por el nanotubo <strong>de</strong> carbono <strong>de</strong> una manera efici<strong>en</strong>te <strong>de</strong>bido a su baja resistividad eléctrica, lo<br />
cual no ocurriría normalm<strong>en</strong>te con cualquier otro tipo <strong>de</strong> materiales <strong>en</strong> escalas mayores a la nano, ya<br />
que éstos pose<strong>en</strong> mayor resistividad eléctrica. En la práctica, se espera que este tipo <strong>de</strong> bios<strong>en</strong>sores<br />
sirvan para po<strong>de</strong>r medir, por ejemplo, el nivel <strong>de</strong> glucosa <strong>en</strong> el cuerpo humano a través <strong>de</strong> la saliva o<br />
la piel sin la necesidad <strong>de</strong> extraer sangre.<br />
Figura 2. a) Nanotubo <strong>de</strong> carbono con un éter corona anclado químicam<strong>en</strong>te, b) Nanotubo <strong>de</strong> carbono con<br />
una molécula <strong>de</strong> ciclo<strong>de</strong>xtrina anclada químicam<strong>en</strong>te, c) Ejemplo <strong>de</strong>l proceso <strong>de</strong> inclusión <strong>de</strong> una<br />
moléculas <strong>de</strong> p-xil<strong>en</strong>o <strong>en</strong> una molécula <strong>de</strong> ciclo<strong>de</strong>xtrina (la cual asemeja la forma <strong>de</strong> una vaso), los<br />
pequeños círculos repres<strong>en</strong>tan moléculas <strong>de</strong> agua. Imag<strong>en</strong> <strong>de</strong> Jerry L. Atwood, Jonathan W. Steed,<br />
Encyclopedia of Molecular Chemistry, CRC Press, 2004.<br />
Los implantes y las prótesis son un área <strong>en</strong> la que el <strong>de</strong>sarrollo <strong>de</strong> nuevos materiales ha<br />
permitido aum<strong>en</strong>tar la esperanza <strong>de</strong> vida <strong>de</strong>l ser humano, <strong>de</strong>bido a que, conforme las personas<br />
<strong>en</strong>vejec<strong>en</strong>, algunas partes <strong>de</strong>l cuerpo comi<strong>en</strong>zan a <strong>de</strong>teriorarse. Des<strong>de</strong> hace tiempo se busca la<br />
creación <strong>de</strong> materiales que sean resist<strong>en</strong>tes a la oxidación que se produce al exponer materiales a<br />
fluidos fisiológicos, los cuales son ricos <strong>en</strong> oxíg<strong>en</strong>o y a la vez sean biocompatibles, esto quiere<br />
<strong>de</strong>cir, que no sean rechazados por el cuerpo humano y que sean capaces <strong>de</strong> llevar a cabo la función<br />
para la que fueron diseñados. Los implantes fabricados <strong>en</strong> la actualidad como son las articulaciones,<br />
76
implantes d<strong>en</strong>tales y aparatos cardiovasculares, están compuestos <strong>de</strong> metales, polímeros y materiales<br />
cerámicos. La nanotecnología, a su vez, ha ayudado a mejorar la biocompatibilidad <strong>de</strong> este tipo <strong>de</strong><br />
implantes y prótesis al manipular la estructura superficial <strong>de</strong> éstos, obt<strong>en</strong>i<strong>en</strong>do una mayor<br />
resist<strong>en</strong>cia a la oxidación, evitando el rechazo por parte <strong>de</strong>l sistema inmunológico <strong>de</strong>l cuerpo o<br />
activando ciertas respuestas b<strong>en</strong>éficas <strong>de</strong> las células que ro<strong>de</strong>an al implante, aum<strong>en</strong>tando así, su<br />
biocompatibilidad. Por ejemplo, la compañía BIOMET 3i ha logrado recubrir implantes<br />
odontológicos <strong>de</strong> titanio con pequeños nanocristales <strong>de</strong> fosfato <strong>de</strong> calcio, los cuales favorec<strong>en</strong> la<br />
integración <strong>de</strong> la nueva pieza d<strong>en</strong>tal, mejorando a su vez, la estabilidad <strong>de</strong> la misma y reduci<strong>en</strong>do el<br />
tiempo <strong>de</strong> tratami<strong>en</strong>to a la mitad.<br />
Figura 3. Imag<strong>en</strong> <strong>de</strong> microscopio electrónico <strong>de</strong> barrido (SEM, scanning electron microscope) <strong>en</strong> la que<br />
se pued<strong>en</strong> observar pequeños nanocristales <strong>de</strong> fosfato <strong>de</strong> calcio <strong>en</strong> la superficie <strong>de</strong>l implante <strong>de</strong> titanio,<br />
imag<strong>en</strong> obt<strong>en</strong>ida <strong>de</strong> Vanessa C. M<strong>en</strong><strong>de</strong>s, Rahim Moineddin, John E. Davies, revista Biomaterials, Vol.<br />
28, Ed. 32, 2007, páginas 4748-4755.<br />
La <strong>en</strong>trega <strong>de</strong> fármacos d<strong>en</strong>tro <strong>de</strong>l cuerpo humano y su liberación prolongada es un tema <strong>de</strong><br />
suma importancia para la medicina actual. Gracias a los avances logrados <strong>en</strong> la manipulación <strong>de</strong>l<br />
mundo nano es posible alargar el efecto <strong>de</strong> los medicam<strong>en</strong>tos como antigripales, antibióticos,<br />
analgésicos y <strong>de</strong>sinflamatorios sin t<strong>en</strong>er que increm<strong>en</strong>tar la dosis. Esto se logra al crear<br />
nanobiomateriales capaces <strong>de</strong> mant<strong>en</strong>erse circulando d<strong>en</strong>tro <strong>de</strong>l cuerpo liberando poco a poco el<br />
medicam<strong>en</strong>to que llevan <strong>en</strong> su interior. También, se ha conseguido aum<strong>en</strong>tar la efici<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> los<br />
tratami<strong>en</strong>tos contra el cáncer <strong>en</strong>tregando el fármaco <strong>de</strong> manera directa sobre las células cancerosas.<br />
Por ejemplo, actualm<strong>en</strong>te <strong>en</strong> la universidad <strong>de</strong> Sheffield <strong>en</strong> Inglaterra, se investigan y prueban<br />
nanomicelas <strong>de</strong> polímeros, las cuales llevan el medicam<strong>en</strong>to <strong>en</strong> su interior. Una vez que estas llegan<br />
77
al interior <strong>de</strong> las células cancerosas, se romp<strong>en</strong>, <strong>en</strong> respuesta a un cambio <strong>de</strong> pH y liberan el<br />
tratami<strong>en</strong>to sin dañar a las células sanas. Adicionalm<strong>en</strong>te a esto, es posible llevar nanopartículas<br />
metálicas hasta las células <strong>de</strong> un tumor. Las nanoparticulas están diseñadas para ser luminisc<strong>en</strong>tes y<br />
adherirse a las células dañadas, <strong>de</strong>jándolas marcadas y permiti<strong>en</strong>do al médico visualizar, <strong>de</strong> una<br />
manera s<strong>en</strong>cilla, el tumor, para extirparlo posteriorm<strong>en</strong>te sin t<strong>en</strong>er que quitar un exceso <strong>de</strong> tejido<br />
sano.<br />
Figura 4. Esquema que muestra la <strong>en</strong>trega <strong>de</strong> fármacos a través <strong>de</strong> la membrana celular mediante<br />
polimerosomas <strong>de</strong> escala nanométrica, <strong>de</strong> Marzia Massignani, Ir<strong>en</strong>e Canton, Tao Sun, Vanessa Hearnd<strong>en</strong>,<br />
Sheila MacNeil, Adam Blanazs, Stev<strong>en</strong> P. Armes, Andrew Lewis, Giuseppe Battaglia, Plosone, Vol. 5,<br />
Ed. 5, e10459.<br />
Por último, pero no m<strong>en</strong>os importante, la nanotecnología ha ayudado a dar gran<strong>de</strong>s pasos a la<br />
medicina reg<strong>en</strong>erativa, <strong>en</strong> don<strong>de</strong> se ha <strong>de</strong>scubierto que los nanomateriales forman excel<strong>en</strong>tes<br />
andamios para el crecimi<strong>en</strong>to <strong>de</strong> células <strong>de</strong> distintos tipos <strong>de</strong> tejido. Por ejemplo, se han <strong>de</strong>sarrollado<br />
andamios nanoestructurados <strong>de</strong> hidroxiapatita, colág<strong>en</strong>o y otros biopolímeros, los cuales han<br />
<strong>de</strong>mostrado superioridad ante sus homólogos no nanoestructurados para la adhesión, crecimi<strong>en</strong>to y<br />
migración <strong>de</strong> células <strong>en</strong> la creación <strong>de</strong> huesos, cartílagos y nervios sintéticos. Algo curioso es que<br />
aún no se <strong>en</strong>ti<strong>en</strong><strong>de</strong> <strong>de</strong>l todo por qué las células <strong>de</strong>l cuerpo que habitan a una escala micrométrica<br />
crec<strong>en</strong> <strong>de</strong> manera más efici<strong>en</strong>te <strong>en</strong> materiales nanoestructurados.<br />
78
Lecturas adicionales<br />
[1] Fundación Española para la ci<strong>en</strong>cia y la tecnología, Nanoci<strong>en</strong>cia y Nanotecnología. Entre la<br />
ci<strong>en</strong>cia ficción <strong>de</strong>l pres<strong>en</strong>te y la tecnología <strong>de</strong>l futuro, 2009, publicación gratuita <strong>en</strong> <strong>formato</strong> <strong>pdf</strong> <strong>en</strong><br />
la página web: http://www.fecyt.es <strong>en</strong> el apartado <strong>de</strong> publicaciones.<br />
[2] Seeram Ramakrishna, M. Ramalingam, T .S. Sampath Kumar, Biomaterials: a nano aproach,<br />
CRC Press, Estados Unidos, 2010.<br />
79
¿QUÉ ES UN BIOMARCADOR<br />
Mariana J. Oviedo Ban<strong>de</strong>ra, Oscar E. Contreras López y Gustavo A. Hirata Flores<br />
Medicam<strong>en</strong>to<br />
Nanopartícula<br />
Célula<br />
canceríg<strong>en</strong>a<br />
Figura 1<br />
Aplicaciones <strong>de</strong> los biomateriales. (a) restauración y sustitución <strong>de</strong> di<strong>en</strong>tes por medio <strong>de</strong><br />
materiales metálicos 1 y (b) Simulación <strong>de</strong> nanopartículas <strong>de</strong> oro radiactivo que, fijadas a un<br />
medicam<strong>en</strong>to, se dirig<strong>en</strong> a abatir células <strong>de</strong> cáncer <strong>de</strong> próstata 2 .<br />
Los biomateriales se pued<strong>en</strong> <strong>de</strong>finir como todo material que ti<strong>en</strong>e interacción con algún sistema<br />
biológico. En el humano, la inserción <strong>de</strong> biomateriales para mejorar algún aspecto <strong>de</strong> su salud se ha<br />
llevado a cabo <strong>de</strong>s<strong>de</strong> tiempos muy antiguos. A lo largo <strong>de</strong> la historia humana, los biomateriales se<br />
han utilizado para reemplazar órganos <strong>de</strong>teriorados y restaurar funciones perdidas. Por ejemplo, las<br />
aplicaciones odontológicas <strong>de</strong> ma<strong>de</strong>ra, <strong>de</strong> plata y <strong>de</strong> oro, así como el uso <strong>de</strong>l vidrio para mejorar la<br />
visión se remontan a más <strong>de</strong> dos mil años <strong>de</strong> antigüedad y se sigu<strong>en</strong> utilizando <strong>en</strong> la actualidad<br />
(Figura 1). A finales <strong>de</strong>l siglo XIX y principios <strong>de</strong>l XX, se <strong>de</strong>sarrollaron los primeros biomateriales<br />
1 Biomateriales <strong>en</strong> Cirugía Maxilofacial, 2007. CanalD<strong>en</strong>tal.com<br />
2 Tratami<strong>en</strong>tos <strong>de</strong> cáncer con nanopartículas <strong>de</strong> oro, 2010. Nanotecnología México<br />
80
sintéticos. Algunos ejemplos son materiales como el polímero polimetilmetacrilato (PMMA) que<br />
<strong>de</strong>s<strong>de</strong> 1930 es utilizado por los d<strong>en</strong>tistas como resina para la fabricación <strong>de</strong> prótesis d<strong>en</strong>tales; el<br />
acetato <strong>de</strong> celulosa, <strong>de</strong>s<strong>de</strong> 1940 empleado para los tubos <strong>de</strong> diálisis; el dacrón que hoy <strong>en</strong> día se usa<br />
para injertos vasculares y el poliuretano empleado como material cardíaco, por ejemplo, para<br />
marcapasos. Una característica fundam<strong>en</strong>tal <strong>de</strong> los biomateriales es que <strong>de</strong>b<strong>en</strong> ser biológicam<strong>en</strong>te<br />
inertes para po<strong>de</strong>rse incorporar a un sistema vivo y reemplazar o restaurar alguna función,<br />
permaneci<strong>en</strong>do <strong>en</strong> contacto perman<strong>en</strong>te o intermit<strong>en</strong>te con los fluidos corporales sin <strong>de</strong>teriorarse ni<br />
interaccionar con el sistema vivo <strong>en</strong> cuestión. Debido al uso que se les da, la biocompatibilidad es<br />
la más importante <strong>de</strong> las propieda<strong>de</strong>s que <strong>de</strong>b<strong>en</strong> pres<strong>en</strong>tar los biomateriales; otras son sus<br />
propieda<strong>de</strong>s mecánicas y su adaptabilidad al medio. El progreso actual <strong>en</strong> la ci<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> los<br />
materiales ha hecho posible el mejorami<strong>en</strong>to <strong>de</strong> los biomateriales así como el diseño <strong>de</strong> nuevas<br />
aplicaciones que incluy<strong>en</strong> biomateriales que se usan como medicam<strong>en</strong>tos y dispositivos biomédicos.<br />
El ímpetu <strong>de</strong> elaboración <strong>de</strong> nuevos biomateriales ha g<strong>en</strong>erado una t<strong>en</strong>d<strong>en</strong>cia hacia la<br />
miniaturización. En los últimos años, esta t<strong>en</strong>d<strong>en</strong>cia ha alcanzado una nueva dim<strong>en</strong>sión <strong>en</strong> el campo<br />
<strong>de</strong> la síntesis <strong>de</strong> biomateriales con tamaños <strong>en</strong>tre 1 y 100 nanómetros, conocidos como<br />
nanobiomateriales. Una <strong>de</strong> las maneras <strong>de</strong> fabricar nanobiomateriales es mediante procesos<br />
llamados <strong>de</strong> “abajo hacia arriba”: se inicia con bloques <strong>de</strong> construcción a escala atómica que se<br />
<strong>en</strong>samblan <strong>de</strong> manera controlada para obt<strong>en</strong>er un producto con las características <strong>de</strong>seadas. De esta<br />
forma, actualm<strong>en</strong>te se busca sintetizar nanobiomateriales con propieda<strong>de</strong>s mejoradas <strong>de</strong><br />
biocompatibilidad, mecánicas y <strong>de</strong> adaptabilidad.<br />
Por otra parte, un biomarcador o marcador bioquímico es una sustancia pres<strong>en</strong>te <strong>en</strong> la sangre,<br />
algunos líquidos <strong>de</strong>l cuerpo como la orina o la saliva y algunos tejidos, cuya pres<strong>en</strong>cia o cantidad es<br />
indicadora <strong>de</strong> <strong>en</strong>fermedad o <strong>de</strong> intoxicación. Este tipo <strong>de</strong> molécula biológica indica cambios que<br />
po<strong>de</strong>mos medir, ya sean bioquímicos, fisiológicos o morfológicos, y que se asocian a alguna<br />
<strong>en</strong>fermedad o a la exposición a una sustancia tóxica. En la actualidad se pres<strong>en</strong>ta una t<strong>en</strong>d<strong>en</strong>cia a la<br />
fabricación <strong>de</strong> biomarcadores sintéticos que indiqu<strong>en</strong> un cambio d<strong>en</strong>tro <strong>de</strong> un ser vivo, es <strong>de</strong>cir, que<br />
realic<strong>en</strong> el mismo trabajo y que posean las mismas propieda<strong>de</strong>s <strong>de</strong> adaptabilidad al medio biológico<br />
que los biomarcadores naturales. El objetivo <strong>de</strong> un biomarcador sintético es su multifuncionalidad,<br />
por ejemplo, se pued<strong>en</strong> utilizar para <strong>de</strong>tectar <strong>en</strong>fermeda<strong>de</strong>s <strong>de</strong>g<strong>en</strong>erativas, obt<strong>en</strong>i<strong>en</strong>do un<br />
diagnóstico temprano por medio <strong>de</strong> fluoresc<strong>en</strong>cia; también como sistemas <strong>de</strong> <strong>en</strong>trega <strong>de</strong><br />
medicam<strong>en</strong>tos <strong>en</strong> sitios específicos, sin causar efectos adversos.<br />
81
Figura 2. Diagnóstico <strong>de</strong> células tumorales por medio <strong>de</strong> un biomarcador sintético. El biomarcador<br />
consiste <strong>en</strong> nanopartículas <strong>de</strong> germanato <strong>de</strong> bismuto funcionalizadas con anticuerpos 3 .<br />
La fluoresc<strong>en</strong>cia nos provee una importante herrami<strong>en</strong>ta para la investigación <strong>de</strong> estructuras<br />
biológicas. La fluoresc<strong>en</strong>cia es un f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>o <strong>de</strong> luminisc<strong>en</strong>cia <strong>en</strong> el que los átomos o las moléculas<br />
se excitan porque absorb<strong>en</strong> la radiación electromagnética y, al estar excitados, emit<strong>en</strong> luz. La alta<br />
s<strong>en</strong>sibilidad <strong>de</strong> los materiales fluoresc<strong>en</strong>tes a la radiación, combinada con técnicas avanzadas <strong>de</strong><br />
medición, permite <strong>de</strong>tectar cantida<strong>de</strong>s ultra-pequeñas <strong>de</strong> algunas sustancias <strong>en</strong> los sistemas<br />
biológicos. El análisis por microscopía fluoresc<strong>en</strong>te <strong>de</strong> células o tejidos es cada vez más común. Los<br />
materiales luminisc<strong>en</strong>tes se aplican <strong>en</strong> biomedicina y biotecnología como id<strong>en</strong>tificadores o<br />
biomarcadores sintéticos (Figura 2).<br />
Algunos materiales inorgánicos que se han utilizado como biomarcadores sintéticos son los<br />
puntos cuánticos que pose<strong>en</strong> alta luminisc<strong>en</strong>cia y sirv<strong>en</strong> para id<strong>en</strong>tificar sitios específicos d<strong>en</strong>tro <strong>de</strong><br />
un organismo (células o tumores). Se han utilizado para id<strong>en</strong>tificar células tumorales in vivo. Sin<br />
embargo, los puntos cuánticos tales como CdS (sulfuro <strong>de</strong> cadmio) o CdTe (tel<strong>en</strong>uro <strong>de</strong> cadmio)<br />
pres<strong>en</strong>tan alto grado <strong>de</strong> toxicidad y no son bio<strong>de</strong>gradables. A<strong>de</strong>más, su espectro <strong>de</strong> excitación se<br />
<strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tra <strong>en</strong> longitu<strong>de</strong>s <strong>de</strong> onda <strong>de</strong>l ultravioleta cercano (λ= 245-270 nm) y éstas son muy agresivas<br />
para la piel.<br />
Un ejemplo <strong>de</strong> un biomarcador sintético que es biocompatible son las nanopartículas<br />
luminisc<strong>en</strong>tes <strong>de</strong> silicio poroso. La v<strong>en</strong>taja <strong>de</strong> utilizar este tipo <strong>de</strong> nanopartículas luminisc<strong>en</strong>tes es<br />
que es posible fabricarlas <strong>de</strong> un tamaño aproximado <strong>de</strong> 5-8 nm. Esto permite que sean eliminadas<br />
3 Mariana J. Oviedo Ban<strong>de</strong>ra. Thesis: Luminesc<strong>en</strong>t Materials for Biomedical Applications. CICESE. 2012<br />
82
por el cuerpo <strong>de</strong> manera efici<strong>en</strong>te y rápida. Sin embargo, las propieda<strong>de</strong>s luminisc<strong>en</strong>tes <strong>de</strong> las<br />
nanopartículas <strong>de</strong> silicio se <strong>de</strong>gradan rápidam<strong>en</strong>te al contacto con un tejido biológico.<br />
Actualm<strong>en</strong>te, <strong>en</strong> el <strong>CNyN</strong> se busca <strong>de</strong>sarrollar nuevos materiales luminisc<strong>en</strong>tes <strong>de</strong> tamaño<br />
m<strong>en</strong>or a los 200 nm y con un longitu<strong>de</strong>s <strong>de</strong> onda <strong>de</strong> excitación mayores a λ= 365 nm, procurando<br />
asimismo que las nanopartículas t<strong>en</strong>gan mayor biocompatibilidad y, con ello, más posibilida<strong>de</strong>s <strong>de</strong><br />
uso <strong>en</strong> los seres vivos.<br />
83
ANEXOS
GLOSARIO<br />
Analito: Es el compon<strong>en</strong>te <strong>en</strong> una mezcla cuya pres<strong>en</strong>cia o conc<strong>en</strong>tración se va a analizar.<br />
Área superficial: Ext<strong>en</strong>sión <strong>de</strong> superficie <strong>de</strong> un material expuesta a un medio; incluye la superficie<br />
externa y la <strong>de</strong> los poros que se <strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tran d<strong>en</strong>tro <strong>de</strong>l material.<br />
Aromático: Compuesto orgánico cíclico que posee dobles <strong>en</strong>laces <strong>en</strong> resonancia.<br />
Autoclave: Recipi<strong>en</strong>te metálico <strong>de</strong> pare<strong>de</strong>s gruesas y cierre hermético que permite trabajar a alta<br />
presión y a temperaturas controladas para realizar una reacción industrial o <strong>de</strong> laboratorio, una<br />
cocción o una esterilización con vapor <strong>de</strong> agua.<br />
Banda <strong>de</strong> conducción: Última banda <strong>de</strong> <strong>en</strong>ergía con la característica <strong>de</strong> estar parcialm<strong>en</strong>te ocupada.<br />
Los electrones cuyos valores <strong>de</strong> <strong>en</strong>ergía están <strong>en</strong> una <strong>de</strong> estas bandas participan <strong>en</strong> la conducción<br />
eléctrica.<br />
Bandas <strong>de</strong> <strong>en</strong>ergía: Espectro <strong>de</strong> <strong>en</strong>ergía electrónica <strong>de</strong> un sólido. Consiste <strong>de</strong> intervalos continuos<br />
<strong>de</strong> <strong>en</strong>ergías permitidas, separados por intervalos <strong>de</strong> <strong>en</strong>ergías prohibidas. Esta estructura se forma<br />
como resultado <strong>de</strong> las interacciones <strong>en</strong>tre los átomos y difiere <strong>de</strong>l espectro discreto característico <strong>de</strong><br />
un átomo aislado.<br />
Biomarcador: Biomaterial orgánico o sintético que sirve como indicador <strong>de</strong> cambios <strong>en</strong> un<br />
organismo vivo.<br />
Biomaterial: Material tolerado por el organismo vivo, utilizado para hacer prótesis o dispositivos<br />
que interactúan directam<strong>en</strong>te con el organismo.<br />
Biomedicina: Rama <strong>de</strong> la medicina que compr<strong>en</strong><strong>de</strong> la investigación <strong>de</strong>l funcionami<strong>en</strong>to <strong>de</strong> los<br />
organismos vivos, basándose <strong>en</strong> los principios <strong>de</strong> las ci<strong>en</strong>cias naturales como la biología, la química,<br />
la física y ci<strong>en</strong>cias afines. En la biomedicina es materia importante la investigación <strong>de</strong> métodos para<br />
tratar diversas <strong>en</strong>fermeda<strong>de</strong>s.<br />
Catálisis: Proceso que increm<strong>en</strong>ta la velocidad <strong>de</strong> una reacción química por la pres<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> un<br />
catalizador.<br />
II
Catalizador: Sustancia que no se consume <strong>en</strong> el proceso <strong>de</strong> una reacción química, pero que, por su<br />
pres<strong>en</strong>cia <strong>en</strong> la mezcla <strong>de</strong> reactivos, modifica la velocidad <strong>de</strong> la reacción. El catalizador pue<strong>de</strong> ser<br />
inorgánico, orgánico, <strong>en</strong>zimático ó biológico.<br />
Celda unitaria (celda unidad, celda cristalina o celda elem<strong>en</strong>tal): Paralelepípedo que conti<strong>en</strong>e un<br />
arreglo <strong>de</strong> cierto número <strong>de</strong> moléculas <strong>de</strong> un compuesto con el cual se pue<strong>de</strong> reproducir la estructura<br />
cristalina <strong>de</strong> los materiales sólidos así como <strong>de</strong>scribir sus propieda<strong>de</strong>s físicas microscópicas y<br />
macroscópicas.<br />
Celda fotovoltaica: Celda solar, actualm<strong>en</strong>te fabricada con materiales semiconductores, <strong>en</strong> la que la<br />
<strong>en</strong>ergía <strong>de</strong> los fotones prov<strong>en</strong>i<strong>en</strong>tes <strong>de</strong>l sol es absorbida por el dispositivo que g<strong>en</strong>era, mediante el<br />
efecto fotoeléctrico, un flujo <strong>de</strong> electrones libres cuya <strong>en</strong>ergía pue<strong>de</strong> ser almac<strong>en</strong>ada <strong>en</strong> baterías o<br />
utilizada directam<strong>en</strong>te <strong>en</strong> la alim<strong>en</strong>tación <strong>de</strong> circuitos electrónicos.<br />
Celda solar: Dispositivo que convierte o trasforma la <strong>en</strong>ergía <strong>de</strong> la luz solar <strong>en</strong> <strong>en</strong>ergía eléctrica.<br />
C<strong>en</strong>trosimétrico: Se dice <strong>de</strong> un material cristalino cuyas propieda<strong>de</strong>s físicas son invariantes ante la<br />
inversión <strong>de</strong> coord<strong>en</strong>adas.<br />
Coloi<strong>de</strong>: Sistema fisicoquímico formado por dos o más fases, principalm<strong>en</strong>te por una fase continua<br />
y otra dispersa <strong>en</strong> la primera <strong>en</strong> forma <strong>de</strong> nano- o micropartículas. Por lo g<strong>en</strong>eral, la fase continua es<br />
un líquido (aunque pue<strong>de</strong> ser gaseosa o sólida) y la fase dispersa pue<strong>de</strong> estar <strong>en</strong> estado gaseoso,<br />
líquido o sólido.<br />
Coher<strong>en</strong>cia: Es la propiedad que posee un proceso que manti<strong>en</strong>e una relación <strong>de</strong> fase <strong>de</strong>finida. Por<br />
ejemplo, cuando interfier<strong>en</strong> ondas cuyas fases guardan una relación <strong>de</strong> fase constante se dice que el<br />
proceso es coher<strong>en</strong>te; si, por el contrario, la superposición se forma con ondas cuya fases varían <strong>en</strong><br />
forma aleatoria, el proceso es incoher<strong>en</strong>te.<br />
Combustible limpio: Combustible, libre <strong>de</strong> contaminantes que pued<strong>en</strong> afectar el medio ambi<strong>en</strong>te,<br />
como el azufre, el plomo o los compuestos aromáticos, <strong>en</strong>tre otros.<br />
Compuerta flotante: Electrón. Una parte <strong>de</strong> las estructuras <strong>de</strong> ciertos dispositivos <strong>de</strong> efecto <strong>de</strong><br />
campo, variantes <strong>de</strong> los transistores MOSFET, que consiste <strong>en</strong> un material conductor que se integra<br />
III
eléctricam<strong>en</strong>te aislado <strong>en</strong> la zona <strong>de</strong> la compuerta <strong>de</strong>l dispositivo. Tales compuertas son empleadas,<br />
por ejemplo, <strong>en</strong> las memorias flash.<br />
Compuesto químico: Sustancia constituida por la unión <strong>de</strong> dos o más elem<strong>en</strong>tos químicos <strong>de</strong> la<br />
tabla periódica con proporción fija.<br />
Conductor eléctrico: Material que ofrece muy baja resist<strong>en</strong>cia al paso <strong>de</strong> la corri<strong>en</strong>te eléctrica.<br />
Conversión <strong>de</strong> <strong>en</strong>ergía: Proceso fisicoquímico <strong>en</strong> el cual un tipo <strong>de</strong> <strong>en</strong>ergía se transforma <strong>en</strong> otro.<br />
Ejemplo, la <strong>en</strong>ergía <strong>de</strong> la luz solar se transforma <strong>en</strong> <strong>en</strong>ergía eléctrica por medio <strong>de</strong> una celda<br />
fotovoltaica.<br />
Cristalofísica: Rama <strong>de</strong> la cristalografía que estudia las propieda<strong>de</strong>s y los f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>os físicos <strong>de</strong> los<br />
materiales cuyos átomos pres<strong>en</strong>tan una estructura cristalina.<br />
Cristalografía: La cristalografía es el estudio <strong>de</strong> la geometría y las propieda<strong>de</strong>s <strong>de</strong> las estructuras<br />
cristalinas.<br />
D<strong>en</strong>sidad <strong>de</strong> integración: Número <strong>de</strong> compon<strong>en</strong>tes electrónicos (resistores, capacitores, diodos,<br />
transistores, <strong>en</strong>tre otros) que pued<strong>en</strong> ser integrados <strong>en</strong> un mismo dispositivo o circuito integrado.<br />
Diodo: Dispositivo electrónico que <strong>de</strong>ja pasar corri<strong>en</strong>te <strong>en</strong> una dirección mi<strong>en</strong>tras que la bloquea <strong>en</strong><br />
la dirección opuesta.<br />
Diodo túnel: Diodo <strong>en</strong> el que la corri<strong>en</strong>te que pasa se establece por medio <strong>de</strong>l efecto túnel, esto es,<br />
por la probabilidad <strong>de</strong> una partícula <strong>de</strong> atravesar una región <strong>de</strong>l espacio que estaría prohibida según<br />
las leyes <strong>de</strong> la física clásica.<br />
Dominio ferroeléctrico: Región cristalina <strong>de</strong> un material ferroeléctrico, eléctricam<strong>en</strong>te polarizada,<br />
don<strong>de</strong> el vector <strong>de</strong> polarización <strong>de</strong> cada celda unitaria ti<strong>en</strong>e la misma dirección y s<strong>en</strong>tido.<br />
Efecto fotoeléctrico: Emisión <strong>de</strong> electrones <strong>de</strong> un material que ocurre cuando sobre éste inci<strong>de</strong> un<br />
haz <strong>de</strong> fotones que ti<strong>en</strong><strong>en</strong> sufici<strong>en</strong>te <strong>en</strong>ergía para arrancar a los electrones <strong>de</strong> los átomos e<br />
impulsarlos fuera <strong>de</strong>l propio material.<br />
IV
Elasticidad: Propiedad mecánica <strong>de</strong> ciertos materiales <strong>de</strong> sufrir <strong>de</strong>formaciones reversibles cuando<br />
se <strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tran sujetos a la acción <strong>de</strong> fuerzas exteriores.<br />
Espectro: Es el conjunto <strong>de</strong> valores posibles <strong>de</strong> la <strong>en</strong>ergía <strong>de</strong> un sistema. Comúnm<strong>en</strong>te, la palabra<br />
se emplea para referirse al resultado <strong>de</strong> una espectroscopía: espectro <strong>de</strong> excitación, <strong>de</strong> emisión, <strong>de</strong><br />
rayos X , <strong>de</strong> impedancia, <strong>en</strong>tre otros.<br />
Espectro electromagnético: Es el conjunto <strong>de</strong> longitu<strong>de</strong>s <strong>de</strong> onda <strong>de</strong> todas las ondas<br />
electromagnéticas.<br />
Estabilidad térmica: Resist<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> un material a la <strong>de</strong>scomposición o <strong>de</strong>terioro causados por<br />
cambios <strong>de</strong> temperatura.<br />
Entrecruzami<strong>en</strong>to: Unión <strong>en</strong>tre dos cad<strong>en</strong>as poliméricas para formar una red tridim<strong>en</strong>sional.<br />
Fluoresc<strong>en</strong>cia: Emisión <strong>de</strong> luz <strong>de</strong> longitud <strong>de</strong> onda visible (250 a 660 nm) que emit<strong>en</strong> algunos<br />
compuestos cuando sus átomos o moléculas son irradiados por luz <strong>de</strong> longitu<strong>de</strong>s <strong>de</strong> onda más cortas<br />
(rayos X, luz ultravioleta).<br />
Fotón: Partícula elem<strong>en</strong>tal, sin masa, con <strong>en</strong>ergía hν, que cuantifica la <strong>en</strong>ergía <strong>de</strong> una onda<br />
electromagnética <strong>de</strong> frecu<strong>en</strong>cia ν, y don<strong>de</strong> h es la constante <strong>de</strong> Planck.<br />
Gel: Estado intermedio <strong>en</strong>tre sólido y líquido formado por una matriz <strong>en</strong> la que se <strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tra<br />
embebido un líquido. Dicho <strong>de</strong> otra manera, un gel es un coloi<strong>de</strong> <strong>en</strong> el que la fase continua es sólida<br />
y la dispersa es líquida (ver Coloi<strong>de</strong>).<br />
Grupo funcional: Átomo o grupo <strong>de</strong> átomos que caracteriza a una clase <strong>de</strong> compuestos orgánicos.<br />
Cada grupo funcional <strong>de</strong>termina las propieda<strong>de</strong>s químicas <strong>de</strong> los compuestos que lo pose<strong>en</strong>, es<br />
<strong>de</strong>cir, <strong>de</strong>termina su función química. Por ejemplo, el grupo funcional hidroxilo (-OH) es<br />
característico <strong>de</strong> los alcoholes.<br />
Histéresis: Comportami<strong>en</strong>to cíclico <strong>de</strong> algunas propieda<strong>de</strong>s <strong>de</strong> los materiales <strong>en</strong> función <strong>de</strong> una<br />
magnitud física aplicada como estímulo externo y <strong>en</strong> el que los materiales ti<strong>en</strong>d<strong>en</strong> a conservar cierto<br />
valor <strong>de</strong> la propiedad, aun sin la pres<strong>en</strong>cia <strong>de</strong>l estímulo. La histéresis es una característica que<br />
<strong>de</strong>p<strong>en</strong><strong>de</strong> fuertem<strong>en</strong>te <strong>de</strong> la historia preced<strong>en</strong>te <strong>de</strong>l material. Algunos materiales típicos que exhib<strong>en</strong><br />
V
histéresis son los ferromagnéticos como los imanes perman<strong>en</strong>tes, los ferroeléctricos empleados <strong>en</strong><br />
capacitores <strong>de</strong> alto voltaje, o los ferroelásticos empleados como memorias <strong>de</strong> forma.<br />
Hidroprocesami<strong>en</strong>to: Tratami<strong>en</strong>to <strong>de</strong> los productos obt<strong>en</strong>idos por el proceso <strong>de</strong> refinación <strong>de</strong>l<br />
petróleo con hidróg<strong>en</strong>o a altas temperaturas y presión. Se emplea para eliminar los contaminantes.<br />
Interfacial: Se dice <strong>de</strong> los f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>os que ocurr<strong>en</strong> <strong>en</strong> la frontera común <strong>en</strong>tre cuerpos, regiones,<br />
sustancias o fases adyac<strong>en</strong>tes.<br />
Interfase (pl. interfases): Quím. Superficie o separación <strong>en</strong>tre dos fases físicas o químicas<br />
difer<strong>en</strong>tes; por ejemplo, <strong>en</strong>tre agua y aceite o <strong>en</strong>tre agua y hielo.<br />
Interfaz (pl. interfaces): Fís. Región <strong>de</strong> contacto <strong>de</strong> dos superficies. Electrón. Puerto por el cual se<br />
<strong>en</strong>vían o recib<strong>en</strong> señales <strong>de</strong>s<strong>de</strong> un sistema hacia otros; por ejemplo, la interfaz USB, interfaz SCSI,<br />
interfaz IDE, interfaz puerto paralelo o serial. Dispositivo capaz <strong>de</strong> transformar las señales emitidas<br />
por un aparato <strong>en</strong> señales compr<strong>en</strong>sibles por otro. Zona <strong>de</strong> comunicación o acción <strong>de</strong> un sistema<br />
sobre otro.<br />
Lisis: Destrucción <strong>de</strong> una célula o <strong>de</strong> un organelo celular mediante el rompimi<strong>en</strong>to <strong>de</strong> su membrana<br />
celular.<br />
Luminisc<strong>en</strong>cia: Emisión <strong>de</strong> luz <strong>de</strong> longitu<strong>de</strong>s <strong>de</strong> onda visibles que ocurre cuando los electrones <strong>de</strong><br />
un material son excitados por una fu<strong>en</strong>te <strong>de</strong> <strong>en</strong>ergía externa lo que los posiciona <strong>en</strong> niveles <strong>de</strong> mayor<br />
<strong>en</strong>ergía; posteriorm<strong>en</strong>te, durante el proceso <strong>de</strong> relajación <strong>de</strong> los electrones a niveles <strong>de</strong> m<strong>en</strong>or<br />
<strong>en</strong>ergía, éstos emit<strong>en</strong> fotones.<br />
Material compuesto: Cuerpo sólido constituido por una mezcla <strong>de</strong> dos o más tipos difer<strong>en</strong>tes <strong>de</strong><br />
materiales y/o compuestos químicos.<br />
Micelas: Conglomerados <strong>de</strong> moléculas que constituy<strong>en</strong> una <strong>de</strong> las fases <strong>de</strong> los coloi<strong>de</strong>s. Estas<br />
moléculas constan <strong>de</strong> dos partes, una hidrofóbica (que repele al agua) y una hidrofílica (que es afín<br />
al agua). Las micelas son similares a burbujas; sus moléculas se ori<strong>en</strong>tan por la afinidad que ti<strong>en</strong>e<br />
cada parte con el medio <strong>en</strong> el que se <strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tran. Por ejemplo, <strong>en</strong> el agua, la parte hidrofílica <strong>de</strong> las<br />
moléculas está ori<strong>en</strong>tada hacia fuera <strong>de</strong> la micela y la hidrofóbica hacia ad<strong>en</strong>tro. En las grasas, las<br />
VI
moléculas se ori<strong>en</strong>tan al revés, la parte hidrofóbica hacia afuera <strong>de</strong> la micela y la hidrofílica hacia<br />
ad<strong>en</strong>tro.<br />
Nanocompuesto (nanocompósito o nanocomposito): Material compuesto cuyas partes<br />
constituy<strong>en</strong>tes se caracterizan porque una o más <strong>de</strong> sus dim<strong>en</strong>siones están <strong>en</strong> el ord<strong>en</strong> <strong>de</strong> los<br />
nanómetros (<strong>en</strong>tre 0.1 y 100 nm).<br />
Nanoestructura: Arreglo <strong>de</strong> átomos cuya arquitectura ti<strong>en</strong>e al m<strong>en</strong>os una <strong>de</strong> sus tres dim<strong>en</strong>siones<br />
<strong>en</strong> el ord<strong>en</strong> <strong>de</strong> los nanómetros (<strong>en</strong>tre 0.1 y 100 nm).<br />
Onda electromagnética: Onda formada por un par <strong>de</strong> <strong>en</strong>tida<strong>de</strong>s físicas acopladas, d<strong>en</strong>ominadas<br />
campo eléctrico y campo magnético; es g<strong>en</strong>erada por cargas <strong>en</strong> movimi<strong>en</strong>to, pue<strong>de</strong> propagarse <strong>en</strong> el<br />
vacío o <strong>en</strong> un medio material y transportar <strong>en</strong>ergía o ejercer presión.<br />
Oxidación: Reacción química que es una parte <strong>de</strong> la reacción <strong>de</strong> oxidación-reducción. En esta<br />
reacción uno o más pares <strong>de</strong> electrones se transfier<strong>en</strong> <strong>en</strong>tre los reactivos, el ag<strong>en</strong>te oxidante y el<br />
ag<strong>en</strong>te reductor, provocando un cambio <strong>en</strong> sus estados <strong>de</strong> oxidación. Estas dos reacciones siempre<br />
ocurr<strong>en</strong> juntas, es <strong>de</strong>cir, cuando una sustancia se oxida, siempre va acompañada <strong>de</strong> otra que se<br />
reduce.<br />
Partes por millón: Medida <strong>de</strong> conc<strong>en</strong>tración. Se refiere a la cantidad <strong>de</strong> unida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> una sustancia<br />
que hay por cada millón <strong>de</strong> unida<strong>de</strong>s <strong>de</strong>l conjunto.<br />
Película ultrafina: Capa muy <strong>de</strong>lgada crecida sobre un sustrato y cuyo espesor es <strong>de</strong> unos cuantos<br />
nanómetros.<br />
Permitividad: Propiedad física <strong>de</strong> los materiales que indica cómo y cuánto se redistribuy<strong>en</strong> las<br />
cargas <strong>de</strong>l material bajo la acción <strong>de</strong> un campo eléctrico externo. La permitividad relaciona<br />
proporcionalm<strong>en</strong>te al vector <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to eléctrico con el campo eléctrico externo.<br />
Plasmón - Es una oscilación colectiva coher<strong>en</strong>te <strong>de</strong> electrones, que conforma una onda <strong>de</strong> d<strong>en</strong>sidad<br />
<strong>de</strong> carga eléctrica con un campo electromagnético asociado. Pue<strong>de</strong> existir <strong>en</strong> el interior <strong>de</strong> un metal<br />
o viajar sobre su superficie.<br />
VII
Polímero: Macromolécula formada por unión <strong>de</strong> varias unida<strong>de</strong>s repetitivas <strong>de</strong> monómeros.<br />
Polimerización: Reacción química para producir polímeros a partir <strong>de</strong> monómeros.<br />
Polimerosoma: Vesícula esférica cuya membrana es una doble capa compuesta por polímeros.<br />
Radiación electromagnética: Nombre g<strong>en</strong>érico <strong>de</strong> las ondas electromagnéticas <strong>en</strong> todo el espectro<br />
conocido <strong>de</strong> longitu<strong>de</strong>s <strong>de</strong> onda, frecu<strong>en</strong>cias o <strong>en</strong>ergías. Por ejemplo, la radiación <strong>en</strong> la parte visible<br />
(para los ojos humanos) <strong>de</strong>l espectro electromagnético compr<strong>en</strong><strong>de</strong> ondas con longitu<strong>de</strong>s <strong>de</strong> onda <strong>en</strong><br />
el intervalo <strong>de</strong> 400 nm (ultravioleta) a 750 nm (infrarrojo).<br />
Refinación: Procesos <strong>de</strong> tratami<strong>en</strong>to que incluy<strong>en</strong> el fraccionami<strong>en</strong>to y las transformaciones<br />
químicas <strong>de</strong>l petróleo para la obt<strong>en</strong>ción <strong>de</strong> los productos <strong>de</strong> alto valor comercial.<br />
Resist<strong>en</strong>cia mecánica: Capacidad <strong>de</strong> los materiales para resistir esfuerzos y fuerzas aplicadas sin<br />
romperse.<br />
Semiconductor: Material que se pue<strong>de</strong> comportar como conductor o como aislante eléctrico,<br />
<strong>de</strong>p<strong>en</strong>di<strong>en</strong>do <strong>de</strong> factores como la temperatura, la presión o la radiación que inci<strong>de</strong> sobre él.<br />
Sinergia: F<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>o <strong>en</strong> que el efecto <strong>de</strong> la influ<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> dos o más ag<strong>en</strong>tes que actúan <strong>en</strong> conjunto<br />
es mayor al esperado, consi<strong>de</strong>rando la suma <strong>de</strong> la acción <strong>de</strong> los ag<strong>en</strong>tes por separado.<br />
Soporte: Apoyo o sostén. Quím. Sustancia inerte que <strong>en</strong> un proceso proporciona la a<strong>de</strong>cuada<br />
superficie <strong>de</strong> contacto o fija alguno <strong>de</strong> sus reactivos. Catál. Sustrato que sosti<strong>en</strong>e o sobre el cual se<br />
crece el catalizador, y don<strong>de</strong>, a<strong>de</strong>más, pue<strong>de</strong> participar <strong>en</strong> los procesos químicos que suced<strong>en</strong> antes,<br />
durante y <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> un proceso catalítico.<br />
Sustrato: Estrato que subyace a otro y sobre el cual pue<strong>de</strong> influir. Biol. Lugar que sirve <strong>de</strong> asi<strong>en</strong>to a<br />
una planta o a un animal fijo. Bioquím. Sustancia sobre la que actúa una <strong>en</strong>zima. En relación con las<br />
películas <strong>de</strong>lgadas, es el soporte sobre el que se elige <strong>de</strong>positarlas, aprovechando sus propieda<strong>de</strong>s<br />
mecánicas, estructurales y conductivas, <strong>en</strong>tre otras.<br />
T<strong>en</strong>sión interfacial: Fuerza que existe <strong>en</strong> la zona <strong>de</strong> contacto <strong>de</strong> dos líquidos inmiscibles separados<br />
por una interfase, por ejemplo, el agua y el aceite. Esta fuerza es consecu<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> la t<strong>en</strong>sión<br />
superficial <strong>de</strong> los dos líquidos.<br />
VIII
Transportador: Entidad capaz <strong>de</strong> acarrear <strong>de</strong> un lugar específico a otro materiales que incluy<strong>en</strong><br />
<strong>de</strong>s<strong>de</strong> especies biológicas y compuestos químicos hasta cargas eléctricas.<br />
Zona interfacial: Frontera común <strong>en</strong>tre cuerpos, regiones, sustancias o fases adyac<strong>en</strong>tes.<br />
IX
AUTORES<br />
Br<strong>en</strong>da Acosta Ruelas, M. Sc., estudiante <strong>de</strong>l doctorado <strong>en</strong> Física <strong>de</strong> Materiales, CICESE y <strong>CNyN</strong>-<br />
UNAM, bracosta@cnyn.unam.mx.<br />
Joel Antúnez García, Ph. D., Departam<strong>en</strong>to <strong>de</strong> Fisicoquímica <strong>de</strong> Nanomateriales, <strong>CNyN</strong>-UNAM,<br />
jantunez@cnyn.unam.mx.<br />
Francisco Rafael Castiello Flores, estudiante <strong>de</strong> maestría <strong>en</strong> Ci<strong>en</strong>cia e Ing<strong>en</strong>iería <strong>de</strong> Materiales,<br />
<strong>CNyN</strong>-UNAM, castiello@cnyn.unam.mx.<br />
Oscar E. Contreras López, Ph. D., Departam<strong>en</strong>to <strong>de</strong> Nanoestructuras, <strong>CNyN</strong>-UNAM,<br />
e<strong>de</strong>l@cnyn.unam.mx.<br />
José Manuel Cornejo Bravo, Ph. D., Facultad <strong>de</strong> Ci<strong>en</strong>cias Químicas e Ing<strong>en</strong>iería, UABC campus<br />
Tijuana, jmcornejo@uabc.edu.mx<br />
Ernesto Cota Araiza, Ph. D., Departam<strong>en</strong>to <strong>de</strong> Fisicoquímica <strong>de</strong> Nanomateriales, <strong>CNyN</strong>-UNAM,<br />
leonel@cnyn.unam.mx.<br />
Mario A. Curiel Álvarez, Ph. D., Departam<strong>en</strong>to <strong>de</strong> Materiales Avanzados, <strong>CNyN</strong>-UNAM,<br />
curiel@cnyn.unam.mx.<br />
Alejandro Durán, Ph. D., Departam<strong>en</strong>to <strong>de</strong> Materiales Avanzados, <strong>CNyN</strong>-UNAM,<br />
dural@cnyn.unam.mx.<br />
María <strong>de</strong> la Paz Cruz, Ph. D., Departam<strong>en</strong>to <strong>de</strong> Materiales Avanzados, <strong>CNyN</strong>-UNAM,<br />
mcruz@cnyn.unam.mx.<br />
Miguel Ángel Estrada, M. Sc., estudiante <strong>de</strong>l doctorado <strong>en</strong> Física <strong>de</strong> Materiales, CICESE y <strong>CNyN</strong>-<br />
UNAM, mestrada@cicese.edu.mx.<br />
Viridiana Evangelista. M. Sc., estudiante <strong>de</strong>l doctorado <strong>en</strong> Física <strong>de</strong> Materiales, CICESE y <strong>CNyN</strong>-<br />
UNAM, vevangel@cnyn.unam.mx.<br />
Sergio Fu<strong>en</strong>tes, Ph. D., Director <strong>de</strong>l <strong>CNyN</strong>, fu<strong>en</strong>tes@cnyn.unam.mx.<br />
Jesús L. Heiras Aguirre, Ph. D., Departam<strong>en</strong>to <strong>de</strong> Materiales Avanzados, <strong>CNyN</strong>-UNAM,<br />
heiras@cnyn.unam.mx.<br />
X
Gustavo A. Hirata Flores, Ph. D., Departam<strong>en</strong>to <strong>de</strong> Fisicoquímica <strong>de</strong> Nanomateriales, <strong>CNyN</strong>-<br />
UNAM, hirata@cnyn.unam.mx.<br />
Oscar Eug<strong>en</strong>io Jaime Acuña. M. Sc., estudiante <strong>de</strong>l doctorado <strong>en</strong> Física <strong>de</strong> Materiales, <strong>CNyN</strong>-<br />
UNAM, ojaime@cnyn.unam.mx.<br />
Catalina López Bastidas, Ph. D., Departam<strong>en</strong>to <strong>de</strong> Física Teórica, <strong>CNyN</strong>-UNAM,<br />
clopez@cnyn.unam.mx.<br />
E<strong>de</strong>r Lugo Medina, Ph. D., Departam<strong>en</strong>to <strong>de</strong> Nanocatálisis, <strong>CNyN</strong>-UNAM,<br />
e<strong>de</strong>rlugomedina@yahoo.com.mx<br />
Roberto Machorro Mejía, Ph. D., Departam<strong>en</strong>to <strong>de</strong> Materiales Avanzados, <strong>CNyN</strong>-UNAM,<br />
Roberto@cnyn.unam.mx.<br />
Domingo Madrigal Peralta, Ph. D., C<strong>en</strong>tro <strong>de</strong> Graduados, ITT, Baja California,<br />
madrigal@tectijuana.mx.<br />
Jesús Alberto Maytor<strong>en</strong>a Córdoba, Ph. D., Departam<strong>en</strong>to <strong>de</strong> Física Teórica, <strong>CNyN</strong>-UNAM,<br />
jesusm@cnyn.unam.mx.<br />
Leonardo Morales <strong>de</strong> la Garza, Ph. D., Departam<strong>en</strong>to <strong>de</strong> Nanoestructuras, <strong>CNyN</strong>-UNAM,<br />
leonardo@cnyn.unam.mx.<br />
Gabriel Alonso Núñez, Ph. D., Departam<strong>en</strong>to <strong>de</strong> Nanoestructuras, <strong>CNyN</strong>-UNAM,<br />
galonso@cnyn.unam.mx.<br />
Amelia Olivas Sarabia, Ph. D., Departam<strong>en</strong>to <strong>de</strong> Nanocatálisis, <strong>CNyN</strong>-UNAM,<br />
aolivas@cnyn.unam.mx.<br />
Óscar Germán Olvera Olmedo, Ph. D., Departam<strong>en</strong>to <strong>de</strong> Nanocatálisis, <strong>CNyN</strong>-UNAM,<br />
og.olvera@yahoo.com.mx.<br />
Mariana J. Oviedo Ban<strong>de</strong>ra, M. Sc., estudiante <strong>de</strong>l doctorado <strong>en</strong> Física <strong>de</strong> Materiales, CICESE y<br />
<strong>CNyN</strong>-UNAM, moviedo@cnyn.unam.mx.<br />
María Isabel Pérez Montfort, Biól., Secretaría Académica, <strong>CNyN</strong>-UNAM,<br />
miperez@cnyn.unam.mx.<br />
Oscar Raymond Herrera, Ph. D., Departam<strong>en</strong>to <strong>de</strong> Materiales Avanzados, <strong>CNyN</strong>-UNAM,<br />
raymond@cnyn.unam.mx.<br />
XI
Pamela Rubio Pereda, M. Sc., estudiante <strong>de</strong>l doctorado <strong>en</strong> Física <strong>de</strong> Materiales, CICESE y <strong>CNyN</strong>-<br />
UNAM, rubio.pereda@gmail.com.<br />
Andrey Simakov, Ph. D., Departam<strong>en</strong>to <strong>de</strong> Nanocatálisis, <strong>CNyN</strong>-UNAM, andrey@cnyn.unam.mx.<br />
Jesús María Siqueiros, Ph. D., Departam<strong>en</strong>to <strong>de</strong> Materiales Avanzados, <strong>CNyN</strong>-UNAM,<br />
jesus@cnyn.unam.mx.<br />
El<strong>en</strong>a Smol<strong>en</strong>tseva, Ph. D., Departam<strong>en</strong>to <strong>de</strong> Nanocatálisis, <strong>CNyN</strong>-UNAM, el<strong>en</strong>a@cnyn.unam.mx.<br />
Eunice Vargas, M. Sc., estudiante <strong>de</strong>l doctorado <strong>en</strong> Ci<strong>en</strong>cias e Ing<strong>en</strong>iería <strong>de</strong>l área <strong>de</strong><br />
Nanotecnología, UABC, eunice@uabc.edu.mx.<br />
Trino Zepeda, Ph. D., Departam<strong>en</strong>to <strong>de</strong> Nanocatálisis, <strong>CNyN</strong>-UNAM, trino@cnyn.unam.mx.<br />
<strong>CNyN</strong>: C<strong>en</strong>tro <strong>de</strong> Nanoci<strong>en</strong>cias y Nanotecnología<br />
UNAM: <strong>Universidad</strong> <strong>Nacional</strong> Autónoma <strong>de</strong> México<br />
CICESE: C<strong>en</strong>tro <strong>de</strong> Investigación y <strong>de</strong> Educación Superior <strong>de</strong> Ens<strong>en</strong>ada<br />
UABC: <strong>Universidad</strong> Autónoma <strong>de</strong> Baja California<br />
ITT: Instituto Tecnológico <strong>de</strong> Tijuana<br />
XII
ÍNDICE TEMÁTICO<br />
bioetiquetado: 74<br />
biomarcador: 80-82, II<br />
biomaterial: 74, 77, 79-81, II<br />
biomedicina: 90, II<br />
bios<strong>en</strong>sor: 74, 76<br />
campo cercano: 22-24<br />
catálisis: 11-12, 30-31, 38-39, 52, 57-61, II<br />
catalizador: vii, 30, 36-37, 48, 50, 52-53, 57-61, III<br />
celda fotovoltaica: III<br />
celda solar: 71-72, III<br />
combustible limpio: III<br />
compuesto: 2, 7-12, 16, 30, 36, 41, 50, 51, 57-61, 72,<br />
75, 77, IV, VII<br />
conversión <strong>de</strong> <strong>en</strong>ergía: 55, IV<br />
core-shell: 29<br />
emulsión: 45-48<br />
<strong>en</strong>trega <strong>de</strong> fármacos: 74, 77-78<br />
fármaco: 30, 38, 41, 43, 44, 48, 74, 77-78<br />
fotocatálisis: 11-12, 57-61<br />
fotón: 22, 43, 57-58, 68, 72, V<br />
fotoquímica: 57<br />
gel: 11, 42-45, V<br />
grupo funcional: V<br />
hidroprocesami<strong>en</strong>to: 56, VI<br />
implante: 43, 74, 76-77<br />
luminisc<strong>en</strong>cia: 60, 82, VI<br />
macromolécula: 38, 75, VII<br />
nano-óptica: 22<br />
nano-oro: 34-36<br />
nanobiomaterial: 74, 77, 81<br />
nanocatalizador: vi, 36-37, 48, 50, 53<br />
nanocompuesto: 7-12, 57, 60-61, VII<br />
nanoemulsión: 45, 47-48<br />
nanoestructura: v, vii, 8, 23-25, 27, 29-31, 43, 56-57,<br />
60-61, 78, VII<br />
nanofotocatálisis: 11, 57, 60, 61<br />
nanomaterial: v, 4, 74, 78<br />
nanopartícula: vii, 2, 5, 10-12, 24-27, 35-37, 41, 43, 56,<br />
58, 60-61, 69-71, 78, 80, 82-83<br />
nanopartículas <strong>de</strong> silicio: 69, 83<br />
nanoreactor: 28-32<br />
nanotecnología: v-vii, 3, 5, 8-9, 16, 26, 31, 37, 41, 43,<br />
53-55, 69, 74, 77-79, 80<br />
núcleo-cápsula: 29-32<br />
onda electromagnética: 22, 63, VII<br />
oro: iv, vi, 4, 34-37, 75, 80<br />
plasmón: 22, 25-27, 74, VII<br />
polímero: 7, 30, 41-43, 77-78, 81, VII, VIII<br />
refinación: 50, 52-53, VIII<br />
resonancia: 15, 26, 41, II<br />
semiconductor: 10-14, 23, 57-61, 69-72<br />
síntesis <strong>de</strong> Fischer-Tropsch: 56<br />
surfactante: 46-48<br />
transportador: 44, IX<br />
XIII
Dr. José Narro Robles<br />
Rector<br />
Dr. Eduardo Bárzana García<br />
Secretario G<strong>en</strong>eral<br />
Lic. Enrique <strong>de</strong>l Val Blanco<br />
Secretario Administrativo<br />
Dr. Francisco José Trigo Tavera<br />
Secretario <strong>de</strong> Desarrollo Institucional<br />
M.C. Miguel Robles Bárc<strong>en</strong>a<br />
Secretario <strong>de</strong> Servicios a la Comunidad<br />
Lic. Luis Raúl González Pérez<br />
Abogado G<strong>en</strong>eral<br />
Enrique Balp Díaz<br />
Director G<strong>en</strong>eral <strong>de</strong> Comunicación Social<br />
XIV