La nanotecnología y el desarrollo de nanomateriales han generado un gran impacto en los ámbitos de la ciencia y la ingeniería, influyendo en las futuras tecnologías y mejorando las soluciones industriales. En este artículo te explicamos qué son los nanomateriales, cómo se obtienen y cuáles son sus aplicaciones.
¿Qué son los nanomateriales?
Los nanomateriales son materiales de una dimensión ínfima y de escala inferior a 100 nm, es decir, hasta 100.000 veces menor que el diámetro de un cabello humano.
Los nanomateriales pueden ser de origen natural, como por ejemplo el humo, el hollín y las proteínas sanguíneas o, por el contrario, artificiales. Estos nanomateriales artificiales se diseñan para lograr determinadas funciones específicas, como aumentar la resistencia, la reactividad química o la conductividad. Este campo de estudio se ha disparado en la última década, ya que presenta enormes posibilidades en la ingeniería, la industria, la robótica, la biomedicina y el sector energético, y ocupan un lugar fundamental en el diseño de muchos materiales, dispositivos y estructuras.
Propiedades de los nanomateriales
Los nanomateriales se pueden crear a partir de minerales o sustancias químicas y sus propiedades fisicoquímicas son diferentes que cuando presentan un tamaño micro o macro. La composición, el tamaño de las partículas, la forma, los revestimientos superficiales y la fuerza de los enlaces de las partículas cambian. ¿Cuál es el motivo?
Al reducirse el tamaño a escala nanométrica, aumenta la superficie expuesta, lo que favorece una mayor interacción entre átomos y moléculas cercanas, dando lugar a diversas atracciones y repulsiones que provocan efectos superficiales, electrónicos y cuánticos, afectando a los comportamientos ópticos, eléctricos y magnéticos de los materiales. Lo que implica que con una pequeña cantidad de nanomaterial se pueden modificar y mejorar significativamente las propiedades de otros materiales. Ejemplo de ello son los polímeros con nanotubos de carbono, que hacen que el material dopado obtenga una ligereza, resistencia mecánica y funcionalidad superior a un metal.
Clasificación de los nanomateriales
Los nanomateriales, como veremos a continuación, se clasifican según sus dimensiones:
Nanomateriales de dimensión 0
Los nanomateriales de dimensión 0 se consideran nanopartículas y todas sus dimensiones están dentro de la nanoescala. Los fullerenos, los nanomateriales inorgánicos como las nanopartículas de oro y plata, los nanohilos, los nanodiamantes o los puntos cuánticos (cristales semiconductores) pertenecen a este grupo.
Nanomateriales unidimensionales
Dos dimensiones están dentro de la nanoescala. Esta clasificación incluye los nanotubos y las nanofibras de carbono. Estas últimas se aplican como aditivos, por ejemplo, en matrices de polímeros para mejorar sus propiedades, así como también mejoran la conductividad eléctrica en adhesivos y pinturas sin modificar sus propiedades reológicas y evitan la corrosión de los materiales que recubren.
Nanomateriales bidimensionales
Una de las tres dimensiones está dentro de la nanoescala y presentan forma de lámina. Pertenecientes a este grupo son el grafeno, que presenta un gran potencial de aplicación en diferentes campos como el electrónico, las nanopelículas y los nanorecubrimientos.
Nanomateriales tridimensionales
Materiales que no tienen ninguna dimensión en la nanoescala, por lo que los electrones no están confinados y pueden moverse libremente. Dentro de esta tipología se encuentran los materiales nanoestructurados, las dispersiones de nanopartículas y las multicapas.
Cómo se obtienen los nanomateriales
Los nanomateriales siempre han existido, pero las técnicas de creación, manipulación e ingeniería de materiales a esta escala solo se han desarrollado en las últimas décadas gracias a las innovaciones tecnológicas, como el microscopio de túnel de barrido, que permiten trabajar en la nanoescala. Entonces, ¿cómo se fabrican los nanomateriales? Principalmente, existe dos procesos:
Método Top-down o fabricación descendente:
Esta técnica consiste en la fabricación de nanomateriales a partir de materiales de mayor escala que se reducen hasta alcanzar la escala nanométrica. Comienza con grandes trozos de material y gracias a procesos fisicoquímicos se descomponen hasta que se logra el nanomaterial deseado. Dependiendo de la sustancia, este proceso puede ser relativamente sencillo. Algunas nanopartículas metálicas, por ejemplo, pueden triturarse a partir de micropartículas.
Método Bottom-up o fabricación ascendente:
El segundo grupo de procesos de fabricación consiste en la construcción de nanoestructuras, átomo a átomo o molécula a molécula. A pesar de ser más compleja, el grado de precisión que se consigue con esta técnica es mayor que el que se puede lograr con la anterior, porque gracias a los microscopios es posible colocar y ensamblar átomos y moléculas individuales en un lugar determinado.
Usos de los nanomateriales y su importancia tecnológica, innovadora y empresarial
El uso de los nanomateriales abarca una gran variedad de sectores, desde la sanidad y la cosmética, la electrónica y los transportes hasta la conservación del medio ambiente y la industria energética. Los materiales de nanoingeniería se diseñan para tener una mayor resistencia estructural, sensibilidad química, conductividad y mejorar las propiedades en su conjunto, lo que genera un gran potencial en la innovación de materiales.
Una de las aplicaciones más importantes es la que ofrecen los nanotubos de carbono, un nanomaterial que presenta la mayor relación resistencia-peso de cualquier sustancia conocida, además, tiene mayor conductividad térmica que el diamante y mejor conductividad eléctrica que el cobre y son extremadamente ligeros, lo que los convierte en el material perfecto para la construcción de aviones. Del mismo modo, la enorme superficie de los nanotubos de carbono permite utilizarlos como electrodos en baterías y condensadores, proporcionando una mayor estabilidad eléctrica y mecánica que otros materiales.
Los nanomateriales también pueden utilizarse como aditivos lubricantes, ya que tienen la capacidad de reducir la fricción en las piezas móviles, e incluso, las piezas desgastadas pueden repararse con nanopartículas autoensambladas. Avances como éste nos dan más control sobre los materiales con los que trabajamos, desbloqueando nuevas funciones que pueden cambiar la forma en que abordamos los problemas de ingeniería forense.
Las estructuras y propiedades de los materiales pueden mejorarse mediante estos procesos de nano-fabricación. Por ejemplo, se pueden mejorar las propiedades refrigerantes gracias a los nanomateriales o también se pueden crear materiales más fuertes, ligeros, duraderos, repelentes al agua, antirreflectantes, se pueden generar revestimientos autolimpiables, resistentes a los rayos ultravioleta, infrarrojos, antiniebla, antimicrobianos, conductores de la electricidad, etc. pudiendo trabajar distintos tipos de materiales como puede ser el metal, vidrio o plásticos. Aprovechando estas propiedades, los productos actuales fabricados con nanomateriales van desde raquetas de tenis, catalizadores para refinar el petróleo crudo hasta la detección e identificación de toxinas biológicas y químicas.
En el sector biosanitario los nanomateriales se utilizan para la administración de fármacos en quimioterapia para que erradicar directamente los crecimientos cancerosos. Igualmente, ofrecen soluciones para el diagnóstico, gracias a la detección de biomarcadores mediante nanosondas y proporcionan un gran avance en el estudio genómico.
Por otro lado, en la industria cosmética las nanopartículas de óxido de titanio son capaces de proporcionar mejor protección contra los rayos UV que las cremas protectoras tradicionales. Los nanomateriales también están llamados a introducir una serie de ventajas en la industria de la electrónica y la informática. Su uso permitirá aumentar la precisión de la construcción de circuitos electrónicos a nivel atómico, lo que ayudará al desarrollo de numerosos productos electrónicos. Actualmente, muchos dispositivos electrónicos de alto rendimiento se basan en la nanotecnología, como la tecnología Quantum Dot (QD) para las pantallas LED y los smartphones.
Los nanomateriales también han mejorado el sector energético, gracias al ahorro de energía. Por ejemplo, los paneles solares utilizan nanopartículas para mejorar su eficiencia. En el caso de las turbinas eólicas, cuanto más grande es la pala más electricidad se puede generar, por ello se utilizan nanomateriales más resistentes y ligeros. También pueden cumplir funciones medioambientales esenciales, por ejemplo, se ha descubierto que el grafeno puede filtrar las sales comunes del agua para hacerla potable, una solución que podrían conducir a una desalinización y potabilización del agua de mar para su consumo.
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