![\"\"](\"http:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/wp-content\/uploads\/2020\/09\/Figura1.png\")
<\/a>Figura 1. Tecnolog\u00edas del futuro (Science Focus, 2016).<\/p><\/div>\n
Hasta hace algunos a\u00f1os, la ciencia y la tecnolog\u00eda se limitaban a lo que la humanidad captaba y conoc\u00eda a trav\u00e9s de sus sentidos, o con la ayuda de herramientas como el microscopio \u00f3ptico. El conocimiento acerca de la naturaleza estaba limitado esencialmente a la escala macrosc\u00f3pica. En la d\u00e9cada de los ochenta, con la invenci\u00f3n de microscopios m\u00e1s sofisticados, como el microscopio de efecto t\u00fanel (1981) (Binnig y Rohrer, 1983), el ser humano pudo adentrarse a una escala desconocida: la nanom\u00e9trica. Gerd Binnig y Heinrich Rohrer recibieron el Premio Nobel en F\u00edsica en 1986 por \u201cel dise\u00f1o del microscopio de efecto t\u00fanel\u201d (The Nobel Prize, 2020).<\/p>\n
El microscopio de efecto t\u00fanel o STM (Scanning Tunneling Microscope<\/em>, por sus siglas en ingl\u00e9s) es un microscopio que basa su funcionamiento en el fen\u00f3meno cu\u00e1ntico denominado \u201cefecto t\u00fanel\u201d. Este efecto consiste en el paso de part\u00edculas a trav\u00e9s de una barrera de potencial.<\/p>\n Una forma sencilla de visualizar el efecto t\u00fanel es imaginar que est\u00e1s jugando f\u00fatbol en la playa tratando que una pelota sobrepase un mont\u00edculo de arena. En el mundo macrosc\u00f3pico, el bal\u00f3n pasar\u00e1 al otro lado del mont\u00edculo si su energ\u00eda cin\u00e9tica (KE) es suficiente para vencer la barrera o energ\u00eda potencial (U), es decir, la necesaria para subir y pasar el mont\u00edculo (figura 2a). Si la energ\u00eda cin\u00e9tica no es al menos ligeramente mayor a la energ\u00eda potencial, la pelota no pasar\u00e1 al otro lado y probablemente regrese (figura 2b). Esto se debe a que tanto la energ\u00eda cin\u00e9tica como potencial pueden ser intercambiables de acuerdo a la ley de la conservaci\u00f3n de la energ\u00eda, aunque la primera sea debida al movimiento y la segunda a la posici\u00f3n del objeto en el espacio.<\/p>\n Si reduj\u00e9ramos nuestras dimensiones y la pelota fuera del tama\u00f1o de una part\u00edcula at\u00f3mica, \u00e9sta tendr\u00eda la posibilidad de atravesar una barrera de energ\u00eda potencial aun cuando su energ\u00eda cin\u00e9tica no sea suficiente \u2013pareciendo que es capaz de atravesar la barrera mediante un t\u00fanel, por incre\u00edble que parezca\u2013 (figura 2c). Esto se debe a que a esta escala la pelota adquiere caracter\u00edsticas cu\u00e1nticas de onda-part\u00edcula que no se pueden explicar adecuadamente por medio de la mec\u00e1nica cl\u00e1sica. El primer gran cambio es que mientras la mec\u00e1nica cl\u00e1sica \u201cpredice\u201d matem\u00e1ticamente la posici\u00f3n y el momento lineal (\u00edmpetu que tiene un cuerpo para realizar un trabajo) precisos de una part\u00edcula, la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica le asigna una \u201cfunci\u00f3n de onda\u201d a estos par\u00e1metros con una probabilidad entre cero y uno. Es decir, la posici\u00f3n y el momento de una part\u00edcula regida por la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica no se pueden conocer simult\u00e1neamente, hay una incertidumbre en su medici\u00f3n. Esto implica que si se le asigna una \u201cfunci\u00f3n de onda\u201d a la part\u00edcula dirigi\u00e9ndose hacia una barrera (onda incidente) habr\u00e1 una peque\u00f1a probabilidad de que \u201ctunelee\u201d (onda transmitida) al otro lado, aun cuando la KE sea menor que la U (figura 2d). En el mundo macrosc\u00f3pico, es imposible que la pelota cruce esta barrera si su energ\u00eda cin\u00e9tica no es mayor que su energ\u00eda potencial. Sin embargo, en el mundo nano, la part\u00edcula tiene una probabilidad finita de \u201cexistir\u201d en el lado opuesto al que incide debido a la dualidad onda-part\u00edcula y tal part\u00edcula \u201caparecer\u00e1\u201d del otro lado de la barrera a pesar de no tener la energ\u00eda necesaria para cruzarla. Como te habr\u00e1s dado cuenta, el comportamiento de la materia en la escala nanom\u00e9trica es diferente al que estamos acostumbrados en la macroescala (Max Planck Society, 2007).<\/p>\n Figura 2. Analog\u00eda del efecto t\u00fanel. En el mundo macrosc\u00f3pico (a<\/em>) una pelota con energ\u00eda suficiente sobrepasa un mont\u00edculo de arena y si (b<\/em>) la pelota no tiene la energ\u00eda suficiente, no sobrepasa el mont\u00edculo de arena. En el mundo nanom\u00e9trico, (c<\/em>) el efecto t\u00fanel visto como analog\u00eda y (d<\/em>) explicaci\u00f3n del efecto t\u00fanel (modificado de Beiser, 2003).<\/p><\/div>\n Para tener una idea de la escala nanom\u00e9trica, puedes suponer que cortas longitudinalmente 100 mil veces el grosor de tu cabello, aunque probablemente sea algo dif\u00edcil de imaginar, esta fracci\u00f3n corresponde aproximadamente a un nan\u00f3metro. Un nan\u00f3metro es la milmillon\u00e9sima parte de un metro, o 1\u00d710-9 metros, pero \u00bfqu\u00e9 tipo de objetos podemos encontrar con este tama\u00f1o? \u00c9sta es la escala de objetos como la anchura de fibrillas de celulosa (20-100 nm), el di\u00e1metro de la doble h\u00e9lice del ADN (2 nm), e inclusive la distancia entre \u00e1tomos de un cristal de silicio (0.1 nm). La nanociencia es el estudio e investigaci\u00f3n de nuevas propiedades y comportamiento de la materia que ocurren a escala nanom\u00e9trica.<\/p>\n En 1998, Neal Lane, asesor en ciencia y tecnolog\u00eda de los Estados Unidos, expres\u00f3: \u201cSi me preguntaran qu\u00e9 \u00e1rea de la ciencia e ingenier\u00eda es la que probablemente generar\u00e1 grandes avances del ma\u00f1ana, yo apuntar\u00eda hacia la ciencia e ingenier\u00eda a escala nanom\u00e9trica\u201d (National Science Foundation, 2000). La nanotecnolog\u00eda es el uso de las propiedades de la materia en la nanoescala para el desarrollo de dispositivos tecnol\u00f3gicos con nuevas aplicaciones, entre otros. Hoy, esta \u00e1rea es considerada como una de las m\u00e1s prometedoras para el desarrollo de tecnolog\u00eda de punta. Pero, \u00bfqu\u00e9 tiene de especial la materia a escala nanom\u00e9trica?<\/p>\n A dimensiones muy peque\u00f1as, la materia se comporta de una forma distinta debido a dos razones principales: el incremento de su \u00e1rea superficial y la aparici\u00f3n de nuevos fen\u00f3menos (IPN, 2019). Para comprender el efecto del \u00e1rea superficial es necesario imaginar que tienes un material en bulto. Al dividir el material en pedazos, el \u00e1rea superficial total del material ser\u00e1 mayor, e ir\u00e1 incrementando si el material se divide en pedazos a\u00fan m\u00e1s peque\u00f1os (figura 3). En otras palabras, al disminuir el volumen de los elementos que conforman un material, su \u00e1rea superficial total aumenta. Dicha propiedad es conocida como relaci\u00f3n \u00e1rea superficial-volumen.<\/p>\n Figura 3. Incremento del \u00e1rea superficial como consecuencia de la disminuci\u00f3n del tama\u00f1o (Peta International Science Consortium LTD, 2018).<\/p><\/div>\n \u00bfQu\u00e9 implica la disminuci\u00f3n del tama\u00f1o? Cualquier material s\u00f3lido que est\u00e9 en bulto, est\u00e1 conformado por una gran cantidad de \u00e1tomos que se encuentran interactuando, en una mayor proporci\u00f3n, con los \u00e1tomos del mismo material que con \u00e1tomos de la superficie. Lo anterior da al material estabilidad qu\u00edmica y estructural, es decir, cuenta con mayor cohesi\u00f3n. Cuando el material se divide en pedazos peque\u00f1os, el \u00e1rea expuesta al entorno aumenta (figura 3) y, como consecuencia de esto, el material se vuelve mucho m\u00e1s reactivo debido a que su cohesi\u00f3n disminuye.<\/p>\n Como ya se mencion\u00f3, en la escala nanom\u00e9trica se pueden presenciar efectos que en la macroescala son imperceptibles. Algunos de \u00e9stos son efectos cu\u00e1nticos que se explican por la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica, la cual establece reglas de comportamiento para sistemas de dimensiones peque\u00f1as. Aqu\u00ed la materia se comporta bajo la dualidad onda-part\u00edcula y es regida por el principio de incertidumbre. Los efectos cu\u00e1nticos pueden modificar las propiedades \u00f3pticas, el\u00e9ctricas y magn\u00e9ticas de un material (IPN, 2019).<\/p>\n Adem\u00e1s de la aparici\u00f3n de nuevos efectos, en la nanoescala se hace presente el confinamiento del movimiento de los electrones al reducir el tama\u00f1o de los materiales a la escala nanom\u00e9trica. Una forma sencilla de imaginar el confinamiento cu\u00e1ntico de electrones es pensar que estas part\u00edculas subat\u00f3micas son autom\u00f3viles. Un autom\u00f3vil no puede moverse en ninguna direcci\u00f3n cuando est\u00e1 dentro de una cochera, por lo que est\u00e1 confinado. Si el autom\u00f3vil estuviera en una carretera de un solo carril, \u00e9ste podr\u00eda moverse a lo largo de la carretera, pero no podr\u00eda moverse ni a la derecha ni a la izquierda. Si el autom\u00f3vil estuviese en un estacionamiento de un nivel, podr\u00eda moverse en dos dimensiones: lateral y frontal-reversa. Finalmente, si el autom\u00f3vil estuviera en un estacionamiento de varios pisos podr\u00eda moverse en tres direcciones independientes.<\/p>\n El confinamiento de los electrones tiene como consecuencia que la energ\u00eda se comporta de formas distintas a las que lo har\u00eda en la macroescala. En aquellos casos en que el movimiento de los electrones es cero dimensional, la longitud de onda asociada al electr\u00f3n es similar al tama\u00f1o del sistema en el cual est\u00e1 confinado. Debido a lo anterior, el n\u00famero de estados existentes para cada nivel de energ\u00eda del electr\u00f3n toma valores discretos (figura 4a). En el caso de sistemas en los que el movimiento de los electrones es en una direcci\u00f3n, el n\u00famero de estados dentro del intervalo de energ\u00eda l\u00edmite est\u00e1 restringido, por lo que no todos los valores son posibles (figura 4b). Por otra parte, en el caso en el que los electrones pueden moverse en dos dimensiones, la energ\u00eda es continua, pero el n\u00famero de estados posibles es discreto, debido a la cuantizaci\u00f3n (figura 4c). Finalmente, tanto la energ\u00eda como el n\u00famero de estados en materiales en bulto son continuos (figura 4d) (Mitin, Semestov y Vagidov, 2010).<\/p>\n Figura 4. Estados de energ\u00eda para nanoestructuras a ) 0D, b ) 1D, c ) 2D y d ) 3D (Rabouw y De Mello, 2016).<\/p><\/div>\n Una de las principales caracter\u00edsticas de la materia en la nanoescala es que se encuentra conformada por estructuras que tienen al menos una dimensi\u00f3n en la escala nanom\u00e9trica (generalmente menos de 100 nm), a \u00e9stas se les denomina nanoestructuras. Las nanoestructuras pueden clasificarse de acuerdo al n\u00famero de dimensiones que no est\u00e1n confinadas a la nanoescala. Entre las nanoestructuras cero dimensionales (figura 5a) se pueden encontrar las nanopart\u00edculas y los puntos cu\u00e1nticos (figura 5e). Tambi\u00e9n se pueden encontrar nanoestructuras unidimensionales (figura 5b) como las nanovarillas, los nanohilos y los nanotubos de carbono (figura 5f). Entre las nanoestructuras bidimensionales (figura 5c) se hallan las pel\u00edculas delgadas (figura 5g) con grosores en el orden de unos cuantos nan\u00f3metros, las cuales por lo regular son depositados en materiales en bulto. Las propiedades de estas estructuras se encuentran dominadas por sus caracter\u00edsticas de superficie y efectos de interfaz (Tantra, 2016).<\/p>\n<\/a>LA MATERIA A ESCALA NANOM\u00c9TRICA<\/h4>\n
<\/a><\/a><\/h4>\n
NANOESTRUCTURAS Y NANOMATERIALES<\/h4>\n