RESUMEN
1. Definiciones. Objeto de este informe
Las nanotecnologías son tecnologías que permiten la
manipulación de la estructura de la materia en pequeñísima
escala, del orden de los nanómetros (nm, milésimas
de micrómetros, millonésimas de mm o milmillonésimas
de metro), generando así materiales y estructuras con características
diferentes de aquellos utilizados corrientemente.
El objeto de este trabajo es el de proporcionar informaciones útiles
para la evaluación de la oportunidad, factibilidad y conveniencia
de adoptar soluciones basadas en las nanotecnologías, ya
sea en las actuales líneas de producción , o bien
en la diversificación de las mismas en sectores más
dinámicos.
2.
Implicancia de las nanotecnologías
Las nanotecnologías se presentan hoy como un salto innovativo
radical, que incidirá transversalmente sobre todos los sectores
de la economía. El efecto invasivo, de amplia difusión,
de las nanotecnologías, es debido, en gran medida, a los
cambios sustanciales que están provocando en el campo de
los materiales utilizados en todos los sectores manufactureros y
de servicios, condicionando muchas veces su desarrollo. Por medio
de estas tecnologías se pueden modificar las propiedades
de los materiales conocidos mucho más radicalmente de lo
conseguido hasta ahora, así como crear materiales enteramente
nuevos. Por otra parte, las nanotecnologías permiten el trabajado
de los materiales a una escala mucho más reducida que la
actual manufactura de los microprocesadores.
La capacidad de actuar sobre la estructura de los materiales a escala
nanométrica producirá efectos de gran alcance sobre
todos los sectores de la economía, incluido el de la microelectrónica
y las tecnologías de la información. Todo parece indicar
que estamos hoy en las etapas iniciales de una onda expansiva equivalente
a la iniciada en los primeros años de la década del
70 en correlación con la introducción de los microprocesadores.
En los principales países industrializados se están
llevando a cabo ingentes inversiones, públicas y privadas,
en la investigación en este campo; al mismo tiempo están
emergiendo numerosas iniciativas industriales, a menudo de empresas
de dimensiones pequeñas y medianas, que se presentan en el
mercado como proveedores de materiales nanoestructurados, instrumentación
y servicios científico-tecnológicos conexos. Si bien
desde hace tiempo hay técnicas que permiten actuar a nivel
nanoestructural en algunos sectores muy especiales, el gran desarrollo
en los campos de la biología molecular y las biotecnologías
a partir de los años 80 ha motorizado su expansión
hacia todo tipo de materiales - metálicos, no metálicos,
plásticos y compuestos - y, a través de ellos, hacia
los más diversos campos científicos, tecnológicos
e industriales. Sin ignorar las vastas implicaciones de las nanotecnologías
en campos tan importantes como la biología, la medicina y
la farmacología, este trabajo se concentrará especialmente
en el campo de los materiales y sus aplicaciones en distintos sectores
productivos.
3. La producción de estructuras en escala nanométrica
En el conjunto de procesos de producción de materiales nanoestructurados
se pueden distinguir dos enfoques, uno denominado en inglés
"top down" , en el cual las nanoestructuras se "esculpen"
sobre un bloque de material, y otro llamado "bottom up"
, donde los materiales nanoestructurados se obtienen a partir de
nanopartículas. Las técnicas "top down"
presentan analogías con las actuales técnicas litográficas
de producción de microprocesadores electrónicos y
su principal campo de aplicación será en la electrónica
y las tecnologías de la información y las comunicaciones.
Por su parte, las técnicas "bottom up" se basan
en procesos similares a aquellos frecuentemente utilizados en la
tecnología de materiales y pueden dar lugar a polvos, objetos
compactos o capas delgadas, con propiedades profundamente cambiadas
con respecto a las de los mismos materiales obtenidos por tecnologías
convencionales.
4.
Aplicaciones
Las aplicaciones de los materiales nanoestructurados y de las nanotecnologías
para producirlos se están desarrollando muy rápidamente
y un simple listado de un número inevitablemente limitado
de aplicaciones sólo puede dar una idea reducida de sus potencialidades.
Algunas de ellas, ya presentes en los mercados o cerca de su comercialización,
se indican a continuación:
- Sensores de gases destinados a detectar la presencia de gases
nocivos en ambientes cerrados o abiertos, o aromas que caracterizan
la calidad de bebidas y productos alimenticios ("nariz electrónica").
- Sistemas fotovoltaicos de alta eficiencia para la conversión
de la energía solar;
- Nuevos materiales con una elevada relación resistencia/
masa para aplicaciones aeroespaciales, biomédicas y en medios
de transporte.
- Embalajes de productos alimenticios con mejores características
de barrera a la penetración de gases y capacidad para indicar
el estado de conservación.
- Técnicas diagnósticas basadas en el sistema denominado
"lab-on-a-chip", para la realización de análisis
clínicos y genéticos con mínimas cantidades
de muestra y en tiempo real.
- Cosméticos, en especial para la protección contra
la radiación solar.
- Materiales para la filtración y catálisis de hidrocarburos
y otras sustancias.
- Revestimientos superficiales con resistencia a la corrosión,
al rayado y al desgaste notablemente mejorada.
- Herramientas de corte de altísima tenacidad y fragilidad
reducida.
- Pantallas de video más livianas y funcionales basadas sobre
la electrónica de polímeros.
- Nuevas prótesis e implantes para colocación in vivo.
- Técnicas de trabajado de piezas para micromecánica
y microelectrónica en escala de 100 nm.
5.
Posible desarrollo industrial.
En los países más desarrollados tecnológicamente
se puede reconocer un sector embrionario de las nanotecnologías
del cual comienzan a perfilarse las características de la
oferta y la demanda, incluidas las de instrumentación científica
de proceso y control.
- La oferta de materiales y sistemas nanoestructurados (por ejemplo
polvos, materiales, dispositivos, con los necesarios servicios de
asistencia técnica para su ulterior trabajado y utilización
final) está en gran medida concentrada en pequeñas
empresas de reciente formación nacidas, en su mayoría,
de las universidades o entes de investigación. Las grandes
empresas, muchas de las cuales llevan a cabo trabajos de investigación
y desarrollo sobre las nanotecnologías, parecen por el momento
orientadas a integrarlas en sus productos finales, sin contribuir
aún significativamente a la oferta directa de materiales
y sistemas nanoestructurados.
- La demanda ya es significativa y devendrá rápidamente
muy elevada. Los utilizadores actuales o potenciales de estos productos
y servicios, reales o potenciales, pueden ser empresas industriales
de servicios, pequeñas o grandes, así como grandes
organismos públicos (salud, transporte, administración
pública).
Sin embargo, el mercado existirá en la medida en la cual
los productores tengan capacidad de desarrollar los usos en estrecha
colaboración con los utilizadores. Estos últimos,
a su vez, podrán beneficiarse de los efectos que estos productos
podrán tener sobre su competitividad, en la medida en que
sean capaces de definir mejor sus exigencias y las modalidades para
satisfacerlas, en estrecha colaboración con los productores.
- La instrumentación científica juega un papel fundamental,
sea porque hace posible el progreso en los más variados campos
de la innovación, sea como sector de empleo de productos
y servicios basados en las nanotecnologías. En la actualidad
operan en el sector de la instrumentación divisiones de grandes
grupos industriales así como empresas independientes de dimensiones
medias y pequeñas, proponiendo al mercado una variedad muy
amplia de productos. También la demanda es muy variada y
por lo tanto presenta notables espacios para nuevas iniciativas
empresarias.
Entre los diversos factores que condicionan el desarrollo industrial
de las nanotecnologías se deben considerar, en primer lugar,
los costos, actualmente muy elevados. Para reducirlos parece necesario
actuar de manera integrada según dos directrices principales:
a) la investigación sobre procesos (simplificación
de las tecnologías y de los métodos de control, así
como el logro de economías de escala) y b) la difusión
amplia de los materiales nanoestructurados y de las soluciones tecnológicas
basadas en las nanotecnologías que contribuyan a las economías
de escala. Serán pues necesarias acciones eficaces de promoción
y de asistencia a los utilizadores potenciales en el diseño,
en las etapas intermedias y finales de la fabricación, en
los controles, ensayos, etcétera.
Las nuevas empresas calificadas tecnológicamente que nacen
en el ámbito de universidades y entes de investigación
pueden dar una contribución de gran valor a la difusión
de las nanotecnologías y de la instrumentación relacionada
con ellas. En cualquier caso, la empresa que opere o que quiera
consolidarse como productora o utilizadora de soluciones nanotecnológicas,
cualquiera sea su dimensión, deberá contar con el
apoyo de universidades y entes científicos comprometidos
en investigación y desarrollo avanzado.
6.
Las nanotecnologías en la Argentina
La industria manufacturera local viene sufriendo un fuerte impacto
recesivo en los últimos años, al tiempo que recibe
la presión de la innovación y la necesidad de incorporar
tecnologías avanzadas a sus proceso productivos para poder
competir más eficazmente en los mercados nacionales, regionales
e internacionales. Uno de los efectos de esta situación es
la pérdida de competitividad, así como el retraso
en adaptar o desarrollar tecnologías avanzadas.
La pregunta es, entonces: ¿porqué las nanotecnologías?.
Porque se trata de un campo del desarrollo tecnológico que
se avizora de igual o quizás mayor importancia que la revolución
microtecnológica de los años 80 y 90, porque se está
desenvolviendo con gran dinamismo, y porque involucra a una gran
variedad de sectores productivos y en particular modo al de materiales:
metales y aleaciones, cerámicas y vidrios, plásticos
y materiales compuestos.
Por otra parte, existen capacidades en recursos humanos e instrumental
en el sistema científico-tecnológico argentino que
pueden aprovechar para ayudar a las empresas a resolver las necesidades
apuntadas, actualizar sus procesos productivos o bien ampliar su
gama de productos, incorporando nanotecnologías apropiadas.
Esta situación representa también un desafío
para el sector de C y T, que puede vincularse a las empresas a través
de los diversos mecanismos existentes. Aun en las presentes circunstancias
de recortes presupuestarios y dificultades de obtención de
financiación, es posible llevar a cabo acciones que vayan
preparando las bases para un importante desarrollo futuro del sector.
Para contribuir a esta tarea se incluye una guía de los principales
centros y universidades que llevan a cabo I +D en nanotecnologías
en este momento en nuestro país.
Abstract
|
|
The present report
is the authorized Spanish version of the article "Nanotecnologie
e materiali", edited in Italy by SERVITEC SRL,
Dalmine, Bergamo. Its purpose is offering an overview
about the present status of nanotechnologies and their
influences in advanced materials production technologies.
This change of structure scale, from micrometers to
nanometers, permits to enhance properties values and
improve capacities and performances. After an exposition
of possibilities (preparation of monolithic, powders,
thin layer or other forms) this article discusses the
possibilities of
applications, the increasing industrial development
and
the economic implications of nanotechnologies. A survey
is given on the main institutions and university research
groups which are making research and development on
the subject in Argentina, with the purpose of helping
the mutual collaboration in industrial projects. Finally,
a list of selected bibliography and web sites are given.Keywords:
nanotechnologies ; nanostructures; nanolayers; nanopowders;
advanced materials; atomic force microscope; tunneling
effect microscope.
|
|
1-
LAS NANOTECNOLOGIAS: ¿QUE SON?
Las nanotecnologías son tecnologías que permiten
la manipulación de la estructura de la materia en pequeñísima
escala, del orden de los nanómetros (un nanómetro,
nm = un milmillonésimo de metro = un millonésimo
de mm = un milésimo de micrómetro), permitiendo
así la obtención de materiales y estructuras
con características diferentes de aquellos utilizados
corrientemente. En la figura 1 se representa esquemáticamente
una comparación entre "nanomundo" y "macromundo".
Figura 1. Comparación esquemática de las
distintas escalas dimensionales. |
|
Menos
de un nanómetro:
el diámetro de un átomo aislado es de algunas décimas
de nanómetro.
Nanómetro: diez átomos de hidrógeno
puestos en filaocupan alrededor de un nanómetro. La molécula
de DNA mide aproximadamente 2,5 nanómetros.
Miles de nanómetros: los globulos rojos
y células similares tienen un diámetro de aproximadamente
mil nanómetros.
Un millón de nanómetros: el punto
sobre el dedo equivale a alrededor de un millón de nanómetros.
Miles de millones de nanómetros: un hombre
de dos metros de altura mide dos mil millones de nanómetros.
Las nanotecnologías, por lo tanto, se refieren a la materia
en una escala dimensional que involucra de algunas decenas a algunos
miles de átomos; las estructuras de estas dimensiones se
denominan habitualmente nanoestructuras.
La finalidad de este trabajo es suministrar informaciones útiles
para la evaluación de la oportunidad, de la factibilidad
y de la conveniencia de la adopción de soluciones basadas
en nanotecnologías, tanto en las producciones actuales como
en la diversificación de las mismas en sectores más
dinámicos.
Si bien las ventajas prácticas que podrían derivar
de la consideración de la materia en esta escala fueron ya
intuidas en 1959 por el Premio Nobel de Física (1965) Richard
Feynmann, el desarrollo de las nanotecnologías empieza en
realidad a fines de la década del 80, con aplicaciones fundamentalmente
en el campo de la biología molecular y de los materiales.
El tiempo transcurrido para estimar los efectos en gran escala de
un cambio innovativo de este tipo es ciertamente breve, pero ya
aparece en forma evidente que nanotecnologías y nanoestructuras
no son solamente un hecho científico de relevancia indiscutible.
En las principales economías industrializadas se están
realizando ingentes inversiones públicas y privadas en investigación
nanotecnológica y en campos afines, buscando obtener ventajas
competitivas a nivel internacional (ver capítulo 6). Al mismo
tiempo están emergiendo numerosas iniciativas industriales,
muchas de ellas de pequeñas y medianas empresas, que se presentan
en el mercado como proveedores de materiales nanoestructurados,
instrumentación, y servicios científico-tecnológicos
relacionados. En el presente trabajo se tratará de ilustrar
las implicancias directas e indirectas de las nanotecnologías
en los diversos sectores de la economía.
2. LA IMPORTANCIA DE LAS NANOTECNOLOGÍAS. El caso de los
materiales.
Actualmente la prospectiva para las nanotecnologías prevé
aplicaciones en una amplia variedad de campos científicos
y tecnológicos. Sin embargo, la amplitud de sus efectos es
debida, en gran medida, a los cambios sustanciales que ellas están
provocando en el campo de los materiales utilizados en todos los
sectores manufactureros y de servicios, condicionando su desarrollo.
En el parágrafo 6.1 se hará referencia a algunas aplicaciones
específicas en el campo de los materiales, pero conviene
anticipar aquí un análisis de las mismas para facilitar
la comprensión de la importancia que estas tecnologías
podrán tener en el futuro próximo. Por lo tanto, se
dará un breve panorama de la historia del impacto socioeconómico
de los materiales, poniendo sobre todo en evidencia la capacidad
de manipularlos en escalas cada vez más pequeñas.
Con esta finalidad se expondrá el ejemplo de las microtecnologías
para el sector informático.
Para los materiales, la importancia de las nanotecnologías
está dada por dos hechos. En primer lugar, permiten modificar
las propiedades de los materiales conocidos mucho más radicalmente
que lo conseguido en el pasado aún reciente (ver Cuadro 1).
Ellas también permiten crear materiales completamente nuevos,
diversos de aquellos obtenidos sin recurrir a manipulaciones en
escala nanométrica. En segundo lugar, hacen posible el trabajado
de extrema precisión de ciertos materiales a una escala mucho
más pequeña de la utilizada actualmente, para los
microprocesadores, con un incremento de las prestaciones y una reducción
de costos, por ejemplo en el caso de los "microchips",
que han contribuido a la difusión en vasta escala de las
tecnologías de la información (ver 3.2), e igualmente
los microsiste mas electromagnéticos y las micromáquinas
de amplia aplicación en variados campos, desde la informática
hasta la biología y la medicina.
2.1.
Las modificaciones de las propiedades de los materiales
Los materiales, por ser indispensables para la realización
de todos los objetos utilizados por la sociedad, han tenido en todas
las épocas una elevada valorización social y económica,
y su comportamiento ha constituido un límite casi insuperable
a las posibilidades de realización inmediata. Por lo tanto,
las tentativas de modificar sus propiedades para adaptarlas a las
exigencias del momento no son por cierto un hecho nuevo: desde la
edad de piedra hasta la era de la microelectrónica se ha
buscado siempre mejorar las características de los materiales
comunes ampliando sus aplicaciones, o bien utilizar materiales nuevos
manteniendo costos aceptables (entendidos en su sentido más
amplio, incluyendo costos sociales, ambientales, etc.).
Se puede, sin embargo, reconocer la existencia de una tendencia
que ha prevalecido a lo largo de la historia: la reducción
del contenido de material por unidad de producto, o bien la fabricación
de objetos que, a igualdad de funciones, eran cada vez más
pequeños y livianos. Gracias a este proceso (denominado a
veces "desmaterialización"), hoy día los
materiales livianos y los sistemas cada vez más miniaturizados
permiten el desarrollo de funciones que hasta hace pocos años
eran difícilmente imaginables.
CUADRO
1 |
MATERIALES
"NORMALES" Y MATERIALES NANOESTRUCTURADOS:
LAS DIFERENCIAS
|
| Los
materiales constituidos por nanoestructuras se presentan
bajo diversas formas que, a primera vista, no difieren
de los materiales estructurados a escala normal (por
ejemplo una pieza de metal o de cerámica, en
la cual las dimensiones lineales de los granos constituyentes
de la estructura pueden variar, generalmente, entre
10 y 100 µm). Los materiales nanoestructurados,
pueden ser utilizados ya sea bajo la forma de piezas
finales, o bien como capas delgadas o recubrimientos
superficiales de materiales convencionales. Las diferencias
sustanciales con los materiales de estructura normal
tienen que ver con sus propiedades y la posibilidad
de modificarlas mediante la manipulación de sus
estructuras a nivel de los átomos que los componen.
Los granos de los materiales microcristalinos normales
pueden contener millones o miles de millones de átomos,
la mayor parte de los cuales se encuentra en el interior
de los mismos, y en consecuencia están poco influenciados
por las interfases entre los granos, ( "bordes
de grano"). Estas interfases tienen propiedades
distintas de las de la masa del material, pero representan
solo alrededor de un 1 % del volumen de un trozo de
material policristalino usual, y por lo tanto tiene
una influencia limitada sobre las propiedades del trozo
en su conjunto. En otras palabras, una partícula
de un material cuyas dimensiones lineales sean del orden
de algunas centésimas de milímetro (aprox.
10.000 nm), tiene las mismas propiedades que una pieza
de dimensiones macroscópicas del mismo material.
En vez, en los "nanogranos" o nanoestructuras,
de dimensiones de cien a mil veces inferiores, constituidas
por un número relativamente pequeño de
átomos (entre algunas decenas y algunos miles),
las propiedades dependen también de sus dimensiones
en cuanto las superficies que limitan a estos nanogranos
ejercen una influencia notable sobre el conjunto de
los átomos del agregado. Si los nanogranos se
agregan para constituir un sólido nanoestructurado,
los "bordes de grano" representan alrededor
del 50 % del volumen del sólido. Así,
a igual composición química, el sólido
constituido por estos agregados tiene propiedades distintas
a las que tiene el agregado policristalino normal. Por
ejemplo, las cerámicas, caracterizadas normalmente
por su dureza, rigidez y fragilidad, pueden ser producidas
con mayor tenacidad y con dimensiones finales extremadamente
precisas, sin ulteriores trabajos de terminado; los
metales nanoestructurados presentan una resistencia
mecánica 4 a 5 veces mayor que la de los mismos
metales en su forma microcristalina habitual; los catalizadores,
ampliamente utilizados en las industrias químicas,
petroquímicas, farmacéuticas y sistemas
de reducción de la contaminación ambiental,
si están constituidos por nanoestructuras tienen
una reactividad más elevada que la que presentan
los catalizadores normales, y pueden conferir también
propiedades catalíticas a materiales menos costosos;
los nanocompuestos poliméricos, además
de ofrecer una extraordinaria relación resistencia/masa,
sin aumentar proporcionalmente los costos, pueden llegar
a ser buenos conductores eléctricos. |
|
Las
modificaciones de las propiedades de los materiales tradicionales
y la invención de materiales nuevos fueron procesos que ocurrieron
muy lentamente, de manera sustancialmente empírica (por ejemplo
mediante trabajado mecánico, tratamiento térmico o
aleación en el caso de los metales). Desde los primeros decenios
del siglo XX se hizo cada vez más evidente la contribución
de los conocimientos científicos que, por una parte, han
permitido prever y controlar en forma creciente el comportamiento
de los materiales para aplicaciones termoestructurales y por otra,
descubrir y difundir materiales nuevos para esas épocas ,
como el aluminio y los plásticos. Los conocimientos científicos
han permitido también el desarrollo de métodos de
observación y control y, más recientemente, de consumo,
contribuyendo así a transformar sectores enteros de la actividad
económica y a configurar la fisonomía de la moderna
sociedad industrial. En el caso específico de las industrias
de materiales se puede constatar hoy un panorama profundamente cambiado
con respecto al pasado: de la fuerte prevalencia de las grandes
empresas productoras y de transformación de grandes masas
de materiales, se ha pasado a una situación de mayor variedad
con numerosas empresas de dimensiones medias y pequeñas que
responden a una demanda fuertemente diversificada, ocupando nichos
de mercado de muy alto valor agregado.
Las nanotecnologías, que permiten manipular la estructura
de los materiales a nivel atómico, y así modificar
sus propiedades de la manera más radical y controlada que
en el pasado reciente (ver CUADRO 1 y punto 5.2), pueden representar
un salto cualitativo sin precedentes en la larga historia del desarrollo
de los materiales. En efecto, se puede prever que estas tecnologías
contribuirán a una renovación profunda del sistema
socioeconómico, tanto gracias a la utilización final
de los materiales y sistemas en la producción de bienes y
servicios, como creando nuevos esquemas de consumo y nuevas actividades
productivas.
2.2. La fabricación de los materiales en escala micro
y nanométrica. El caso de la microelectrónica y de
las tecnologías de la información.
Las microtecnologías, que permiten la fabricación
de materiales a escala micrométrica (dimensiones del orden
del micrómetro) se han desarrollado principalmente para la
electrónica de estado sólido: sobre esta base se ha
creado una metodología intelectual y un equipamiento instrumental
que llevó al estado actual de los materiales para electrónica
y para las tecnologías de la información. En particular,
se desarrolló en primer lugar el transistor - que sustituyó
las antiguas válvulas electrónicas - y, sucesivamente,
el microprocesador o "chip" que contiene una cantidad
cada vez más grande de transistores y otros componentes electrónicos.
El caso de la moderna electrónica de estado sólido,
mucho más acotado que el de los materiales para usos estructurales
a que se ha hecho referencia en el parágrafo precedente,
permite llevar a cabo evaluaciones que ilustran específicamente
la importancia socioeconómica del control de la estructura
de los materiales a pequeña escala (ver Cuadro 2).
Los datos
de la Tabla 1 hacen evidente la reducción de los costos ocurrida
entre 1970 (antes de la adopción del chip) y 1999 (cuando
se tiene a disposición el microprocesador PENTIUM III, utilizado
actualmente en las computadoras personales). El costo de la energía
de procesamiento de los datos (rapidez y almacenamiento en memoria)
ha caído unas 40.000 veces, a una tasa media anual de más
del 40%. Por otra parte, el costo de la transmisión disminuyó
más de un millón de veces, a una tasa media anual
de un 60%. Una idea más inmediata del progreso de las telecomunicaciones
la da el hecho de que en 1970 la transmisión de la costa
este a la costa oeste de los Estados Unidos de un texto como el
de la Enciclopedia Británica habría costado unos 190
dólares, mientras que hoy, todo el contenido de la Biblioteca
del Congreso de los EEUU (probablemente la más grande y completa
del mundo) se podría transmitir de costa a costa por no más
de 40 dólares.
Unidad |
Costo
de la Unidad (1970)
(dólares EE.UU) |
Costo
de la Unidad (1999)
(dólares EE.UU) |
MHz
(velocidad de procesamiento) |
7.600 |
0.17 |
Megabyte
(almacenaje en memoria fija) |
5.300 |
0.17 |
1
billón de bits
(transmisión) |
150.000 |
0.12 |
Tabla
1. Costo según la velocidad de procesamiento, del almacenaje,
y de la transmisión de la información.
Fuentes:
The Bank Credit Analyst, Federal Reserve Bank of Dallas. Elaboración
de P. Woodhall, Untangling e-conomics, a Survey of the New Economy,
pp. 1-44, The Economist, septiembre 23, 2000, de donde la Tabla
1 y el Cuadro 2 han sido adaptados.
Debe subrayarse además la rapidez sin precedentes de la reducción
de los costos. Para comparar, basta citar el caso de otras dos grandes
innovaciones de amplio impacto socioeconómico, la electricidad
y el automóvil¹ :
-
En Gran Bretaña, el costo del kilovatio-hora eléctrico
disminuyó un 65% en los 50 años transcurridos entre
1880 y 1939, a una tasa anual media del 2,5%.
- En los EEUU se ha estimado que si entre 1975-2000 (25 años)
se hubiera verificado para los automóviles una reducción
de costos y un aumento de las prestaciones equivalente a los ocurridos
en el mismo período para las computadoras, un modelo estándar
estaría costando unos 5 dólares, y recorrería
unos 100.000 km con un litro de combustible.
CUADRO
2 |
LA
INTEGRACION DE LOS TRANSISTORES EN UN UNICO CHIP DE
SILICIO
|
El
transistor, que aprovecha las peculiares propiedades
del silicio en la conducción de la corriente
eléctrica, fue inventado en 1948. Pero la verdadera
revolución en las tecnologías de la información
se empieza a vislumbrar en 1971, con la invención
del chip de silicio que alberga en su interior a diversos
transistores. La rapidez del progreso tecnológico
en la fabricación de los chips está representada
por la denominada " Ley de Moore" (propuesta
por Gordon Moore, uno de los fundadores de INTEL, empresa
líder en la producción de microprocesadores):
la capacidad de procesamiento de datos de un microchip,
representada por el número de transistores que
contiene, se duplica cada 18 meses. En la Figura 1 se
representa la ley de Moore: el número de transistores
en función del año de aparición
en el mercado de los sucesivos chips, indicados en la
figura, que han caracterizado las diversas generaciones
de computadoras (86, 286, 386, 486, PENTIUM, PENTIUM
II y PENTIUM III.
La capacidad de integrar un número cada vez más
elevado de componentes en un chip es el resultado del
progreso de la física y la química del
sólido, que ha consentido fabricar estructuras
cada vez más pequeñas, pero siempre en
escala micrométrica, sobre obleas de silicio
de elevado grado de pureza, con cantidades de impurezas
controladas (dopantes), y perfección estructural.
Un indicador del efecto económico de estos progresos
es la disminución espectacular de los costos,
evidenciada en los datos consignados en la Tabla1.
|
Representación gráfica de la ley
de Moore. |
En
la escala logarítmica de las ordenadas se representa
el número de transistores por microprocesador
en función del año de puesta en el mercado
de los microprocesadores que han caracterizado las diversas
generaciones de computadoras personales (86, 286, 386,
486, PENTIUM, PENTIUM II y PENTIUM III).
|
|
Es
cierto que la vertiginosa disminución de los costos y la
difusión cada vez más amplia y penetrante de las tecnologías
de la información y de las telecomunicaciones no es debida
solamente al progreso en la tecnología de fabricación
de los chips. Con todo, el efecto económico ilustrado sintéticamente
sería difícilmente imaginable sin el progreso de la
tecnología de los microprocesadores, progreso impensable,
por otra parte, sin la capacidad para obtener y controlar la estructura
de los materiales semiconductores (fundamentalmente el silicio),
en una escala cada vez más reducida.
Hoy en día se utilizan diversas variantes en las microtecnologías
aplicadas en la microelectrónica para la manufactura de microsensores
y sistemas micromecánicos que presentan un elevado potencial
de utilización en numerosos sectores (ver 5.3). La escala
micrométrica, sin embargo, está aún lejos de
la escala nanométrica, mil veces más pequeña.
Se estima que las nanotecnologías permitirán aumentar
aún más el número de componentes electrónicos
en los microprocesadores basados en silicio ultra puro. Son de esperar,
por lo tanto, ulteriores reducciones de los costos antes de llegar
a los límites físicos impuestos por la estructura
atómica de los semiconductores. En efecto, las previsiones
más fundadas indican hoy que la ley de Moore (ver Cuadro
2) mantendrá todavía su validez por lo menos por un
decenio. Si bien no se puede establecer en la actualidad una relación
directa entre nanotecnología y ley de Moore, con sus consecuencias
tecnológicas y socioeconómicas, aparece ya claro que
en los próximos años su validez dependerá de
la capacidad de concentrar cada vez más componentes en espacios
cada vez más reducidos, lo que lleva automáticamente
a considerar las nanoestructuras como la base para nuevos microprocesadores.
Dichas nanotecnologías permitirán igualmente un mejoramiento
de las prestaciones con reducción significativa de los costos
en relación con los sistemas actuales de producción
en escala micrométrica (micromáquinas, microsistemas
electromecánicos, micro robots; ver 6.2).
2.3.
Nanotecnologías y materiales: algunas conclusiones.
Las nanotecnologías constituyen un punto culminante en el
desarrollo de la capacidad de modificar las propiedades de los materiales,
punto al cual la moderna sociedad tecnológicamente avanzada
llega por dos caminos convergentes: uno es el camino histórico,
que ha permitido enriquecer continuamente el inventario de los materiales
disponibles (modificaciones de materiales conocidos y creación
de materiales enteramente nuevos); el otro es el desarrollo de tecnologías
de preparación de los materiales en escalas cada vez más
reducidas, lo que permitió el desarrollo de la microelectrónica
y de otras producciones micrométricas.
La convergencia de ambos caminos se ha traducido en progresos cada
vez más rápidos y de amplios alcances tecnológicos,
sociales y económicos. Los progresos en un campo específico,
como la electrónica y las tecnologías de la información,
permiten evaluar el impacto tecnológico y económico
derivado de la posibilidad de trabajar la materia a escala micrométrica.
Una evaluación equivalente en el campo más vasto y
variado de los materiales nanoestructurados sería, sin duda,
más compleja. Aún así, se puede constatar que
los progresos recientes en estos materiales, resultado de un creciente
conocimiento y control de su estructura a nivel atómico,
han llevado a cambios sustanciales en los esquemas de producción
y consumo en los sectores más variados (mecánica,
electromecánica, química, energía, industria
aeroespacial, biomedicina, transporte, agroalimentos, construcción,
etc.), con reducción de costos y aumento general de la eficiencia
(miniaturización, reducción general del consumo de
materiales y energía , y de los efectos ambientales consiguientes,
por unidad de producto).
Se puede por lo tanto suponer razonablemente que la capacidad de
actuar sobre las estructuras de los materiales a escala nanométrica
producirá efectos de vastos alcances a través de la
tecnología de los materiales que tendrá incidencia
en todos los sectores de la economía, incluido el de la microelectrónica
y las tecnologías de la información. Estas, a su vez,
contribuirán a acelerar el cambio tecnológico en los
sectores actuales, incluido el de los materiales, y a dar origen
a sectores enteramente nuevos. En consecuencia, no es arriesgado
plantear la hipótesis de que nos encontramos hoy en las fases
iniciales de una onda expansiva equivalente a la iniciada a comienzos
de la década del 70 cuando se produjo la introducción
del microchip.
3.
LA PRODUCCIÓN DE NANOESTRUCTURAS
3.1.
Aspectos generales: distintas alternativas
En el conjunto
de los procesos de producción de materiales nanoestructurados
se pueden distinguir dos alternativas, ilustradas en la Figura 2:
una, denominada "top down" , por la cual las nanoestructuras
se desarrollan "grabando" un bloque de material, y otra,
denominada "bottom up" , por la cual los materiales nanoestructurados
se producen o generan a partir de " nanobloques" de átomos.
Figura
2. Ilustración esquemática de las alternativas
"top-down" y "bottom-up" para la producción
de nanoestructuras. |
Las técnicas
"top-down" presentan muchas analogías con las técnicas
litográficas de producción de microprocesadores electrónicos
a los que se ha hecho referencia (ver 2.2 y Cuadro 2). Mediante
estas técnicas los circuitos de transistores integrados en
el microprocesador se graban sobre una oblea de silicio ultra puro
preparado a tal efecto. Previamente los circuitos, con todos sus
componentes, se diseñan sobre una máscara y luego
se proyecta una imagen de la misma, reducida a la escala apropiada,
sobre la oblea de silicio. Mediante tratamientos químicos
se "fijan" los circuitos proyectados, y se cortan los
microchips de manera de constituir dispositivos con una adecuada
resistencia estructural.
Para hacer la proyección de los circuitos sobre la oblea
de silicio se utiliza por lo general radiación ultravioleta,
lo que difícilmente permite alcanzar una resolución
mejor que 100 nm. Esto representa un límite a la cantidad
de componentes integrados en el microprocesador, y en consecuencia
a sus prestaciones (ver 2.2 y Cuadro 2). Para lograr resoluciones
mayores, hasta algunas decenas de nanómetro, se deben utilizar
otro tipo de radiaciones (haces de electrones, radiación
ultravioleta lejana, con longitudes de onda inferiores a las utilizadas
hasta ahora en la industria electrónica, o rayos X). Las
técnicas que permiten alcanzar resoluciones manométricas,
actualmente en etapa de desarrollo, permitirán integrar sobre
un único chip un número de componentes más
elevado del actual, y por lo tanto mejorar la relación costo
/capacidad de procesamiento de datos.
Las técnicas litográficas se utilizan también
en la producción de micromáquinas y microsistemas
electromagnéticos cuyas posibilidades de aplicación
hacen prever una amplia difusión en los mercados. Para mayores
informaciones sobre los microsistemas y sobre las técnicas
"top-down" , ver el Apéndice 3.
En lo que sigue se examinarán con más detalles las
técnicas "bottom-up", que aparecen hoy en día
como más cercanas a su aplicación en una amplia variedad
de sectores productivos.
3.2.
Técnicas "bottom-up" o de síntesis de materiales
nanoestructurados.
Estas técnicas permiten obtener (ver Figura 3): polvos de
granulometría muy fina, que pueden ser compactados para obtener
productos de variadas características y dimensiones, o dispersados
en el interior de otro material, para modificar de algún
modo sus características; capas delgadas depositadas sobre
substratos diversos, que tienen ya importantes aplicaciones; bloques
nanométricos que se pueden compactar a través de manipulación
atómica con técnicas que aún están a
nivel de laboratorio (ver parágrafo 4).
Figura
3. Las distintas vías para obtener un material nanoestructurado.
Desde el primer
proceso usado en los primeros años de la década del
80 (condensación de gases) hasta hoy, han aparecido al menos
treinta procesos diferentes para producir materiales nanoestructurados
ya sea en forma de polvo finamente dividido o ya sea como recubrimientos
superficiales, o bien productos de dimensiones muy pequeñas.
Se trata de una verdadera síntesis, es decir, un conjunto
de procesos físicos y químicos mediante los cuales
átomos y moléculas se combinan para dar lugar a un
material cuya utilidad dependerá de la medida en que ese
proceso permita obtenerlo en cantidad, calidad y forma acordes con
su uso funcional y bajo costo. La síntesis de materiales
nanoestructurados puede ser llevada a cabo mediante procesos de
síntesis (en fase líquida, vapor o sólida)
usados desde hace mucho tiempo para la producción de algunos
materiales tradicionales; con oportunas modificaciones de los mismos
para obtener estructuras nanométricas (polvos o películas
delgadas). En lo que sigue se indicarán los principales procesos.
3.2.1. Procesos en fase líquida
-
Sol-gel: se parte de un precursor constituido por una solución
de una sal metálica o un compuesto órgano metálico.
Esta solución se trata de manera de producir una suspensión
coloidal de partículas (micelas inversas) de dimensiones
del orden de los 1.000 nm (el sol). Ulteriores tratamientos permiten
la formación de un gel semisólido que da origen a
una película delgada o a polvos nanométricos.
-
Atomización mediante corriente de gas: se hace impactar
sobre un metal fundido un fluido, típicamente un gas inerte,
a elevada velocidad. Se forman así pequeñísimas
gotas que, impactando entre sí, se rompen dando lugar a un
polvo nanocristalino. Este método permite producir cantidades
significativas de polvos a costos relativamente bajos, pero su aplicación
está limitada a los metales.
-
Electrodeposición: la base de estos procesos es conocida
y aplicada desde hace mucho tiempo en galvanoplastia. Se trata de
descomponer una solución mediante el pasaje de una corriente
eléctrica. Controlando el proceso de manera adecuada, el
producto de la descomposición se obtiene en forma de polvo
o bien de un recubrimiento nanoestructurado. En la medida que se
pueda aplicar, esta técnica es poco costosa y apropiada para
producciones a escala industrial.
- Procesos "sonoquímicos": Esta técnica
permite obtener nanopolvos en cantidades importantes mediante la
acción de ultrasonidos sobre soluciones de compuestos por
lo general de tipo organometálico. La acción de los
ultrasonidos genera cambios repentinos de presión y temperatura
muy localizados, que descomponen la solución formando nanopartículas.
3.2.2.
Procesos en fase vapor
-
Procesos con aerosoles. Estos procesos son corrientemente utilizados
para la obtención de polvos ultrafinos (partículas
de diámetro inferior a 100 nm) y un control adecuado del
proceso permite llegar a dimensiones del orden de los 10 nm. Los
procesos con aerosoles pueden utilizarse también para obtener
recubrimientos de capas delgadas. Para la producción de los
polvos se utiliza un aerosol (fase líquida o sólida
finamente dispersa en un gas ) evaporando el líquido precursor
en gotas submicrométricas distribuidas en un gas a baja presión;
en una cámara de reacción a mayor temperatura se evapora
o quema el solvente, y las partículas dispersas experimentan
reacciones químicas que, debidamente controladas, dan origen
a polvos de la composición deseada, que se enfrían
con sistemas adecuados. Las capas delgadas pueden obtenerse haciendo
reaccionar las gotas submicroscópicas sobre un sustrato caliente,
o haciendo evaporar el solvente en la cercanía del sustrato.
Los reactores más utilizados para la producción de
estos polvos son a gas, pero existen otros tipos (a plasma, a láser,
pirolíticos), que pueden resultar más convenientes
para aplicaciones particulares.
-
Deposición en fase vapor. Estas técnicas se utilizan
corrientemente, desde antes del desarrollo de las nanotecnologías,
para obtener recubrimientos superficiales en escala industrial (por
ejemplo, obtención de herramientas de corte, de vidrios reflejantes
para cerramientos, etcétera). Las técnicas de deposición
en fase vapor se pueden clasificar en tres grupos: deposición
física en fase vapor o PVD (de "physical vapor deposition"),
deposición química en fase vapor o CVD (de "chemical
vapor deposition") y atomización térmica.
-
La PVD se lleva a cabo sin que intervengan reacciones químicas,
llevando a fase vapor un elemento o un compuesto (por calentamiento,
láser, plasma, descarga eléctrica o bombardeo iónico),
para luego condensarlo sobre un sustrato. Para mejorar la adherencia
y la calidad de la capa se puede recurrir también a un bombardeo
iónico. Con modificaciones apropiadas de los procesos se
pueden obtener capas delgadas constituidas por nanoestructuras,
por ejemplo, haciendo la deposición por medio de haces de
pequeños agregados de pocos átomos, obteniendo así
capas con propiedades mecánicas, ópticas y eléctricas
distintas de las capas normalmente depositadas por PVD. También
depositando una capa de átomos sobre otra de manera controlada,
utilizando la técnica denominada epitaxia de haces moleculares
(MBE, "molecular beam epitaxy"). Esta última técnica
se usa para fabricar los materiales denominados GMR ("giant
magnetoresistance read head"), en los cuales la resistencia
eléctrica cambia drásticamente en presencia de un
campo magnético, propiedad de gran interés para los
sistemas de lectura de los discos rígidos de las computadoras,
o para la realización de sistemas magnéticos de refrigeración
que no utilizan ningún líquido refrigerante.
-
La CVD. El compuesto químico que contiene el precursor
de la sustancia que se quiere depositar, debe ser llevado a fase
vapor mediante calentamiento. En una segunda etapa, en una atmósfera
adecuada, se produce su descomposición, con lo cual precipita
la sustancia de interés sobre el sustrato predefinido, a
una temperatura elevada igual a la temperatura de los gases presentes.
Se puede reducir la temperatura del sustrato favoreciendo la reacción
mediante la irradiación con electrones o fotones que favorezcan
la descomposición del vapor a través de reacciones
fotoquímicas. Con la CVD activada por electrones se realizan
corrientemente recubrimientos superficiales de alta resistencia
mecánica, como los de carbono tipo diamante o los de carburo
de boro cúbico. Como en el caso de la PVD, el control adecuado
del proceso permite obtener capas delgadas nanoestructuradas con
mejores características y para diversos campos de aplicación.
También se usa la CVD, ya desde hace tiempo, para la fabricación
de las preformas de las cuales se estiran las fibras ópticas
para la transmisión de comunicaciones.
-
Atomización térmica. Este procedimiento se utiliza
en la actualidad para recubrir superficies con capas resistentes
a agentes químicos y solicitaciones termomecánicas,
mediante el rociado a alta temperatura de polvos formados por micropartículas.
La técnica de spray térmico más generalmente
utilizada es el plasma spray. La misma consiste en tratar la superficie
con partículas de polvo transportadas por un gas previamente
ionizado - el plasma - a alta temperatura y gran velocidad. En el
momento del impacto con la superficie, las partículas se
depositan primero como microláminas prácticamente
líquidas que solidifican mezclándose con el material
de la misma superficie, y luego se adhieren una sobre la otra, hasta
formar una capa muy densa. Se prevé que el uso de nanopolvos
ampliará considerablemente las posibilidades de esta técnica
gracias a un mejoramiento sustancial de las características
de las capas depositadas, modificadas "a medida" para
los requisitos específicos.
3.2.3.
Síntesis desde la fase sólida
Esta técnica debería ser considerada entre las denominadas
"top down", dado que consiste en la molienda de granos
de material hasta llegar a las dimensiones nanométricas.
Se trata de la molienda extrema de materiales (ultra molienda),
en sofisticados molinos a esferas, seguida luego por tratamientos
térmicos adecuados. Esta técnica deriva de los métodos
de conminución ampliamente utilizados en numerosos sectores
productivos, desde la industria cementera hasta la alimentaria y
farmacéutica. Los materiales cerámicos avanzados,
que requieren la producción de polvos micrométricos
de alta pureza, han permitido estudiar a fondo los problemas energéticos
y de contaminación que se presentan en la producción
por molienda de materiales ultrafinos, y que actualmente pueden
ser reducidos aceptablemente. Así, esta técnica, ya
disponible en el mercado, puede ser utilizada para la preparación
de materiales nanoestructurados.
3.2.4.
Nuevas técnicas en fase de experimentación
En un campo como el de las nanotecnologías, en rápida
evolución, y en el cual, en los países desarrollados,
los entes estatales y las principales empresas están invirtiendo
importantes recursos, se proponen continuamente nuevas técnicas.
La mayor parte de las mencionadas en los parágrafos precedentes
se han originado en técnicas micrométricas conocidas
y aplicadas desde hace tiempo. Si bien sus aplicaciones a escala
nanométrica están aún lejos de una optimización
operativa y económica, tales técnicas aparecen hoy
como las más prometedoras a corto plazo.
Existen otras técnicas que revisten un interés potencial
para su aplicación práctica, pero que no están
todavía suficientemente desarrolladas como para hacer previsiones
realistas sobre la factibilidad técnico-económica
de su difusión en el campo de los materiales. En particular
pueden mencionarse:
-
Las técnicas de auto ensamblaje, que consisten en lograr
que pequeños grupos de moléculas se unan "automáticamente"
según estructuras predefinidas, como ocurre en los sistemas
biológicos naturales (por ejemplo en la formación
del ADN), utilizadas ya en la biotecnología. Se podrían
producir de esta manera nuevos materiales de origen biológico
y dispositivos electrónicos , incluidos los realizables con
polímeros, eliminando el proceso litográfico.
-
La manipulación de los átomos que se puede realizar
por medio del microscopio de fuerza atómica (AFM, "atomic
force microscope"), y del microscopio de barrido por efecto
túnel (STM, "scanning tunneling microscope" ).
Estos instrumentos, además de proporcionar imágenes
de superficies con resolución atómica (ver parágrafo
4), pueden utilizarse para posicionar átomos o moléculas
sobre la superficie de un material. Este posicionamiento de los
átomos puede ser de tipo sustancialmente físico de
manera de formar estructuras bidimensionales, o bien rompiendo enlaces
químicos y formando nuevos entre los átomos de la
superficie. La manipulación atómica se encuentra aún
en las primeras fases de experimentación a escala de laboratorio.
-
Los haces de agregados de átomos o moléculas ("clusters")
que se puedan generar vaporizando un material y haciéndolo
condensar en una cámara especial. Luego los "clusters"
se hacen expandir en otra cámara a velocidades supersónicas
controlando la diferencia de presión entre ambas cámaras.
La aplicación de esta técnica en la síntesis
de nuevos materiales se ilustra en el parágrafo 5.2.
4.INSTRUMENTACIÓN PARA LAS NANOTECNOLOGÍAS
Las investigaciones fundamentales sobre las nanoestructuras y las
aplicaciones que surgen de las mismas requieren una infraestructura
particular, además de la ya habitual en los modernos laboratorios
de desarrollo y ensayo de materiales (instrumentación analítica,
microscopios electrónicos de diverso tipo, sistemas de alto
vacío, y otros equipos). Las técnicas de diagnóstico
para el estudio de los materiales nanoestructurados tienen, además
de un interés científico, un potencial interés
práctico a nivel industrial, como la microscopía de
fuerza atómica y la microscopía de efecto túnel
. En efecto, son necesarios en este campo sistemas de manipulación
e instrumentación de control altamente refinados, capaces
de operar prácticamente a nivel atómico evitando cualquier
contaminación del material en estudio. En lo que sigue se
describen sintéticamente los microscopios de fuerza atómica
(AFM) y de efecto túnel (STM). Ambos instrumentos permiten
tanto la observación y el control de superficies con resolución
atómica, como el posicionamiento de átomos o moléculas
sobre una capa superficial (ver 4.2.4).
4.1.
El microscopio de fuerza atómica (AFM).
Se
trata de un instrumento versátil y extremadamente preciso
para estudiar estructuras y medir las fuerzas superficiales sobre
una muestra del material. En la figura 4 se esquematiza su funcionamiento.
4.1. El microscopio de fuerza atómica (AFM). |
 |
Figura
5. Fotografía de un microscopio de fuerza atómica
(AFM) |
La
información sobre la superficie bajo examen se recoge a través
de una punta muy delgada (pocas decenas de micrones) montada en
el extremo de una varilla elástica. Esta última consiste,
por lo general, de uno o varios haces de fibras de nitruro de silicio
o de silicio metálico cuya longitud varía entre 100
y 500 micrómetros (0,1 a 0,5 mm), con un espesor entre 0,5
y 5 micrómetros. La punta sensible transmite la fuerza que
se ejercita entre la misma y los átomo o moléculas
de la superficie de la muestra cuando aquélla se mueve hacia
arriba y hacia abajo sobre ésta última, detectando
su rugosidad, y este movimiento puede ser medido con extrema precisión
por medio de, por ejemplo, un haz láser reflejado por un
espejo pequeño colocado sobre la punta y recogido por un
elemento sensible (fotodiodo). Los datos procesados permiten reconstruir
la estructura superficial en la dirección vertical, z. Una
pequeña unidad que contiene un cristal piezoeléctrico,
del tipo de las antiguas cápsulas con la púa de los
tocadiscos, permite detectar la estructura horizontal de la superficie,
en función de las ordenadas x e y. Se puede obtener así,
con resolución nanométrica, la topografía de
una muestra en una escala que varía desde 100 hasta 150.000
nm (0,15 mm), pudiéndose lograr resoluciones del orden de
1 nm.
La AFM puede trabajar en aire, bajo vacío y en medio líquido
(para muestras biológicas), y analizar tanto materiales aislantes
como conductores de la electricidad. Generalmente puede trabajar
en tres modos: "contact mode", "non-contact mode"
y "tapping mode". En el "contact mode" la punta
está en contacto con la muestra. En el "non-contact
mode" la punta de la varilla elástica se mantiene a
una distancia pequeña de la muestra, y la topografía
de la superficie se reconstruye a partir de la medición de
las fuerzas de Van der Waals actuantes entre los átomos de
la punta y los de la superficie. En este modo, si bien se evitan
daños a la muestra debido a la adherencia entre la punta
y la superficie, se tiene una resolución menor respecto a
los otros dos modos. Finalmente, en el " tapping mode"
la varilla se mantiene en oscilación, y la punta está
en contacto en forma intermitente con la superficie, lo que permite
tener una información topográfica de alta resolución
en el caso de muestras blandas o adhesivas.
Además de obtener una imagen de la topografía de la
superficie de la muestra, es posible obtener, al mismo tiempo y
en escala nanométrica, un mapa cualitativo de la fricción,
de la dureza y de la adhesión, informaciones complementarias
que completan la imagen topográfica (por ejemplo, individualizando
los distintos componentes en un material compuesto o la presencia
de contaminantes en su superficie). Modelizando adecuadamente los
fenómenos de fricción, dureza y adhesión en
escala micrométrica y nanométrica, y caracterizando
las propiedades mecánicas de la varilla, resulta posible
obtener una información cuantitativa sobre estos fenómenos.
Ello puede ser útil, por ejemplo, para estudiar el estado
de una pieza mecánica antes y después de su uso, poniendo
en evidencia los fenómenos incipientes de desgaste que ha
experimentado.
También resulta posible reconstruir el mapa de las propiedades
magnéticas de la muestra, lo que encuentra aplicación
en los dispositivos magnéticos para el almacenamiento de
datos.
4.2.
El microscopio de efecto túnel (STM)
El STM está constituido, esencialmente, por una varilla similar
a la del AFM pero con una punta más fina (del orden de un
micrómetro). La punta se ubica a una distancia equivalente
a pocos átomos de la superficie en estudio (figura 6). Aplicando
una diferencia de potencial entre la punta y la superficie se genera
un flujo de electrones debido al denominado "efecto túnel"
, fenómeno cuántico que da origen a una corriente
eléctrica entre dos puntas conductoras (o por lo menos semiconductoras)
debida a diferencias de potencial tales que, según la física
clásica, no serían suficientes para dar origen a un
flujo de electrones.
Figura 6. Esquema del funcionamiento de un microscopio
de efecto túnel. |
La corriente generada depende de la distancia
entre la punta y la superficie y por lo tanto, desplazando la punta
sobre esta última se pueden registrar las variaciones de
corriente que corresponden a las características superficiales
en escala atómica. También pueden obtenerse así
informaciones relacionadas con las propiedades eléctricas
y topológicas, así como sobre defectos estructurales
en escala atómica (dislocaciones y otros) .
El STM es capaz de escribir y leer las estructuras superficiales
en escala atómica y de posicionar los átomos y las
moléculas sobre la superficie, aprovechando su punta ultrafina;
con todo, estas aplicaciones están limitadas por el momento
a escala de laboratorio.
Con respecto al AFM, el STM presenta un interés y una posibilidad
de aprovechamiento menor en el campo industrial, debido a sus condiciones
operativas más limitadas : es utilizable solo con materiales
conductores o semiconductores (recientemente se ha comenzado la
investigación sobre sistemas orgánicos) y debe operar
en vacío o en atmósfera controlada.
5. LOS CAMPOS DE APLICACIÓN
5.1. Premisas
En lo que sigue se procederá según dos enfoques: el
intersectorial ( 5.2) y el sectorial (5.3). En el primero se concentrará
la atención sobre las aplicaciones en campos que pueden interesar
transversalmente una amplia variedad de sectores (materiales, sensores,
catalizadores, química) aun cuando resulta inevitable hacer
referencia a algunos usos específicos. En el enfoque sectorial,
en cambio, se hará referencia a algunos sectores de reconocida
importancia, ya sea por sus dimensiones como por su valor estratégico.
Si bien no hay dudas sobre el notable potencial económico
del conjunto de estas aplicaciones, algunas de las cuales están
ya cerca de los mercados, la mayor parte de las mismas se encuentran
actualmente en una fase de investigación. Así, buena
parte de los ejemplos que se presentan son adelantos de las actividades
de ID. Ellas proporcionan en general elementos ciertos sobre la
factibilidad científico-técnica con vistas a ciertos
usos; sin embargo, tal actividad no puede proporcionar por sí
sola elementos suficientes para evaluar la conveniencia económica
y, en particular, los mercados potenciales posibles.
5.2.
Los materiales
El campo de los materiales es típicamente intersectorial.
De hecho, los mismos se utilizan en todos los sectores de actividad
incluyendo la fabricación de componentes, dispositivos y
sistemas que, a su vez, interesan transversalmente a variados sectores
(por ejemplo: sensores, catalizadores, micromáquinas, microsistemas
electro-mecánicos, y otros).
En el parágrafo 3.2. se ha señalado importancia del
control de las propiedades de los materiales a través de
las modificaciones de su estructura a nivel atómico. La posibilidad
de producir en escala nanométrica bloques de composición
y dimensiones controladas de manera precisa, para ensamblarlos luego
en estructuras de la forma y dimensiones deseadas, representa un
cambio radical, tanto en los procesos de producción de los
materiales como en sus propiedades, distintas de las conocidas hasta
ahora. Estos cambios hacen que el potencial aplicativo de estos
materiales sea muy elevado, ya sea que se presenten en forma de
polvos, de piezas consolidadas, o de capas delgadas, o bien bajo
formas particulares como los nanotubos, irrealizables con los materiales
de estructura tradicional.
5.2.1.
Polvos y piezas consolidadas
Los
nanopolvos pueden utilizarse directamente como tales, o bien pueden
ser trabajados ulteriormente, compactándolos para constituir
piezas consolidadas monolíticas, o bien dispersándolos
en otros materiales para formar materiales nanocompuestos. En cada
caso se reconoce la necesidad de desarrollar técnicas que
permitan la pro ducción en cantidades suficientes y a costos
aceptables de polvos constituidos por partículas de dimensiones
y propiedades estrechamente controlables.
Los
nanopolvos. Pueden emplearse en segmentos específicos
de los numerosos sectores que usan tradicionalmente sólidos
finamente divididos ( industria metalúrgica, alimentaria,
farmacéutica). En sucesivos parágrafos se hará
referencia específica a algunos grandes sectores utilizadores
de dichos sólidos (química, sensores, catálisis).
Los siguientes ejemplos conciernen a algunos sectores específicos
de uso potencial.
-
Pigmentos, colorantes, barnices y tintas. El uso de nanopartículas
llevaría a notables mejoras en la calidad en las industrias
textiles, del vestido, impresiones gráficas y películas
fotográficas.
- Cosméticos. Los pigmentos a base de nanopolvos desarrollados
por varias empresas , presentan una elevada capacidad de absorción
de rayos ultravioletas, lo que los hace ventajosos para las cremas
protectoras solares. Teniendo en cuenta las dimensiones del mercado
de la cosmética, el desarrollo del uso de nanopolvos en este
sector aparece como particularmente interesante.
- Pastas abrasivas. Las pastas basadas en nanopartículas
resultan ventajosas para pulir superficies que requieren una planaridad
rigurosa y una terminación de altísima calidad (por
ejemplo las obleas de silicio usadas en la industria electrónica,
los discos rígidos para computadoras, los cabezales magnéticos,
los espejos y otros componentes de sistemas ópticos). Resultan
así complementarios con la obtención de superficies
perfectamente planas y el terminado mediante el bombardeo controlado
con nanoagregados de iones. La creciente demanda de terminaciones
de alta calidad y la esperada reducción de costos de los
polvos nanométricos permiten prever una expansión
de la utilización de los mismos en el sector de los abrasivos.
- Farmacología. Los fármacos bajo formas de
nanopolvos hacen posible la utilización de sustancias
de baja solubilidad, duplicando así los productos químicos
disponibles en el campo farmacológico. Además, el
uso de nanopartículas permitiría acciones puntuales,
en particular sobre los tumores, impracticables con partículas
más grandes.
Piezas
monolíticas. Obtenidas mediante la compactación
de nanopolvos, se han ya mencionado algunos ejemplos de propiedades
singulares como la resistencia mecánica más elevada
en materiales metálicos, y las mejores propiedades mecánicas
en el caso de las cerámicas tenaces. Los procesos productivos,
por su parte, pueden ser optimizados mejorando significativamente
los rendimientos, con la consiguiente disminución de los
descartes. En particular, y tanto con materiales poliméricos
como cerámicos y metales, se pueden producir cuerpos con
tal precisión en sus formas y dimensiones finales como para
hacer innecesarias las operaciones de terminado. Ejemplos:
- La fabricación de un objeto cerámico mediante
sinterizado y sucesivas etapas de terminado. La fabricación
de una cerámica monolítica partiendo de polvos de
granulometría convencional es, por lo general, un proceso
largo y complicado, y el rendimiento es bajo . En el sinterizado
a temperaturas elevadas se concentra, según el tipo de material,
entre el 50 y el 90% de los costos de producción. El uso
de nanopolvos permite obtener cerámicas que, conservando
la resistencia mecánica y a altas temperaturas propias de
estos materiales, requieren menores tiempos de fabricación.
En el caso de la alúmina, estos tiempos se reducen de unas
diez horas a alrededor de veinte minutos.
- Los llamados "metales duros", utilizados desde
hace mucho tiempo en las máquinas herramientas para el trabajado
mecánico, están constituidos por partículas
de carburo de tungsteno (WC) dispersas en una matriz de cobalto.
Estos materiales compuestos se obtienen mediante un proceso que
se inicia con la mezcla mecánica del polvo de carburo de
tungsteno y el de cobalto metálico; luego la mezcla se prensa
y se sinteriza. Utilizando nanopolvos en lugar de polvos de granulometría
convencional se inhibe la formación de micro defectos, precursores
de los fenómenos de fractura. Así, los materiales
compuestos obtenidos a partir de nanopartículas muestran
elevadas características mecánicas y tribológicas
- Los materiales biocompatibles, aptos para ser usados en
prótesis o en la reparación de partes lesionadas.
Pueden utilizarse como piezas formadas a partir de polvos o bien
bajo la forma de capas delgadas que, recubriendo la superficie de
una pieza, la hacen compatible con las condiciones del cuerpo humano
donde debe trabajar. La posibilidad ofrecida por las nanotecnologías
de modificar las propiedades de los materiales abre nuevas fronteras,
permitiendo realizar implantes en vivo, de otro modo impracticables.
5.2.2.
Materiales nanoestructurados y nanocompuestos a base de carbono
Por mucho tiempo se creyó que el carbono existía solamente
en dos formas cristalinas estables, diamante y grafito, cuyas estructuras
se esquematizan en la figura 7 (los puntos negros son átomos
de carbono), y con las características conocidas. Pero en
1985 se sintetizaron las primeras moléculas de fullereno,
cuya estructura es distinta de las dos mencionadas (ver figura):
en efecto, el fullereno está formado por 60 átomos
de carbono unidos para formar un icosaedro truncado (no hay mejor
modo de visualizarlo que una pelota de fútbol en la cual
se han sustituído los vértices de los pentágonos
y hexágonos que la constituyen por átomos de carbono.
Se descubrieron así nuevas formas de agregación del
carbono, de acuerdo a las cuales cambiaban en forma notable las
propiedades ópticas, mecánicas, electrónicas
y térmicas del material.
| Figura
7. Arriba: Estructuras cristalinas de las distintas formas alotrópicas
del carbono. Abajo: a) Modelo de C60; b) ejemplo de estructura
de nanotubo como se deduce de cálculos teóricos
y de consideraciones de simetría. |
Entre
las nuevas estructuras del carbono, los nanotubos, descubiertos
en 1991, han suscitado gran interés por su potencial aplicativo,
todavía para ser desarrollado. Los nanotubos están
constituidos por hojas grafíticas enrolladas y constituyen
el equivalente nanoscópico de las bien conocidas fibras de
carbono corrientemente utilizadas como refuerzo en materiales compuestos
livianos. Con los nanotubos se pueden obtener "materiales nanocompuestos",
extremadamente livianos y resistentes, adaptables sea a usos aeroespaciales
o para prótesis e implantes in vivo en el cuerpo humano.
Dado que los nanotubos pueden ser también óptimos
conductores de la electricidad, si son adicionados de manera adecuada
a materiales normalmente no conductores, pueden modificar las propiedades
de conducción eléctrica de estos últimos. Así,
por ejemplo, nanocompuestos poliméricos pueden conducir la
electricidad encontrando aplicaciones de gran interés en
el campo de las comunicaciones (radares, antenas, etcétera),
en la construcción de satélites artificiales, y en
otras.
Las perspectivas de los nanocompuestos conductores son muy prometedoras
también en la industria automovilística. Los vehículos,
en efecto, utilizan cada vez más materiales compuestos no
metálicos. Si las partes no metálicas fuesen conductoras
de la electricidad en forma controlada, se podrían aplicar
sobre las mismas procesos de pintura por electro spray, utilizados
normalmente para las partes metálicas. O bien agregando pequeñas
cantidades de nanotubos a los materiales usados para carga del caucho
en los neumáticos, éstos tendrían una sensibilidad
eléctrica que podría utilizarse para controlar su
estado. También se ha propuesto su uso en hormigones y asfaltos
para caminos y rutas, ya que servirían para detectar microfisuras
críticas.
En esta dirección, varias empresas están desarrollando
óxido de polifenil /poliamida cargado de nanotubos, y se
afirma que muchas empresas automotrices lo están probando
en diversas partes del mundo. Basta sólo un 2% de nanotubos
para permitir la pintura electrostática y un mejor terminado
superficial; el problema es su costo, aún elevado.
La realización de películas y recubrimientos de carbono
nanoestructurados puede ser lograda mediante una técnica
recientemente puesta a punto, técnica que consiste en la
creación de un haz supersónico de agregados ("clusters")
de átomos de carbono. Mediante descarga en arco eléctrico
se crea un plasma de carbono que se mezcla con gas helio. Se expande
la mezcla en el vacío para crear un haz de partículas
de alta velocidad y muy colimado; se intercepta luego el haz con
un sustrato sobre el cual las partículas se depositan formando
una capa. Se trata de una técnica similar a la pintura en
aerosol. Se obtienen así de manera eficiente y econ&oac |
INTEMA - Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología
de Materiales
CETMIC - Centro de Tecnología de Recursos Minerales
y Cerámica 
INTI
- Instituto Nacional de Tecnología Industrial
