martes, 14 de mayo de 2013

Nanocompuestos

Autor:
PhD. Guillermo Choque Aspiazu
http://www.eldiario.net/
Publicado en:
Octubre 20 de 2008

La visión que hoy en día la ciencia y la tecnología tienen hacia lo pequeño está basado en la investigación científica que ya desde hace mucho tiempo se lleva acabo por científicos de todo el mundo, con la meta fijada en el mejoramiento del funcionamiento de cualquier sistema. Esta visión de tender hacia lo pequeño y todos los estudios realizados podrían englobarse en dos términos nanotecnología y nanociencia. La nanotecnologia podría decirse que es el estudio de materiales a una escala nano, es como trabajar con los instrumentos que hoy en día se tienen, pero en un tamaño diminuto, imperceptible para la vista. La nanotecnologia estudia todos los fenómenos de la materia a nano escala, es decir el comportamiento que tienen y todo lo que se puede hacer con los nanomateriales. Hablar de materia del tamaño de átomos es hablar de nanotecnología. Es trabajar con materiales de tamaños miles de veces menores a un grano de arena. El físico teórico Richard Feyman es considerado el padre de la nanociencia, al proponer el año 1959, la fabricación de productos con base en un reordenamiento de átomos y moléculas.


En los últimos años, los nanocompuestos han sido un tema muy estudiado en el campo de la nanotecnología. Ellos engloban una gran cantidad de sustancias con muchísimas aplicaciones y con un futuro muy prometedor. La aplicación de estos compuestos es diversa en los campos de la “electrónica molecular” o en la “biomedicina”. Los nanocompuestos pueden ser divididos principalmente en dos grupos principales: catenanos y rotaxanos. Los rotaxanos están formados por una especie de anillos que están entrelazados, y estos están atravesados por un “hilo” en línea recta. Los rotaxanos se pueden unir entre sí. Los anillos actúan como una funda que protege al “hilo” central del exterior. Los pasos para crear un rotaxano pueden ser reversibles por eso es posible obtener de nuevo los anillos con los que se formó el rotaxano. Esta es una propiedad que permite que los rotaxanos tengan “memoria” es decir, al unir un rotaxano con otro, el rotaxano recuerda la posición en que tiene que colocarse para hacer la unión. Los catenanos tienen una forma diferente a los rotaxanos. Los catenanos están formados por dos anillos que están unidos como los eslabones de una cadena, y así como las cadenas no pueden separarse a menos que uno sea roto. Esta es una propiedad que permite a los catenanos tener libertad para rotar. Otros nanocompuestos no tienen esta propiedad, distinguiendo a los catenanos de los demás y debido a esto son aplicados en sistemas utilizados para almacenar información.

La definición de materiales nanocompuestos se ha ampliado significativamente para abarcar una extensa variedad de sistemas tales como uni-dimensional. bi-dimensional, tri-dimensional y materiales amorfos, hechos a partir de distintos componentes y trabajados a escala nanométrica. El tipo general de materiales orgánicos o inorgánicos de nanocompuestos es un área de investigación de rápido crecimiento. Esfuerzos significativos se centran en la habilidad de obtener el control de las estructuras a nanoescala vía aproximaciones sintéticas innovadoras. Las propiedades de los materiales nanocompuestos dependen no solo de las propiedades de sus patrones individuales sino también de su morfología y de sus características interfaciales. La rápida expansión de este campo está generando muchos interesantes nuevos materiales con nuevas propiedades. Lo último puede derivarse de la combinación de propiedades a partir de las materias constituyentes en un solo material. Hay también la posibilidad de nuevas propiedades las cuales son desconocidas en los materiales constituyentes.

El gran interés de los nanomateriales reside en las propiedades únicas que exhiben: interfaciales, mecánicas, térmicas, electrónicas, eléctricas, magnéticas y ópticas; debido principalmente a su pequeño tamaño y a su alto grado de perfección. El reto se encuentra, por lo tanto, en trasladar estas propiedades desde la nanoescala a materiales y estructuras en la macroescala. Con la introducción de estos nuevos materiales en los elementos aeronáuticos de materiales compuestos se pretende mejorar su comportamiento estructural relacionado con la mayor resistencia al impacto y estabilidad térmica, la menor absorción de humedad, además de su funcionalidad relacionada con la conductividad eléctrica y térmica, la resistencia al fuego y la dureza superficial. Esto permitiría eliminar actuales restricciones de los materiales compuestos y con ello un importante ahorro de costo y peso.

Por nanocompuesto polimérico se entiende un material caracterizado por la dispersión homogénea de partículas de relleno de dimensiones nanométricas en el interior de una matriz polimérica. Como relleno se usan por lo general nanopartículas de silicato o nanopartículas metálicas. En los polímeros compuestos de tipo convencional, es decir a los cuales se ha agregado un componente inorgánico no nanoestructurado, por ejemplo los plásticos reforzados con fibra de vidrio, hay una separación neta a nivel macroscópico entre las fases orgánica e inorgánica, lo que representa una limitación al mejoramiento de los materiales poliméricos; la ventaja de los nanocompuestos polímero/filosilicato es que permiten superar dicho límite, mejorando las características mecánicas y térmicas y la permeabilidad del mismo polímero, con el agregado de cantidades mínimas de silicatos. Es importante subrayar que tales mejoras no van en detrimento del color, de la procesabilidad ni de la densidad aparente.

Este tipo de materiales están teniendo amplia aplicación sobre todo en el campo de los envases para alimentos, por su propiedad de barrera a la penetración de los gases, de hasta 5 a 15 veces mayor que la del polímero puro y de polímeros cargados que a menudo contienen hasta un 20 - 30% de material silíceo: mica, talco o carbonato de calcio. Por otra parte, los nanocompuestos de silicato/polímero presentan también un poder de retardo de llama mejorado; los ensayos muestran que el pico de velocidad de la emisión de calor, que es una medida de la inflamabilidad del material, en el caso de un nanocompuesto llega a ser del 60 al 80% más bajo que el de un polímero puro. Al mismo tiempo, las propiedades mecánicas exhiben mejoras significativas, como mayor tenacidad y resistencia a la abrasión.

La industria de las computadoras es uno de los sectores en donde el avance en su tecnología implica utilizar materiales cada vez más pequeños. Científicos de Hewlett-Packard han estado desarrollando durante los últimos años computadoras tan pequeñas que cabrían en un grano de arena. Estos científicos han utilizado un rotaxano para que cumpla la función de interruptor de las nuevas computadoras, para el encendido y apagado. La función del rotaxano consiste en lo siguiente: El rotaxano está colocado entre dos cables y permite el paso de la corriente eléctrica. Imagine a un aventurero en medio de la selva que necesita un puente para cruzar de un barranco a otro, el rotaxano cumple de manera análoga la función del puente, los barrancos serían los cables y la corriente eléctrica estaría representado por el aventurero. Cuando el rotaxano está presente, la corriente eléctrica puede pasar, pero al aplicar una reacción eléctrica alrededor del rotaxano, este desaparece, por lo tanto la corriente no puede pasar del otro lado. Las nuevas generaciones de computadoras serán cada día más pequeñas y llegarán a ser billones de veces más rápidas que las que se usan en la actualidad y más económicas. Estas nuevas computadoras tendrán el nombre de: “nanocomputadoras electrónicas químicamente ensambladas”. Este tipo de computadoras ayudarán a cumplir funciones que en la actualidad parecen imposibles por ejemplo, incorporarlas al flujo sanguíneo de las personas para identificar las bacterias y así conocer los medicamentos específicos para combatir las infecciones.

La demanda de nanocompuestos crecerá hasta cerca de un valor próximo a los 15 mil millones de dólares, para el 2020. Aunque la promoción exagerada que rodea a los nanocompuestos poliméricos ha sido extremadamente intensa durante casi diez años, el mercado de estos nuevos materiales no ha resultado tan bien como muchos esperaban. Sin embargo, a medida que el interés comercial ha ido más allá de los programas piloto y se ha acercado a aplicaciones como el empaquetado o las piezas de vehículos a motor, parece que finalmente los nanocompuestos están preparados para un avance importante en el mercado. Los avances se impulsarán disminuyendo los precios de nanomateriales y compuestos, a medida que aumentan los niveles de producción y se superan los problemas técnicos relativos a la dispersión de nanoaditivos en compuestos.

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