Introducción a la Nanotecnología y sus aplicaciones industriales
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Introducción a la Nanotecnología y sus aplicaciones industriales Javier I. Amalvy Fundación Argentina de Nanotecnología (FAN) Grupo (Nano)Materiales Poliméricos - Instituto de Investigaciones Fisicoquímicas Teóricas y Aplicadas (INIFTA, CCT CONICET La Plata – UNLP) Facultad Regional La Plata – UTN Área Materiales Poliméricos - Centro de Investigación y Desarrollo en Tecnología de Pinturas (CIDEPINT, CIC - CCT CONICET La Plata) * Investigador Principal de la Comisión de Investigaciones Científicas de la Provincia de Buenos Aires y Docente-investigador de la UNLP y UTN. [email protected] 1 Puntos a tratar Nanotecnología, nanociencia y nanoescala Productos nanotecnológicos Diferencias entre el mundo y el nanomundo Característica de los nanomateriales Aplicaciones industriales 2 ¿Qué es la nanotecnología? Es el arte de manipular la materia en la escala del nanómetro para crear nuevas estructuras, aparatos y sistemas. Estructuras (e.g. materiales) Aparatos (e.g. sensores) "Nanotec: The Tiny Revolution“, CMP Científica 2001. Sistemas (e.g. NEMS*) 3 *Nanoelectromechanical systems Nanociencia y nanotecnología: ¿qué son? La nanociencia se dedica al estudio de las propiedades de los objetos y fenómenos a escala nanométrica (un nanómetro es la mil millonésima parte de un metro). La nanotecnología trata de la manipulación “controlada” y producción de objetos materiales, instrumentos, estructuras y sistemas a dicha escala. La nanociencia y la nanotecnología son ejemplo de (nano) tecnociencia. El ámbito de la escala de trabajo que abarca, usualmente va desde 1 a 100 nanómetros. 4 “Nanoescala” CentímetrosMilímetros Micrones insectos bacterias 1 nm = 10-7cm 0,0000001 cm 1 - 0,1 cm 0,0001 cm 0,00001 Nanómetros virus «Nanoauto» Nanociencia Nanotecnología 0,0000001 cm Escala molecular Moléculas y átomos 100nm 1 nm 0,00000001 cm 0,1 nm 5 Dimensiones nanométricas (~107 m) (~10-1 m) (~10-9 m) C60 X 10-8 X 10-8 Nanoescala • 100 – 500 nm: tamaño de partícula típico en latex poliméricos • 250 nm: tamaño de partícula de TiO2 de alto poder cubritivo • 50 – 100 nm: tamaño de partícula típico de PUD 6 Pensar diferente: nano pionero Richard Feynman Foto de Archivo del Instituto de Tecnología de California. Richard P. Feynman Premio Nobel de Física (1965) por su trabajo fundamental en electrodinámica cuántica, contribución de profundas consecuencias para la física de partículas elementales. http://www.nano.org.uk/people.htm “¿Qué pasaría si nosotros pudiéramos arreglar los átomos uno por uno de la manera en que nosotros los queremos?” Richard P. Feynman en: (1960) 7 INICIATIVA DE NANOTECNOLOGÍA NACIONAL Nanotecnología es el entendimiento y el control de la materia en dimensiones, aproximadamente, desde 1 a 100 nanómetros, donde fenómenos únicos permiten nuevas aplicaciones. Comprende la ciencia a nanoescala, ingeniería y tecnología, incluye la obtención de imágenes, medidas, modelado y manipulación de la materia en esa escala. 8 Productos nanotecnológicos • • • • • • • • • • • • • • Tintas impresoras de inyección; Protectores solares y cosméticos; Agente de unión dental; Paragolpes en los automóviles; Cintas de la grabación magnéticas; Unidades de disco duro de PC; Convertidores catalíticos de autos; Herramientas de corte para metales; Pelotas de tenis de largo duración; Raquetas de tenis más fuertes y ligeras, Vendajes para quemaduras y heridas; Vestidos y colchones resistentes a las manchas; Cubiertas protectoras que reducen intensidad de luz en lentes y autos; Pinturas protectoras contra la corrosión, abrasión y radiación. Fuente: Iniciativa de Nanotecnología Nacional 9 Algo de historia… ¿Qué se investiga en nanotecnología? Materiales nanoestructurados Aplicaciones biomédicas Nanopartículas Catálisis Biosensores Microanálisis Películas moleculares Nanotubos Stampers (a) (d) Microm olded TiN St am p z /n m 200 100 0 0 1 2 3 4 5 4 5 L /m (b) Im printed Cu surface (e) 200 z /n m (c) 100 0 0 1 2 3 L /m 11 ¿Qué caracteriza a un nanomaterial? Nanomateriales: Área superficial Dependencia con el tamaño A = 4r2 Superficie / km2/m3 Área superficial específica de partículas Radio / nm 12 Propiedades no son escalables Principios válidos a escala macroscópica pueden no ser válidos en la nanoescala! Dependencia de la superficie del material con el tamaño de las partículas • Una partícula de 10 nm de diámetro tiene el 20% de átomos superficiales • Una partícula de 2 nm diámetro tiene el 80% de átomos superficiales • Una partícula de 1 nm diámetro tiene el 100% de átomos superficiales 13 Dependencia de la abundancia del tipo de átomos del material con el tamaño de las partículas % de Átomos Átomos de volumen Átomos superficiales Tamaño de partícula (nm) 14 Punto de fusión (°C) Propiedades no son escalables Au55 Radio de la partícula (nm) El punto de ebullición de partículas de oro decrece rápidamente con el tamaño por debajo de 5 nm Source: Nanoscale Materials in Chemistry, Wiley, 2001 15 Propiedades ópticas • Tamaño e índice de refracción • Nanopartículas son más pequeñas que la longitud de onda de la luz visible, disminuye la dispersión de luz Claridad óptica 16 Nanoestructuras: efectos cuánticos del confinamiento Nanopartículas cáscara/corazón de CdSe/ZnS tienen propiedades ópticas dependientes del tamaño. 2.3 nm 4.2 nm Mayor separación de bandas 4.8 nm ZnS CdSe 5.5 nm Menor separación de bandas Diferencias entre el mundo y el “nanomundo” Comportamiento mecánico cuántico Nueva técnicas físicas por cambios en • Color, transparencia • Dureza • Magnetismo • Conductividad eléctrica Reconocimiento molecular Área superficial aumentada Nuevas bio-aplicaciones por Nuevo procesos químicos por cambios en cambios en • auto-organización • Puntos de fusión y ebullición • reparabilidad • • adaptabilidad Reactividad química • reconocimiento • Rendimiento catalítico 18 Efecto “nano” en propiedades mecánicas Resistencia Sinergismo: tamaños de las partículas de relleno y cadenas de polímeros similares poliestireno “Nanocompuestos verdaderos” Fracción en volumen de nanopartículas Alfred J. Crosby; Jong-Young Lee, Polymer Reviews, 47 (2) 2007 , pp 217 - 229 19 Hacia lo nano • Hay dos formas de alcanzar el mundo nano – desde arriba “Top - down“ – desde abajo “Bottom- up“ “desde arriba” 1 nm 10 nm 100 nm 1 m Nanoescala “desde abajo” 20 Aplicaciones en la industria automotriz •Carrocería (exterior – interior) • Habitáculo • Neumáticos • Instalaciones eléctricas y electrónica • Aditivos 21 Aplicaciones en la industria automotriz Exterior de la carrocería (pinturas y recubrimientos resistentes a la abrasión y al impacto, superficies de fácil limpieza y antiencandilamiento) Interior de la carrocería (aceros nanoparticulados, adhesivos especiales) Habitáculo (filtros de aire interior, control de contaminantes y protección de telas y cueros) Neumáticos Instalaciones eléctricas y electrónicas (nanosensores, celdas de combustibles) Aditivos nanotecnológicos para combustibles Nanotechnologies in Automobiles – Innovation Potentials in Hesse for the Automotive 22 Industry and its Subcontractors. Vol. 3. Diciembre 2008. Potenciales aplicaciones de la nanotecnología en autos Medio ambiente -Eficiencia -Celdas de combustibles -Catalizadores Potenciales aplicaciones de la nanotecnología en autos Confort -Bienestar -Atracción -Fácil mantenimiento Seguridad -Activa -Pasiva -Fácil limpieza 23 Exterior de la carrocería Pinturas y recubrimientos resistentes a la abrasión y al impacto, superficies de fácil limpieza y anti-encandilamiento Pintura convencional Nanopintura 24 Capas ultra delgadas para espejos y reflectores Superficie perfluorada: hidrofóbica oleofóbica Sin tratar Tratada Plateado de pieza Superficie vidriada 25 Capas electro-crómicas para espejos antirreflejo Espejos retrovisores que se regulan automáticamente Capa compuesta funcional, las cargas se mueven por un voltaje aplicado y cambian las propiedades ópticas Normal Antirreflejo 26 Superficies siempre limpias Nanopartículas que se autoorganizan: anti-niebla y anti-polvo (espejos, plásticos, textiles). No permite la adhesión de aceites, grasas, agua y polvo. No se marca la huella digital Antisarro Protección de llantas 27 Carrocería Materiales resistentes y flexibles para seguridad y absorción de impacto en choques. • Aceros nanoparticulados • Nanopartículas de nitruro de carbono • Materiales sujetos a cambios térmicos y sin fatiga Protección anticorrosiva sin cromo Nanopartículas de sílice (SiO2) en el electrolito durante el proceso Matrix de Cr+3 con NP de SiO2 Capa con cromo Capa pasivante Capa con zinc Capa con zinc Acero Acero Recubrimiento con Cr+6 Recubrimiento con Cr+3 sin Cr+6 Aplicaciones: chasis, frenos y puertas 28 Auto-reparación Punto de daño Capa rica en Cr+3 Acero Nano SiO2 Nano SiO2 Nano SiO2 migran al área dañada Capa rica en Cr+3 Acero 29 Adhesivos a pedido Adhesivo + NP ferrite (10 nm) Compuesto adhesivo/ferrite Microondas Calor Adhesivo curado 30 Efecto gecko en producción de autos Placas terminales de 10 nm de espesor Aumenta enormemente la superficie de contacto • Brazos universales • Uniones separables sin adhesivos 31 Interior del auto •Asientos repelentes de la suciedad •Filtros de aire •Recubrimientos anti-encandilantes •Confort + seguridad Filtro Nanoweb 32 Recubrimientos anti-reflectantes Seguridad y confort Superficie nanoestructurada produce un gradiente de índice de refracción 33 Control de contaminantes y perfumado Tratamiento con spray de un material híbrido inorgánico-orgánico Gotas de aceite sobre una tela tratada Gotas de agua sobre cuero tratado Cápsulas con paredes nanométricas con fragancias (se rompen y liberan) 34 Neumáticos Neumático con negro de humo nanoestructurado Exigencias de un neumático •Buen agarre •Resistencia a rodar baja •Resistente a la abrasión •No deslizamiento Interacciones químicas y físicas complejas Negro de humo Sílice Organosilano 35 Neumáticos Superficie rodante del neumático Comparación de tamaños entre componentes individuales. Grafito Monómero Partículas primarias Agregados Ovillo polimérico Aglomerados 36 Aumento de la demanda de consumo de potencia Cierre electromagnético de puertas Precalentamiento de catalizadores Encendido Batería de litio (Li) Más pequeñas, livianas y potentes que baterías a base de plomo o níquel-metal hidruro Inconveniente: separador de electrodos Solución: recubrimiento de NP de óxidos metálicos sobre matriz de PET 37 Catalizadores en caño de escape Eficiencia depende de la superficie: nanomateriales alta superficie Salida de gases purificados Principales reacciones Gases Sustrato Material catalítico 38 Nanosensores Se usan actualmente en: •ABS •Ventanillas •Techos •Control de la dinámica de manejo •Sensor del ángulo del volante Basados en el efecto magneto-resistivo gigante (GMR) Requiere de capas delgadas (pocos nanómetros) 39 Celdas de combustibles Nanocubos para almacenaje de hidrógeno Energía solar Celdas solares integradas en el techo En el futuro serán nanoceldas solares 40 Motor y transmisión Reducción de fricción (ahorro de combustible) Recubrimientos nanocristalino en la pared del cilindro. Nanocristales de 60 a 130 nm de carburo y boruro de hierro, duro con baja fricción Inyectores piezoeléctricos Inyección precisa y a alta presión de combustible: mayor eficiencia Materiales piezoeléctricos nanocristalinos: titanato de plomo y zirconio 41 Aplicaciones en industria naval Revestimientos para barcos Revestimiento de nano partículas para barcos (impermeabilizante para madera) Aplicaciones en industria pesquera Técnicas de modificación de propiedades • Nanotubos a base de proteínas de pescado para espesantes y gelificantes. • Enmascarar olores indeseables en peces de mar • Remoción de alergenos, pesticidas, toxinas de productos de pesca • Preparación de extractos de proteínas y ácidos grasos (3) para agregar a alimentos • Envasado con plásticos con nanoarcillas para extender la vida útil • Modificación de aspecto (color y textura) • Recubrimiento antimicrobiano Fuente: A-Novel-Approach-to-Process-Fish-Fishery-Products 43 Aplicaciones en industria pesquera Anzuelos con nanotecnología • Película de un polímero de cientos de nm • Produce mayor atracción por el color • Aumenta la probabilidad de pesca 4,4 veces http://www.nanowerk.com/news/newsid=1469.php 44 Aplicaciones en industria pesquera Crecimiento acelerado de carpas y esturión • Crecimiento más rápido con nanopartículas de hierro Carpas 30% Fuente: Russian Academy of Sciences Esturión 24% 45 Aplicaciones en informática Almacenamiento de información • Nanoimanes (tamaños menores a 25 nm) • PCs más pequeños • Dispositivos de almacenamiento magnético con capacidad 100 veces superior a actuales Aplicaciones en informática • Proyecto NASA • 1015 bytes por cm2 Sonda de compuesto nitrogenado en extremo de un tubo de carbono Superficie con H y F • Hidrógeno : «0» • Flúor; «1» Aplicaciones en informática Chip molecular • Conductor eléctrico o aislante Según diferencia de tensión Aplicaciones en informática Pantallas flexibles con nanotubos Pantallas de TV y monitores planos Delgadas Aplicaciones médicas Control de apetito Reemplazo de hueso Diagnóstico Desarrollo de drogas Búsqueda y destrucción de virus, colesterol, grasa Eliminación de cirugías innecesarias Borrado de procesos de envejecimiento Liberación de drogas en sitios específicos Tratamiento del cáncer http://www.nanotechproject.org/inventories/medicine/apps/ Aplicaciones médicas Aplicaciones en ingeniería de tejidos Aislamiento de células Transplante Cultivo Grupos bioactivos “scaffold” poroso Aplicaciones en ingeniería de tejidos Matriz extra celular (MEC) “Red nanofibrilar compuesta de biomacromoléculas que rodean y soportan las células en los tejidos” • Estructural (50 – 500 nm) • Funcional Fibrilas (MEC) fibroblastos Tejido corneal de rata Nishida, et al., Invest. Ophthalmol. Vis. Sci., 29, 1888, 1988 Aplicaciones ambientales Sensores Máquinas no contaminantes Nuevos materiales con estructura diamantina (no contaminantes) Máquinas alimentadas con la contaminación ambiental Aplicaciones varias Nanopartículas (2 a 50 nm) Absorben COVs Disipan calor en chips Aplicaciones en: •Electrodomésticos •Textiles •Cosmética NanosomasTM de proretinol A Aplicaciones en recubrimientos Nanomateriales disponibles y sus propiedades Óxido de Aluminio Propiedades mecánicas Óxido de Zinc Estabilidad al UV /luz Óxido de cobre Antimicrobiano Dióxido de silicio Antimicrobiano Propiedades mecánicas Óxido de cerio Óxido de Indio/antimonio estaño Estabilidad al UV /luz Antiestático Absorción de IR Propiedades mecánicas Óxido de hierro Dióxido de Titanio Estabilidad al UV /luz Estabilidad al UV /luz Magnetismo ........ Antimicrobiano 55 Funcionalización de nanopartículas 100 nm 56 Nanopartículas de dióxido de titanio Absorción en el UV TiO2 fotocatalítico convencional usa 5% del espectro solar Nanopartículas TiO2 absorbe hasta 530 nm del espectro solar => Aprox. 50% del espectro solar! Fotoreacción con luz visible con lámpara fluorescente Nanopartículas Eliminar olores Bactericida convencional Fungicida Espectro de absorbancia Aplicaciones: papel pintado/ paredes pintadas, automotriz 57 Pintura que limpia el aire • • • Nanopintura en edificios reduce la contaminación Al exponerse al UV las nanopartículas de TiO2 descomponen los contaminantes orgánicos e inorgánicos que se lavan con la lluvia Descomponen contaminantes del aire (formaldehido) Edificios como purificadores de aire? 58 58 http://english.eastday.com/eastday/englishedition/metro/userobject1ai710823.html Absorción UV con Nanopartículas de TiO2 Carga de 0.5 % to 10 % •Protección de la madera •Formulaciones pantallas solares •Películas en envasado de alimentos •Textiles (a) (b) •Cosméticos Panel de madera recubierto con barniz convencional (a) y con 1.5 % Nano-TiO2 luego de dos años a exposición UV. 59 Pintura que no se raya Nanopintura protectora para autos • Repelente del agua y polvo • Resistente al rayado y “chipping” • Colores mas brillantes, mayor retención de brillo Mercedes pintado con nanopintura más dura y brillante CeramiClear: nanosílice que polimeriza en la superficie. ProGloss: 2K, barniz isocianato en que se polimeriza un acrilato http://www.supanet.com/motoring/testdrives/news/40923/ 60 Pintura que no se raya. “Test en lavaderos” Recubrimiento transparente con nanosílice 61 Nanoceras Fácil de remover, sin residuo Oculta mínimas rayaduras y marcas de lustrado Antes Después Terminación más suave minimiza lustrado luego del pulido 62 Pinturas receptoras de energía solar. Nanoceldas solares Nanoceldas solares: se aplican como pintura en autobuses, techos, ropa Energía alternativa barata ] 200 nm Nanocelda solar: nanovarilla inorgánica embebida en un polímero semiconductor, entre dos electrodos Empresas Nanosys y Nanosolar ya han obtenido los primeros resultados http://www.berkeley.edu/news/media/releases/2002/03/28_solar.html 63 Listado de proveedores de nanorellenos Proveedor Resina Nano-relleno Mercado Bayer AG (Durethan LPDU) Nylon 6 Organo-arcilla Barrera en films Clariant PP Organo-arcilla Packaging Creanova (Vestamid) Nylon 12 Nano-tubos Conductor eléctrico GE Plastics (Noryl GTX) PPO/Nylon Nano-tubo Autopartes pintadas Honeywell (Aegis) Nylon 6 Barrier Nylon Organo-arcilla Organo-arcilla Multipropósito Botellas y películas Hyperion PETG, PBT PPS, PC, PP Nano-tubo Conductor eléctrico Kabelwerk Eupen of Belgium EVA Organo-arcilla Cables Nanocor (Imperm) Nylon 6 PP Nylon MDX6 Organo-arcilla Organo-arcilla Organo-arcilla Multipropósito Moldeado Botellas PET de cerveza Polymeric Supply Unsaturated polyester Organo-arcilla Marinoe, transporte Fuente: Bins & Associates, Sheyboygan, Wis. 64 Pintura con efecto lotus (Lotusan) Pintura que forma una superficie repelente de la suciedad. Se aplica una capa extremadamente fina que da hidrofobicidad del lotus > 150° Barra = 20 μm http://www.botanik.uni-bonn.de/system/lotus/en/lotus_effect_multimedia.html 65 Efecto de autolimpieza Disminución del área de contacto entre una partícula y la superficie rugosa. Disminución del área de contacto entre el líquido y la superficie. La partícula adhiere a la superficie de la gota y es removida de la hoja cuando la gota rueda. 66 Pintura con efecto lotus (Lotusan) 67 Telas resistentes al manchado Ruedas de aleación autolimpiante CNT en neumáticos Recubrimiento antireflejo/ reflejante del calor Pintura antirayado CNT en componentes plásticos 68 Riesgos sobre la salud de seres vivos y potencialmente humanos Causa Posibles consecuencias Inhalación, contacto directo, inyección, ingestión de nanopartículas • Daño y modificación ADN • Absorción por las células e ingreso en la cadena alimentaria • Toxicidad en pulmones y cerebro • Paso de nanopartículas de la madre al feto • Envenenamiento 69 Riesgos sobre el medio ambiente Causa Posibles consecuencias • Liberación de NP al medio • Alta reactividad de la superficie • Viaje a través de las cadenas tróficas • Alteración de procesos ecosistémicos • Impacto sobre seres vivos Nanosafe2.org “Nanoparticles: health impacts?”, David Warheit (DuPont), Materials Today, Feb. 2004, p32. “Nanoscience y nanotecnologies: opportunities y uncertainties” http://www.nanotec.org.uk/finalReport.htm, July 2004 Government commits to regulating nanotechnologies but will it deliver? 25 February 2005 http://royalsociety.org/News.aspx?id=1485 70 Conclusiones La nanotecnología nos permite diseñar materiales a medida reducir costos - impacto ambiental generar nuevos productos con propiedades únicas Es necesario el uso de técnicas de caracterización específicas evaluar aspectos vinculados con la salud y medio ambiente ¡Muchas gracias por su atención! ¿Consultas? [email protected] 72 Microscopía de efecto túnel muestra Scanning Tunneling Microscopy (STM) (1982) punta electrones resolución (d) d = (r + s) r (radio de la punta) = 0.3 nm s (distancia punta-muestra) =1 - 0.1 nm Gerd Binnig y Heinrich Rohrer, IBM Research Laboratory, Zurich, Premio Nobel en Física 1986 Primera imagen con resolución atómica Si(111) Sólo superficies metálicas 73 Microscopio de Fuerzas Atómicas (Todo tipo de material) Binnig, Quate and Gerber , 1985 AFM sensa fuerzas repulsivas, atractivas 74 Técnicas de caracterización macro mm micro- nano- m nm Microscopio óptico Microscopios especiales Nanometrología: técnicas, herramientas adecuadas 75 Microscopio Electrónico de Transmisión (TEM, 1931) TEM de alta resolución Ernst Ruska, Nobel Prize 1986 Primer TEM 76
