Fundamentos de Nanociencia y Nanotecnología: Propiedades y Aplicaciones

¿Qué es la Nanociencia?

La nanociencia es un área emergente de la ciencia que se encarga del estudio de sistemas cuyos tamaños son del orden de nanómetros. Utiliza conceptos de física, química y biología para profundizar en la comprensión de los fenómenos que ocurren en la materia a esa escala. Se encarga de estudiar el comportamiento de materiales en sus escalas más elementales (átomos y moléculas) de acuerdo con las leyes de la física y química aplicadas a la nanoescala.

Definición de Nanotecnología

La nanotecnología comprende el estudio, diseño, creación, síntesis, manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales a través del control de la materia en la escala nanométrica, y la explotación de fenómenos y propiedades de la materia en dicha escala. A menor tamaño, mayor proporción de átomos superficiales y mayor reactividad.

Propiedades dependientes del tamaño

En la nanoescala, las propiedades de los materiales comienzan a cambiar debido a que:

1. Aumenta la proporción de átomos superficiales y sus efectos relacionados.
2. Las fuerzas gravitacionales se vuelven despreciables, mientras que las electromagnéticas y nucleares se intensifican.
3. Las leyes de la mecánica cuántica comienzan a describir mejor el movimiento y la energía que los modelos de la física clásica.
4. El movimiento molecular aleatorio se vuelve más importante.

Conceptos básicos

El prefijo nano en nanotecnología se refiere a la milmillonésima parte, y el término alude a tecnología que existe en el ámbito de la milmillonésima parte de un metro (1 nm = 10⁻⁹ m). La palabra nano proviene del griego nannos, que significa "hombre muy pequeño".

Clasificación de materiales

1. Conductores (metales): Conducen todos los electrones.
2. Aislantes: No conducen los electrones.
3. Semiconductores: Estado intermedio de conducción de electrones.

La energía de banda prohibida (band gap) en un semiconductor aumenta con el tamaño.

Nivel de Fermi y Energía

El nivel de Fermi es el nivel máximo de energía que puede alcanzar un electrón en estado basal. Existe una relación directa entre la longitud de onda, el color y la energía:

• Si la longitud de onda es grande, el Egap es pequeño.
• Si la longitud de onda es pequeña, el Egap es grande.

Relación color, longitud de onda y energía:

1. Rojo: Longitud de onda grande, energía pequeña.
2. Azul: Longitud de onda pequeña, energía grande.