Guia de Nanotecnologia: De la Natura al Grafè

Fonaments de la Nanotecnologia

Quina és l'escala de treball de la nanotecnologia?

L'escala de treball va de 0 a 100 nanòmetres (nm).

Per què els materials tenen noves propietats a nanoescala?

Quan treballem amb materials a l'escala "nano", tenim molta més superfície en relació amb el volum. Gairebé tots els àtoms estan disposats a la superfície, i això augmenta exponencialment la seva reactivitat i els confereix propietats úniques.

Per què és més fàcil dissoldre sucre en pols que un terrò?

El sucre en pols té molta més superfície de contacte amb l'aigua que un terrò de sucre. Per això, reacciona més ràpid i es dissol abans.

Quin invent va ser decisiu per manipular la matèria atòmica?

El microscopi d'efecte túnel (STM), inventat el 1986, que utilitza una sonda de tungstè de la mida d'un àtom. Gràcies a aquest i al microscopi de forces atòmiques (AFM), que són microscopis de rastreig, podem observar nanopartícules i també manipular aquests materials àtom a àtom.

Quina diferència hi ha entre "top-down" i "bottom-up"?

Metodologia "Top-down" (de més gran a més petit)

• Litografia: Utilitzada habitualment per fabricar xips d'ordinador.
• Mòlta: Trituració mecànica de materials fins a aconseguir nanopartícules.

Metodologia "Bottom-up" (de més petit a més gran)

• Amb el microscopi d'efecte túnel: Permet la manipulació àtom a àtom.
• Autoassemblatge: Les molècules s'organitzen soles per formar estructures més complexes.

Avantatges del "Bottom-up"

• Permet controlar millor la mida del resultat final.
• S'obtenen menys impureses.
• Es controla amb precisió la forma del producte resultant.

Inconvenients del "Bottom-up"

• És un procés molt lent i car.
• Actualment, no és viable per a la producció a escala industrial.

Nanotecnologia Inspirada en la Natura (Biomimètica)

Per què la nanotecnologia s'inspira en la natura?

Perquè molts animals i plantes presenten nanoestructures que els aporten propietats sorprenents (adherència, repel·lència a l'aigua, iridescència...). Observant aquesta diversitat, podem aprendre i crear nous materials nanotecnològics.

Què permet al llangardaix gecònid caminar pels sostres?

Els seus dits s'adhereixen a les superfícies gràcies a milions de filaments microscòpics que generen forces elèctriques d'atracció, conegudes com a forces de Van der Waals.

Quina aplicació pot tenir imitar la subjecció d'aquest llangardaix?

Es podria aplicar per pujar a llocs molt alts o inaccessibles, per crear cintes adhesives superfortes i reutilitzables, o per desenvolupar embenatges interns que funcionin en un medi humit com és el cos humà.

Què fa que les papallones tinguin colors iridescents?

Les seves ales tenen nanoestructures que reflecteixen la llum blanca de manera selectiva, fent possible que vegem aquests colors brillants i canviants. Aquesta propietat es pot utilitzar per dissenyar hologrames de seguretat, pintures o productes capil·lars.

Quina és la diferència entre hidrofòbic i hidrofílic?

• Hidrofòbic: Que repel·leix l'aigua. En superfícies hidrofòbiques, una gota d'aigua presenta un angle de contacte superior a 90°, reposant sobre la superfície sense mullar-la. Exemple: la fulla de lotus.
• Hidrofílic: Que atrau l'aigua. En superfícies hidrofíliques, l'aigua s'escampa i presenta un angle de contacte molt petit (inferior a 90°). Exemple: les trampes de les plantes carnívores.

Com ens ajuda saber com pugen els insectes per les parets?

Ens pot ajudar a desenvolupar mètodes per evitar plagues d'insectes en edificis, un problema comú a moltes grans ciutats, creant superfícies per les quals no puguin grimpar.

Nanomaterials de Carboni

Com s'anomena una molècula de seixanta àtoms de carboni?

S'anomena ful·lerè o, col·loquialment, buckyball, per la seva forma semblant a una pilota de futbol.

Quines aplicacions mèdiques pot tenir una buckyball?

La seva estructura buida serveix com a gàbia per transportar i alliberar medicaments de manera selectiva en una cèl·lula infectada concreta quan hi entra en contacte, evitant afectar cèl·lules sanes.

Compara la fibra de carboni i els nanotubs de carboni

La fibra de carboni és un fil llarg i molt prim (amb un diàmetre d'uns 0,005 mm). Diverses fibres s'entrellacen per formar un teixit. Es caracteritza per ser unes cinc vegades més resistent que l'acer. Els nanotubs de carboni, amb un diàmetre que pot ser de només dos nanòmetres, es fabriquen a partir de làmines de grafè enrotllades. S'obté un material fins a 200 vegades més resistent que l'acer.

Què és el grafè i qui el va descobrir?

És una forma al·lotròpica del carboni, és a dir, una de les formes en què es presenta aquest element a la natura. Va ser aïllat per primera vegada per Andre Geim i Konstantin Novoselov l'any 2004.

A partir de quin material s'obté el grafè?

Es va obtenir a partir de l'exfoliació de capes extremadament fines de grafit, utilitzant un mètode tan simple com la cinta adhesiva.

Quines són les qualitats del grafè?

• Alta conductivitat tèrmica.
• Alta conductivitat elèctrica.
• Gran elasticitat i flexibilitat.
• Duresa i resistència superiors a les de l'acer.
• Extremadament lleuger.

A quin material substitueix en els transistors?

Està cridat a substituir el silici en moltes aplicacions electròniques.

Quines aplicacions té el grafè?

Algunes aplicacions potencials inclouen plaques solars més eficients, transistors de grafè ultraràpids, pantalles flexibles i detectors de gas ultrasensibles, entre moltes d'altres.

Quina relació hi ha entre el grafè i els ful·lerens?

El grafè és la unitat bàsica bidimensional (2D) per construir tots els altres materials grafítics. Per exemple, es pot arquejar i tancar per formar estructures de dimensió zero (0D) com els ful·lerens.

Per què no és correcte dir que el grafè són capes de grafit?

Perquè el grafit és un material tridimensional (3D) format per múltiples capes de grafè apilades. En canvi, el grafè és una única molècula plana (2D) composta per àtoms de carboni en un patró hexagonal.

Quin és el principal problema que presenta el grafè?

Actualment, és un material molt car de produir a gran escala i amb alta qualitat. A més, per a algunes aplicacions en transistors, la seva manca de banda prohibida (band gap) dificulta que pugui substituir completament el silici.

Altres Aplicacions de la Nanotecnologia

Esmenta 3 exemples d'aplicacions pràctiques

• Teixits recoberts amb nanopartícules que milloren la resistència a impactes, com en una armilla antibales.
• Els tests d'embaràs, que utilitzen nanopartícules d'or per detectar hormones i generar el resultat visible.
• Pilotes de tennis amb un recobriment interior nanomètric que millora la retenció d'aire i allarga la seva vida útil.