El tamaño sí importa

Este post esta basado en el libro, "PARA JUGAR CON LAS NANO" que fue un trabajo de la Red Nanodyf.
El libro pretende acercar la nano a través de talleres y actividades lúdicas. Continuamos la serie con el capítulo: El tamaño sí importa, de Miguel García Guerrero.

Principios a revisar 

  • Efectos de escala 
  • Capilaridad

Materiales  

  • Barra de espuma floral (oasis, foricel o ladrillo floral) 
  • Cúter
  • Tijeras 
  • Cubeta 
  • Percha para ropa 
  • 30cm de hilo 
  • 0.5m de tela de tul (tela en forma de red)  

Procedimiento 

  1. Usa el cúter para cortar la barra de espuma floral a lo ancho, de forma que queden dos partes del mismo tamaño. 
  2. Una mitad de espuma se dejará intacta y la otra se cortará en 16 bloques iguales. 
  3. Corta la tela de tul con las tijeras. La tela deberá ser cortada por el lado más ancho para que tengamos dos pedazos cuadrados. 
  4. Corta el hilo en dos partes iguales. 
  5. Con uno de los pedazos de tela, envuelve las 16 piezas pequeñas de espuma floral; usa el extremo de uno de los hilos para amarrarlo (formando una especie de bolsa). Cuida que las piezas no se salgan. El otro extremo se va a amarrar a una de las orillas de la percha para la ropa. 
  6. Se repite el paso anterior pero con el trozo grande de espuma foral: se envuelve y se amarra al otro extremo del gancho para la ropa. Es impor tante que las dos bolsas se encuentren a la misma distancia del centro del gancho. La idea es que, si detenemos el gancho en un solo dedo, funcione como balanza para indicar si algún paquete pesa más que el otro. Cuando las dos bolsas están secas y bien amarradas, deben estar en equilibrio. 
  7. Llena el fregadero con agua y sumerge juntas las dos bolsas durante 20 segundos; sácalas y compara su peso en la balanza para ver cuál absorbió más agua.  

Preguntas

  • ¿Cuál paquete puede absorber más agua, el del bloque grande o el de los pequeños? ¿Por qué?
  • ¿Cómo cambia la capacidad de absorber agua con bloques más pequeños? 
  • ¿Pueden cambiar las propiedades de un material en diferentes tamaños? 
  • ¿Sabes hasta qué tamaño podemos par tir un objeto en pedazos?  

Marco teórico 

Un material poroso es un sólido que tiene espacios huecos (poros) por los que pueden entrar otras sustancias. Dependiendo de su tamaño, los poros pueden identifcarse a simple vista o ser tan pequeños que solo serán detectados con poderosos microscopios. Algunos ejemplos de materiales porosos son la tela, la esponja, el papel y la espuma floral (como la que sirve para ensartar y detener las flores en arreglos, y que debe mantenerse hidratada). Normalmente, los huecos de un material poroso no están vacíos, se encuentran llenos de la sustancia en la que están inmersos. Cuando tenemos un material poroso seco, lleno de aire, y queremos llenarlo de un líquido, como el agua, el tamaño de los poros determina la forma de cambiar el contenido. Si los poros son grandes, más gruesos que un cabello humano, necesitamos apretar el material para expulsar el aire y que pueda entrar el agua; cuando los huecos son más delgados que un cabello, basta con poner el material en contacto con el agua para que esta empiece a llenar los poros. El fenómeno que hace posible el ingreso automático del agua en huecos pequeños se conoce como capilaridad, precisamente porque se presenta en orifcios cuyo grosor es igual o menor al de un cabello. Aunque este compor tamiento se observa a simple vista, su origen se encuentra en la escala de los nanómetros. El agua, como todas las sustancias compuestas, está formada por moléculas que no se encuentran aisladas, sino que cuentan con fuerzas de cohesión que las unen unas con otras (cada molécula se puede enlazar con otras cuatro). En el interior del líquido, la cohesión de las moléculas se manifesta en todas las direcciones, pero en su capa exterior, al no tener enlaces hacia afuera, se forma lo que se conoce como tensión superfcial. Cuando el agua entra en contacto con el material poroso, algunas moléculas se enlazan o se adhieren a las paredes de los huecos y, por efecto de la tensión superfcial, agarran al resto de las moléculas para llegar a la misma altura. La vibración constante de las moléculas hace que otras más brinquen y avancen, formando más enlaces con el tubo, agarrando constantemente al resto del agua, que gradualmente entra en el material. Este proceso sigue hasta que los tubos se llenan o una fuerza externa (como la gravedad) vence la tensión superfcial y evita que las moléculas sigan avanzando. La rapidez con la que el agua puede ingresar a un material poroso específco está determinada por la superfcie de contacto que hay entre el material y el agua: entre mayor sea el área, habrá más poros disponibles para que el líquido entre a llenarlos. Así, podemos tener el mismo volumen de material —digamos, un total de 1,000cm³—, aunque no es lo mismo que sea un solo cubo de 10cm de lado (con una superficie de 600cm²) a tener 512 cubos de 1.25 centímetros de lado (con una superficie de 4,800cm²): es la misma cantidad de materia y ocupa el mismo volumen, pero los cubos más peque- ños, con más superficie de contacto, van a permitir que entre más área por segundo. El caso extremo sería tener un trillón de cubos de 100 nanómetros de lado con una superfcie de más de 600 millones de centímetros cuadrados: sería la misma cantidad de material, pero el agua entraría a los cubos 1'000,000 de veces más rápido.

Planteamiento sugerido 

Las dos bolsas de tela agujerada tienen la misma cantidad de espuma floral en su interior ; pero,
cuando las sacamos del agua, una de ellas absorbió más que la otra y por eso es más pesada. Parece extraño, pero, aunque sea el mismo material, con la misma masa y el mismo volumen, si cambiamos el tamaño en el que lo manejamos, podemos cambiar de manera importante la forma en la que se relaciona con las cosas a su alrededor. Cuando ponemos la espuma en contacto con el agua, el líquido entra al bloque por medio de los poros en el material; entre más superficie esté expuesta al agua, habrá más caminos de acceso y podrá entrar más rápido. Un bloque con forma de cubo de 10cm de lado tiene una superfcie exterior de 600cm², pero si queremos tener bloques que midan la mitad en cada lado, vamos a tener 8 cubos que, en total, van a sumar un área de contacto de 1200cm². Si reducimos a la mitad el tamaño, vamos a tener el doble de superficie, con lo que el agua podrá entrar el doble de veces más rápido. El corte se puede seguir haciendo hasta llegar al límite del mundo de los átomos y las moléculas, en la escala de los nanómetros, donde las cosas no se pueden dividir más sin cambiar su esencia. Un nanómetro es la millonésima parte de un milímetro, el tamaño aproximado de una molécula de azúcar o de 7 átomos de carbono formados uno tras otro. Si nos dedicáramos a partir el bloque de espuma floral de 10 centimetros en bloques que midan 100 nanómetros de lado, tendríamos una superfcie de 600 millones de centímetros cuadrados, lo que signifca que absorberían el agua un millón de veces más rápido que el bloque grande. Esto nos muestra que, aun sin cambiar sus propiedades, al llevar el tamaño de un material a la escala nano podemos conseguir propiedades extraordinarias. No se trata solamente de tener nanocubos que absorban el agua muy rápido, estas ventajas se pueden usar para tener medicamentos más efectivos en el tratamiento de enfermedades (para usar dosis menores o tener un alivio más rápido) para crear dispositivos más efcientes en la eliminación de contaminantes del aire y el agua, además de otras muchas aplicaciones.

Datos curiosos 

Muchos materiales cambian sus propiedades cuando alteramos su temperatura, su presión o el voltaje al que se someten; esto suena lógico porque aparece una relación directa entre causa externa y efecto. Uno de los aspectos extraordinarios de las nanotecnologías radica en que exactamente el mismo material, en las mismas condiciones, cambia sus propiedades si lo manejamos en bloques mucho más pequeños. Estamos acostumbrados a distinguir la plata por su color característico, plateado, pero cuando ponemos nanopartículas de plata en agua, el color puede cambiar dependiendo del tamaño y la forma. Con nanoprismas de 100 nanómetros el color es rojo, con nanoesferas del mismo tamaño se observa amarillo, en nanoesferas de 80 nanómetros se ve un azul cielo y en esferas de 40 nanómetros se tiene un color marino.

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