Nanoescala: Cuando lo pequeño es muy poderoso

Este post es el primero de toda una serie que se basarán ea un 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. Estrenamos la serie con el capítulo: Nanoescala: Cuando lo pequeño es muy poderoso

Principios a revisar

• Nanociencia y nanotecnologías
• Introducción a la nanoescala
• Cambio de propiedades a escala nano  Material

Actividad 1: 64 dados de 6 caras iguales.
Actividad 2: pastillas efervescentes, 2 vasos de agua,mano de mortero y cucharas.

Procedimiento

Actividad 1: Comprensión de la relación área superficial/volumen.

1. Con los dados, construye cubos de 1, 2, 3 y 4 dados de lado.
2. Cuenta el número de caras que quedan expuestas al exterior y calcula el volumen total de cada estructura.
3. Calcula la relación área/volumen de cada estructura.

 Podemos ampliar la actividad con el siguiente experimento:
a) Hacemos 1 dado de 2cm de lado con un modelo de cartulina:



b) Calculamos la superficie del cubo modelo
c) Hacemos 8 dados de 2cm y sumamos sus superficies



d) Hacemos otro dado con otro modelo de 4cm de lado y calculamos su superficie
e) Desplegamos el modelo de 4cm y sobre él, ponemos encima los modelos de 2cm
¿Con cuantos modelos desplegados de 2cm cubrimos el de 4cm?
f) Montamos todos los cubos, el de 4 y los 8 de 1, uno frente al otro



¿A que conclusión llegas?

SOLUCIÓN: La superficie específica del dado de 4cm de lado es de 84cm2, en cambio la de los 8 dados de 2cm de lado es de 178cm2..EL DOBLE!. Esto ya lo habías podido comprobar al desplegar los dados.


Para ver las implicaciones de la reducción de tamaño en la superficie específica va muy bien este vídeo

Actividad 2: Reactividad superficial

1. Llena dos vasos transparentes con agua.
2. Desmenuza con una mano de mortero una de las pastillas hasta que quede polvo.
3. Pon una pastilla efervescente entera en uno de los vasos y el polvo desmenuzado en el otro, todo a la vez,. Remueve unos segundos.
4. Cronometra cuánto tiempo tarda en parar la efervescencia en cada vaso. ¿Qué pastilla se ha disuelto más rápidamente?

 Actividad 1 y 2 combinadas

Se realizan combinaciones de dados para obtener estructuras más grandes y más pequeñas. Se recomienda que lo hagan los alumnos.

Primero se calcula el área superficial de un dado de 1 centímetro de lado, que será de 6 centímetros cuadrados, y se pide al público que retenga el dato. Enseguida, se hace un cubo de 2 centímetros de lado (necesitamos 8 dados de 1 centímetro) y se solicita que calculen el área superficial, que será de 24 centímetros cuadrados.

A continuación se rompe este cubo y se pide que calculen el área superficial de los 8 cubos que componían el cubo de 2 x 2, el resultado será: 8 x 6= 48 centímetros cuadrados. Simplemente pasando de 1 a 2 centímetros cuadrados se pierde la mitad de área superficial, a partir de aquí se hacen diferentes combinaciones de dados y se solicita al público que haga el cálculo. También puede pedírsele que calcule el área superficial de cubos de 1 milímetro cuadrado, 1 micra cuadrada, etcétera, con el fin de ver cómo va creciendo el área superficial.

Una vez terminada la primera actividad, se realiza la segunda y se demuestra cómo cuanto más pequeña es la pastilla (más triturada), más rápidamente reacciona. Podemos triturar más o menos la pastilla y que el público vaya realizando los cálculos

  Preguntas

Actividad 1:
• ¿Si la reactividad depende de la superficie expuesta, qué estructura crees que tendrá más reactividad, la del dado de 2 centímetros cuadrados o la de los 8 dados de 1 centímetro cuadrado por separado?
• ¿Cómo liga esto con la nanociencia?


Actividad 2:
• ¿Por qué crees que una pastilla se ha disuelto más rápido que la otra?

Marco teórico

Los materiales nanométricos (≤100 nanómetros) manifiestan propiedades muy diferentes y de una gran potencialidad para nuevas aplicaciones. Las causas de estas diferencias de comportamiento en sus propiedades son principalmente dos: el gran incremento del área de la superficie de la nanopartícula (tratado en nuestras actividades) y el confinamiento cuántico de los electrones
dentro de la nanopartícula.

Superficie específica de las nanopartículas
Si un cubo de material de lado l, se reduce hasta obtener un nanocubo, su superficie específica (relación entre el área y el volumen) se vuelve extremadamente elevada, ya que es inversamente proporcional al lado de dicho cubo.
Superficie específica = área superficial / volumen
Por ejemplo, para tamaños de diferentes partículas, comparados
con una pelota de tenis nos encontramos con:




La extraordinaria área superficial de las nanopartículas origina una redistribución de los átomos, incrementándose la fracción de átomos que se encuentran en su superficie. El número de átomos en la superficie crece de forma parabólica en la medida en que la nanopartícula es más pequeña. Una nanopartícula de 1 nanómetro tiene más del 90 por ciento de sus átomos situados en la superficie.
Un objeto con una mayor área superficial se ve más afectado por cualquier fuerza que incida directamente sobre la superficie y, a su vez, su reactividad superficial aumenta debido a que tiene una cantidad mayor de superficie susceptible de dicha reactividad.

Didáctica sugerida

Nano es una nueva palabra de moda en la comunidad científica. La palabra ya se utiliza de forma ocasional en la sociedad; nano ha sido mencionada en películas como Minority Report, Spiderman o Transcendence, y aparece en las noticias cada vez con mayor regularidad. Los gobiernos
y las organizaciones privadas están gastando mucho dinero en investigar en la nanoescala. Pero, ¿qué
es exactamente la nanociencia y por qué ha provocado este boom?
¿Qué son la nanociencia y la nanotecnología?
La nanociencia estudia cómo se comportan los materiales en una escala muy pequeña (en la nanoescala). Un nanómetro es la millonésima parte de un milímetro. Un milímetro es la medida más pequeña visible en una regla de 30 centímetros. La nanociencia trabaja en una escala 1,000 veces más pequeña que cualquier cosa que se pueda ver con un microscopio óptico. No es solamente
una ciencia, sino una plataforma que incluye la biología, la química, la física, la medicina, la ciencia de los materiales y la ingeniería...

Introducción a la nanoescala

La nanotecnología es la fabricación y el desarrollo de materiales, dispositivos y estructuras en la nanoescala. La nanotecnología se aplica ampliamente en las tic (tecnología de información y comunicaciones), en la industria, en la fabricación de circuitos integrados más pequeños (chips de ordenador) y en mecanismos de almacenamiento de datos (memorias flash) más eficientes,
entre otros; también se utiliza en la industria de dispositivos médicos para hacer productos más pequeños. Podemos encontrar en el mercado varios ejemplos comerciales de la nanotecnología, y muchas más aplicaciones irán apareciendo en los próximos años. En el futuro, la nanotecnología tendrá impacto prácticamente en todas las industrias.En la práctica, las palabras nanociencia y nanotecnología se utilizan indistintamente. Nano a menudo se utiliza como forma abreviada para referirse a cualquiera de estas actividades.

¿Por qué importa el tamaño?
Los objetos en la nanoescala (menos de 100nm en al menos una dimensión) exhiben propiedades químicas y físicas inesperadas que son muy diferentes de las propiedades de materiales macro; por ejemplo, las propiedades ópticas del oro son diferentes en la nanoescala en comparación con la macroescala. Mientras que el oro en la macroescala es de color amarillo, en la nanoescala
puede aparecer de diferentes colores. También la reactividad química varía a medida que el tamaño de las partículas cambia.

¿Por qué cambian las propiedades?
Una razón por la cual las propiedades de las estructuras son diferentes en la nanoescala es que, a medida que las partículas se hacen más pequeñas, aumenta la relación área superficial–volumen de la estructura. La mayoría de los átomos están más cerca de la superficie debido a que las reacciones químicas tienen lugar en la superficie de una partícula. Puesto que es la parte en contacto con
otras sustancias, si hay un aumento de área superficial disponible, podrán darse más reacciones, su reactividad será muy diferente. Del mismo modo, el aumento de área superficial puede traer a un cambio en la forma de interacción con la luz y, por lo tanto, podrá percibirse un color diferente en el material. ¿Utilizamos la nanotecnología en nuestra vida cotidiana?

La nanotecnología se está volviendo más y más frecuente y tiene la capacidad de afectar a todos los aspectos de nuestras vidas: ropa, cosméticos, informática o asistencia sanitaria, por ejemplo. A partir del estudio del comportamiento de los materiales y las propiedades, podemos manipularlos y obtener estructuras sólidas más ligeras, además de dispositivos más pequeños y eficientes.



NOTA: Capítulo escrito por Jordi Díaz (Universidad de Barcelona) del libro: PARA JUGAR CON LAS NANO-CIENCIAS Y TECNOLOGÍA (coordinador Miguel García Guerrero, Grupo Quark) dentro de la RED NANODYF (https://www.nanodyf.com) con modelos de dos actividades del programa nanoeduca (uwww.nanoeduca.cat).