Para jugar con las nano

Para jugar con las nano ciencia y tecnologías /Nanotecnologías: ¿Cúando, cómo y para qué?

• Publisher: Texere Editores

La publicación busca una ruta lúdica para ofrecer a las personas la visión del tema a través de experiencias que ilustran las maravillas del mundo nano. Estas experiencias están planteadas como Talleres los cuales pretender involucrar a las personas con las nanotecnologías en el ámbito físico, intelectual y emocional. El libro se conforma por una introducción y visión a futuro de las nano ciencias y tecnologías y catorce Talleres. La estructura del texto de los talleres está basada en el modelo usado por el Grupo Quark y el Museo de Ciencias de la Universidad Autónoma de Zacatecas. Cuando el libro se lee de manera continua, la definición y repaso de algunos conceptos resulta repetitivo; esto resulta entendible porque cada taller se pretende que sea autocontenido. La Coordinación para revisar y aprobar los diferentes Talleres estuvo a cargo de Miguel García Guerrero y Bertha Michel Sandoval, los cuales fueron aportados por divulgadores e investigadores de distintas disciplinas, instituciones y varios países.
Prácticamente todos los talleres definen cual es la escala nanométrica, de 1 a 100 nanómetros (nm) y 1 nm = 0.000,000,001 m. Varios textos comparan la escala nano con objeto familiares; por ejemplo: un cabello mide 100,000 nanómetros de ancho, los glóbulos rojos miden 10,000 nanómetros y un virus de resfriado común tiene aproximadamente 30 nanómetros de altura. En el texto de casi todos los Talleres se enfatiza, por increíble que parezca, que las propiedades físicas y químicas de los materiales a escala nanométrica difieren de su equivalente a escala macroscópica. De lo anterior se evidencia la complejidad que tienen este tipo de talleres al tratar de ilustrar propiedades nano usando materiales a escala macro.

Química dulce

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: Química dulce de Pedro Amalio Serena Domingo.

Principios a revisar 

• Estructura atómica de la materia 
• Bases de la nomenclatura y formulación en química 
• Enlace químico 
• Fundamentos de las nanotecnologías  

Material 

• Por cada grupo de participantes, una bandeja con palillos de madera (50–60) 
• Gomitas de colores (24 de color verde para el carbono, 6–8 azules para el oxígeno, 18–20 rojas para el hidrógeno, 2–4 amarillas para el nitrógeno) 
• Tabla periódica 
• Ilustraciones de algunas moléculas o acceso a in-ternet para mostrar algunos modelos moleculares (opcional)

Procedimiento 

1. Explicación breve de la constitución atómica de la materia, el tamaño de los átomos y las moléculas, y la nomenclatura química. 
2. Desarrollo de modelos moleculares propuestos por los participantes mediante el uso de gomitas y palillos de madera. 
3. Comparación de los modelos propuestos con las estructuras moleculares reales e introducción de algunas ideas de la mecánica cuántica para explicar la forma de las moléculas. 
4. Vinculación de los modelos desarrollados con sistemas de más complejidad que son frecuentes en nanotecnología. 

Preguntas 

• ¿Qué son los átomos y las moléculas? 
• ¿Qué tamaño tienen? 
• ¿Cómo se denominan las especies atómicas?
• ¿Qué formas tienen las moléculas? 
• ¿Cómo se enlazan los átomos para formar moléculas? ¿Hay leyes físicas que permitan entender estas formas?  

Marco teórico 

El átomo es la unidad de materia más pequeña de un elemento químico que mantiene su identidad o
sus propiedades, y que no es posible dividir mediante procesos químicos. Un átomo está compuesto por un núcleo atómico, que concentra casi toda su masa y que está rodeado de una nube de electrones. El núcleo está formado por protones, con carga positiva, y por neutrones, neutros eléctricamente. Los electrones, cargados negativamente, permanecen ligados al núcleo mediante la fuerza electromagnética. El número de protones en el núcleo defne la especie química a la que pertenece el átomo. En el caso de átomos neutros, el número de electrones es idéntico al de protones. Un átomo se ioniza cuando pierde o gana uno o más electrones. En estos momentos se conocen 118 elementos químicos que pueden agruparse en familias en función de la similitud de sus propiedades. Dicha agrupación se hace más evidente si se usa la representación conocida como tabla periódica de los elementos, cuya primera versión fue publicada en 1869 por el científco ruso Dimitri Mendeleyev. Los elementos químicos habitualmente se identifcan mediante una abreviación de su nombre, denominada símbolo químico. Algunos ejemplos de elementos y sus símbolos son: hidrógeno, H; carbono, C; oxígeno, O; nitrógeno, N; cloro, Cl; litio, Li; azufre, S; fósforo, P; aluminio, Al; cobre, Cu; oro, Au; hierro, Fe; plata, Ag; etcétera. Los símbolos químicos son la base de toda la formulación de moléculas y de la descripción de reacciones mediante ecuaciones químicas. Las propiedades de un átomo se deben a su estructura electrónica, la cual solamente puede entenderse en el marco de la teoría de la mecánica cuántica, que explica la existencia de una serie de niveles de energía permitidos para los electrones. Cada átomo tiene un conjunto característico de niveles de energía que dan lugar a un espectro atómico característico, originado por la emisión/absorción de luz cuando los electrones pasan de un nivel de energía a otro. De esta forma, por ejemplo, se puede determinar la composición química de una estrella, por muy distante que se encuentre. La mecánica cuántica también explica cómo los átomos pueden unirse entre sí mediante enlaces químicos para formar innumerables compuestos. El enlace químico entre átomos está asociado con la transferencia parcial o total de los electrones entre ellos. La propia geometría de las moléculas se explica con base en la estructura electrónica de los átomos que la constituyen y las reglas del enlace químico.Los nanoobjetos (estructuras de tamaño nanométrico) tienen también su propia estructura electrónica y, nuevamente, sus propiedades dependen de la misma. La nanotecnología es la rama del conocimiento que permite controlar la materia a escala atómica y molecular para manipular la estructura electrónica de estos nanoobjetos y, por lo tanto, sus propiedades físicas y químicas. En nanotecnología es importante conocer la manera en la que los átomos se enlazan formando pequeñas moléculas para poder entender cómo se forman estructuras más complejas, como nanotubos de carbono, grafeno, nanopartículas, liposomas, membranas celulares, etcétera.

Abordaje sugerido 

En este taller se propone una breve exploración de la geometría de algunas moléculas sencillas, asumiendo que los participantes no poseen conocimientos sobre mecánica cuántica. La actividad debe desarrollarse en grupos de 4 a 6 participantes que trabajarán en equipo. La actividad tiene 2 partes: en la primera se desarrolla un discurso introductorio con preguntas cortas y ejemplos sencillos; en la segunda, los participantes desarrollan una actividad práctica ensamblando sencillos modelos moleculares. Con dicha exploración, se pretende familiarizar al participante con átomos y moléculas, los protagonistas fundamentales de la nanotecnología. La actividad debe comenzar mencionado que un nanómetro es una longitud extremadamente pequeña. Se mencionará que en un tramo de un nanómetro de longitud se pueden alinear unos pocos átomos (de 3 a 5). Se puede vincular la presente actividad a otra relacionada con la explicación de la nanoescala. Se recordará que los átomos son los componentes fundamentales de la materia desde el punto de vista químico; también, que los átomos están formados por otras partículas, tales como los protones, los neutrones y los electrones. Asimismo, se mencionará que los átomos de un mismo tipo per tenecen a la misma especie química. Se mostrará una tabla periódica de los elementos para ejemplifcar las diferentes especies atómicas. Se resaltará que los átomos se identifcan mediante nombres llamativos, procedentes del latín o el griego, y un símbolo que permite su escritura abreviada. Se recordará que algunas especies atómicas ya nos son familiares. Se pueden mencionar algunos elementos y sus símbolos. Como un punto interesante, se puede mencionar que el símbolo del hierro (Fe) procede de ferrum, y de dicha palabra en latín derivan términos como ferrocarril o ferretería. Se puede invitar a los participantes a mencionar palabras con la raíz ferro. Se debe enfatizar que la tabla periódica es una especie de catálogo en el que se muestran los diferentes tipos de átomos que pueden asemejarse a los ladrillos o a las piezas de un juego de construcción, con los que están hechos los materiales que nos rodean e incluso nosotros mismos. Los átomos se enlazan entre sí para formar moléculas compartiendo o cediendo electrones, formando enlaces. Algunas moléculas son sencillas, pero otras pueden ser muy complicadas (como las proteínas). Se puede hacer mención del caso de la molécula del agua y preguntar por su composición y su formulación. Se dialogará con los participantes sobre la forma de la molécula (lineal o triangular, posición del hidrógeno, etcétera). Se pregunta a los participantes sobre las razones que tiene la naturaleza para que la molécula de agua tenga dicha forma. La pregunta sirve para indicar que el compor tamiento de la naturaleza se explica a través de la mecánica cuántica, que puede entenderse como un complejo manual de la naturaleza que nos indica cómo se unen los átomos para formar moléculas. A continuación se pide a los grupos que durante 10 o 15 minutos se inventen, trabajando en equipo y usando las gomitas de colores, las formas de unas cuantas moléculas a partir de unas fórmulas que se facilitarán en una ficha o se escribirán en una pizarra. Se propondrá ensamblar modelos de las moléculas O2 , CO2 , H2O, NH3 , CH4 , y  C2H6 . Para hacerlo se unirán varios átomos (representados por gomitas de colores) mediante palillos que actúan como enlaces. Se mostrará como ejemplo la estructura de la molécula de agua fabricada con gomitas.
Cada grupo de participantes construirá diferentes configuraciones geométricas. Transcurrido el tiempo establecido, se mostrarán unos modelos también hechos de gomitas con las configuraciones reales. Se compararán los modelos elaborados por los participantes con las estructuras reales. Se pueden destacar aquellas configuraciones que, no siendo acertadas, sean las más imaginativas. Se refexionará sobre las configuraciones moleculares reales, indicando que la naturaleza sigue sus propias reglas que el ser humano ha descifrado. Ese conjunto de reglas es parte de la mecánica cuántica, que ya es conocida por los científcos desde hace casi un siglo. Se mencionará que, si por un lado se conocen los ladrillos con los que está hecho todo lo que nos rodea y, por otro, las reglas que permiten su unión, es fácil pensar en construir nuevos materiales y dispositivos. Se indicará que este es el fundamento de la nanotecnología: construir materiales y dispositivos a partir de la manipulación controlada de los átomos usando diversas técnicas procedentes de la física, la química y la biología. Para terminar, se puede solicitar a los participantes que construyan un pequeño fragmento de grafeno realizando una estructura bidimiensional. Para los más habilidosos, se puede solicitar construir un fullereno (C60) o un nanotubo de carbono.

Dinámicas útiles 

En lugar de gomitas se pueden usar bolas de plastilina o masa coloreada. Es conveniente que las
gomitas manipuladas por los participantes no sean ingeridas. Con ayuda de un proyector, se pueden mostrar imágenes obtenidas en internet con ejemplos de moléculas o estructuras conocidas por los participantes: butano, glucosa, aspirina, ibuprofeno, cafeína, sal común, diamante, una cadena de ADN, etcétera. Se recomienda tomar fotos de las configuraciones moleculares propuestas por los participantes y realizar una pequeña exposición virtual de las propuestas.

Nanocápsulas

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: Nanocápsulas de Dayan Bernal Miranda.

Principios a revisar 

• Nanocápsulas
• Autoensamblaje 

Material 

• 1L de agua 
• Cloruro de calcio 
• Alginato de sodio 
• Jeringa o gotero 
• Jarabe (de cualquier sabor) 
• Cucharas  

Procedimiento 

1. Para preparar las esferas, combina 50 mililitros de jarabe con 4 gramos de alginato de sodio. Mezcla hasta deshacer los grumos. 
2. Para un baño de calcio, mezcla en otro recipiente 250 mililitros de agua con 6 gramos de cloruro de calcio. 
3. Pide a los par ticipantes que, con ayuda de una jeringa o gotero, viertan gotas del jarabe con alginato en el baño de calcio. 
4. Reparte a los participantes las gotitas esferifcadas y pide que las prueben.

Preguntas 

• ¿Por qué al caer las gotitas se forman esas esferas? 
• ¿Te imaginas estas esferas en tamaño nano? 
• ¿Qué guardarías en las pequeñas cápsulas?
• ¿Conoces los riesgos de la quimioterapia? 

 

Marco teórico 

El alginato de sodio es un polímero natural. Este tipo de sutancias se definen como macromoléculas compuestas por una o varias unidades químicas que se repiten a lo largo de toda una cadena. El cloruro de calcio es una sal inorgánica actualmente muy utilizada en la cocina. Al mezclar alginato de sodio con cloruro de calcio, estos reaccionan dando lugar al alginato de calcio, otro polímero de mayor peso molecular e insoluble en agua. Al entrar en contacto estos dos compuestos, se desarrolla una capa de gelatina lo bastante resistente como para dar forma a esferas. Al mezclar, se puede agregar jarabes para obtener esferas con explosiones de sabores. Estas esferas de sabores son parecidas a las nanocápsulas, partículas muy pequeñas con un cascarón exterior y huecas en el interior, estructura con la cual pueden encapsular la sustancia activa de los medicamentos en- cargados de prevenir, tratar o curar una enfermedad. El cascarón que recubre el principio activo puede ser permanente o temporal; en este último caso, el núcleo generalmente se libera por difusión o en respuesta a un disparador, como el pH o la acción de la enzima, lo que permite su administración controlada y cronometrada en un sitio diana. Las nanocápsulas pueden oscilar entre 1 y 1,000 nanómetros de tamaño y tienen una multitud de formas diferentes, dependiendo de los materiales y métodos utilizados para prepararlas. La estructura de los ingredientes encapsulados depende en gran medida del material de corteza seleccionado y del método de nanoencapsulación.

Para crear estructuras funcionales de menos de 100 nanómetros de ancho, se utiliza un proceso llamado autoensamble, en el cual las moléculas y células se forman a sí mismas en estructuras funcionales. En la naturaleza, el autoensamble se presenta en muchas escalas, principalmente en la reparación de tejidos orgánicos, en la aparición de nuevos organismos, en los copos de nieve, en las burbujas de jabón y en el ADN. Investigadores de las universidades de Granada y Málaga han obtenido nanocápsulas que actúan como vehículos transportadores para administrar fármacos a líneas celulares tumorales de cáncer de mama. Las nanoestructuras son selectivas, es decir, actúan preferentemente en las células cancerígenas y están construidas con materiales biocompatibles, como el aceite de oliva, lo que evita un efecto tóxico en el organismo. La novedad de estas nanocápsulas es su superfcie, que incorpora un anticuerpo dirigido frente a proteínas específicas y que se encuentra en cantidades abundantes en las células tumorales de algunos tipos de cáncer de mama muy agresivos. Los anticuerpos son proteínas que el organismo genera para defenderse de agentes que puedan resultar perjudiciales. Las nanoestructuras incorporan un anticuerpo que reconoce una proteína específica y actúa como un dardo lanzado a una diana. De esta forma, los nanovehículos preparados por los investigadores llegan a las células tumorales en mayor cantidad que a las células que no expresan dicha proteína y actúan descargando el fármaco que transportan. Ese carácter selectivo podría disminuir los efectos secundarios, ya que las células sanas se ven menos afectadas por el tratamiento.

Abordaje sugerido 

Al igual que las esferitas de sabores, las nanocápsulas tienen distintos tamaños, formas y grosor en su caparazón; en lugar de algún jarabe, contienen un principio activo. Estas pequeñas cápsulas, tan
pequeñas como la millonésima parte de un milímetro, son una revolución en el desarrollo de los tratamientos contra el cáncer, ya que actúan como pequeños vehículos trasportadores de medicamentos que tienen una dirección específica, como la pieza de un rompecabezas que solamente encaja con las células cancerígenas y que, a diferencia de las quimioterapias, no deteriora al paciente, pues no destruye las células normales y no da pie a efectos secundarios como la alopecia, la anemia y la esterilidad, entre muchos otros que pueden llegar a ser crónicos. La selectividad de las nanocápsulas disminuye estos efectos secundarios, ya que las células sanas se ven menos afectadas por el tratamiento. Otro de los problemas con los fármacos antitumorales es su poca solubilidad en agua. Las nanocápsulas diseñadas por las universidades de Málaga y Granada tienen en su interior el fármaco disuelto en un óleo, y su caparazón es soluble en agua, lo que permite que las nanocápsulas pasen directamente de las mucosas al torrente sanguíneo, así el fármaco no sufrirá degradación y, por lo tanto, el efecto terapéutico será inmediato.

Datos curiosos 

Un equipo de investigadores ha logrado reducir los niveles de alcohol en la sangre en ratones intoxicados. Esto a través de la inyección de nanocápsulas que contienen enzimas esenciales en el metabolismo del alcohol. Hablamos de un tratamiento que ha demostrado la posibilidad de que los fármacos restituyan el estado de embriaguez a un estado sobrio. Ahora, la nueva investigación publicada en Nature implica la existencia de múltiples enzimas dentro de un sistema de nanoescala, lo que es ya un proceso experimental que se ha llevado a cabo con éxito en ratones. La Universidad de California ha anunciado un proceso en el que, a través de nanocápsulas con enzimas capaces de digerir el alcohol en la sangre, se revirtió el estado de embriaguez en los roedores a un estado sobrio casi inmediatamente.

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.

Mi primera lámina de grafeno, mi primer nanotubo de carbono

Este post  se basa 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. Seguimos la serie con el capítulo: Mi primera lámina de grafeno, mi primer nanotubo de carbono de María Ana Sáenz-Nuño.

Principios a revisar 

• Características dimensionales del grafeno y los na- notubos de carbono. 

Material 

• Bolitas de Unicel de distintos colores
• Mondadientes
• Cola blanca (opcional)  

Procedimiento 

1. Seleccionar los colores de las bolitas a utilizar. Cada nanotubo puede hacerse con un color distinto, como suele mostrarse en las reconstrucciones virtuales de dichas estructuras. 
   
2. Cortar los palillos con los extremos aflados, a una longitud que sea aproximadamente el doble del diámetro de cada bolita, de forma que el resultado tenga un aspecto proporcional al real.
3. Formar los hexágonos base de la estructura de carbono pinchando las bolitas con los palillos. Para que el montaje sea más estable, puede echarse una gota de cola blanca en el extremo del palillo, de forma que quede frmemente unido a la bolita cuando estos se ensamblen.
4. Para el grafeno se deberán unir los hexágonos formando un plano.
5. Para el nanotubo de carbono, unir los hexágonos formando un cilindro.

 

 

Preguntas 

• ¿Es fácil construir una estructura basada en hexágonos? 
• ¿Con cuántas bolitas (carbonos) se relaciona cada átomo? 
• ¿Qué sucede cuando nuestro nanotubo empieza a crecer en altura? 
• ¿Qué pasaría si en nuestro nanotubo quitásemos un solo átomo de carbono en el centro? 
• ¿Se destruiría el nanotubo? Prueba hacerlo con tu modelo. 
• ¿Y si sustituimos una de las bolitas por otra del mismo tamaño pero de distinto color? ¿Se destruye? Prueba hacerlo con tu modelo.  

 Marco teórico. Grafeno 

El repentino aumento del interés científco por el grafeno puede dar la impresión de que se trata de un
material nuevo; sin embargo, este se conoce y se ha descrito desde hace más de medio siglo. Tanto el enlace químico como su estructura se describieron durante el decenio de 1930. Philip Russell Wallace calculó por primera vez, en 1949, la estructura electrónica de bandas. Al grafeno se le prestó poca atención durante décadas, ya que se pensaba que era un material inestable termodinámicamente y que sus fuctuaciones térmicas destruirían el orden del cristal, dando lugar a que el cristal 2D se fundiese. Bajo este prisma, se entiende la revolución que significó que Andre Gueim y Konstantín Novosiólov consiguieran aislar el grafeno a temperatura ambiente. La palabra grafeno se adoptó ofcialmente en 1994, después de haber sido designada de manera indistinta como monocapa de grafito. El grafeno es una sustancia formada por carbono puro, con átomos dispuestos en patrón regular hexagonal, similar al grafito, pero en una hoja de un átomo de espesor; es muy ligero: una lámina de 1 metro cuadrado pesa tan solo 0.77 miligramos; se considera 200 veces más fuerte que el acero y su densidad es aproximadamente la misma que la de la fibra de carbono. Además, es casi 5 veces más ligero que el aluminio. El nombre proviene del cambio en el vocablo grafito del sufijo –ito por –eno, propio de los carbonos con enlaces dobles. En realidad, la estructura del grafito puede considerarse una pila de gran cantidad de láminas de grafeno superpuestas. Los enlaces entre las capas de grafeno apiladas se deben a fuerzas de Van der Waals e interacciones de los orbitales 丌 de los átomos de carbono.

Entre las propiedades destacadas de este material están:

• Es extremadamente duro: 100 veces más resistente que una hipotética lámina de acero del mismo espesor. 
• Es muy fexible y elástico.
• Es transparente.
• Tiene capacidad de autoenfriamiento (según algunos científcos de la Universidad de Illinois).
• Tiene conductividad térmica y eléctrica altas.
• Hace reacción química con otras sustancias para producir compuestos de diferentes propiedades, lo que lo dota de gran potencial de desarrollo.
• Sirve de soporte de radiación ionizante.
• Tiene gran ligereza, como la fibra de carbono, pero esta es más flexible.
• Se presenta con menor medida el efecto Joule, es decir, se calienta menos al conducir los electrones.
• Para una misma tarea que el silicio, el grafeno tiene un menor consumo de electricidad.
• Genera electricidad al ser alcanzado por la luz.
• La razón superfcie/volumen es muy alta en él, lo que le otorga un buen futuro en el mercado de los supercondensadores.
• Se puede dopar introduciendo impurezas para cambiar su comportamiento primigenio de manera que, por ejemplo, no repela el agua o que incluso cobre mayor conductividad.
• Se autorrepara: cuando una lámina de grafeno sufre daño y su estructura se quiebra, se genera un agujero que atrae átomos de carbono vecinos para tapar los huecos.
• En su forma óxida, absorbe residuos radiactivos.

El grafeno es de los materiales más duros y fuertes que existen; incluso supera la dureza del diamante y es 200 veces más resistente que el acero. Es altamente rígido; de hecho, tiene un módulo de young de 1 TPa, por lo tanto, soporta grandes fuerzas sin apenas deformarse. Se trata de un material ligero con una densidad de tan solo 0.77 miligramos por metro cuadrado (densidad indicada en unidades de superfcie como causa de su estructura laminar). También cabe destacar que soporta grandes fuerzas de fexión, lo que signifca que se puede doblar sin romperse. Para hacerse una idea de la capacidad de estas propiedades mecánicas, el premio Nobel hizo una comparación con una hamaca de grafeno de un metro cuadrado de superficie y un solo átomo de espesor. Esta hamaca de grafeno podría soportar hasta 4 kilogramos antes de romperse (lo que equivale al peso de un gato). En total, esta hamaca pesaría lo mismo que uno de los pelos del bigote del gato, que es menor a un miligramo. Además, muchas nanoestructuras recientemente descubiertas, como los nanotubos de carbono, están relacionadas con el grafeno. Tradicionalmente, estos nanotubos se han descrito como hojas de grafeno enrolladas sobre sí mismas. De hecho, las propiedades de los nanotubos de carbono se explican y entienden fácilmente a partir de las inherentes al grafeno. Se ha descrito también, haciendo uso de un microscopio de efecto túnel, la preparación de nanotiras de grafeno mediante nanolitografía.

Marco teórico. Nanotubo 

En química, se denomina nanotubos a estructuras tubulares cuyo diámetro es del tamaño del nanómetro. Existen nanotubos de muchos materiales, tales como el silicio o el nitruro de boro, pero generalmente el término se aplica a los nanotubos de carbono. Los nanotubos de carbono son una forma alotrópica del carbono, como el diamante, el grafito o los fullerenos; su estructura puede considerarse procedente de una lámina de grafito enrollada sobre sí misma. Dependiendo del grado de enrollamiento y de la manera en la que se conforma la lámina original, el resultado puede llevar a nanotubos de distinto diámetro y geometría interna; estos estarán conformados de una manera tal que pareciese que los extremos de un folio se uniesen por sus extremos formando el mencionado tubo; estos se denominan nanotubos monocapa o de pared simple. Existen también nanotubos cuya estructura se asemeja a la de una serie de tubos concéntricos incluidos unos dentro de otros, a modo de muñecas matrioskas, lógicamente, de diámetros crecientes desde el centro a la periferia; estos son los nanotubos multicapa. De estos nanotubos se conocen dos tipos de derivados: los que presentan el tubo cerrado por media esfera de fullereno y los que no están cerrados.

Abordaje sugerido 

El hombre, al disponer de la naturaleza, cuenta con la capacidad tecnológica necesaria para construir estructuras espectaculares. Desde este punto de vista, los átomos son unos ladrillos estupendos; la nanotecnología ha puesto a nuestro alcance la posibilidad de situarlos donde queramos, dando lugar a todo un nuevo mundo de posibilidades. El principio de estos ladrillos son las láminas de grafeno y los nanotubos. Partiendo de las propiedades de los átomos de carbono, la estructura más sencilla y robusta en la que se aglutinan seis de estos átomos es la hexagonal, que es la primera figura geométrica que ya nos recuerda casi inmediatamente un círculo, mientras que el pentágono parece quedarse lejos. Sin embargo, no es solo una bonita construcción sin utilidad, sino que fácilmente se pueden unir estos hexágonos hasta llegar a tener una lámina tan grande como la tecnología nos lo permita. El resultado ha sido el grafeno. Ahora, ¿por qué no hacer un tubo enrollando una lámina de grafeno? Y así fue como nacieron los nanotubos. Tenemos por fin las primeras nanopiezas para construir todo un nanomundo de nanomáquinas.

Datos curiosos 

Las estructuras basadas en hexágonos son muy comunes en la naturaleza; de hecho, son las más
utilizadas cuando se busca ligereza y, al mismo tiempo, robustez en la construcción. Sirva de ejemplo que este tipo de estructura es la que usan las abejas en sus colmenas, por lo que se conoce también como estructura de panel de abeja.

Dinámicas útiles 

Es muy recomendable que el instructor se familiarice, antes de este ejercicio, con el material a utilizar en la sesión. Es incluso deseable que grabe un pequeño video propio sobre el proceso, especialmente si el grupo al que se le va a impartir es numeroso o le cuestan las manualidades. Si hay suficientes niños, se recomienda formar grupos de dos a cuatro niños que giren agarrados de la mano formando un corro para que experimenten ser un anillo de dos, tres y hasta seis átomos girando. Al finalizar esta dinámica, se aconseja pedir a los niños que cuenten su experiencia.

DO IT YOURSELF: Experimentos sencillos de nano para niños

Actividades científicas "hágalo usted mismo" que investigan la nanoescala

DO IT YOURSELF (DIY) es un libro de la red NISE, que contiene divertidos experimentos científicos explicados paso a paso. El libro anima a toda la familia a explorar la ciencia, la tecnología y la ingeniería en la Nanoescala

Un nanómetro es sólo una milmillonésima parte de un metro, es decir, esta en la escala de átomos y moléculas individuales. Estamos rodeados de cosas asombrosas hechas posibles por estructuras minúsculas, nano-clasificadas y nanotecnologías. Por ejemplo, la superficie pegajosa de la pata de un gecko, los colores iridiscentes del ala de una mariposa, los  cosméticos que utilizamos cada día....

Estas actividades prácticas, desarrolladas por educadores de museos y científicos, introducen los fundamentos de la nanociencia.

Utilizando materiales básicos y materiales económicos, podréis investigar algunas de las herramientas y técnicas que usan los investigadores nanos, descubrir dónde encontrar nano en la naturaleza y explorar cómo la nanotecnología podría transformar nuestras vidas, ahora y en el futuro

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