Los materiales nanoestructurados: Sus propiedades y aplicaciones en la revolución científica y tecnológica del siglo XXI

Por José Luis Morán Lopez y José Luis Rodríguez López

Esta obra aborda el comportamiento de los materiales con dimensiones en el rango de los nanómetros, describe algunas técnicas que se usan para sintetizar estos materiales así como para su caracterización. Por último, se discuten algunas de las propiedades fisicoquímicas más relevantes de estos sistemas, y la aplicación tecnológica presente y futura de estos materiales. La presente monografía tiene como finalidad motivar a estudiantes de las áreas de física, química e ingeniería, en el estudio y desarrollo de los materiales nanoestructurados.

• Idioma: Español
• Editorial: Fondo de Cultura Económica
• Fecha de lanzamiento: 25 mar 2013
• ISBN: 9786071613714

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I. LA FÍSICA EN EL MUNDO NANOMÉTRICO

INTRODUCCIÓN

El comportamiento de los materiales con dimensiones en el rango de los nanómetros está regido por las leyes de la mecánica cuántica. Los sistemas con esas dimensiones constan de un número reducido de átomos, al menos en una de sus dimensiones. Dentro de estos sistemas se encuentran las películas ultradelgadas de una o varias componentes químicas, las heteroestructuras formadas por láminas ultradelgadas que se repiten periódicamente, los hilos atómicos o moleculares y los agregados atómicos, entre otros.

El mundo cuántico es extraño y difícil de entender, ya que nuestra vida transcurre en dimensiones mucho mayores que la atómica y hay conceptos que cuesta trabajo comprender. Por ejemplo, las ondas en la vida diaria se asocian a fenómenos cíclicos que viajan a través de un medio, como el aire o el agua, y con una certeza total de cómo se mueve ese medio. En el mundo cuántico, todas las partículas son descritas por funciones de onda dispersas en todo el espacio y con probabilidad de encontrarlas en todas partes, aunque con más posibilidad en alguna región del espacio. Además, se presentan fenómenos que en la vida diaria no vemos. Por citar un caso, si se lanza una pelota contra una pared, se espera que rebote y regrese a través de trayectorias perfectamente definidas por la mecánica clásica. Eso no sucede si el objeto que se lanza es un electrón contra una barrera de mayor potencial que su energía cinética; en este caso existe la probabilidad de hallar la partícula del otro lado de la barrera. Ejemplos como éste, conocido como efecto túnel, hay muchos que van en contra de nuestras experiencias diarias.

A continuación mencionaremos los aspectos más relevantes en torno al desarrollo de la mecánica cuántica, cuyo nombre proviene del hecho de que en el mundo atómico todo está constituido por pequeños paquetes o quanta, trátese de la materia (electrones, nucleones, etc.), la radiación electromagnética (fotones), los movimientos térmicos de los átomos en torno a puntos de equilibrio (fonones), la transmisión de energía magnética (magnones), etcétera.

En las primeras décadas del siglo xx, la descripción mecanicocuántica de los fenómenos físicos ocurridos en distancias atómicas transformó la visión determinista de la naturaleza predominante hasta entonces. Por primera vez desde el siglo XVII, cuando Francis Bacon (1561-1626) estableció el razonamiento inductivo como la forma de avanzar en el conocimiento —lo que se resume en la cadena inductiva fenómeno → axioma → ley—, la teoría antecedía en varios casos al experimento; es decir, tenía caracter predictivo, en lugar de proporcionar explicaciones a observaciones previas.

FIGURA I.1. El desarrollo de la mecánica cuántica. Iniciando la lectura de esta figura por el extremo superior izquierdo, y siguiendo su evolución en el tiempo, se obtiene un esquema del nacimiento y desenvolvimiento de la mecánica cuántica. En la figura se muestran los experimentos (óvalos), hipótesis (rectángulos verdes) e ideas y conceptos principales (rectángulos azules) que dieron origen y construyeron la mecánica cuántica. La mayoría de los científicos indicados en el esquema, participantes activos en el desarrollo de esta teoría, fueron laureados con los premios Nobel en física o química en su momento.

En la figura I.1 se muestra el nacimiento y la evolución de la mecánica cuántica. Actualmente, el avance de la nanotecnología y el desarrollo de herramientas y técnicas que permiten la investigación a escala nanométrica implican una cantidad enorme de fenómenos que sólo pueden explicarse con la mecánica cuántica, desarrollada a principios del siglo XX.

En la escala de nanómetros, los efectos de confinamiento cuántico dominan las propiedades electrónicas y ópticas de los sistemas bajo estudio. Esto, a su vez, permite estimular la respuesta de estos sistemas para aplicaciones específicas. Por ejemplo, la comprensión de los fenómenos cuánticos que ocuren en nanosistemas ha posibilitado la síntesis de puntos cuánticos con propiedades precisas y bien determinadas, las cuales estan empleándose en un amplio espectro de aplicaciones. Éstas van desde su uso en medicina, en la imagenología de tumores y en terapias contra el cáncer, hasta el desarrollo de celdas fotovoltaicas para la generación de energías alternativas, pasando por paradigmas (esquemas radicalmente nuevos) de comunicación, como la computación cuántica.

En este capítulo, para beneficio de los estudiantes que no tuvieron la oportunidad de llevar cursos de mecánica cuántica, repasaremos sus aspectos más relevantes.

RADIACIÓN DE CUERPO NEGRO

La termodinámica y la mecánica estadística estaban bien desarrolladas a fines del siglo xix. En particular, el físico alemán Gustav Kirchhoff (1824-1887) dedicó gran parte de su tiempo al estudio de la radiación térmica emitida por cuerpos calientes, y en 1859 llegó a la conclusión de que la intensidad de la radiación emitida por una superficie totalmente absorbente, a la cual se le denomina cuerpo negro, era una función universal de su temperatura T y de la longitud de onda λ, o equivalentemente, de la frecuencia ν de la radiación en estudio.

Cuando un cuerpo se calienta, esa energía se usa para que los átomos o moléculas con sus componentes eléctricas vibren con mayor intensidad. J. C. Maxwell (1831-1879) ya había demostrado que la oscilación de cargas trae consigo la emisión de radiación. Así que un cuerpo caliente emite radiación por este pro ceso.

Como ya mencionamos, a los cuerpos que absorben todo tipo de energía se les denomina cuerpo negro. Aclaremos un poco este concepto considerando la emisión producida por diferentes materiales. Un vidrio difícilmente absorbe luz visible porque es transparente a este tipo de radiación. Por otro lado, una superficie metálica refleja la mayor parte de la luz que incide sobre su superficie. En cambio, en un material negro, como el hollín o negro de humo, la luz es absorbida casi completamente y se calienta con rapidez. Estos comportamientos se pueden entender con base en la interacción entre las ondas electromagnéticas y los electrones del material, los cuales absorben energía y oscilan con mayor intensidad. En el caso del vidrio, los electrones de los átomos que lo componen están fuertemente enlazados y sólo oscilan en frecuencias determinadas, dentro de las cuales no se encuentra la luz visible; así que la luz atraviesa el material casi sin absorberse. No sucede lo mismo si se usa luz ultravioleta o infrarroja, casos en los que los núcleos y sus cargas pueden oscilar y, por lo tanto, absorber energía.

El caso de los metales es completamente diferente al del vidrio; hay electrones que se pueden mover con libertad a través del material. Ante la presencia de la radiación, estos electrones oscilan con amplitudes grandes en respuesta a los campos eléctricos de la luz incidente. Ellos mismos, al oscilar, emiten radiación como lo hace una antena. Esta radiación es justamente la luz que vemos reflejada en la superficie del metal.

El hollín también es un sólido; sin embargo, la movilidad de sus electrones es mucho menor que la de un metal. Debido al desorden estructural, estos electrones sufren muchos choques, los cuales disminuyen su energía y se transforma en calor. En consecuencia, este material es un buen transformador de la energía de la luz incidente en calor.

Los cuerpos calientes irradian energía por procesos similares que operan a la inversa. En el hollín, el calor hace que la red de átomos vibre mas vigorosamente, lo que proporciona mayor energía a los electrones, los cuales desechan en la primera oportunidad el exceso de energía cinética en forma de radiación. De estas consideraciones se desprende que un material que es un buen absorbedor es también un buen