Propiedades del tamaño, nanotecnología

Resumen de la Clase: Propiedades dependientes del tamaño
Al disminuir el tamaño de los objetos, las propiedades de los mismos cambian lo que es debido a que diferentes efectos, fuerzas o leyes empiezan a dominar. La escala lo cambia todo y dentro de los principales efectos podemos mencionar: – Mayor relación superficie/volumen, efectos superficiales empiezan a dominar – Fuerzas gravitacionalesse vuelven más despreciables y las fuerzas electromagnéticas se vuelven más dominantes – Las leyes de la mecánica cuántica empiezan a describir mejor el movimiento y la energía que los modelos clásicos – El movimiento molecular aleatorio se vuelve más importante

En este texto describiremos con más detalle los cambios debido a los fenómenos superficiales y los efectos cuánticos. Este textoconstituye un resumen de muchas de las diapositivas mostradas en presentación powerpoint hecha en clase.

Efectos superficiales
Importancia de la superficie en la nanoescala
Todo objeto tiene una superficie o una interfaz y las propiedades físicas y químicas dependen de la naturaleza de tal superficie, independientemente si es un material masivo macroscópico o un material en la nanoescala. Laactividad catalítica, la resistividad eléctrica, la adhesión, las películas o cubrimientos protectores, el almacenamiento de gas, etc, son algunos de los fenómenos que dependen de la

naturaleza de la superficie. Sin embargo en los nanomateriales, la superficie adquiere un papel protagonista en comparación con el seno o volumen del nanomaterial. Ahora discutiremos tres factores relacionados con elárea superficial de los nanomateriales donde queda ilustrado cómo la superficie depende del tamaño y de su forma geométrica: a) el efecto de subdividir un material macroscópico en múltiples partes, b) el incremento de la relación superficie/volumen cuando las dimensiones del objeto disminuyen, c) el efecto de la forma del objeto en el área superficial.

El efecto de subdividir un material enpequeñas partes
Para poder entender este concepto, comparemos el área superficial de un cubo de 1 m de lado y qué pasa cuando a este mismo cubo los dividimos en pequeños cubitos. En el primer caso el cubo tendrá una superficie de 6 m2 pero si a ese mismo cubo lo dividimos en 27 cubitos pequeños de 0.33 m de lado, la superficie colectiva1 de todos esos 27 cubitos será de 18 m2. Como se puede ver dividirun material en pequeños objetos significa aumentar en gran medida su área superficial colectiva y su interacción o contacto con el medio ambiente. Esto sin duda traerá remarcables efectos en fenómenos como la catálisis ya que una mayor proporción de material es expuesta a potenciales reacciones.

Figura 1. Ilustración mostrando cómo aumenta el área superficial colectiva a medida que se divide unsólido en pequeñas unidades.

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Se define como superficie colectiva como la suma total del área de todos los pedacitos individuales que surgen de subdividir el material de partida

La relación superficie/volumen
A diferencia de la superficie colectiva, la relación superficie/volumen es relevante para una entidad individual. Veamos el ejemplo de nanopartículas de un material de distintotamaño (Figura 2). Como se puede observar si se disminuye el tamaño de la nanopartícula, el número de átomos en la superficie aumenta con respecto al del seno de la partícula. Por ejemplo, en una partícula que contiene un total de 1415 átomos, el 35 % de sus átomos están en la superficie. Por el contrario, si el tamaño de la partícula es de sólo 13 átomos totales, el porcentaje de átomossuperficiales será del 92% (12 átomos están en la superficie, mientras que sólo 1 forma parte del volumen).

Figura 2. Ilustración que muestra cómo aumenta el porcentaje de átomos superficiales con respecto a los del seno del material a medida que disminuye el tamaño. Como se puede ver, la relación superficie/volumen se hace cada vez más grande a medida que disminuye el tamaño y esto hace que en los...