Nanotecnología. Mónica Lucía Álvarez-Láinez
una pequeña aproximación a la fabricación de materiales nanoestructurados, tales como los nanocompuestos, y a un proceso de miniaturización, como lo es la nanolitografía.
2.2 Fabricación de películas delgadas
La nanotecnología basada en películas delgadas es un nuevo alcance para diseñar, fabricar o modelar nanorrecubrimientos. Una película delgada es una capa de material que puede abarcar desde unos pocos nanómetros (monocapa) hasta varias micras de espesor. Las películas delgadas están siendo utilizadas para fabricar dispositivos fotovoltaicos de alta eficiencia (celdas solares) para aprovechar la energía solar. Los nanorrecubrimientos constituyen un mercado en expansión, ya que a partir de estos se pueden fabricar recubrimientos duros en herramientas de corte y superficies antimicrobianas de fácil limpieza y autolavables, que son usados en las industrias del empaque de alimentos y de los fármacos.
Las películas delgadas pueden ser obtenidas mediante un proceso de deposición, el cual se consigue a partir de la modificación de los cuatro estados de la materia: sólido, líquido, gaseoso y plasma. Los procesos de deposición más relevantes para fabricar películas delgadas de alta calidad vienen acompañados de alto vacío o de ultra alto vacío (10-10 atm), y generalmente permiten un control muy homogéneo de las propiedades físicas y químicas resultantes. Estos procesos pueden ser físicos, químicos o fisicoquímicos[2]:
• Métodos físicos: evaporación térmica o deposición física en fase de vapor (pvd) y epitaxia de haces moleculares (mbe).
• Métodos fisicoquímicos: pulverización catódica (en inglés, sputtering), plasma y procesos térmicos de formación.
• Métodos químicos en fase de vapor: deposición química en fase de vapor (cvd), deposición química metalorgánica en fase de vapor (movpe), epitaxia de haces moleculares químicos (cbe) y epitaxia en fase de vapor (vpe).
• Métodos químicos en fase líquida: electrodeposición, epitaxia en fase líquida (lpe), doctor blade, impresión en tinta y técnicas de centrifugación, etc.
Por medio de estas técnicas es posible producir una gran variedad de materiales, a partir de elementos metálicos, aleaciones complejas, óxidos metálicos y tierras raras, entre otros.
2.3 Fabricación de nanoestructuras cuasiunidimensionales
La fabricación de sistemas de una dimensión, o cuasiunidimensionales, como los nanoalambres (en inglés, nanowires), las nanovarillas (en inglés, nanorods), los nanotubos o las nanofibras, son muy estudiados actualmente, debido a la gran variedad de propiedades que presentan y a su atractivo para la creación de nuevas aplicaciones. La principal diferencia entre estas estructuras es la relación longitud (L) / diámetro (D) (L/D).
2.3.1 Nanoalambres
Los nanoalambres, llamados también nanohilos, suelen ser fabricados a partir de materiales inorgánicos, especialmente metálicos, anisotrópicos y de diámetros nanométricos pero con una gran área superficial. Debido a la densidad de sus estados electrónicos, se espera que los nanoalambres posean propiedades ópticas, eléctricas y magnéticas diferentes a las que tienen los materiales de origen en masa (3-D)[1].
Su fabricación se basa en la síntesis a partir de plantillas (en inglés, templates). Las plantillas suelen tener poros de tamaños nanométricos, espaciados para formar redes bidimensionales con una forma predeterminada, los cuales se llenan con el material deseado[3]. Dependiendo de la plantilla y de la interacción entre el material de soporte y el del que se quiere hacer el alambre, se pueden obtener alambres sólidos o huecos (nanotubos)[4]. Las plantillas usadas generalmente son fabricadas a partir de membranas porosas de alúmina, nanocanales de vidrio, películas de mica o membranas poliméricas con poros hechos a partir del bombardeo de iones (track-etch).
Las membranas porosas de alúmina se producen a partir de la anodización de láminas de aluminio en soluciones ácidas[5-6]. La formación de poros ocurre de manera ordenada y con tamaños uniformes entre 10 y 200 nm, con una densidad de poros de 109 y 1011 poros/cm2[1]. Otras membranas muy utilizadas son las poliméricas, en las cuales una película de espesores entre 6 y 20 nm es bombardeada con iones que producen poros con la densidad deseada, de tamaños homogéneos y distribución aleatoria. Los polímeros para la fabricación de estas membranas son policarbonato y poliéster, y están disponibles comercialmente.
El crecimiento de nanoalambres en la plantilla puede hacerse mediante un proceso de inyección o por deposición electroquímica.
El proceso de inyección se utiliza cuando se usan materiales con bajo punto de fusión y la plantilla presenta alta resistencia mecánica (como las de alúmina), ya que el material es inyectado en estado líquido, a alta presión. Los nanoalambres metálicos de bismuto, indio, estroncio y aluminio, así como los semiconductores de selenio, telurio y estroncio de galio, entre otros, son fabricados por medio de esta técnica[1].
La deposición electroquímica, o electrodeposición, de un material en los poros se consigue a partir de cubrir una de las superficies de la membrana polimérica con una película metálica, y de usar esta como cátodo. Se han fabricado nanoalambres de cobre, oro, plata y platino por medio de esta técnica[3]. Uno de los cuidados que hay que tener con esta técnica es asegurarse de que la membrana sea químicamente estable en el electrolítico, para evitar la formación de grietas y defectos. Las técnicas de cvd y pvd también están siendo utilizadas hoy en día para fabricar nanoalambres. En ese caso, se utiliza sílica mesoporosa como plantilla[7].
Además de los nanoalambres se pueden encontrar nanovarillas. La principal diferencia se encuentra en el valor de la relación L/D. En los nanoalambres no hay límites para la longitud, así que los valores de esta relación son del orden de 1.000, mientras que para las nanovarillas los valores de longitud son más limitados, y la relación L/D es del orden 0,1-0,3.
2.3.2 Nanotubos
Los nanotubos de carbono, un tipo particular de nanotubos o nanoalambres huecos, suelen ser estructuras cónicas o cilíndricas compuestas por una o varias capas de grafeno. Estos nanotubos son materiales mucho más rígidos y resistentes que el acero y que el diamante, ya que presentan altos módulos de elasticidad y de resistencia en tensión. Su desempeño mecánico se debe al tipo de hibridación sp2 que se produce entre los átomos de carbono individuales; además, tienen una densidad de 1,33-1,4 g/cm3 (la sexta parte del acero) y una conductividad térmica de 6.000 W/m K. Esta geometría de cilindro hace que posea una simetría axial y genera un comportamiento metálico o semiconductor en el material[8].
Existen diversas técnicas de fabricación de nanotubos de carbono, tales como la descarga de arco, la ablación láser y los procesos catalíticos en fase de vapor; sin embargo, la más prometedora desde el punto de vista económico es la que se hace a partir de la cvd[9]. Los nanotubos se pueden producir de dos maneras: entrelazados o con orientación aleatoria. Muchas investigaciones centran sus esfuerzos en alinear los nanotubos de un modo preferencial[10]. Los métodos para producirlos se pueden clasificar en dos categorías: orientación durante el crecimiento o técnicas de post-síntesis.
Los nanotubos de carbono se pueden encontrar de dos maneras: de única pared y de múltiple pared. Como de única pared se entienden los conformados por una lámina de grafeno; tienen un diámetro alrededor de los 1-2 nm y una longitud que puede ir desde unas micras hasta unos pocos milímetros. Los de múltiple pared se pueden entender como un arreglo de varios cilindros concéntricos, que presentan diámetros entre 5-50 nm y longitudes de unas pocas micras. El espacio entre dos nanotubos adyacentes es de aproximadamente 3-4 Å[8].
Este tipo de nanotubos han sido objeto de diversos estudios debido al gran número de aplicaciones que presentan, ya que poseen alta dureza, son muy ligeros y tienen propiedades electrónicas que los hacen pasar de semiconductores a conductores, entre otros.
2.3.3 Nanofibras
Las nanofibras tienen diámetros del orden de 50-500 nm y una relación L/D similar a la de los nanoalambres; la diferencia con estos es que las nanofibras son flexibles y fabricadas con materiales orgánicos. Existen diferentes maneras de fabricar nanofibras, en las cuales el principal reto es alcanzar diámetros homogéneos