Nanomateriales, introducción (I)
Antes de meternos en harina en cuanto a las aplicaciones en el sector de la energía de los nanomateriales, primero debo explicar qué son, por qué tienen propiedades tan diferentes de sus homólogos macro, parámetros importantes, cómo se fabrican y temas de nano-seguridad ambiental. Todo adornado con ejemplos para que no se nos olviden todos estos datos. Vayamos por partes, como decía aquél desconocido.
¿Qué son?
Son aquellos materiales que están formados por estructuras de 1 a 100 nm. Un nm es 1 x 10^(-9) m, es decir, 100.000 veces más pequeño que el grosor de un cabello humano (0,1mm). O poniendo otro ejemplo más general, ya que algunos no disfrutamos de una larga melena al viento, la misma relación que hay entre el tamaño de una pelota de fútbol y el tamaño del planeta Tierra.
Nanomateriales en la Naturaleza
Los hay de origen natural, como los virus que merman nuestra salud - gripe (~100nm), polio (~30nm), rabia (~170nm), ébola (~970nm)... - o las estructuras hidrófobas (repelentes del agua) que forman la piel de los ligeros lagartos Gecko y que les permite andar por el agua. La superficie de contacto entre el agua y la piel se ve fuertemente reducida debido a que su piel está formada por una especie de pinchitos muy pequeños, como la cama de un Fakir. Al igual que el Fakir no se hiere en la cama de pinchos, el Gecko no se hunde en el agua.
Otro ejemplo de nanoestructuras hidrófobas son los escarabajos del desierto de Namibia. Estos bichitos son el ejemplo perfecto de cómo la vida siempre se abre camino. Ante la falta de lluvia, su caparazón nanoestructurado le permite condensar la humedad del aire al amanecer en forma de gotas de agua, que luego bebe y le permite sobrevivir.
Si a la hidrofobia le añadimos la autolimpieza, se obtiene el Efecto Loto. Este efecto adquiere el nombre de las hojas de la Flor de Loto - que aunque estén en el lodo, siempre están inmaculadas. El efecto Loto se ha imitado con éxito en recubrimientos para cristales, con el objetivo de que no se ensucien por la lluvia o el polvo, especialmente interesante para el sector automobilístico o en la energía solar fotovoltáica.
Estos son sólo algunos ejemplos, pero existen muchos más: los ojos antireflectantes de la mosca, la estructura de las alas de algunas mariposas que les permite pasar inadvertidas, la estructura resistente de la seda, etc... La Naturaleza está llena de secretos aún por descubrir.
Nanomateriales creados por el ser humano
Además de las nanoestructuras que se pueden encontrar en la Naturaleza, a partir del S. XX el ser humano también ha conseguido crear materiales nanoestructurados. En la década de 1980 los nanotubos (Fig. 1: c) y fullerenos - esferas - (Fig. 1: a,b) de carbono saltan a la palestra, iniciando la fiebre por los nanomateriales [1,2]. Desde entonces, la lista de materiales susceptibles de ser creados nanoestructuradamente no ha parado de crecer (Cu, Ag, Au, P...), variando las características de los materiales o tecnologías macro de los que forman parte.
En 2004, otro gran avance se produce, con el descubrimiento accidental del grafeno - monocapa de carbono - (Fig. 1: f) por parte de Geim y Novoselov de la Universidad de Manchester [3], iniciando la época de los materiales monocapa. La calidad del material monocapa debe ser casi perfecta, lo que es muy complejo a escala industrial, para que mantenga las propiedades teóricas que lo hacen extraordinario. Ésto incrementa el precio final y limita las aplicaciones. Aún queda mucha investigación por delante. Le dedicaré un capítulo, o varios, al grafeno más adelante.
Fig. 1. Modelos moleculares de diferentes tipos de nanoestructuras de carbono hibridadas tipo sp2: (a) C60: Buckminsterfullereno; (b) fullerenos gigantes anidados o cebollas grafíticas; (c) nanotubo de carbono; (d) nanoconos; (e) nanotóroides; (f) superficie del grafeno; (g) cristal 3D de grafito; (h) superficie de Haeckelita; (i) nano-ribones de grafeno; (j) grupos de grafeno; (k) nanotubo de carbono helicoidal; (l) cadenas cortas de carbono; (m) cristales 3D de Schwarzite; (n) nanoesferas de carbono; (o) redes de nanotubos 3D, y (p) redes 2D de nanorods [4]
En la siguiente entrada, las propiedades. Aquí debajo un adelanto: soluciones de nanopartículas de oro de distinto tamaño. El oro es de color dorado, ¿no? 🤔
Referencias:
[1] H.W. Kroto, J.R. Heath, S.C. O’Brien, R.F. Curl, R.E. Smalley, Nature 318 (1985) 162.
[2] M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, P.C. Eklund, Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes: Their Properties and Applications, Academic Press, 1996.
[3] K.S. Novoselov, A.K. Geim, S.V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S.V. Dubonos, I.V. Grigorieva, A.A. Firsov, Science 306 (2004)
[4] Terrones, M. et al. Graphene and graphite nanoribbons: Morphology, properties, synthesis, defects and applications. Nano Today 5, 351–372 (2010)