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El despertar de la Fuerza: Las fuerzas moleculares. ¿Cómo se mantienen unidos los nanomateriales?

Según la RAE, la fuerza describe la fortaleza, la robustez, el poder y la habilidad para sacar o desplazar de lugar a algo o a alguien que posea peso o que ejerza resistencia. La Fuerza siempre ha sido muy importante en general, aunque dicen que vale más maña que fuerza. A partir de la Fuerza existe una gran saga, Star Wars y a partir de ciertas fuerzas, las fuerzas moleculares, los compuestos nanométricos adquieren todo su esplendor

¿Cuáles son con las fuerzas principales que mantienen estables los compuestos nanométricos?

Los compuestos nanométricos están formados normalmente por pocos centenares o miles de átomos. Se presentan en forma individual o en forma de aglomerados y se suelen encontrar en forma de polvo, de suspensión líquida, en forma de gel, etc.

Fuerzas presentes en la naturaleza

Existen diferentes fuerzas presentes en la naturaleza, por ejemplo tenemos que los compuestos suelen mantenerse estables gracias a enlaces químicos (iónicos, covalentes, metálicos, etc), o también nos encontramos con las fuerzas gravitacionales, las cuales son responsables de la atracción entre la Tierra y la Luna, o de la dinámica de todo el sistema solar.

Las fuerzas implicadas en el mundo nano: Las fuerzas moleculares

En el caso de los compuestos nanométricos, las fuerzas que imperan, suelen ser fuerzas moleculares, más conocidas como fuerzas de Van der Waals. Son de naturaleza omnipresente y se cree que juegan un papel crucial en la determinación de la estructura, estabilidad y función de una amplia variedad de sistemas en los campos de la biología, la química, la física y la ciencia de los materiales. En otras palabras, cada sistema molecular y cada material en la naturaleza experimenta estas fuerzas, por ejemplo, están presentes en las interacciones de proteínas y fármacos, la estabilidad de la doble hélice del ADN e incluso en las peculiares propiedades de adhesión de las garras del gecko.

Cuando se las compara con un enlace covalente (que implica el intercambio de pares de electrones entre átomos), las fuerzas de Van der Waals son relativamente débiles y surgen de interacciones electrostáticas instantáneas entre las nubes electrónicas fluctuantes que rodean a los objetos microscópicos. Sin embargo, estas fuerzas tienen un origen mecánico-cuántico y han planteado un desafío sustancial para su correcto entendimiento. ¿Por qué como explicamos la cuántica? Nosotros lo intentamos….

Dos corrientes, dos explicaciones

Existen dos corrientes diferentes para explicar su comportamiento, por un lado, la mayoría de los químicos y biólogos la explican a partir de la imagen de dos dipolos eléctricos inducidos, similares a los polos N y S de un imán, que representan las distribuciones desiguales de cargas positivas y negativas.

Así, como las moléculas no tienen carga eléctrica neta, a consecuencia de la dinámica cuántica se puede producir una distribución en la que haya mayor densidad de electrones en una región respecto a otra, por lo que aparece un dipolo momentáneo. Cuando dos de estas moléculas polarizadas y orientadas convenientemente se acercan lo suficiente entre ambas, puede ocurrir que las fuerzas eléctricas atractivas sean lo bastante intensas como para crear uniones intermoleculares Así, aunque estos átomos sean eléctricamente neutros, e incluso escasamente reactivos, pueden atraerse entre sí (en ausencia de cualquier otra interacción) debido a estas fuerzas moleculares e incluso condensarse en sólidos, aunque no exista enlace químico entre las partículas. Por otro lado, la imagen expuesta por muchos físicos se centra en el hecho de que las fluctuaciones onduladas de vacío son responsables de las interacciones de van der Waals entre los objetos macroscópicos más grandes.

Todas las fuerzas intermoleculares en la nanoescala dependen de la orientación relativa de las moléculas. Así, las interacciones de inducción y dispersión son siempre atractivas, sin importar su orientación, pero el signo de la interacción cambia con la rotación de las moléculas. Esto hace que la fuerza electrostática pueda ser atractiva o repulsiva, dependiendo de la orientación mutua de las moléculas.

Fuerzas moleculares y su importancia en la reactividad

Como consecuencia de estas fuerzas atómicas y moleculares, desde el punto de vista de la reactividad química, esta aumenta considerablemente al acercarnos a las dimensiones nanométricas. Esta aproximación es muy importante, ya que a medida que nuestra comprensión y control de las interacciones intra e intermoleculares se amplía, es posible sintetizar y ensamblar sistemas moleculares cada vez más complejos que son capaces de realizar trabajos o completar tareas sofisticadas a escala molecular. Es decir, es posible seguir implementando las máquinas moleculares, sistemas dinámicos que comprenden una clase de movimientos asombrosamente diversos y que están diseñados para responder a una gran cantidad de estímulos externos. El control de las fuerzas de interacción moleculares permitirá un ensamblaje controlable y jerárquico de estos componentes moleculares con efectos cuantificables en las escalas micro, meso y macro.

y con esto concluimos el último post del 2017, espero que os haya gustado. De cara al 2018, intentaremos mantener mayor regularidad e intentaremos seguir aportando nuestro granito de arena a dar luz y hacer más comprensible el invisible mundo nano

 

Nanoseminarios con expertos-Gabriel Gomila

Nuevo vídeo de los nanoseminarios realizados durante el Festival nano 10alamenos9 y hoy os presentamos a Gabriel Gomila y el vídeo “Microscopios para las las ciencias de la vida: de la micro a la nanoescala”

Gabriel Gomila es licenciado y Doctor en Ciencias Físicas por la Universitat de Barcelona. Actualmente es Profesor de la UB. Lider de Grupo en el Instituto de Bioenginyeria de Catalunya (IBEC). Su actividad de investigación gira alrededor del desarrollo de nuevas técnicas microscópicas para las Ciencias de la Vida.

El grupo que lidera Gabriel se denomina Nanoscale bioelectrical characterization,

“Microscopios para las las ciencias de la vida: de la micro a la nanoescala”


Los seres vivos contienen una variedad de estructuras funcionales que tienen medidas que van de los metros (cómo por ejemplo un brazo) hasta las pocas decenas de nanómetros (cómo por ejemplo una molécula de ADN).

Durante muchos siglos la existencia de las estructuras funcionales más pequeñas fueron desconocidas puesto que no podían ser vistas a primera vista. En esta charla se hace un repaso a las diferentes técnicas microscópicas que se han ido descubriendo a lo largo del años y como ellas han permitido configurar el conocimiento que tenemos hoy en día de la estructura interior de los seres vivos

Espero que disfrutéis del seminario!

 

Nanotubos de Carbono: Potencia por un tubo

Nanotubos de Carbono

El siguiente elemento de los nanomateriales alótropos del carbono son los  nanotubos de carbono (o CNTs, Carbon NanoTubes), descubiertos por el investigador japonés Sumio Iijima en 1991 y por el cual quizás en pocos años acabe recibiendo el Nobel.

Sumio Iijima era un apasionado de la investigación: “La investigación se puede realizar en cualquier tipo de entorno, siempre y cuando mantengamos el interés. Creo que la verdadera educación significa fomentar la capacidad de interesarse por algo”.

Los CNTs destacan desde el punto de vista electrónico, mecánico, óptico y químico y ya se están aplicando en diversas aplicaciones comerciales, aunque todavía tienen que desarrollarse técnicas de producción y purificación a gran escala económicamente viables. Sus técnicas de producción son diversas como la descarga de arco, la ablación con láser o la deposición química de vapor. También es muy importante trabajar con ellos en un estado bastante puro, para poder ser aplicados de forma efectiva y sin perder propiedades a escala industrial, para ello se usan técnicas como la oxidación, tratamiento con ácido, recocido, sonicación, filtración y técnicas de funcionalización.

Nanotubos de Carbono: Introducción

Los nanotubos de Carbono destacan por su gran relación de aspecto, es decir la relación entre su longitud, la cual puede sobrepasar ampliamente las micras y su minúsculo diámetro, que apenas supera el nanómetro. Esta relación puede ser de 1:1000 entre ambas, convirtiéndose en elementos cuasi unidimensionales.

Los CNT son moléculas cilíndricas dispuestas hexagonalmente de átomos de carbono con enlaces sp2 y con una distancia entre los carbonos enlazados, de únicamente 1,4 A.

Estas estructuras cilíndricas tienen dos formas, los CNT de una capa o pared, denominados SWNT y los de paredes múltiples o MWNTs. Se describen como cilindros huecos formados enrollando capas simples o múltiples de hojas de grafeno en cilindros. Los SWNTs están compuestos de una única capa de grafeno cilíndrica cubierta en ambos extremos en una disposición hemisférica de redes de carbono. Al ser un cilindro simétrico, cuando se enrolla la capa de grafeno para obtenerlo, este sólo puede rodar en un número determinado de direcciones hasta que los átomos coinciden.  El vector que apunta desde el primer átomo para cerrar la estructura hacia el último, se llama vector quiral y su longitud es igual a la circunferencia del nanotubo. La dirección del eje del nanotubo es perpendicular al vector quiral, el cual es definido por definido por un par de números enteros (n, m) obtenidos a partir de la disposición de los hexágonos de grafito con respecto a la SWNT. La quiralidad, obtenida a partir de su vector quiral, determina sus propiedades. Los SWNTs con diferentes vectores quirales tienen propiedades disímiles tales como la actividad óptica, la resistencia mecánica y la conductividad eléctrica.

Propiedades de los de nanotubos de carbono

Las propiedades de los CNT incluyen excelentes prestaciones, una conductividad térmica más alta que el diamante, mayor resistencia mecánica que el acero – órdenes de magnitud por peso – y una mejor conductividad eléctrica que el cobre. Sus propiedades dependen de su diámetro, así para diámetros pequeños las propiedades eléctricas dependen de su vector quiral y son semi-conductores o metálicos. La actividad óptica del nanotubo quiral desaparece si estos se hacen más grandes. Respecto las propiedades mecánicas, tienen un módulo de Young muy grande en su dirección axial, en su conjunto son muy flexibles debido a su gran longitud. Por lo tanto, poseen una gran anisotropía, es decir sus propiedades dependen de la dirección en que se midan.

Aplicaciones de los de nanotubos de carbono

En los últimos 10 años la actividad comercial relacionada con los nanotubos de carbono ha crecido de manera sustancial y su producción mundial ha aumentado diez. La producción de CNT está mejorando pero todavía se han de evitar los problemas derivados de su tendencia a aglomerarse, lo que genera una disminución sustancial de sus propiedades respecto a cuando están separados. Sus aplicaciones comerciales se han ido extendiendo, así por ejemplo, pueden ser utilizados como purificadores de agua, gracias a su minúsculo tamaño y su gran área superficial y propiedades de adsorción, convirtiéndose en una membrana ideal para filtrar productos químicos tóxicos, sales disueltas y contaminantes biológicos del agua. Pueden ser usados como electrodos en baterías y condensadores para proporcionar más corriente y mejor estabilidad eléctrica y mecánica respecto a otros materiales. A nivel de resistencia y propiedades mecánicas, pueden ser usados para mejorar diferentes tipos de estructuras, por ejemplo, equipación deportiva, carrocería de vehículos, etc. Los fabricantes de los deportes los están utilizando en raquetas de tenis y bádminton o en bicicletas. Sus aplicaciones van cr ciendo día a día, pudiéndose usar de forma potencial en materiales compuestos avanzados, electrónica, almacenamiento de energía, impresión, papel y empaquetado y pilas de combustible.

En medicina, los CNT pueden ser usados como portadores para liberación controlada de fármacos, mejorando los sistemas de administración de fármacos, haciéndolos más locales y efectivos, disminuyendo su distribución y en algunos casos bajando los efectos secundarios de los mismos. Pueden ser utilizados como lubricantes. En ingeniería genética, se utilizan para manipular genomas y átomos útil para bioimagen, proteómica e ingeniería de tejidos, son un excelente vector en terapia génica, es decir la terapia que consiste en reparar células dañadas en el laboratorio y reinsertarlas o incorporar al paciente un gen reparador o corrector para solucionarle un problema genético. Tienen aplicación potencial en diagnósticos y en terapias, ya que se puede colocar enrollado ADN en los SWNT conectando sus nucleósidos, es decir los componentes de los ácidos nucléicos,  específicos y provocando cambios en sus propiedades electrostáticas. Los CNT se han estudiado en aplicaciones para implantes artificiales, mejorando el rechazo de los mismos en comparación con otro tipo de implantes. Su última aplicación en biomedicina es futurista ya que se está estudiando como substrato para nanorobots, motores que sean capaces de nadar o navegar por los fluidos de nuestro organismo y puedan ser usados para la cura de enfermedades.

En resumen, las distintas propiedades estructurales de los CNTs, en particular su elevada relación de aspecto, su facilidad para ser modificados biológicamente o funcionalizados y sus propiedades mecánicoas y eléctricas, los hacen ser un excelente candidato para revolucionar en los próximos años diversos sectores industriales y aplicaciones comerciales.