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Universidad Distrital Francisco José de Caldas Seminario Investigativo Nanociencia Nanotecnología Nombre: Laura Heredia Taller Clasificación y Caracterización de Nanomateriales (Avance) •

¿Cuántas clases de nanotubos de carbono se conocen?

Los nanotubos a estructuras tubulares (cilíndricas), cuyo diámetro es del tamaño del nanómetro. Existen nanotubos de muchos materiales, tales como silicio o nitruro de boro pero, generalmente, el término se aplica a los nanotubos de carbono. Los nanotubos tienen propiedades inusuales, que son valiosas para la nanotecnología 1.1De pared simple (SWNT) 1.2De pared múltiple (MWNT) 1.3Torus 1.4Nanoyema (nanobud) 1.5Arquitecturas de nanotubos tridimensionales 1.6Nanotubos grafenados (g-CNTs) 1.7Nanotubos dopados de nitrógeno 1.8Vaina (peapod) 1.9Nanotubos de carbono de copa apilada 1.10Nanotubos de carbono extremos

Sillón

El vector de traslación está doblado , mientras que el vector quiral permanece recto

Nanocinta de grafeno

Esquema representativo de nanomateriales manufacturados según ISO/TS 80004-1:2010

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Difracción: La difracción es la desviación que sufren las ondas alrededor de los bordes que se produce cuando un frente de onda (ya sea sonora, material o electromagnética) es obstruido por algún obstáculo. No hay una distinción física significativa entre interferencia y difracción.

La difracción tiene consecuencias muy importantes para la formación de la imagen por sistemas ópticos. En efecto, éstos están formados por lentes de tamaño finito y por diafragmas, normalmente circulares, por ejemplo, en el caso del ojo es el iris, el elemento que más limita la apertura del sistema completo. Así, cuando un haz de luz incide sobre el sistema, supuesto libre de aberraciones, la imagen de un punto objeto no es un punto, como predice la óptica geométrica, sino una mancha de difracción.

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Resolución del microscopio electrónico de barrido (SEM): se basa en el principio de la microscopia óptica en la que se sustituye el haz de luz por un haz de electrones. Con esto conseguimos hasta los 100 Å, resolución muy superior a cualquier instrumento óptico.

Una gran diferencia de potencial hace que los electrones del filamento se dirijan hacia el polo opuesto. Esto genera un haz de electrones cuyo voltaje podemos controlar. La energía de los electrones generados puede variar entre los 0,1 a 300 KeV. Habitualmente los voltajes (diferencias de potencial) varían entre los 1.000 V a los 30.000 Voltios. El haz de electrones sale de la última lente magnética para penetrar en la cámara de la muestra donde impacta sobre ella y genera diversos efectos y emisiones. Electrones secundarios (SE) Cuando el haz de electrones primarios (muy energéticos) incide sobre la muestra se emiten electrones con energías inferiores a los 50 eV. Estos electrones, llamados secundarios (SE), tienen energías bajas (de 3 a 5 eV) y proceden de las capas electrónicas de los átomos de la muestra. Estos electrones son los que, con los detectores adecuados, nos ofrecen la imagen topográfica de la muestra.

Los electrones “arrancados” del átomo dejan vacantes (vacíos) que se llenan con electrones de capas más externas. Esta transición emite energía en forma de Rayos X con una valor característico, podríamos decir “único”, del elemento (átomo) en el que sucede esta salto. Electrones retrodispersados (BSE) Cuando el haz incide sobre la superficie de la muestra hay diversos electrones del mismo que “rebotan” (dispersión elástica) y escapan de la misma. Suelen tener una energía superior a los 50eV. Se producen muchos más BSE que SE, el doble o más (hasta 5 o 6 veces más). Veremos más adelante la importancia de estos electrones y su relación con el análisis topográfico de las muestras. Electrones Auger Son electrones emitidos como resultado del proceso de desexcitación (retorno al nivel energético más bajo) de otro electrón, sin emitir energía. Esta energía no emitida como Rayos X o fluorescencia se utiliza para emitir otro electrón. Electrones transmitidos Estos electrones se suelen utilizar para muestras muy delgadas. Los electrones del haz se transmiten a través de la muestra y lo que se recoge es la imagen de la interacción de los electrones. Esta técnica microscópica se llama TEM (Transmission Electron Microscopy).

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Resolución del microscopio electrónico de transmisión (TEM): Es la interacción de los electrones con la materia y la forma de obtener información tanto estructural como de caracterización de defectos. En muchos sentidos, el microscopio electrónico, se pueden obtener electrones acelerados con λ asociada bastante menor de 1 Å, y por tanto se puede obtener, al menos teóricamente, resolución atómica.

“Transmission Electron Microscopy”. Los electrones difractados al pasar a través de la muestra generan un difractograma que puede ser transformado directamente en imagen mediante lentes magnéticas que es la proyección de la estructura cristalina a lo largo de la dirección de los electrones. Un microscopio electrónico de transmisión (TEM, por sus siglas en inglés, o MET, en español) es un microscopio que utiliza un haz de electrones para visualizar un objeto. La potencia amplificadora de un microscopio óptico está limitada por la longitud de onda de la radiación utilizada. En el caso del microscopio óptico se usa luz en el rango visible lo que limita enormemente su poder de resolución. En un microscopio electrónico la longitud de onda asociada es , y 100 KeV

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¿Cuál es la diferencia fundamental de éstas dos técnicas? SEM es un tipo de formación de imágenes de electrones que sólo explora la superficie de una muestra, las Imágenes SEM captan electrones secundarios y electrones retrodispersados con el fin de trazar una imagen. Las muestras utilizadas en las imágenes SEM deben prepararse sobre los trozos de aluminio especializados, en lugar de las láminas de vidrio utilizadas en la microscopía óptica. Mientras TEM es también un tipo de formación de imágenes de electrones, pero la exploración TEM trasmite a través de una muestra. Esto permite mirar más allá de la superficie de materiales en partículas de la muestra. Las muestras para su uso en la exploración TEM sólo pueden leerse cuando se prepara sobre una rejilla TEM compatible.

¿Qué información obtiene del análisis de los nanotubos? Los nanotubos se caracterizan por su gran complejidad electrónica, ya que estos pueden comportarse como semiconductores o superconductores, esta propiedad esta definida su grado de enrollamiento, su diámetro o el número de capas que la componen. Por ejemplo, hay nanotubos rectos cuyas disposiciones hexagonales son siempre paralelas al eje. Esta distribución, que dependerá también del diámetro, hace que dos tercios de los nanotubos no quirales sean conductores y el resto semiconductores. También es importante resaltar a los nanotubos en el papel de superconductores que podrían ser utilizados para el estudio de efectos cuánticos, y también en la búsqueda de aplicaciones prácticas en la informática cuántica molecular. Por otra parte, y esto es algo impresionante, son capaces de transportar corriente eléctrica en cantidades aproximadas de mil millones de A/cm2 (Amperes por centímetro cuadrado).

Los dendrimeros son moléculas poliméricas con arquitecturas tridimensionales altamente ramificadas y regulares, que se sintetizan de forma controlada para dar lugar a compuestos mono dispersos con propiedades físicas y químicas específicas. El uso de moléculas fluorescentes en investigación es el estándar en muchas aplicaciones, y su uso está aumentando continuamente debido a su versatilidad, sensibilidad y capacidades cuantitativas. Esta línea de investigación se centra en la síntesis y estudio fotofísico de sondas moleculares fluorescentes que nos permita el marcaje de moléculas específicas. 

¿Cree usted que esta técnica proporcionaría información de interés acerca de los dendrimeros? ¿En caso afirmativo cual sería esta información?

Creo que si proporcionaría información acerca de dendrimeros , puesto que al usar moléculas fluorescentes aumenta continuamente debido a su versatilidad, sensibilidad y capacidades cuantitativas. Esta técnica de investigación se centra en la síntesis y estudio fotofísico de sondas moleculares fluorescentes. El desarrollo de sondas fluorescentes con alta estabilidad y rendimiento cuántico de emisión también permite su aplicación en sistemas más complejos como pueden ser dendrímeros o nanopartículas. Se tendría información de aplicaciones biofarmacéuticas de los dendrímeros : el desarrollo de nuevos nano-polímeros biocompatibles se ha convertido en un importante objetivo de las compañías dedicadas a la Biotecnología. Las posibles aplicaciones biofarmacéuticas de estos nanopolímeros han demostrado ser múltiples: o

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Transporte de fármacos, con el fin de aumentar la biodisponibilidad y la fracción activa de los mismos; liberación controlada de fármacos, con el fin de prolongar y/o distribuir mejor su efecto a lo largo del tiempo. En terapia génica: una de las facetas más estudiadas de estos nanopolímeros ha sido la relacionada con su potencial para el transporte de ADN, ARN, plásmidos al interior de las células.

También una forma de tener información sobre dendrimeros es trabajar con nanopartículas: utilización en microscopía fluorescente.

Preparación de Partículas Sólidas adecuadas para el soporte de las estructuras Dendrimericas Están trabajando con nanopartículas de sílice luminiscentes de diferentes tamaños y de distribución de tamaño homogénea. Como procedimiento de síntesis que emplean los métodos de Stober. Esta síntesis evita el uso de disolventes orgánicos potencialmente tóxicos y de agentes tensioactivos, además permite el uso de estas nanopartículas como nuevas sondas para imágenes biomédicas y como portadores para la administración de fármacos. Adicionalmente se están desarrollando materiales híbridos orgánico-silica para aplicarlos como biosensores. Las nanopartículas de sílice modificados se utilizan como soportes sólidos en ensayos in vitro para determinar si un paciente es alérgico o no específicamente a un fármaco.

Ilustración Partículas Sólidas adecuadas para el soporte de las estructuras Dendrimericas Sensores Moleculares y Puertas Lógicas Moleculares para el procesamiento de información biomédica La electrónica molecular es un campo de la nanotecnología en el que se utiliza el diseño químico para fabricar estructuras moleculares que simulan el comportamiento de componentes electrónicos. Como en la electrónica clásica, el diseño químico ha sido capaz de producir moléculas que cubren casi por completo la amplia variedad de dispositivos electrónicos existentes. Uno de los dispositivos más interesantes son las llamadas puertas lógicas. Estos sistemas pueden dar una respuesta diferente (denominada output), dependiendo Ilustración Sensores Moleculares y del estímulo que actúe sobre ellos (denominado input). Puertas Logícas Moleculares

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¿Qué es fluorescencia?

La fluorescencia es un proceso de emisión en el cual las moléculas son excitadas por la absorción de radiación electromagnética. Las especies excitadas se relajan al estado fundamental, liberando su exceso de energía en forma de fotones. Una de las características

más atractivas de los métodos de fluorescencia es su sensibilidad inherente, la cual es, con frecuencia, de uno a tres órdenes de magnitud mejor que las de la Espectroscopía de absorción. No obstante, los métodos de fluorescencia se aplican mucho menos que los métodos de absorción debido al número relativamente limitado de sistemas químicos que se pueden hacer fluorecer.

Ahora bien, existen sustancias que emiten luz cuando son expuestas a ciertas longitudes de onda. A este fenómeno se le llama fluorescencia. Esto ocurre porque cuando estas sustancias absorben la luz, sus electrones se excitan y suben a niveles de energía mayores, posteriormente los electrones regresan a su nivel basal pero liberan un fotón de menor energía al que absorbieron. Por lo tanto, la luz emitida es de una longitud mayor que la luz inicial. Es decir, de un color que se encuentra más arriba en el espectro de la luz. Podemos ver este fenómeno de fluorescencia con los letreros que al ser iluminados con lámparas de luz UV (luz negra) brillan, también podemos ver que nuestra ropa blanca brilla al ser iluminada con este tipo de luz (esto se debe a las sustancias con fósforo que contienen los detergentes). También existen organismos vivos que presentan el fenómeno de fluorescencia.

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Explicar su estructura en general:

Los dendrímeros se sintetizan a partir de un núcleo desde el que se extiende en todas las direcciones dando una estructura globular, los dendrones se generan en una dirección desde el núcleo, lo que resulta en una forma de cuña (tridimensional). Sin embargo, debido a que presentan características iguales, misma síntesis. Se puede considerar que los dendrones son un fragmento de los dendrímeros, una simplificación bidimensional de las estructuras de los compuestos que se están exponiendo.

Clasificación dendrimeros: Los megámeros y las estructuras dendríticas

Copolímeros dendríticos-lineales

-Las estructuras dendríticas son polímeros formados por el entrecruzamiento de dendrímeros (Marcos & Serrano, 2009) a través de enlaces ya sean covalentes o no. Según Marcos y Serrano representan el orden más alto de los ensamblajes macromoleculares. Este tipo de estructuras se dividen según el modo de ensamblaje de forma que pueden ser al azar, al igual que los polímeros polidispersos clásicos en los que los monómeros pasan a ser los dendrímeros; u ordenada cuando la conexión entre los dendrímeros es controlada. Por otro lado, las conexiones entre los distintos dendrímeros pueden tener lugar en dos regiones de los mismos: en el exterior o el interior.

Los copolímeros dibloque AB, copolímeros tribloque ABA, copolímeros dendronizados y copolímeros estrella dendríticos-lineales. Los dos primeros tipos son sencillos de entender, constan de un polímero lineal con dendrones en sus extremos, ya sea en uno o ambos. Los copolímeros dendronizados por otro lado, son una cadena lineal que se ha rodeado de dendrones. Los copolímeros estrella se generan a través de la unión de varias cadenas lineales en un núcleo, estas cadenas a su vez tienen la estructura de un copolímero AB y pueden contar con distintos dendrones en sus extremos, no es necesario que coincidan (Inoue, 2000).

- Los megámeros tendrían una complejidad y dimensiones muy superiores a las de los dendrímeros y su generación se llevaría a cabo de forma muy similar a la de los propios dendrímeros, comenzando con un núcleo esférico al que se van uniendo nuevos bloques de forma controlada, es decir, que el resultado también sería una estructura monodispersa.

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Con una figura muestre las partes fundamentales del AFM.

Los componentes de un AFM son:    

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Diodo láser: Fuerza normal, Fn=A+B(C+D), y Fuerza lateral, Fl=A+C-(B+D). Micropalanca Fotodiodo Tubo piezoeléctrico

En que se basa el funcionamiento del AFM y qué información produce el análisis de una muestra con este microscopio

Al analizar una muestra, se registra continuamente la altura sobre la superficie de una sonda o punta cristalina de forma piramidal. La sonda va acoplada a un listón microscópico, muy sensible al efecto de las fuerzas, de sólo unos 200 µm de longitud. La fuerza atómica se puede detectar cuando la punta se aproxima a la superficie de la muestra. Se registrar la pequeña flexión del listón mediante un haz láser reflejado en su parte posterior. Un sistema auxiliar piezoeléctrico desplaza la muestra tridimensionalmente, mientras que la punta recorre ordenadamente la superficie. Todos los movimientos son controlados por una computadora. La resolución del instrumento es de menos de 1 nm, y la pantalla de visualización permite distinguir detalles en la superficie de la muestra con una amplificación de varios millones de veces. El microscopio de MFA, puede realizar dos tipos de medidas: imagen y fuerza. En la modalidad de imagen, la superficie es barrida en el plano la superficie por la punta. Durante el barrido la fuerza interatómica entre los átomos de la punta y los átomos en la superficie de la muestra, provoca una flexión del listón. Esta flexión es registrada por un sensor adecuado (normalmente balanza óptica) y la señal obtenida se introduce en un circuito lazo de realimentación.

de

o

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QS-nCu

Nanocompositos quitosano/nanopartículas de cobre (QS/nCu) se puedan incrementar sus propiedades físico-químicas y antibacterianas, manteniendo la biocompatibilidad del biopolímero. En estudios preliminares, se han desarrollado diferentes nanocompositos con quitosano y nanoparticulas metálicas, que han sido aplicados para la regeneración en lesiones térmicas en un modelo animal ,por lo cual el material presentado es un candidato efectivo para aplicaciones en ingeniería tisular. •

Presente otro ejemplo de un nanomaterial que se pueda considerar dentro de esta clasificación de nanopartículas

Nanopartículas de plata :Se estima que de todos los nanomateriales utilizados en productos para el consumo, las nanopartículas de plata (AgNPs) son las que tienen un mayor grado de comercialización. Se utilizan en electrónica, ropa, pinturas, cosméticos, bactericidas, biofungicidas, aplicaciones biomédicas, en la industria médico-farmaceútica y alimentaria. Su fuerte actividad antimicrobiana es la principal característica para el desarrollo de productos con AgNPs, actualmente, una amplia categoría de productos se encuentran disponibles en el mercado. En el ámbito médico, existen apósitos para heridas, dispositivos anticonceptivos, instrumental quirúrgico y prótesis óseas, todos ellos recubiertos o integrados con AgNPs para así evitar el crecimiento bacteriano . Además, también se está evaluando la utilización de las AgNPs contra el tratamiento de enfermedades que requieren una concentración mantenida de fármaco en sangre o con un direccionamiento específico a células u órganos, como ocurre con el virus del VIH-1, ya que ha sido demostrado que el tratamiento in vitro con AgNPs interacciona con el virus e inhibe su capacidad para unirse a las células del huésped. •

¿Al realizar las lecturas precedentes se pueden concretar algunos conceptos, en un cuadro relacionarlos y definirlos

Nanotecnología

Nanopartícula

Nanotubos

Fullerenos

La nanotecnología es el estudio y la manipulación de materia en tamaños increíblemente pequeños, generalmente entre uno y 100 nanómetros. es una partícula que posee las tres dimensiones menores que 100 nm. Actualmente las nanopartículas son un área de intensa investigación científica, debido a una amplia variedad de aplicaciones potenciales en campos tales como biomédicos, ópticos, electrónicos, nanoquímica, o agricultura. se denominan nanotubos a estructuras tubulares (cilíndricas), cuyo diámetro es del tamaño del nanómetro. Existen nanotubos de muchos materiales, tales como silicio o nitruro de boro pero, generalmente, el término se aplica a los nanotubos de carbono. Los fullerenos son la tercera forma molecular estable conocida de carbono, tras el grafito y el diamante. Los fullerenos fueron descubiertos en 1985 por Harold Kroto, Robert Curl y Richard Smalley, lo que les valió la concesión del Premio Nobel de Química en 1996. 60, que consta de 12 pentágonos y 20 hexágonos.

Dendrimeros

Fluorescencia

Es una macromolécula tridimensional de construcción arborescente. Los dendrímeros forman parte de los polímeros, pero su diferencia radica en que la distribución de las moléculas que constituyen a los polímeros lineales es probabilística Emisión de luz de una sustancia que ha absorbido luz u otra radiación electromagnética. Es una forma de luminiscencia. En la mayoría de los casos, la luz emitida tiene menor longitud de onda, y por ende menor energía, que la radiación absorbida

Bibliografía: Inoue, K. (mayo de 2000). Functional dendrimers, hyperbranched and star polymers. Progress in polúmer science, 25(4), 453-571. Bionand. Centro Nanomedicina (Laboratorio de Dendrímeros Biomiméticos y Fotónica Tomado de : http://www.bionand.es/es/groups/ldbf pg, 1 Dendrímeros: Imitando a la naturaleza, Cruz Morales, J.A.; Guadarrama Acosta Patricia. Materiales Avanzados, IIM-UNAM, Año 1, no. 3. Marcos, M., & Serrano, J. L. (2009). Polímeros Dendríticos. Anales de Química, 105(2), 103110 Manual del Microscopio de Fuerza atómica (Digital Instruments/Veeco Metrology Group) Aguilar MA. 2009. Síntesis y caracterización de nanoparticulas de plata: Efecto sobre colletotrichum Gloesporioides. Tesis doctoral.