Nanomateriales: Estructuras 0D, 1D, 2D Y 3D.

Imagen nanopartículas

Los nanomateriales (NMs) son materiales que tienen dimensiones en la escala nanométrica, es decir, entre 1 y 100 nanómetros. Para imaginarlos, pensemos en dividir un cubo de un centímetro en mil millones de partes iguales: cada parte tendría tamaño nanométrico.

Lo novedoso de los NMs es que, al controlar cómo se producen (su síntesis), es posible obtener nanoestructuras con propiedades muy distintas, incluso tratándose del mismo material. En la nanoescala, su comportamiento cambia y, en consecuencia, también sus aplicaciones.

Tipos de nanomateriales

• Nano-objetos: cuando el largo, ancho o alto están en la nanoescala.

• Materiales nanoestructurados: cuando en su interior o superficie contienen partes nanométricas, con al menos un 10% de nano-objetos en su composición.
  

  

• Fig. 1. Clasificación de los NM según dimensionalidad. Fuente: QuimicaViva vol 22 número 11.

• Clasificación de los nano-objetos:

  Nanopartículas (0D)

  Imaginemos un cubo tan pequeño que sus tres dimensiones (alto, ancho y largo) están en la escala nano. En este tamaño, una gran proporción de átomos se encuentra en la superficie, lo que significa que tienen mucha más superficie expuesta en relación a su volumen. Esto modifica propiedades como el punto de fusión, el color, la conductividad o la reactividad. Además, en la escala nanométrica aparecen fenómenos especiales (como el confinamiento cuántico y la resonancia plasmónica superficial) que refuerzan estas diferencias frente al mismo material en su forma convencional. Un ejemplo visible de ello son los colores intensos de algunas nanopartículas metálicas, como ocurre en los puntos cuánticos (quantum dots).
  La categoría de NMs 0D está conformada por nanopartículas, nanoclusters y nanocristales.
  Un ejemplo: los televisores con tecnología QLED utilizan nanopartículas llamadas puntos cuánticos (quantum dots), que mejoran el brillo y la pureza de los colores

  

  Fig. 2. Nanopartículas de plata. Fuente: Películas biodegradables con propiedades bioactivas. ResearchGate

• Nanofibras o nanotubos (1D)

  Ahora pensemos en un alambre extremadamente fino. Tiene dos dimensiones en la nanoescala (el ancho y el alto de su sección transversal, es decir, su diámetro) y una mucho más larga (longitud). Aquí entran nanofibras, nanotubos y nanocables.
  Se destacan por su resistencia mecánica y por sus propiedades semiconductoras.
  Un ejemplo: Los nanotubos de carbono son tan resistentes que se investigan para reforzar materiales de construcción como el cemento, y además se usan en el desarrollo de transistores y circuitos electrónicos.

  

  Fig. 3. Nanotubos de carbono actuando como uniones / puentes (linkers) en la fractura del cemento. Fuente: Design and predicting performance of carbon nanotube reinforced cementitious materials: mechanical properties and dispersion characteristics.

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  Fig. 4. Estructura de un nanotubo (Nanomaterial 1D).

• Nanoplacas (2D)

  Imaginemos ahora una hoja de papel, pero con un espesor nanométrico. Una sola dimensión (el grosor) está en la escala nanométrica, mientras que las otras son mucho mayores.
  Este formato de “placa” o “película” les da gran resistencia y conductividad, generalmente se conocen como películas delgadas (thin films), nanoplacas, nanofilms.
  El ejemplo más relevante es el grafeno, formado por una sola capa de átomos de carbono, es 200 veces más resistente que el acero y al mismo tiempo extremadamente ligero y flexible.

  

  Fig. 5. Batería de óxido de grafeno para mejorar el rendimiento de las baterías tradicionales. Fuente: American Chemical Society.

• Materiales nanoestructurados (3D)

  Aquí no se trata de un objeto aislado, sino de materiales donde los nano-objetos están interconectados en una matriz. En los materiales 3D lo “nano” no está en las dimensiones externas, sino en su estructura interna o superficial, lo que significa que el material puede verse y manipularse en forma macroscópica, pero dentro de él hay componentes o poros en la escala nanométrica.

  

  Fig. 6. Nanomaterial 3D. Fuente: Researchgate.

• Esta categoría está compuesta por:

• Polvos nanoestructurados

• Partículas sólidas donde cada “grano” tiene una estructura interna organizada a escala nanométrica.

  Nanocompuestos

• Materiales formados por varias fases combinadas, donde al menos una tiene dimensiones nanométricas, logrando propiedades mejoradas o nuevas.

  Nanoespumas sólidas

• Materiales sólidos con una red interna de poros nanométricos, que aumentan la superficie y reducen la densidad.
  
  Materiales nanoporosos

  Podemos pensarlos como un colador con orificios diminutos: los poros son tan pequeños que solo dejan pasar moléculas específicas.

  Dispersiones nanofluídas

  Serían como agua con “polvo invisible” de nanopartículas flotando en ella, que le dan propiedades nuevas.
  
  En resumen, los nanomateriales son un claro ejemplo de cómo lo invisible a simple vista puede transformar desde la tecnología hasta la medicina, gracias a propiedades únicas que solo emergen en la nanoescala.