¿En qué se diferencian los nanomateriales de los materiales a granel?

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Los nanomateriales son materiales que tienen al menos una dimensión en el rango de 1 a 100 nanómetros (Nm), que es aproximadamente mil veces más pequeño que el ancho de un cabello humano. Debido a su pequeño tamaño, los nanomateriales a menudo exhiben diferentes propiedades físicas, químicas y mecánicas que sus contrapartes a granel, que son materiales que tienen dimensiones superiores a 100 nm. En este artículo, aprenderá sobre algunas de las formas en que los nanomateriales se comportan de manera diferente a los materiales a granel, y cómo estas diferencias se pueden explotar para diversas aplicaciones en la ciencia de los materiales.

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Anshuman Raunak

IIMJ'25 || Co-Founder @ Croppinn || DRDO || CSIR || Coordinator E-CELL & Agri-tech || Project Management

1 Efectos superficiales

Uno de los principales factores que influyen en el comportamiento de los nanomateriales es la gran relación superficie-volumen, lo que significa que una mayor proporción de átomos se encuentra en la superficie del material o cerca de ella. Los átomos de la superficie tienen interacciones y energías diferentes a las de los átomos del interior, y pueden afectar las propiedades del material de varias maneras. Por ejemplo, los efectos superficiales pueden mejorar la reactividad, la actividad catalítica y las propiedades ópticas de los nanomateriales, así como influir en su estabilidad térmica, punto de fusión y transiciones de fase.

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2 Efectos cuánticos

Otro factor que afecta al comportamiento de los nanomateriales es el efecto de confinamiento cuántico, que se produce cuando el tamaño del material es comparable o menor que la longitud de onda de los electrones o fotones. El confinamiento cuántico puede alterar la estructura electrónica y la banda prohibida del material, lo que determina sus propiedades eléctricas y ópticas. Por ejemplo, los puntos cuánticos son nanomateriales que pueden emitir diferentes colores de luz dependiendo de su tamaño, debido al efecto de confinamiento cuántico. Los efectos cuánticos también pueden afectar a las propiedades magnéticas, mecánicas y térmicas de los nanomateriales, así como a sus interacciones con otros materiales y campos.

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3 Efectos de tamaño

Un tercer factor que afecta el comportamiento de los nanomateriales es el efecto tamaño, que se refiere a la dependencia de las propiedades del material de su tamaño o forma. Los efectos del tamaño pueden surgir de varios mecanismos, como la reducción de defectos, el aumento de la tensión, el cambio de la estructura cristalina o la formación de interfaces. Por ejemplo, los nanocables son nanomateriales que tienen una relación de aspecto alta, lo que significa que su longitud es mucho mayor que su ancho. Los nanocables pueden exhibir propiedades mecánicas diferentes a las de los materiales a granel, como mayor resistencia, ductilidad y elasticidad, debido al efecto de tamaño.

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Anshuman Raunak

IIMJ'25 || Co-Founder @ Croppinn || DRDO || CSIR || Coordinator E-CELL & Agri-tech || Project Management
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Let's understand with an example. If you have one cubical box with one dimension is 5 metres. So what will be the surface area. 5 × 5 × 6 =150 m^2. But if you fill that box with 1 meter diameter of circles then the one circle surface area would be 3.14 m^2 and you can put 125 circles so the total surface area of the circles for the same box is more than 375 m^2. That's how surface area phenomena work at nanoscale.

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4 Efectos de interfaz

Un cuarto factor que afecta al comportamiento de los nanomateriales es el efecto interfaz, que se produce cuando dos o más nanomateriales se combinan para formar un compuesto o una heteroestructura. Los efectos de la interfaz pueden ser el resultado de la falta de coincidencia de los parámetros de la red, las orientaciones de los cristales o las composiciones químicas entre los nanomateriales, lo que puede crear tensión, tensión o defectos en la interfaz. Los efectos de interfaz también pueden ser el resultado de la interacción de electrones, fonones o fotones a través de la interfaz, que pueden modificar las propiedades de transporte, ópticas o magnéticas de los nanomateriales. Por ejemplo, el grafeno es un nanomaterial que consiste en una sola capa de átomos de carbono dispuestos en una red hexagonal. El grafeno puede formar interfaces con otros nanomateriales, como nanopartículas metálicas, nanotubos u óxidos, para crear nuevas estructuras híbridas con propiedades mejoradas o sintonizables.

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Artem V. Sinolits

PhD in Chemistry (Radiochemistry)
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For example, surface non-covalent modification of nanodiamonds with positive ζ-potential with chitosan (positively charged polysaccharide) increases its ζ-potential and enhances their colloidal stability. When modifying nanodiamonds with negative ζ-potential with chitosan, at small concentrations of chitosan neutralization of surface charge is observed followed by loss in colloidal stability and - at higher chitosan concentrations - recharge of nanodiamond-chitosan complex leading to positively charged complexes with good colloidal stability.

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5 Ejemplos de aplicación

El comportamiento diferente de los nanomateriales que de los materiales a granel puede ofrecer muchas ventajas y oportunidades para diversas aplicaciones en la ciencia de los materiales. Por ejemplo, los nanomateriales se pueden utilizar para crear sensores, actuadores o dispositivos que pueden detectar, manipular o convertir señales físicas, químicas o biológicas con alta sensibilidad, selectividad o eficiencia. Los nanomateriales también se pueden utilizar para crear recubrimientos, películas o fibras que pueden mejorar el rendimiento, la durabilidad o la funcionalidad de superficies, sustratos o textiles. Los nanomateriales también se pueden utilizar para crear catalizadores, electrodos o baterías que pueden mejorar la velocidad, el rendimiento o la capacidad de las reacciones químicas o electroquímicas. Los nanomateriales también se pueden utilizar para crear nanomedicinas, sistemas de administración de fármacos o materiales biomiméticos que puedan interactuar con sistemas biológicos, tejidos u órganos con alta especificidad, biocompatibilidad o funcionalidad.

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1 Efectos superficiales

2 Efectos cuánticos

3 Efectos de tamaño

4 Efectos de interfaz

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