Química de Nanomateriales
La química de nanomateriales estudia la síntesis, la estructura y las propiedades dependientes del tamaño de materiales con al menos una dimensión en el rango nanométrico, donde el confinamiento cuántico y una relación superficie-volumen muy alta confieren un comportamiento distinto al del material a granel.
Definition
La química de nanomateriales es el estudio de cómo el tamaño, la forma y la química de la superficie de los materiales a nanoescala se controlan mediante la síntesis y cómo dan lugar a propiedades —ópticas, electrónicas y catalíticas— que difieren de las del sólido a granel correspondiente.
Scope
Esta área abarca los principios químicos de la materia a nanoescala: puntos cuánticos y nanocristales cero-dimensionales cuyas propiedades ópticas dependen del tamaño; láminas bidimensionales como el grafeno y los dicalcogenuros de metales de transición; la síntesis en fase coloidal y en solución de nanopartículas y su ensamblaje en superestructuras ordenadas; y las rutas químicas suaves, sol-gel y de plantilla utilizadas para construir sólidos nanoestructurados. A lo largo de su estudio, vincula el tamaño y la forma con la función electrónica, óptica y catalítica.
Sub-topics
Core questions
- ¿Por qué cambian las propiedades de un material cuando un sólido se reduce a dimensiones nanométricas?
- ¿Cómo se sintetizan los nanocristales, las nanoláminas y las nanopartículas con tamaño y forma controlados?
- ¿Cómo altera el predominio de los átomos superficiales la química a nanoescala?
- ¿Cómo se pueden ensamblar bloques de construcción a nanoescala en arquitecturas funcionales?
Key concepts
- Confinamiento cuántico
- Relación superficie-volumen
- Síntesis de nanocristales coloidales
- Control de forma y facetas
- Autoensamblaje de nanoestructuras
- Ligandos de superficie y agentes de recubrimiento
Key theories
- Confinamiento cuántico en nanocristales
- Cuando un cristal semiconductor se vuelve comparable en tamaño al excitón, los niveles electrónicos se vuelven discretos y la banda prohibida efectiva se ensancha a medida que disminuye el tamaño, por lo que la absorción y emisión óptica se pueden ajustar simplemente cambiando el tamaño de la partícula.
- Control de la forma y la superficie de los nanocristales
- Las propiedades de los nanocristales dependen no solo del tamaño, sino también de la forma y de las facetas cristalinas expuestas, que se controlan cinéticamente durante la síntesis coloidal mediante tensioactivos y condiciones de crecimiento, y que rigen el comportamiento catalítico y plasmónico.
Clinical relevance
La química de nanomateriales sustenta una amplia gama de tecnologías: los puntos cuánticos de tamaño sintonizable se utilizan en pantallas y bioimágenes, las nanopartículas de alta superficie sirven como catalizadores y electrodos, y los materiales bidimensionales se exploran para la electrónica, los sensores y las membranas.
History
El reconocimiento en las décadas de 1980 y 1990 de que los nanocristales semiconductores muestran propiedades ópticas dependientes del tamaño, codificado en la revisión de Alivisatos de 1996, estableció el confinamiento cuántico como un fenómeno químicamente controlable. Los avances en la síntesis coloidal permitieron entonces un control preciso del tamaño y la forma, y el aislamiento del grafeno en 2004 abrió la química de los materiales bidimensionales, ampliando el campo a la disciplina de la nanoquímica.
Key figures
- A. Paul Alivisatos
- Mostafa El-Sayed
- Geoffrey Ozin
Related topics
Seminal works
- alivisatos1996
- elsayed2005
- ozin2009
Frequently asked questions
- ¿Por qué una nanopartícula se comporta de manera diferente al mismo material a granel?
- Dos efectos dominan a nanoescala: una gran fracción de los átomos se encuentra en la superficie, lo que cambia la reactividad y la energética, y para semiconductores lo suficientemente pequeños, los electrones están confinados cuánticamente, lo que discretiza los niveles de energía y desplaza las propiedades ópticas y electrónicas en relación con el material a granel.
- ¿Cómo se puede ajustar el color de los puntos cuánticos?
- Debido al confinamiento cuántico, la banda prohibida efectiva de un nanocristal semiconductor aumenta a medida que disminuye su tamaño. La fabricación de puntos más pequeños desplaza la absorción y la emisión a una energía más alta (más azul), por lo que el color se puede seleccionar simplemente controlando el tamaño de las partículas durante la síntesis.