¡Me alegra que lo hayas preguntado! Una de las aplicaciones más emocionantes y ya existentes para los nanomateriales son los puntos cuánticos. Típicamente hechos de nanopartículas de seleniuro de cadmio, tienen un enorme potencial tanto en aplicaciones de absorción de luz (p. Ej., Energía solar) como de emisión de luz (p. Ej., Pantalla).
A continuación se muestra un excelente video que describe cómo se producen los puntos cuánticos. Este proceso es escalable y pueden fabricarse por kilogramo.
Las aplicaciones solares se benefician de la capacidad de controlar el tamaño de las partículas mediante el cual los picos espectrales de la luz solar se interceptan con una absorción de energía casi perfecta en esa longitud de onda. Como se puede ver, hay ciertas regiones dentro del espectro solar donde los picos fotónicos específicos entregan cantidades mucho mayores de energía. Ajustar el tamaño físico de los puntos cuánticos para que intercepten esta energía con la mayor eficiencia posible tiene el potencial (por así decirlo) de los paneles solares de alto rendimiento.
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Según el video introductorio, sintonizar físicamente los puntos cuánticos es un ejercicio algo peatonal que ocurre durante la etapa final de recocido. Mientras que el “caparazón” se cultiva alrededor del núcleo del punto, el período de crecimiento es lo que controla el tamaño de partícula eventual, por lo que es simplemente una cuestión de tiempo y mantener condiciones de proceso de recocido altamente controladas.
Las pantallas basadas en puntos cuánticos también exhiben algunas características únicas, como el espectro de color de “gama completa”, UHD (Ultra High Definition) y muy bajo costo. Ver: Quantum-dot 55-in. UHD TV se venderá por un tercio del precio de los OLED.
La pantalla puede ser flexible, lo que abre todo tipo de nuevas oportunidades para la transmisión de información, como dispositivos móviles portátiles.
Ver: Apple está mirando pantallas de puntos cuánticos
A continuación se muestra un conjunto de diagramas de espacio de color que representan el rango espectral de la visión humana y diversas capacidades de emisión de los tipos de pantallas comunes.
En sentido horario desde la esquina superior izquierda:
- La gama completa de la visión humana. Un triángulo interno delimita el rango de visualización de acuerdo con los estándares sRGB.
- El rango de visualización espectral de una pantalla de monitor CRT color típica.
- El espectro de un monitor de diodo emisor de luz blanca (W-LED).
- La capacidad de visualización en color de una pantalla que utiliza puntos cuánticos. El área dentro del triángulo negro es su espectro de emisión intrínseco. El triángulo amarillo representa el rango espectral reducido cuando se retroilumina con un W-LED.
Ver: LCD de alta eficiencia con Quantum Dot Films
De particular interés es la forma en que el triángulo negro del gráfico inferior derecho penetra tan profundamente en la región verde del espacio de color. Hasta la fecha, la emisión verde rica ha sido uno de los mayores desafíos para la salida de luz de estado sólido. El trabajo reciente (véase el cuadro a continuación) se ha centrado en los LED que utilizan fósforos de Mg2SnO4 activados por Ti4 + / Mn2 +, pero los puntos cuánticos siguen siendo una forma más rentable de obtener dicha emisión.
A continuación se muestra una explicación de la anatomía de un diagrama de cromaticidad CIE.
Sin embargo, como se señaló en el video, las características de emisión de luz de los puntos cuánticos tienen aplicaciones muy útiles en otros campos. Cuando se recubre con un recubrimiento lipídico hidrofílico, los puntos cuánticos se pueden usar como marcadores luminosos para la detección y localización de tumores cancerosos. Ver: puntos cuánticos multicolores para el diagnóstico molecular del cáncer.
La información anterior sobre los puntos cuánticos representa una pequeña fracción de lo que tienen guardados los nanomateriales. Aquí hay otra aplicación interesante de nanocapas que vi en una conferencia presentada por Indium Corporation, un líder mundial en soldadura y otras tecnologías de unión de metales. Se trata de la unión de metales diferentes e incluso materiales no metálicos utilizando un proceso que ofrece enlaces fuertes con un pulso térmico muy bajo y una excursión de temperatura mínima.
El proceso de Nano-Bond utiliza un NanoFoil activado térmicamente compuesto de microcapas de aluminio y níquel alternadas que, cuando se encienden, producen un calentamiento intenso y localizado que unirá las superficies (prehumedecidas con soldadura), incluso aquellas que normalmente no son susceptibles a dicha unión. como cerámica, vidrio y polímeros, todo lo cual se puede combinar en varias combinaciones.
Lo anterior es un video de alta velocidad (2,000 cuadros por segundo) de un objetivo de molibdeno de 450 mm que se une a una placa de respaldo de aluminio. Como muestra el siguiente cuadro, esto es tan diferente como dos metales pueden ser. (Tiempo real del video = .432 segundos). El CTE (coeficiente de expansión térmica) de molibdeno difiere del aluminio en casi un factor de cinco .
Esta capacidad ha sido de gran interés para una amplia variedad de usuarios, desde equipos de diseño de autos de carreras de fórmula hasta fabricación de PCB de alto rendimiento. La eliminación de las excursiones térmicas relacionadas con la soldadura por ola permite el uso de componentes sensibles a la temperatura y minimiza la introducción de defectos que generalmente ocurren debido al agrietamiento de las juntas de soldadura o al daño térmico a los dispositivos en la PCB.
Otro nanomaterial bien conocido es Buckminsterfullerene, (llamado así por el inventor de la cúpula geodésica, Buckminster Fuller), llamado cariñosamente “Buckyballs” por aquellos que investigan sus increíbles propiedades (ver más abajo).
Estas nanoestructuras C60 son solo una de las muchas manifestaciones diferentes que el carbono puede tomar. Igualmente, si no más, famosos son los nanotubos de carbono (como se muestra en la Figura H en la siguiente ilustración). Una aplicación novedosa es usar un Buckyball para encarcelar moléculas pequeñas como H2 y H2O. Tener una molécula invitada que posee un momento dipolar eléctrico abre la puerta para la electrónica a nanoescala y dispositivos similares a pequeña escala. Ver: la “jaula” de la bola Bucky aprisiona moléculas más pequeñas.
La resistencia a la tracción de los nanotubos de carbono es de alrededor de 63 gigapascales (GPa). Esto se traduce en una estructura que puede soportar la tensión de un peso cercano a 6.422 kg (14.158 libras) en un cable con una sección transversal de 1 mm2. Eso es más de siete toneladas suspendidas de una cuerda de un milímetro cuadrado de diámetro. Imagínese remolcar un transatlántico con una guinda del grosor de su dedo meñique.
Claramente, otro objetivo importante sería la fabricación de diamantes a baja temperatura y baja presión, algo que ya está sucediendo con los procesos de recubrimiento DLC (Diamond-Like Carbon) (ver más abajo).
Como se puede ver por la gran disparidad en la dureza y el módulo de Young, la tecnología de recubrimiento DLC no puede rivalizar estructuralmente con los diamantes sintéticos o naturales. Sin embargo, la capacidad de controlar el grosor de la película y aplicar de manera conforme estas capas a formas de sustrato tridimensionales complejas aún le da a este método ventajas específicas.
En una nota final y ominosa, observe en el último video cómo esos investigadores están manejando ese bosque de nanotubos sin mucho equipo de protección. En realidad, están siendo muy tontos, ya que los nanotubos de carbono tienen muchas de las mismas propiedades que el amianto con respecto al tamaño y la capacidad de alojarse en el tejido alvéolo (pulmón). Las instituciones prudentes ya están pidiendo una investigación más exhaustiva de estas propiedades potencialmente perjudiciales. Ver: estudio dice que los nanotubos de carbono son tan peligrosos como el asbesto
Hablando como alguien que ha trabajado con materiales extremadamente peligrosos como el ácido fluorhídrico (HF), el silano (Si3H4, un piroforo espontáneo) y la arsina (AsH3), parece haber poca atención en los riesgos. estos materiales no probados plantean.
De extrema preocupación es la rápida expansión de la presencia de nanomateriales en productos fabricados para consumo humano. Solo la capacidad de las nanopartículas para atravesar la placenta y la BBB (barrera hematoencefálica) debería ser motivo de gran alarma. De: Campaña por cosméticos seguros: nanotecnología
La investigación realizada por el socio fundador de la Campaña de Cosméticos Seguros Friends of the Earth sugiere que las nanopartículas han ingresado a casi todos los productos de cuidado personal en el mercado, incluidos desodorante, jabón, pasta de dientes, champú, acondicionador para el cabello, protector solar, crema antiarrugas, crema hidratante, base, polvos para la cara, lápiz labial, rubor, sombra de ojos, esmalte de uñas, perfume y loción para después del afeitado.
La investigación científica preliminar ha demostrado que muchos tipos de nanopartículas pueden ser tóxicas para los tejidos humanos y los cultivos celulares, lo que resulta en un aumento del estrés oxidativo, la producción de citocinas inflamatorias, la mutación del ADN e incluso la muerte celular. Pueden penetrar las paredes celulares, incluidos los tejidos de los órganos, y se sabe que son altamente reactivos.
Para cerrar, los nanomateriales tienen la capacidad de proporcionar a la humanidad soluciones para problemas molestos que van desde la entrega de medicamentos específicos del sitio hasta compuestos aeroespaciales que las aleaciones de metales comunes no pueden igualar para las relaciones de resistencia a peso. Dadas estas propiedades, están aquí para quedarse. Nada de lo cual libera a la industria de garantizar que se manejen y administren de manera segura y responsable.
Mire este excelente video de Nanorex Systems que describe con precisión las operaciones de una (futura) herramienta de nano-fabricación orientada al consumidor de mostrador que debería ser capaz de producir productos electrónicos de consumo domésticos complejos por varios dólares por libra .