NANOMATERIALES

El término Nanomateriales engloba todos aquellos materiales desarrollados con al menos una dimensión en la escala nanométrica. Cuando esta longitud es, además, del orden o menor que alguna longitud física crítica, tal como la longitud de Fermi del electrón, la longitud de un monodominio magnético, etc., aparecen propiedades nuevas que permiten el desarrollo de materiales y dispositivos con funcionalidades y características completamente nuevas. En esta área, por lo tanto, se incluyen agregados atómicos (clusters) y partículas de hasta 100 nm de diámetro, fibras con diámetros inferiores a 100 nm, láminas delgadas de espesor inferior a 100 nm, nanoporos y materiales compuestos conteniendo alguno de estos elementos. La composición del material puede ser cualquiera, si bien las más importantes son silicatos, carburos, nitruros, óxidos, boruros, seleniuros, teluros, sulfuros, haluros, aleaciones metálicas, intermetálicos, metales, polímeros orgánicos y materiales compuestos.

El área es por lo tanto de carácter horizontal con influencia en prácticamente todos los sectores socio-económicos, desde Sanidad y Salud hasta Energía pasando por Textil, Tecnologías de la Comunicación e Información, Seguridad, Transporte, etc. y un enorme potencial económico. La National Science Foundation de EE.UU. estima que la nanotecnología moverá en 2015 un billón (1012) de dólares en el mundo, representando el segmento de nanomateriales el 31% del total. Las estimaciones del Deutsche Bank prevén un mercado en torno a los 370 millardos de dólares (109) para el 2010 con una tasa de crecimiento del 15% anual.

Los sectores de actividad más relevantes en Nanomateriales incluyen Materiales Nanoestructurados, Nanopartículas, Nanopolvos, Materiales Nanoporosos, Nanofibras, Fullerenos, Nanotubos de Carbono, Nanohilos, Dendrímeros, Electrónica Molecular, Puntos Quánticos y Láminas Delgadas. La actividad en cada uno de ellos está fuertemente condicionada por la demanda de cada sector socio-económico mencionado anteriormente. Así, el sector Sanidad y Salud está obteniendo excelentes resultados en ingeniería de tejidos, liberación controlada y dirigida de fármacos y agentes de contraste para el diagnóstico por imagen. En el sector de Tecnologías de la Comunicación e Información los avances más destacados están en el desarrollo de la electrónica de espines, spintrónica, y en el avance de la electrónica molecular, incluido el uso de nanotubos de carbono en pantallas. Los desarrollos fotocatalíticos, fundamentalmente basados en el óxido de titanio, están teniendo notable impacto en sectores tan diversos como el de la industria cosmética, medio ambiente y cerámica. La incorporación de nanomateriales funcionales a las fibras textiles está dando lugar a una nueva generación de fibras funcionales con capacidad de responder a estímulos exteriores con nuevas propiedades.

El área está estrechamente relacionada con la de Nanoquímica ya que la preparación de materiales por rutas sintéticas, bottom-up, permite un grado de control de tamaño y propiedades muy difícil, sino inalcanzable, de conseguir con técnicas más físicas de reducción de tamaño, top-down.

La importancia de los Nanomateriales no sólo está en su tamaño, situado entre la escala macroscópica y la escala atómica, que bien da lugar a propiedades nuevas como mejora otras ya existentes. Estos materiales tienen además la potencialidad de ser disruptivos, pudiendo dar lugar a tecnologías que sustituyan otras ya existentes con costes muy inferiores, tanto de materias primas como de producción.

Materiales nanoestructurados

Cerámicas nanoestructuradas como bio-implantes; imanes permanentes de alta temperatura para motores de aviones; materiales ferromagnéticos para aplicaciones como imanes blandos, almacenamiento de la información, válvulas de espín magnetoresistivas, refrigeración; Mg y Ti nanocristalino como catalizadores para automoción basada en hidrógeno; zeolitas nanoporosas y materiales metalorgánicos para almacenamiento de hidrógeno; sensores y actuadores basados en MEMS y NEMS.

Nanopartículas y Nanopolvos

Las actuaciones a desarrollar se orientan en seis campos diferentes

• Energía, células solares basadas en TiO2, almacenamiento de hidrógeno con hidruros metálicos, mejora de electrodos para pilas.
• Biomédico, liberación de fármacos por inahalación particularmente insulina, crecimientos óseos, tratamientos anticáncer, recubrimientos para implantes, agentes de contraste para diagnóstico por imagen.
• Ingeniería, herramientas de corte, liberación controlada de herbicidas y pesticidas, sensores químicos, tamices moleculares, polímeros compuestos reforzados, aditivos para lubricantes, pigmentos, vidrios autolimpiables basados en TiO2, tintas magnéticas y conductoras.
• Artículos de consumo, materiales para el deporte, recubrimiento de vidrios, textiles repelentes de agua y de suciedad.
• Medio ambiente, tratamiento de aguas basados en fibras de alúmina y en procesos fotocatalíticos de TiO2, recubrimientos autolimpiantes, recubrimientos antirreflectantes, cerámicas y azulejos.
• Electrónica, partículas magnéticas para memorias de alta densidad, partículas magnéticas para apantallamientos EMI, circuitos electrónicos NRAM mediante Cu y Al, ferrofluidos, pantallas con dispositivos de emisión basados en óxidos conductores.

Nanocápsulas

Liberación de fármacos, industria de la alimentación, cosméticos, tratamiento de aguas residuales, componentes de adhesivos, aditivos aromáticos en tejidos, fluidos magnéticos.

Materiales nanoporosos

Membranas con control de poro a nivel atómico, catalizadores como reductores de emisión de contaminantes, catalizadores como elementos de auto-diagnóstico y auto-reparación en materiales, aislantes, aplicaciones medioambientales para reducción de emisiones, purificación de aguas, eliminación de contaminantes, atrapado y eliminación de metales pesados, producción de nanopartículas estructuradas, células solares orgánicas, supercondensadores para almacenamiento de energía, almacenamiento de gases (hidrógeno, metano, acetileno), ingeniería de tejidos para aplicaciones médicas, liberación controlada de fármacos, bioimplantes.

Nanofibras

Filtros, tejidos, cosméticos, esterilización, separaciones biológicas, ingeniería de tejidos, biosensores, órganos artificiales, implantes, liberación controlada de fármacos.

Fullerenos

Lubricantes, reforzado de polímeros y fibras textiles, catalizadores, electrodos para células solares, dispositivos fotónicos, baterías de Li de larga duración.

Nanotubos de carbono

Polímeros conductores, polímeros y cerámicas altamente tenaces, apantallamientos electromagnéticos, electrodos para baterías, componentes para membranas y células solares, FEDs, nano-osciladores en los giga-hertz, puntas nanoscópicas, músculos artificiales.

Nanohilos

Manipulación de elementos biológicos en campos magnéticos, FETs, sensores, detectores, LEDs, almacenamiento de datos de alta densidad, nanodispositivos opto-electrónicos.

Dendrímeros

Células artificiales, liberación controlada y dirigida de fármacos, agentes de contraste, toners para impresoras por láser, sensores para diagnóstico, detectores, electrónica molecular, agentes descontaminadores y de filtración particularmente de iones metálicos, adhesivos, lubricantes y baterías en la nanoescala.

Electrónica molecular

Aunque la mayoría de las innovaciones aparecidas en los últimos 15 años en los laboratorios no han superado las exigencias de los entornos industriales, la tendencia incremental de costos que suponen las mejoras de las tecnologías existentes, hacen cada vez más atractivas y económicamente factibles la búsqueda de nuevas aproximaciones moleculares a la electrónica. Entre ellas, transistores, conmutadores y rectificadores moleculares, con un objetivo de 1012 bits/cm2, tiempos de conmutación en los pico-segundos y 10 meV de consumo de energía por ciclo; desarrollo de hilos moleculares; conmutación electromecánica basada en la deformación controlada de una molécula o su reorientación como alternativa a mover los electrones moleculares.

Quantum dots

La mayoría de las directrices propuestas incluyen el anclado de QDs a superficies moleculares o su inserción en líquidos, geles o matrices sólidas. En particular, láseres semiconductores basados en emisión de fotones por pozos quánticos, fotosensores para la optimización de células solares adaptándolas al espectro solar aumentando la captura de luz, transistores monoelectrónicos, computación cuántica, puertas lógicas, elementos de memoria y grabación, elementos para etiquetado biológico, elementos para diagnóstico médico, LEDs, elementos para células solares reemplazando tintes orgánicos.

Láminas delgadas

Aparte de numerosos desarrollos basados en silicio amorfo que ya están en el mercado aunque todavía requieren investigación, como miniaturización de células solares fotovoltaicas, hay interés en desarrollos basados en Si policristalino para papel electrónico, pieles artificiales, telas y ropas inteligentes, MEMS tanto para sensores como para actuadores y estructuras pasivas, actuadores térmicos, TFTs, electrónica flexible para células solares y circuitos integrados; láminas sensibles al espectro de luz para cubrimiento de cristales y ventanas (p. ej., termocrómicos, fotocrómicos, electrocrómicos), aplicaciones termo-eléctricas tendentes a reducir la conductividad térmica manteniendo una alta conductividad eléctrica para generadores de potencia, sensores o electroválvulas; recubrimientos funcionales en automoción y aereonáutica.