miniaturadeimagen|280x280px|Disposición atómica de los átomos de carbono en el Buckminsterfullereno Los nanomateriales son materiales con propiedades morfológicas más pequeñas que 1 µm en al menos una dimensión.Cristina Buzea, Ivan Pacheco, and Kevin Robbie "Nanomaterials and Nanoparticles: Sources and Toxicity" Biointerphases 2 (1007) MR17-MR71. A pesar del hecho de que no hay consenso sobre el tamaño mínimo o máximo de un nanomaterial, algunos autores restringen su tamaño de 1 a 100 nm, una definición lógica situaría la nanoescala entre la microescala (1 µm) y la escala atómica/molecular (alrededor de 0.2 nm).
El 18 de octubre de 2011, la Comisión Europea adoptó la siguiente definición de nanomaterial: Un nanomaterial es un material —ya sea natural, generado de forma accidental o fabricado— que contiene partículas que pueden estar dispersas, agregadas o aglomeradas, y en el que al menos el 50% de esas partículas presenta una o más dimensiones externas entre 1 y 100 nanómetros.
En situaciones especiales, y por motivos relacionados con el medio ambiente, la salud, la seguridad o la competitividad, este porcentaje mínimo del 50% puede reducirse y situarse entre el 1% y el 50%.Nanomaterials. European Commission. Last updated 18 October 2011
Conceptos fundamentales Un aspecto único de la nanotecnología es la enorme razón de superficie a volumen presente en muchos materiales en nanoescala que propicia la aparición de nuevos efectos mecánico cuánticos, por ejemplo, el "efecto de tamaño de cuanto" en el que las propiedades electrónicas de los sólidos se ve alterada con una gran reducción en el tamaño de las partículas. Este efecto no tiene importancia al ir de macro a micro dimensiones. Sin embargo, se vuelve dominante cuando la nanoescala es alcanzada. Además, varias propiedades físicas cambian cuando se compara con sistemas macroscópicos. Las nuevas propiedades de los nanomateriales es el sujeto de la investigación nanomecánica. Sus actividades catalíticas revelan novedosas propiedades en la interacción con biomateriales.
La nanotecnología puede ser imaginada como la extensión de las disciplinas tradicionales hacia la consideración explícita de las mencionadas propiedades. Además, las disciplinas tradicionales pueden ser reinterpretadas como aplicaciones específicas de nanotecnología. Esta reciprocidad dinámica de ideas y conceptos contribuye a la comprensión moderna del campo. Ampliamente hablando, la nanotecnología es la síntesis y aplicación de ideas provenientes de la ciencia y la ingeniería hacia la comprensión y producción de materiales y dispositivos novedosos.
Los materiales reducidos a la nanoescala pueden súbitamente mostrar propiedades muy diferentes a las que exhiben en una macroescala, posibilitando aplicaciones únicas. Por ejemplo, sustancias opacas se vuelven transparentes (cobre); materiales inertes se transforman en catalizadores (platino); materiales estables se transforman en combustibles (aluminio); sólidos se vuelven líquidos a temperatura ambiente (oro); aislantes se vuelven conductores (silicona). Materiales como el oro, que es químicamente inerte en escalas normales, pueden servir como catalizadores a nanoescalas. Mucha de la fascinación que produce la nanotecnología proviene de estos peculiares fenómenos cuánticos y de superficie que la materia exhibe en nanoescala.
Partículas de polvo de tamaño nanométrico (también llamadas nanopartículas) son potencialmente importantes en la cerámica y la pulvimetalurgia, el logro de nanoporosidad uniforme y otras aplicaciones similares. La fuerte tendencia de pequeñas partículas de formar grupos es un serio problema tecnológico que impide tales aplicaciones. Sin embargo, algunos dispersores como el citrato de amoníaco (acuoso) y el alcohol oleico (no acuoso) son aditivos prometedores para la desaglomeración.
Los nanomateriales pueden ser subdivididos en nanopartículas, nanocapas y nanocompuestos. El enfoque de los nanomateriales es una aproximación desde abajo hacia arriba a las estructuras y efectos funcionales de forma que la construcción de bloques de materiales son diseñados y ensamblados de forma controlada.
Un reciente informe de Small Times predice un fuerte crecimiento de los denominados nanomateriales. En el mismo se comentan los diferentes tipos existentes en la actualidad (tales como las nanoarcillas para reforzar plásticos) o los nanotubos de carbono para agregar conductividad a varios materiales.
Muchos de estos avances los están llevando a cabo empresas norteamericanas pequeñas y medianas en colaboración con empresas líderes.
Existen tres categorías básicas de nanomateriales desde el punto de vista comercial y desarrollo: óxidos metálicos, nanoarcillas y nanotubos de carbono. Los que más han avanzado desde el punto de vista comercial son las nanopartículas de óxido metálico.
Fuentes
Ingeniería Los nanomateriales de ingeniería han sido diseñados y fabricados deliberadamente por el ser humano para que tengan determinadas propiedades.
Los nanomateriales heredados son los que se producían comercialmente antes del desarrollo de la nanotecnología como avances incrementales respecto a otros materiales coloidales o en partículas, como el negro de carbón y las nanopartículas de dióxido de titanio.
Incidental Los nanomateriales pueden producirse de forma no intencionada como subproducto de procesos mecánicos o industriales a través de la combustión y la vaporización. Entre las fuentes de nanopartículas accidentales se encuentran los tubos de escape de los motores de los vehículos, la fundición, los humos de soldadura, los procesos de combustión de la calefacción doméstica con combustibles sólidos y la cocina. Por ejemplo, la clase de nanomateriales llamados fullerenos se generan al quemar gas, biomasa y velas. También puede ser un subproducto de productos de desgaste y corrosión. Las nanopartículas atmosféricas incidentales suelen denominarse partículas ultrafinas, que se producen de forma no intencionada durante una operación intencionada, y podrían contribuir a la contaminación atmosférica.
Natural Los sistemas biológicos presentan a menudo nanomateriales naturales y funcionales. La estructura de los foraminíferos (principalmente caliza) y los virus (proteína, cápside), los cristales de cera que recubren una hoja de loto o capuchina, la seda de las arañas y los ácaros,Novel natural nanomaterial spins off from spider-mite genome sequencing. Phys.Org (23 May 2013) el tono azul de las tarántulas, las "espátulas" de la parte inferior de las patas de las salamanquesas, algunas escamas de alas de mariposa, los coloides naturales (leche, sangre), los materiales córneos (piel, garras, picos, plumas, cuernos, pelo), el papel, el algodón, el nácar, los corales e incluso nuestra propia matriz ósea son nanomateriales orgánicos naturales.
Los nanomateriales inorgánicos naturales se producen mediante el crecimiento de cristales en las diversas condiciones químicas de la corteza terrestre. Por ejemplo, las arcillas presentan nanoestructuras complejas debido a la anisotropía de su estructura cristalina subyacente, y la actividad volcánica puede dar lugar a ópalos, que son un ejemplo de cristales fotónicos naturales debido a su estructura a nanoescala. Los incendios representan reacciones especialmente complejas y pueden producir pigmentos, cemento, sílice pirógena, etc.
Las fuentes naturales de nanopartículas son los productos de combustión de los incendios forestales, las cenizas volcánicas, las salpicaduras oceánicas y la desintegración radiactiva del gas radón. Los nanomateriales naturales también pueden formarse a través de procesos de meteorización de rocas que contienen metales o aniones, así como en lugares de drenaje ácido de minas.
Galería de nanomateriales naturales
Tipos Los nanoobjetos se suelen clasificar en función de cuántas de sus dimensiones entran en la nanoescala. Una nanopartícula se define como un nanoobjeto con las tres dimensiones externas en la nanoescala, cuyos ejes más largo y más corto no difieren significativamente.
Dimensiones
La clasificación de los nanomateriales depende de cuántas de sus tres dimensiones espaciales se encuentran en la escala nanométrica Silva Yumi, J. E., & Medina S., C. A. (2024). Materiales y nanomateriales: Principios, aplicaciones y técnicas de caracterización. CIMOGSYS - ESPOCH. http://cimogsys.espoch.edu.ec/direccion-publicaciones/public/docs/books/2024-07-24-131511-Materiales%20y%20nanomateriales.pdf +EstructuraTipo de nanomaterialesCero dimensiones Fullerenos Partículas coloidales Puntos cuánticos Nanoclusters Nanopartículas de Ag y AuUna dimensión Nanofibras Nanocables Nanotubos Nanovarillas Fibras poliméricas Dos dimensiones Monocapas Nanorrecubrimiento Películas multicapa Películas poliméricasTres dimensiones Policristales Nanobolas Nanobobinas Nanoflores Una nanofibra tiene dos dimensiones externas en la nanoescala, siendo los nanotubos nanofibras huecas y los nanorods nanofibras sólidas. Una nanoplaca/nanohoja tiene una dimensión externa en la nanoescala, y si las dos dimensiones mayores son significativamente diferentes se denomina nanocinta. En el caso de las nanofibras y las nanoplacas, las otras dimensiones pueden estar o no en la nanoescala, pero deben ser significativamente mayores. En todos estos casos, se observa que una diferencia significativa suele ser al menos un factor de 3.
Los materiales nanoestructurados suelen clasificarse según las fases de la materia que contengan. Un nanocompuesto es un sólido que contiene al menos una región o conjunto de regiones física o químicamente distintas, con al menos una dimensión en la nanoescala. Una nanoespuma tiene una matriz líquida o sólida, rellena de una fase gaseosa, donde una de las dos fases tiene dimensiones en la nanoescala. Un material nanoporoso es un material sólido que contiene nanoporos, vacíos en forma de poros abiertos o cerrados de longitudes submicrónicas. Un material nanocristalino tiene una fracción significativa de granos de cristal en la nanoescala.
Materiales nanoporosos El término materiales nanoporosos engloba subconjuntos de materiales microporosos y mesoporosos. Los materiales microporosos son materiales porosos con un tamaño medio de poro inferior a 2 nm, mientras que los materiales mesoporosos son aquellos con tamaños de poro en la región de 2-50 nm. Los materiales microporosos presentan tamaños de poro con una escala de longitud comparable a la de las moléculas pequeñas. Por este motivo, estos materiales pueden tener aplicaciones valiosas, como las membranas de separación. Los materiales mesoporosos son interesantes para aplicaciones que requieren una elevada superficie específica, al tiempo que permiten la penetración de moléculas que pueden ser demasiado grandes para entrar en los poros de un material microporoso. En algunas fuentes, los materiales nanoporosos y la nanoespuma se consideran a veces nanoestructuras, pero no nanomateriales, porque sólo los huecos, y no los materiales en sí, son de escala nanométrica. Aunque la definición de la ISO sólo considera nanopartículas los nanoobjetos redondos, otras fuentes utilizan el término nanopartícula para todas las formas.
Nanopartículas Artículo principal: Nanopartículas
Las nanopartículas tienen las tres dimensiones en la nanoescala. Las nanopartículas también pueden incrustarse en un sólido para formar un nanocompuesto.
Fullerenos Artículo principal: Fullereno
Los fullerenos son una clase de alótropos del carbono que conceptualmente son láminas de grafeno enrolladas en tubos o esferas. Entre ellos se encuentran los nanotubos de carbono (o nanotubos de silicio), interesantes tanto por su resistencia mecánica como por sus propiedades eléctricas.