El óxido de zinc en la nanotecnología

El presente siglo podría conducirnos a una segunda revolución industrial debido a los importantes avances en la ciencia de los materiales. Una revolución tecnológica se inicia en la década de 1980, con el auge de las nanociencias y la nanotecnología, registrándose un impacto sorprendente en diferentes campos de la ciencia, ya que ésta presenta un carácter interdisciplinar, abarcando las áreas de la física, química, biología, medicina, electrónica, informática, y por supuesto las matemáticas.

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Pero, ¿qué debemos entender por nanotecnología? Una descripción sencilla la definiría como el estudio de sistemas de tamaño nanométrico, o de dimensiones nano (nano, es un prefijo que indica un tamaño de 10-9 = 0.000 000 001 metros). Y el estudio de sistemas comprende el diseño, fabricación y aplicación de éstos.

En la actualidad, cada día se publican miles de artículos científicos relacionados con la física y aplicaciones de diferentes nanosistemas, como son las nanopartículas, a pesar de carecer de un análisis formal sobre los beneficios y riesgos de su utilización en el medio ambiente y los seres vivos en general.

Lo atractivo de la nanotecnología, además del tamaño mínimo de los sistemas, es el desempeño de los materiales (átomos o moléculas) a nano escala que los conforman, ya que éstos presentan propiedades o comportamientos diferentes a los de dimensiones mayores.

Una de las áreas con mayor beneficio del estudio de los nanomateriales es la electrónica ya que gracias a estos se ha mejorado las aplicaciones como lo son los dispositivos de almacenamiento incrementando su capacidad, la velocidad de procesamiento o la telefonía en el diseño de aparatos con múltiples funciones.

Como ejemplo de materiales que han sido ampliamente estudiados en los últimos años por sus potenciales aplicaciones en el campo de la nanotecnología, están los óxidos semiconductores, los cuales se pueden sintetizar por métodos químicos en un laboratorio que no requiere de un equipo sofisticado para su procesamiento. Entre los métodos utilizados para la síntesis de estos materiales se pueden mencionar: método de precipitación homogénea, sol-gel, rocío químico, baño químico, depósito en fase vapor, etcétera. La elección del método de obtención dependerá de las características requeridas para una aplicación en particular, así puede ser procesado en forma de polvo o película.

En la Sección de Electrónica del Estado Sólido del Cinvestav, estamos interesados en estudiar materiales semiconductores de amplio ancho de banda prohibida, como son el óxido de zinc, ZnO, óxido de estaño, SnO2 y óxido de titanio, TiO2, para su aplicación como sensores de gases. Los métodos empleados para la síntesis de estos materiales son: precipitación homogénea y micro emulsiones para obtener polvos; y las técnicas de rocío químico, sol-gel, evaporación térmica y pulverización catódica para películas delgadas y gruesas. De los estudios realizados hemos demostrado que el desempeño o eficiencia de nuestros materiales muestra una dependencia con el tamaño de las partículas, resultado asociado al incremento de la razón área/volumen a medida que se disminuye su tamaño.

Uno de los materiales que más hemos estudiado es el óxido de zinc (ZnO), el cual es un óxido semiconductor que presenta características particulares, tales como ancho de banda grande, ~3.36 eV, conductividad eléctrica modulable, altamente transparente cuando se presenta en forma de película y cristaliza en una fase hexagonal tipo wurtzita, estas características hacen posible su empleo en la nanoelectrónica, entre sus principales aplicaciones se pueden mencionar: sensores de gases, fotocatalizadores, celdas solares, capas antirreflejantes, electrodos conductores transparentes, espejos térmicos, entre otras.

Un trabajo de investigación desarrollado consistió en la fabricación de pastillas a base de polvos nanométricos de ZnO, estos polvos fueron obtenidos mediante la técnica de precipitación homogénea, la cual consiste en la síntesis del polvo a partir de una solución que contiene los iones del elemento químico de interés. La precipitación del compuesto se logra mediante la adición de un agente llamado precipitante, posteriormente se separan las fases sólido-líquido mediante centrifugación, y finalmente, la pasta obtenida es secada témicamente para obtener los polvos. La técnica de precipitación homogénea permite obtener nanopartículas del orden de aproximadamente 28 nm, con diferentes geometrías: nanoesponjas, nanobarras, nanoflores y nanoesferas, dependiendo de las condiciones del proceso y secado. El tamaño y geometría de las partículas del polvo se conocen mediante microscopía electrónica de barrido.

A menor tamaño de partícula se presenta una relación área/volumen mayor; este resultado y el tipo de geometría son aprovechados en diferentes aplicaciones en el área de la nanotecnología, como son la detección de gases mejorando su sensibilidad a bajas concentraciones de gas además de trabajar a bajas temperaturas. Los sensores de gases a base óxidos semiconductores son dispositivos de fácil acceso y sencillo funcionamiento, permitiendo que estos sean utilizados tanto en la industria como en el hogar. Otra de las aplicaciones que hemos dado al ZnO es para la purificación de agua actuando como catalizadores bajo una radiación ultravioleta, lo cual conduce a la fotodegradación del color y los contaminantes. Una propiedad importante del ZnO es que un material no tóxico al contacto con la piel, lo que da lugar a su aplicación en la cosmetología para la fabricación de cremas antiedad y bloqueadores solares, así como en el campo de la medicina como antimicótico y cicatrizante.

 

 

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