Materiales y Fabricación

Materiales y fabricación se ocupan de la aplicación de conocimientos relacionados con la composición, estructura y procesamiento de materiales a sus propiedades y rendimiento en aplicaciones.

En las últimas dos décadas, ha habido avances significativos en el uso de materiales compuestos en una variedad de aplicaciones cotidianas que requieren materiales con características de rendimiento superiores. Los materiales compuestos son materiales de ingeniería que se fabrican a partir de dos o más materiales constituyentes con propiedades físicas o químicas significativamente diferentes. La nanotecnología se ha convertido en una tecnología clave utilizada en la fabricación de nuevas clases de materiales compuestos con propiedades y rendimiento enormemente mejorados.

Aunque todavía se utilizan métodos de fabricación "de arriba hacia abajo", la nanotecnología ha permitido un enfoque "de abajo hacia arriba" para modificar las propiedades del material a nivel de nanoescala.

Un método clásico (“de arriba hacia abajo”) para la nanofabricación es litografía por haz de electrones (EBL). En EBL, se barre un haz de electrones a través de una superficie cubierta con una película (llamada resistir). El haz elimina selectivamente regiones expuestas o no expuestas del resistir. Este proceso da como resultado estructuras muy pequeñas en el resistir que puede transferirse litográficamente a otro material y usarse para crear dispositivos electrónicos muy pequeños. EBL puede producir estructuras de menos de 10 nm que pueden usarse en aplicaciones como células solares y otros dispositivos semiconductores y optoelectrónicos.

Otro ejemplo de un método para la fabricación de nanopatrones se llama litografía por nanoimpresión. Se trata de una herramienta en la que se fabrica un molde maestro utilizando una técnica en serie como EBL, y este molde se estampa en un polímero blando como el polidimetilsiloxano (PDMS). Este método ha alcanzado resoluciones de 10 nm y puede usarse para crear microcanales para dispositivos biomédicos y reactores químicos a pequeña escala.

Un método interesante para formar una nanoestructura periódica de abajo hacia arriba se llama autoensamblaje. El autoensamblaje ocurre cuando ciertos átomos, moléculas u otras estructuras a nanoescala se atraen energéticamente entre sí y se unen para formar un patrón repetitivo a nivel molecular. Esta técnica se puede comparar con un rompecabezas que se arma solo después de haber reunido sus piezas en una caja. ¿Te imaginas que eso suceda?

Un buen ejemplo de fabricación de una nanoestructura específica mediante autoensamblaje lo proporciona nanotubos de carbon (CNT). Los CNT tienen excelentes propiedades mecánicas, eléctricas y ópticas. Dependiendo de su uso, los CNT se pueden fabricar para que tengan una alta resistencia a la tracción y una alta conductividad eléctrica.

Se han utilizado recientemente para reforzar e impartir resistencia mecánica a una variedad de compuestos poliméricos que se utilizan como armaduras corporales, cables de líneas de transmisión y textiles. Las propiedades de transporte balístico de electrones hacen de los CNT un material atractivo para interconexiones de dispositivos en computadoras y para pantallas de cristal líquido (LCD).

Los nanotubos de carbono fueron sintetizados por primera vez por el físico japonés Sumio Iijima cuando estudiaba los depósitos que quedan durante la síntesis de fullerenos por evaporación por arco (un fullereno es un tipo de molécula de carbono). Desde este descubrimiento, los nanotubos de carbono se han sintetizado controlando las condiciones del proceso de evaporación por arco. Aparte de este método de síntesis, los nanotubos de carbono se pueden fabricar utilizando técnicas como pulverización catódica, deposición química de vapor y deposición química de vapor mejorada con plasma. En cada una de estas técnicas de procesamiento, los átomos de carbono se juntan y ensamblan automáticamente en la geometría de un nanotubo de carbono.

Los materiales cerámicos también pueden ser nanoestructurados y, en algunos casos, exhibir aspectos de autoensamblaje bajo ciertas condiciones de procesamiento. Generalmente, las cerámicas se procesan a altas temperaturas y suelen usarse en aplicaciones que requieren materiales que puedan sobrevivir en ambientes extremos.

Si bien durante milenios se han utilizado diversas cerámicas como materiales de construcción (como ladrillos y bloques de piedra), los avances en las tecnologías de fabricación de cerámica han llevado al desarrollo de nuevas cerámicas técnicas. Estos materiales sirven en una variedad de aplicaciones modernas que van desde la microelectrónica hasta electrodomésticos de cocina. Por ejemplo, estos materiales se utilizan en aisladores de alto voltaje y como materiales altamente aislantes para sondas espaciales debido a sus excelentes propiedades térmicas y eléctricas. Los compuestos vitrocerámicos nanoestructurados también se utilizan en equipos ópticos. En general, los materiales y las tecnologías de fabricación aprovechan nuestra comprensión de la ciencia de los materiales para producir materiales nanoestructurados de última generación y dispositivos relacionados con bajos costos de fabricación y características de alto rendimiento.