Método para la producción de nanohilos en condiciones ambientales.
Objeto de la invención
La presente invención se enmarca en el campo de las nanoestructuras o materiales a escala nanométrica.
Mediante el método objeto de la presente invención es posible obtener nanohilos por medio de la aplicación de una radiación láser en condiciones atmosféricas y a temperatura ambiente.
Antecedentes de la invención
El campo de la ciencia y tecnología de nanoestructuras surgido en la década de 1980 supuso un fuerte impulso para el desarrollo de nuevos materiales y productos, abriendo nuevas líneas de investigación y avances tecnológicos. La esencia de la nanotecnología es la capacidad para producir estructuras en la escala nanométrica con nuevos órdenes moleculares. El comportamiento de los materiales organizados en estructuras nanométricas tiene unas características bien diferenciadas del material macroscópico. Por esta razón, el desarrollo de nuevas nanoestructuras tiene un enorme interés para explorar la utilización de materiales y sistemas con nuevas y mejoradas propiedades físicas, químicas y biológicas y el descubrimiento de nuevos fenómenos y procesos en el campo de la ciencia de los materiales.
Desde la publicación en 1986 de la síntesis de cadenas de partículas nanométricas en forma de hilos con diámetro de tan sólo varios nanómetros (E.E.D. Chidsey y R. W. Murria, Science, vol. 231, pág. 25, 1986) y la formación de tubos de carbono de escala nanométrica en 1991 (S. Iijima, Nature, vol. 354, pág. 56, 1991) , se ha descubierto el enorme potencial que representan estas nanoestructuras con nuevas propiedades para el desarrollo de nuevos dispositivos en nanoelectrónica, informática, tecnología energética, etc.
Con el aliento de los nuevos horizontes de la nanotecnología se han desarrollado múltiples técnicas para la síntesis y producción de nanohilos de diversos materiales, el interés se ha concentrado fundamentalmente en la producción de nanohilos de materiales conductores, semiconductores y óxidos de semiconductores. Los métodos empleados se han clasificado en base al estado físico del material precursor (líquido, sólido o gaseoso) y al mecanismo que promueve la deposición del material y la formación de las nanoestructuras, bien sea mediante reacción química o transformaciones físicas de la materia. Así los métodos más empleados en la síntesis de nanohilos son los siguientes: entre los que se basan en la formación de reacciones químicas destacan las reacciones para rellenar moldes mesoporosos o nanotubos de carbono, la síntesis mediante reacción de soluciones líquidas, o el crecimiento polimérico; mientras que entre las que utilizan mecanismos que promueven transformaciones físicas destacan la evaporación térmica de sustratos sólidos en cámaras con atmósfera controlada, deposición gaseosa asistida por filamento caliente, electrodeposición y ablación láser en cámaras de vacío. De entre los métodos señalados, quizás el que proporciona unos resultados más prometedores sea el de la ablación láser dado que permite la obtención de grandes cantidades de nanohilos de elevada pureza y sin un sustrato de soporte.
Descripción de la invención
La presente invención presenta una aplicación del láser para la producción de nanohilos. Este método se basa en los mismos principios físicos que el de la ablación láser pero incorpora una serie de diferencias sustanciales que implican ventajas respecto del proceso de producción y del producto final. En lo que al proceso de producción se refiere, el método objeto de la presente patente presenta la ventaja de ser realizado en condiciones atmosféricas y a temperatura ambiente, por lo que no se requiere la utilización de cámaras de vacío, cámaras de reacción con atmósfera controlada, sistemas de medida y control de la temperatura del proceso ni sistemas de medida y control de la presión del proceso, requeridos en el método de la ablación láser.
Otra de las ventajas que presenta la invención objeto de la presente patente es la sencillez tanto de los dispositivos como de los procesos realizados puesto que el presente procedimiento se realiza en condiciones atmosféricas, a temperatura ambiente y sobre una muestra en estado sólido.
Por otra parte, el método objeto de la presente invención puede llevarse a cabo sobre muestras comerciales sin preparación previa, no siendo necesario un control muy preciso de las condiciones de proceso y ambientales, lo que disminuye significativamente el tiempo de proceso y el coste económico del mismo.
El método objeto de la presente invención tiene la posibilidad de ser implantado en sistemas de producción continua, ya que no requiere del confinamiento del material precursor en una cámara de procesamiento con condiciones controladas o en una cámara de vacío, por lo que el tamaño de las muestras no está limitado por la capacidad de dicha cámara. Por otra parte el material precursor de los nanohilos no requiere de la compleja preparación necesaria en los métodos señalados anteriormente.
Por lo que se refiere al producto obtenido, el método objeto de la presente invención permite sintetizar mayores cantidades de nanohilos en tiempos de procesamiento muy reducidos: Así, es posible sintetizar gramos de nanohilos en minutos frente a las varias decenas de horas que se requieren en algunos de los métodos actuales.
El producto se obtiene libre de sustrato y en unas condiciones de pureza y morfología equivalentes a las que proporciona el método de ablación láser en cámara de vacío. Los nanohilos producidos tienen longitudes desde decenas de micras y diámetros desde pocas decenas de nanómetros con formas de curvas suaves. El presente método permite la aplicación a distintos sustratos para la producción de nanohilos de distintos materiales de naturaleza amoría.
Descripción de los dibujos
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, una única figura en donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado esquemáticamente y en alzado lateral, un haz láser incidiendo sobre un material precursor produciendo la generación de nanohilos por el método correspondiente a la presente invención.
Realización preferente de la invención
El método para la producción de nanohilos en condiciones ambientales objeto de la presente invención, se lleva a cabo en un sistema adecuado del cual se muestra un ejemplo en la figura 1. Este método consiste básicamente en lo siguiente: el material precursor (2) a partir del cual se van a formar los nanohilos, se sitúa sobre un soporte apropiado a sus dimensiones en un sistema móvil. Dicho sistema puede consistir en un robot de cualquier tipo, en una mesa de coordenadas de cualquier tipo, o en una combinación de ambos sistemas. Este sistema estará conectado a un sistema de control automático de la posición de la pieza, que, por ser de uso común en equipos industriales, no se muestra en la figura. El haz láser (1) es conducido por medio de un sistema de guiado de haz adecuado (que puede ser bien un sistema de espejos, bien una fibra óptica, en función del tipo de fuente láser utilizada) hacia el material precursor (2) . Para la producción de los nanohilos se necesita la acción conjunta del haz láser (1) y de un chorro de gas (4) trabajando en régimen supersónico. Este chorro de gas (4) es aportado a la zona de interacción entre el haz láser (1) y el material precursor (2) por medio de una boquilla supersónica (3) . El chorro de gas asistente es dirigido a la zona de corte formando un ángulo de inclinación respecto al eje del haz láser (5) de entre 25 y 50º. Dicho chorro de gas (4) incide sobre la zona de interacción del haz láser (1) y el material precursor (2) produciendo un régimen turbulento con formación de remolinos (6) , de tal manera que las pequeñas partículas de material fundido (5) que son extraídas del material precursor (2) quedan atrapadas en dichos remolinos (6) . Este hecho hace que las partículas de material fundido (5) entren en un íntimo contacto con el vapor proveniente de la sublimación del material precursor (2) de tal forma que se produce la generación de los nanohilos (7) .
Para la obtención de una gran cantidad de nanohilos (7) se produce un desplazamiento (9) del haz láser (1) con respecto al material precursor (2) con lo que los nanohilos (7) van quedando por debajo del material precursor ya irradiado (8) .
La radiación láser puede provenir de un equipo láser de cualquier longitud de onda como, por ejemplo, un láser de CO2, de CO, de N2, de Nd:YAG, de Er:YAG, de Nd:vidrio, de Rubí, de HeNe, de HeCd, de HeHg, de Cu, de I, de Ar, de Kr, de diodo, químicos, de excímeros, de alejandrita, de esmeralda o de colorante. De todos modos los mejores resultados se han obtenido utilizando láseres de CO2 o de Nd:YAG. La potencia necesaria para este tipo de láseres puede estar entre los 50 y los 3000 W, habiéndose obtenido los mejores resultados cuando se trabaja con una potencia entre 300 y 1000 W.
El haz láser (1) es focalizado por medio de una lente (no mostrada en la figura) . Esta lente estará realizada de tal forma y en un material tal que permita la transmisión de la energía del haz láser (1) . Esta lente tendrá una longitud focal entre 80 y 300 mm.
El gas asistente inyectado a través de la boquilla supersónica puede ser un gas inerte (Ar, He, Ne, N2) o un gas oxidante (O2, CO2, aire comprimido) .
El material precursor puede ser una pieza cerámica, metálica, polímero, material híbrido, etc ... .
Un ejemplo práctico de aplicación del método de producción de nanohilos en condiciones ambientales es el siguiente: nanohilos de Si-Al-O con diámetros entre 30 y 100 nanómetros y longitudes de varios cientos de micrómetros han sido obtenidos a razón de unos 20 mm3 por segundo. Para ello se utilizó un láser de Nd:YAG (λ = 1.06 μm) trabajando en modo pulsado a una frecuencia de 120 Hz, con un ancho de pulso de 1ms, con gas argón a una presión de 8x105 Pa y con una potencia de 430 W. Como material precursor se utilizó un composite de matriz de mullita con granos de alúmina. La velocidad relativa de desplazamiento entre el haz láser y el material precursor fue de 1 mm/s.
Una vez descrita suficientemente la naturaleza de la presente invención, así como una forma de llevarla a la práctica, sólo queda añadir que en su conjunto y partes que la componen es posible introducir cambios de forma, materiales y de disposición siempre y cuando dichas alteraciones no varíen sustancialmente dicha invención.
