ES2223290B1 - Metodo para la produccion de nanohilos en condiciones ambientales. - Google Patents
Metodo para la produccion de nanohilos en condiciones ambientales.Info
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Abstract
Método para la producción de nanohilos en condiciones ambientales. Mediante el método objeto de la presente invención es posible obtener nanohilos por medio de la aplicación de una radiación láser sobre el material precursor en condiciones atmosféricas y a temperatura ambiente. Este método supone una considerable mejora frente a los métodos convencionales dado que 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. Asimismo, el método objeto de la presente invención permite sintetizar mayores cantidades de nanohilos en tiempos de procesamiento muy reducidos.
Description
Método para la producción de nanohilos en
condiciones ambientales.
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.
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.
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 amorfa.
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.
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
CO_{2}, de CO, de N_{2}, 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 CO_{2} 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, N_{2})
o un gas oxidante (O_{2}, CO_{2}, 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 mm^{3} por
segundo. Para ello se utilizó un láser de Nd:YAG (\lambda = 1.06
\mum) trabajando en modo pulsado a una frecuencia de 120 Hz, con
un ancho de pulso de 1ms, con gas argón a una presión de
8x10^{5} 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.
Claims (8)
1. Método para la producción de nanohilos en
condiciones ambientales, caracterizado porque en el mismo se
establecen las siguientes fases operativas:
- a)
- Posicionamiento del material precursor de los nanohilos sobre un soporte adecuado a sus dimensiones, en un sistema móvil conectado a un equipo cualquiera de control de la posición de la pieza.
- b)
- Irradiación del material precursor por medio de un haz láser e inyección simultanea de un chorro de gas supersónico en la zona de interacción entre el haz láser y el material precursor.
- c)
- Generación simultánea de vapor y partículas fundidas provenientes del material precursor y de remolinos debidos a las turbulencias del chorro de gas supersónico en su contacto con la zona del material precursor irradiada por el haz láser.
- d)
- Movimiento relativo entre el elemento o pieza cerámica y el haz láser.
- e)
- Formación de nanohilos.
2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1ª,
en el cual el chorro de gas asistente es dirigido a la zona de
corte formando un ángulo de inclinación respecto al eje del láser
de entre 25 y 50º.
3. Un método de acuerdo con las reivindicaciones
1ª a 2ª, en el cual la potencia suministrada por el haz láser está
comprendida entre los 50 y los 3000 W, preferentemente entre 300 y
1000 W.
4. Un método de acuerdo con la reivindicaciones
1ª a 3ª, en el cual el chorro de gas supersónico está constituido
por cualquier tipo de gas, con cualquier composición química (Ar,
He, Ne, N_{2}, CO_{2}, aire comprimido, etc ... ).
5. Un método de acuerdo con las reivindicaciones
1ª a 4ª, en el cual el sistema móvil conectado a un equipo
cualquiera de control de la posición de la pieza consista en un
robot de cualquier tipo, en una mesa de coordenadas de cualquier
tipo, o en una combinación de ambos sistemas.
6. Un método de acuerdo con las reivindicaciones
1ª a 5ª, en el cual el haz láser provenga de un láser de cualquier
longitud de onda, potencia, frecuencia o calidad de haz, como, por
ejemplo, láser de CO_{2}, de CO, de N_{2}, 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, de colorante, o cualquier otro tipo de láser.
7. Un método de acuerdo con las reivindicaciones
1ª a 6ª, en el cual el material precursor es un elemento o pieza
cerámica, metálica, polimérica, híbrida, de cualquier forma, tipo,
composición química y dimensiones.
8. Nanohilos producidos mediante un método de
acuerdo con las reivindicaciones 1ª a 7ª.
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| ES200301897A ES2223290B1 (es) | 2003-08-01 | 2003-08-01 | Metodo para la produccion de nanohilos en condiciones ambientales. |
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| ES200301897A ES2223290B1 (es) | 2003-08-01 | 2003-08-01 | Metodo para la produccion de nanohilos en condiciones ambientales. |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2223290A1 ES2223290A1 (es) | 2005-02-16 |
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|---|---|
| ES (1) | ES2223290B1 (es) |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3077655B2 (ja) * | 1997-12-22 | 2000-08-14 | 日本電気株式会社 | カーボンナノチューブの製造装置及びその製造方法 |
-
2003
- 2003-08-01 ES ES200301897A patent/ES2223290B1/es not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| ALEXANDROU, I. et al. "A new reactive pulsed laser ablation technique for the deposition of hard carbon and carbon-nitride thin films". Materials Letters. Abril 1999, Vol. 39, páginas 97-102. * |
| CHING-CHUAN MAI; JEHNMING LIN. "Flow structures around an inclined substrate subjected to a supersonic impinging jet in laser cutting". Optics & Laser Technology. Septiembre 2002, Vol. 34, páginas 479-486. * |
| MUÑOZ, E. et al. "Gas and pressure effects on the production of single-walled carbon nanotubes by laser ablation". Carbon. 2000, Vol. 38, páginas 1445-1451. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2223290A1 (es) | 2005-02-16 |
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