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Proyecto Final : NANOTECNOLOGIA GRUPO 1 Nanotecnología 1 JULIO 2009 GRUPO 1 F. Salazar; A. Rodas; M. Rodas; R. Escobedo | DIGI- USAC PROYECTO FINAL CURSO DE ESPECIALIZACIÓN EN NANOTECNOLOGÍA

Proyecto Final Curso de Nanotecnología (Equipo de Caracterizacion Modulo IV)

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Nanotecnología

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  • Proyecto Final : NANOTECNOLOGIA GRUPO 1

    Nanotecnologa 1

    JULIO 2009

    GRUPO 1

    F. Salazar; A. Rodas; M. Rodas; R. Escobedo |

    DIGI-USAC

    PROYECTO FINAL CURSO DE ESPECIALIZACIN EN NANOTECNOLOGA

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    Nanotecnologa 2

    INDICE

    1. Mdulo 1: Perfil de un Parque tecnolgico en

    Nanotecnologa 2. Mdulo 2:

    a. Molcula de Ubiquitina en VMD b. Diseo de un paquete de simulacin para membranas

    de gases c. Estudio semiemprico para determinacin de anlogos

    para superplastificantes para el cemento prtland. 3. Mdulo 3: Ciencia de los Materiales 4. Mdulo 4: Tcnicas de Caracterizacin

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    Nanotecnologa 3

    UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA

    DIRECCIN GENERAL DE INVESTIGACIN FACULTAD DE INGENIERA

    FACULTAD DE CIENCIAS QUMICAS Y FARMACIA

    MDULO 1

    PERFIL DE UN PARQUE TECNOLGICO

    EN NANOTECNOLOGA

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    G U A T E M A L A ,

    2 0 0 9

    INTEGRANTES: Ing. Federico Salazar Ing. Renato Escobedo Inga. Andrea Rodas Lic. Mario Rodas Dra. Veronica Chapeton Br. Csar Garca

    PERFIL DE UN PARQUE TECNOLGICO EN NANOTECNOLOGA PARA GUATEMALA

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    RESUMEN ANTECEDENTES JUSTIFICACIN OBJETIVOS METODOLOGA

    PROYECTO CARACTERISTICAS DEL PROYECTO INGENIERA DEL PROYECTO OPERACIN DEL PROYECTO CAPACITACIN Y ASISTENCIA TCNICA COSTOS

    BIBLIOGRAFA

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    RESUMEN

    La nanotecnologa es el estudio, diseo, creacin y modificacin de estructuras a nivel atmico-molecular, a escala de 1 a 100 nm, para producir materiales de uso y

    aplicacin en todas las reas de la ciencia y tecnologa. Varios estudios sociales, han

    concluido la importancia de capacitar y desarrollar la Nanotecnologa como va para

    de desarrollo en pases del tercer mundo.

    El siguiente trabajo, se realiz en el marco del curso de Especializacin en

    Nanotecnologa, de la Universidad de San Carlos de Guatemala, cuya coordinacin

    recae en la Direccin General de Investigacin. De este curso, se concretaron ideas

    claves para general un proyecto de Parque Tecnolgico en Guatemala,

    desarrollando productos de nanotecnologa.

    ANTECEDENTES

    Desde el discurso clebre de Feynman, en 1959, han pasado casi 50 aos. Aunque la investigacin y aplicacin en nanotecnologa es un asunto que cuenta con experiencia de ms de cuatro dcadas en pases desarrollados, como lo es Estados Unidos y Europa; la mayora de investigacin-desarrollo en Amrica Latina, an se encuentre en sus fases iniciales. La investigacin-desarrollo de nuevas tecnologas en los pases en vas de desarrollo estn sujetos a algunas situaciones clave, entre la mayor importancia se encuentran: Infraestructura, Capacidad humana, Costo, Derechos de propiedad intelectual, Educacin, Barreras comerciales y Contexto poltico. En los pases de Amrica latina, cada vez ms, se le ha dado importancia, a incluir dentro de sus Planes Nacionales, a las tecnologas emergentes, como es el caso de la nanotecnologa. En Amrica Latina, el impulso a las nanotecnologas est asociado a la bsqueda de reorientar las economas para hacerlas menos dependientes de las exportaciones agropecuarias, mineras y otros sectores ligados a los recursos naturales (Foladori y Fuentes, 2007.2). Segn el artculo de Guillermo Foladori1 casi la totalidad de los pases de Amrica Latina, se figura explcitamente, el objetivo de acelerar el desarrollo y la integracin de la nanotecnologa en la industria y el comercio, a fin de incrementar la competitividad de su nacin. Una de las caractersticas ms importantes, para el desarrollo cientfico y tecnolgico de

    1 Fue consultado el resumen del siguiente artculo: Foladori G., Nanotechnology in Latin

    Americana t the Crossoroads. Nanotechnology Law & Business (Vol. 3, Sigue 2).

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    Amrica Latina y el Caribe, es la formacin del Consejo Latinoamericano de Investigacin Cientfica (CLIC), integrado por representantes de las cinco subregiones de la red (cono sur, sector andino, Centroamrica, Caribe y Mxico) para crear una plataforma regional de investigacin cientfica, en 10 lneas prioritarias. Entre las lneas prioritarias, se encuentran la Nanotecnologa y nuevos materiales. La mayora de pases centroamericanos cuentan, con un Plan Nacional de Ciencia, Tecnologa e Innovacin. Entre los pases centroamericanos, que cuentan con la Nanotecnologa dentro de sus Programas o Planes, se encuentra, Guatemala, El Salvador2, Costa Rica y Panam. Aunque entre estos pases, Costa Rica es el ms avanzado en materia de Nanociencia y Tecnologa. Cuenta con el primer laboratorio especializado en Nanotecnologa, en el Istmo y uno de los pocos en Latinoamrica. El LANOTEC (Laboratorio Nacional de Nanotecnologa, Microsensores y Materiales Avanzados) es un centro de excelencia en el estudio para la investigacin, diseo, desarrollo e innovacin en materias, como nanotecnologa, microtecnologa y ciencia de los materiales, en complemento a las existentes en las universidades de dicho pas. El Plan Nacional de Ciencia, Tecnologa e Innovacin 2005-2014, de Guatemala se realiz consultando y revisando Planes Nacionales de Ciencia y Tecnologa, de pases como Canad, Mxico, Espaa, Brasil, Costa Rica, Chile entre otros. De estos planes surgi la inquietud de incorporar las nuevas tecnologas (Biotecnologa, Materiales Finos, Nanotecnologa y Tecnologas de la Informacin y Comunicacin). Los primeros pasos en el desarrollo de la Nanociencia y Tecnologa en Guatemala, fueron impulsados por el Dr. Hugo Figueroa, Asesor de Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologa (CONCYT). El Dr. Figueroa ha mostrado inters en que las universidades de Guatemala, impulsen un proyecto conjunto para la construccin de un estudio que viabilice la creacin de un Laboratorio de Nanociencia y Tecnologa. La Universidad de San Carlos de Guatemala, dentro de su poltica de investigacin ha respaldado al Programa Universitario de Investigacin en Desarrollo Industrial de la Direccin General de Investigacin (PUIDI-DIGI), quien ha tomado esta iniciativa. La Coordinadora del PUIDI, -Inga. Liuba Cabrera de Villagrn- ha colaborado para realizar reuniones de trabajo que permitan vincular academia e industria; formalizando dicha intencin.

    Para ello, el PUIDI ha organizado varias actividades, con el fin de impulsar la nanotecnologa en Guatemala, siendo estas las ms importantes:

    2 Entre las lneas de Investigacin de su Poltica Nacional de Ciencia Tecnologa e Innovacin, que

    puede encontrarse en la pgina web: http://www.conacyt.gob.sv/070105%20Politica%20Nacional%20de%20C&T%20e%20Inn%20rev.pdf

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    La realizacin de dos talleres de Nanotecnologa, coordinados por la Direccin General de Investigacin (-DIGI-) con el apoyo de la Secretaria Nacional de Ciencia y Tecnologa (SENACYT). Los talleres, se llevaron por medio de un proyecto en la lnea de Fondo de Apoyo a la Ciencia y Tecnologa -FACYT- titulado Talleres para la difusin de la Nanotecnologa y sus aplicaciones, (Proyecto FACYT No. 35-2006),

    La realizacin del primer Simposio en Educacin de Nanotecnologa

    NANOSIMP-, llevado a cabo, tambin por un proyecto en la lnea de Fondo de Apoyo a la Ciencia y Tecnologa FACYT- (proyecto Facyt No. 40-2008)

    La realizacin del primer curso de Nanotecnologa a nivel de posgrado,

    La creacin y coordinacin de la primera Red Nacional para la Implementacin de la Nanotecnologa en Guatemala REDNANOTEG-

    JUSTIFICACIN La creacin en Guatemala de un Centro de Nanotecnociencia se justifica de acuerdo a varias premisas:

    necesidad de desarrollo nacional y mejoramiento de la calidad de vida de todos los guatemaltecos

    necesidad de superar el nivel educativo en todos sus niveles y especialmente en el terciario y cuaternario (licenciaturas universitarias y creacin de maestras y doctorados)

    aprovechamiento de los recursos naturales y humanos con que cuenta el pas

    utilizacin de la ciencia y tecnologa de punta al servicio de la comunidad nacional e internacional

    desarrollo de la nanotecnologa con aplicaciones directas de beneficios colectivo y fuente de generacin de ingresos en empresas productoras de bienes basados en esta disciplina

    desarrollo de industria nacional de transformacin que actualmente se dedican a la produccin de comoditties sin valor agregado

    proyecto autofinanciable a travs de la venta de servicios Adems,

    aprovechar los conocimientos e iniciativas existentes a nivel mundial en el desarrollo de la nanotecnologa

    globalizacin de la ciencia y el conocimiento para el beneficio de la humanidad

    disposicin a la cooperacin internacional e intercambio de experiencias Trabajos multidisciplinarios.

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    Los continuos avances tecnolgicos no solo traen impacto en los productos nuevos en el mercado, adems demandan un nmero de profesionales entrenados para trabajar tanto en la investigacin-desarrollo, como en la manufactura de nuevas tecnologas. Se estima que se necesitarn aproximadamente 2 millones de trabajadores a nivel mundial en diez a quince aos (Roco M.C., 2002.1) para la industria de la Nanotecnologa. Aunque actualmente Guatemala, no cuenta con un laboratorio especializado en Nanotecnociencia, cuyo objetivo principal, sea generar proyectos de investigacin en esta rama, es prioritario realizar una investigacin relativa a las caractersticas y necesidades de implementar un laboratorio adecuado para esta ciencia.

    Un parque tecnolgico, permite capacitar estudiantes y formar investigadores con las teoras, mtodos e instrumentacin necesarios, para generar proyectos de investigacin conjunta a nivel internacional y nacional, adems del mejoramiento y el diseo de nuevos productos de investigacin. Constituyendo la interfaz entre las disciplinas cientficas tradicionales y el diseo. Originando la vinculacin entre academia (sector pblico y privado), industria (corporaciones multinacionales, pequea y micro empresa) y el sector gubernamental, para el desarrollo del pas; La realizacin de proyectos conjuntos, academia-industria permite atraer capital a la regin. Segn la "International Association of Science and Technology Parks" (IASP), un parque cientfico y tecnolgico es una organizacin gestionada por profesionales especializados con el objetivo fundamental de incrementar la riqueza de la regin y promover la cultura de la innovacin. Tiene como finalidad fomentar la competitividad de las empresas y las instituciones generadoras de conocimiento instaladas o asociadas al parque. Agregan que un parque cientfico y tecnolgico estimula y gestiona el flujo de conocimiento y tecnologa entre universidades, instituciones de investigacin, empresas y mercados; impulsa la creacin y el crecimiento de empresas innovadoras mediante mecanismos de incubacin y generacin centrfuga (spinoff), y proporciona otros servicios de valor aadido as como espacios e instalaciones de gran calidad. Por otra parte, estn diseados para alentar la formacin y el crecimiento de empresas basadas en el conocimiento y de otras organizaciones de alto valor aadido pertenecientes al sector terciario, normalmente residentes en el propio Parque. Poseen, adems, un organismo estable de gestin que impulsa la transferencia de tecnologa y fomenta la innovacin entre las empresas y organizaciones usuarias del Parque. Sobre la base de las definiciones anteriores, un parque cientfico y tecnolgico rene en primer lugar a la academia y centros de investigacin con la iniciativa privada, para adems de generar conocimiento producir riqueza y desarrollo. Este contexto lo completa el Estado como el ente facilitador y orientador, tanto de las polticas de desarrollo nacional, como del apoyo logstico y financiero fundamental

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    e inicial que propicie la creacin e implementacin de este tipo de iniciativas. En sntesis, se fundamenta el desarrollo sobre el llamado Tringulo de Sbato. Por otra parte, un parque cientfico y tecnolgico es especializado en reas de conocimiento, produccin y comercio puntuales. Es decir, son entidades con un quehacer especfico, destinadas a competir a nivel mundial dentro de mercados y en contextos de manejo de informacin y conocimiento globalizados. Finalmente, un Parque Cientfico y Tecnolgico sobre Nanotecnologa rene las condiciones de innovacin propias de este tipo de unidades de desarrollo. Permite que se haga investigacin, tanto cientfica como tecnolgica en nanotecnologa, pero a su vez facilita el diseo, la produccin y comercializacin de esta nueva ciencia y sus productos novedosos. Un parque cientfico y tecnolgico en nanotecnologa deber sin embargo, recibir un fuerte apoyo estatal en su fase inicial, para poder erigirse como un polo de desarrollo. Requiere del marco jurdico y legal que lo incentive. Adems, deber contar con la planificacin gubernamental para la construccin del laboratorio central equipado con dispositivos y equipo de tecnologa de punta cuyo costo hace prohibitivo para el sector acadmico y de investigacin y para la empresa privada el adquirirlo, y que constituyen herramientas imprescindibles de trabajo para esta nueva disciplina. Contando con el diseo y construccin inicial del parque, planificado en todos sus aspectos: sitio fsico, infraestructura y urbanizacin bsica, construcciones ambientales para la disposicin de aguas servidas y desechos, servicios de vigilancia, centro de administracin central, construccin y equipamiento del laboratorio central, entre otros aspectos. La academia y centros de investigacin procederan sobre esta estructura ya organizada a construir sus propios laboratorios de desarrollo nanotecnocientfico y espacios de capacitacin y aprendizaje; las industrias de produccin especializadas en construir sus respectivas fbricas e industrias de desarrollo; y las empresas de comercializacin y servicios asociados. Se considera finalmente, que las lneas estratgicas de desarrollo del parque estarn orientadas a la industria farmacutica, medicina y ciruga, electrnica y componentes TICs, y alimentos y su conservacin, como ejes prioritarios.

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    OBJETIVOS

    Objetivos general

    Creacin e implementacin de un Centro Nacional de Nanotecnologa, dentro de un parque tecnolgico para el desarrollo de la nanotecnociencia en Guatemala que incida en el desarrollo nacional acreditado basado en estndares de calidad internacional en contexto de tica y conservacin del ambiente.

    Objetivos Especficos

    Desarrollo de nanotecnociencia de aplicacin en medicina, materiales, electrnica y otras reas de inters

    Desarrollo de investigacin aplicada y capacitacin en nanotecnociencia Bsqueda del autofinanciamiento y sostenibilidad econmica Prestacin de servicios a la sociedad a nivel nacional e internacional

    METODOLOGA

    Los pasos que se llevarn a cabo, para el parque tecnolgico en Nanotecnologa, ser la siguiente:

    1. Elaborar un estudio de Mercado. Justificacin: Este debe realizarse, para servir de nocin clara, de la cantidad de consumidores/interesados en financiar el parque tecnolgico en tecnologas emergentes, como lo es la nanotecnologa. Adems indicar las caractersticas y lneas de investigacin dentro del parque cientfico, orientando de alguna manera la visin del parque cientfico ACTIVIDADES

    Llevar a cabo el estudio de la demanda de servicios en investigacin de punta para el desarrollo y mejoramiento de productos, via en cuesta a los actores: sector acadmico, gubernamental y privado.

    Determinar la densidad poblacional y tasa de crecimiento.

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    Determinar las principales lneas de investigacin de la academia y la industria, y los principales productos exportados e importados.

    2. Elaborar un estudio tcnico Justificacin: Este debe realizarse, para contestar las siguientes preguntas: cmo producir lo que el mercado cientfico y tecnolgico demanda?, Dnde hay que producir? Qu equipo e instalaciones fsicas se necesitan?. Los estudios tcnicos para un proyecto deben considerar fundamentalmente cuatro grandes bloques: estudio de materias primas (facilidad de traslacin y obtencin de las mismas), localizacin general y especfica del proyecto, dimensionamiento del tamao de la planta y estudio de ingeniera del proyecto. En el presente perfil, se dar la localizacin y rea que se consider ms ptima segn la experiencia del grupo. ACTIVIDADES Llevar a cabo el estudio de materias primas. Llevar a cabo el estudio de localizacin general Llevar a cabo el estudio del dimensionamiento del tamao de la planta.

    Llevar a cabo el estudio de ingeniera del proyecto.

    3. Evaluacin del impacto ambiental Justificacin: Son todos los estudios sobre los elementos fsicos naturales, biolgicos, socioeconmicos y culturales dentro del rea de influencia del proyecto. Se realiza para reducir al mnimo la degradacin ambiental innecesaria. ACTIVIDADES

    Descripcin del proyecto. Definicin del mbito del estudio. Inventario y Valoracin Ambiental, as como sntesis (matriz de

    cruce). Previsin de Impactos. Evaluacin de Impactos. Comparacin de Alternativas. Medidas Correctoras. Impactos Residuales.

    Programa de Vigilancia y Control. Memoria de Sntesis (Resumen).

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    4. Elaborar un estudio de prefactibilidad Justificacin: Evaluacin preliminar de la viabilidad tcnica y ecnomica. Se comparan enfoques alternativos de varios elementos del proyecto y se recomienda las alternativas ms adecuadas.

    5. Elaboracin del perfil final de proyecto.

    6. BUSQUEDA DE FUERTES DE INVERSIN Como se ha venido mencionando a lo largo de todo el proyecto, se requiere un esfuerzo de tres sectores, para la financiacin de un parque tecnolgico en nanotecnologa, seran: el sector gubernamental (por medio del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologa), el sector acadmico (las tres universidades ms importantes del pas: Universidad San Carlos de Guatemala, Universidad Rafael Landivar y Universidad del Valle de Guatemala) y del sector privado. De este sector, se considera uno de los claves para las lneas de investigacin dentro del parque cientfico y tecnolgico. Es importante, entusiasmar a las empresas para permitir la adherencia de estas al proyecto. Actividades,

    Buscar contactos con las empresas. En primer lugar, buscar las empresas guatemaltecas, ms grandes, como lo es Cementos Progreso, las empresas de los Castillo (Cervecera Nacional, Alimentos de Guatemala, entre otras). Y las empresas trasnacionales.

    Indagar sobre sus necesidades de desarrollo y mejoramiento de nuevos productos.

    Ofrecimiento de espacio fsico y recurso capacitado para la investigacin.

    7. Adquisicin de fondos para el proyecto Y FIRMA DE CONVENIOS A NIVEL

    NACIONAL E INTERNACIONAL. Obtenido el dinero necesario, para llevar a cabo, el parque cientfico y tecnolgico, se procede a realizar:

    i. PLAN DE EJECUCIN DEL PROYECTO ii. Gerencia de Obra

    8. Elaboracin del diagrama de funcionamiento, administracin y organizacin

    del Parque Cientfico y Tecnolgico.

    9. Elaboracin de lneas de investigacin.

    10. ELABORACIN DE UN PLAN ESTRATEGICO DEL PARQUE CIENTFICO Y TECNOLGICO.

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    PROYECTO CARACTERISTICAS DEL REA DEL PROYECTO

    LOCALIZACIN El parque tecnolgico, se encuentra localizado entre El Progreso y Zacapa. El Progreso es un departamento de Guatemala localizado en el centro del pas, con un accidentado relieve, en el que destacan las sierras de Chuacs, de las Minas y la depresin del ro Motagua, que es navegable. Tiene un clima clido tropical. La agricultura es la dedicacin econmica predominante, con cultivos de cacao, caf, ctricos, tabaco y trigo. No obstante, la minera adquiere cierta relevancia mediante la explotacin de minerales preciosos, hierro, amianto y cristal de roca para joyera. La industria est poco desarrollada, con pequeas instalaciones que se dedican a la elaboracin de jarcias y sombreros de palma. Su localizacin espacial hace que se beneficie de las relaciones entre la capital, Guatemala, y Puerto Barrios, sobre todo por la lnea frrea transcontinental que los atraviesa.

    CARACTERISTICAS DEL PROYECTO

    TAMAO

    En el presente proyecto, no contempla ningn lmite dimensional, por lo que, el parque cientfico debe contener las siguientes dimensiones:

    Mnimo 20,000 metros cuadrados de construccin, con opcin a poderse construir otros 20,000 metros cuadrados en el futuro, que consiste en el laboratorio central, las instalaciones para la industria y parqueol

    Terreno de 5 manzanas como mnimo, de fcil acceso por todo tipo de vehiculo.

    Se estima que el laboratorio central, debe ser de por lo menos tres pisos. El propietario del inmueble sera el Cluster conformado por las Universidades participantes, el gobierno y el sector privado nacional e internacional. El laboratorio, contar con un rea para cada nivel de 1000 m2. Se contar con un rea de descanso, varias zonas destinadas a empresas y una pequea rea de descanso, con una laguna artificial. LOCALIZACIN Como se mencion anteriormente, la localizacin entre Zacapa y progreso, ya que se encuentran ubicados cerca de la capital de Guatemala y de la ruta al puerto barrios, del ocano pacfico. MACROLOCALIZACIN,

  • Proyecto Final : NANOTECNOLOGIA GRUPO 1

    Nanotecnologa 15

    Se observa, en la siguiente grfica, el rea posible para el Parque Cientfico y Tecnolgico.

    Figura 1: Macrolocalizacin.

    Fuente: GooGLE EARTH

    INGENIERA DEL PROYECTO

    El diagrama general del proyecto, se encuentra en la figura 2. Como se puede observar, en

    el dibujo, cada universidad cuenta con un edificio para desarrollar investigacin y nuevos

    productos. La de que exista un edificio para cada universidad, facilitar la formacin de

    equipos multidisciplinarios en todas las reas de investigacin; adems de facilitar el

    intercambio entre universidad e industria. Adems, se contar con un edificio especial, que

    contar con tecnologa de punta e instrumentacin avanzada para realizar proyectos de

    investigacin, desarrollo e innovacin (I+D+I), que brindar servicio y capacitacin a la

    industria nacional e internacional.

  • Proyecto Final : NANOTECNOLOGIA GRUPO 1

    Nanotecnologa 16

    Figura 2: Diagramatizacin del parque cientfico y tecnolgico.

    El laboratorio comn ser un edificio de por lo menos, tres niveles, que contar con dos

    cuartos limpios, laboratorios de materiales, de electrnica, de bionanotecnologa. Las

    instalaciones y el equipo para la investigacin, anlisis, pruebas y ensayo comprenden:

    o Laboratorio de qumica orgnica

    o Laboratorio de qumica inorgnica

    o Laboratorio de tecnologa de materiales

    o Laboratorio de tecnologa de alimentos

    o Laboratorio de tecnologa farmacutica

    o Laboratorio de microbiologa industrial.

    o Un laboratorio de anlisis instrumental

    o Un laboratorio de metrologa.

    Dentro del rea de edificios administrativos, se contempla colocar UNA DIVISIN DE

    DOCUMENTACIN QUE COMPRENDE UNA BIBLIOTECA CIENTFICA Y TCNICA Y UNA

    UNIDAD DE PUBLICACIONES.

    EDIFICIO DE

    LABORATORIOS

    COMUNES

    EDIFICIO DE

    INVESTIGACIO

    N DE LA USAC

    ADMINISTRACION

    EDIFICO DE

    INVESTIGACIO

    N DE LA URL

    EDIFICIO DE

    INDUSTRIA

    EDIFICIO DE

    INVESTIGACIO

    N DE LA

    UNIVERSIDAD

    EDIFICIO DE

    OTRA

    UNIVERSIDAD

    EDIFICIO DE

    INDUSTRIA

    LAGO

    PARQUEOS

  • Proyecto Final : NANOTECNOLOGIA GRUPO 1

    Nanotecnologa 17

    UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA

    DIRECCIN GENERAL DE INVESTIGACIN FACULTAD DE INGENIERA

    FACULTAD DE CIENCIAS QUMICAS Y FARMACIA

    MDULO 2

    MOLCULA DE UBIQUITINA EN VMD

  • Proyecto Final : NANOTECNOLOGIA GRUPO 1

    Nanotecnologa 18

    RESUMEN

    En el siguiente trabajo, se caracteriz la protena Ubiquitina, por medio del

    programa Visual Molecular Dynamics, utilizando comandos bsicos en

    graphical representations, en la consola TK y el men de extensions.

    El siguiente trabajo, se realiz en el marco del curso de Especializacin en

    Nanotecnologa, de la Universidad de San Carlos de Guatemala, cuya coordinacin

    recae en la Direccin General de Investigacin. De este curso, se concretaron ideas

    claves para general el siguiente informe.

    OBJETIVOS

    OBJETIVO GENERAL Que el estudiante sea capaz de utilizar el programa de simulacin VISUAL MOLECULAR DINAMYCS VMD-, para la caracterizacin y anlisis de una molcula protenica.

    OBJETIVOS ESPECFICOS Que el estudiante sea capaz de utilizar los comandos y herramientas en la caracterizacin molecular de las protenas. Que el estudiante identifique la estructura primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria de una protena. Simular un proceso protenico dentro de VMD.

  • Proyecto Final : NANOTECNOLOGIA GRUPO 1

    Nanotecnologa 19

    MARCO TERICO

    En los reticulocitos que no poseen lisosomas, existe una degradacin selectiva de protenas anormales. La observacin de que la degradacin de las protenas se inhibe en condiciones anaerobias, llevo a la descripcin del sistema proteoltico citoplsmico dependiente de ATP, que es independiente del sistema lisosomal descrito anteriormente. Desde el punto de vista termodinmico este proceso no era esperado pues la degradacin de las protenas es un proceso exergnico. El anlisis del proceso mostr que la ubiquitina es necesaria para esta degradacin. Esta protena monomrica de 76 residuos, se denomina as por su ubicuidad y abundancia en los eucariontes. Esta es la protena conocida ms conservada a lo largo de la evolucin. La ubiquitina difiere solo en tres residuos entre el humano y la levadura. Para la degradacin, a las protenas se les une covalentemente la ubiquitina. El proceso demostrado por Avram Hershko, es reminiscencia de la activacin de los aminocidos y ocurre en tres etapas 1.- en una reaccin dependiente de ATP el carboxilo terminal de la protena, es conjugado va un enlace tioster con la enzima que activa a la ubiquitina, un homodmero de 105 kD (E1 en la siguiente Figura). 2.- la ubiquitina es entonces transferida a un grupo sulfidrilo de una de las numerosas protenas denominadas enzimas conjugadoras de ubiquitinas (E2s), que son polipptidos de aproximadamente 150 residuos que contienen en su sitio activo un residuo de Cys, adems de presentar una identidad elevada entre ellas.

  • Proyecto Final : NANOTECNOLOGIA GRUPO 1

    Nanotecnologa 20

    3.- la ubiquitina ligasa (E3 de aproximadamente 180 kD) transfiere la ubiquitina activada formada por E2 a un grupo amino de una Lys de una protena previamente unida formando un enlace isopeptdico. Al parecer E3 es clave en la seleccin de la protena a degradarse.

    Figura: representacin del mecanismo de accin de la ubiquitina

    Usualmente muchas molculas de ubiquitina estn unidas a la protena seleccionada para degradarse. Adems alrededor de 50 o ms molculas de ubiquitina se unen en fila a una protena formando una cadena de multiubiquitina en la cual la Lys 48 de cada ubiquitina forma un enlace isopeptdico con el carboxilo terminal de la siguiente ubiquitina, al parecer este arreglo es esencial para la degradacin de algunas protenas. Las protenas ubiquitinadas son degradadas proteolticamente en un proceso dependiente de ATP por un complejo multiprotico de 2000 kD denominado proteosoma 26S; este complejo se encuentra tanto en el ncleo como en el citoplasma y consiste de al menos 20 tipos de subunidades y posee al menos cinco tipos diferentes de actividades de peptidasa que cortan despus de residuos bsicos, hidrofbicos o acdicos

  • Proyecto Final : NANOTECNOLOGIA GRUPO 1

    Nanotecnologa 21

    La pequea protena ubiquitina desempea un papel central en este trabajo. Ubiquitina se adjunta a la obsoleta protenas, a la sealizacin celular que estn listos para ser desmontadas. Como se muestra en la figura, una cadena de molculas de ubiquitina (de color rosa) se adjunta a la edad de protenas, como la protena src se muestra aqu (de color azul, desde la entrada 2src AP). La ubiquitina es reconocida por la destruccin de maquinaria de la clula. Como su nombre implica, ubiquitina se encuentra en todas las clulas eucariotas y en clulas de todo su cuerpo. El Premio Nobel de Qumica fue otorgado el ao 2004 a los tres investigadores que descubrieron su funcin esencial en 1980. En los aos subsiguientes, se ha puesto de manifiesto que, aparte de su papel en la eliminacin de protenas, ubiquitina tambin se utiliza para otras tareas, como dirigir el transporte de protenas dentro y fuera de la clula. Mediante la conexin de ubiquitina en cadenas cortas o largas, o utilizando diferentes tipos de vnculos entre las molculas, muchas seales pueden ser codificados. Debido a las importantes funciones que desempea, ubiquitina ha cambiado muy poco durante la evolucin de la vida, as que usted puede encontrar una forma similar en clulas de levadura, las clulas de las plantas, y en nuestras propias clulas. CARACTERIZANDO LA UBIQUITINA Como se ha mencionado en prrafos anteriores, la ubiquitina es una pequea protena de dominio nico compuesto de 76 residuos de alfa-hlice y conformaciones beta, que forma una gran estabilidad, como estructura compacta. La estructura de la ubiquitina se ha resuelto mediante cristalografa de rayos X y la RMN y se ha demostrado a veces por un simple proceso de dos Estados, en solucin acuosa por la formacin de enlaces disulfuro o de metal o cofactor vinculante, y que no hay acumulacin de intermediarios estables. Su mecanismo de plegado y la va se han caracterizado por una variedad de mtodos como la espectroscopia y la calorimetra, y el intercambio de hidrgeno y deuterio.

  • Proyecto Final : NANOTECNOLOGIA GRUPO 1

    Nanotecnologa 22

    Una parte de la forma plegada de la molcula de ubiquitina (lo que se denomina estado-A) se ha identificado en solucin acuosa de metanol en el que la N-terminal de 35 residuos de la protena nativa parecen conservar la estructura. RMN y CD estudios han demostrado la estructura residual de los fragmentos de protena correspondiente a la horquilla beta (residuos 1-17), y la horquilla-hlice en los fragmento (residuos 1-35) en soluciones de metanol. Como se discuti anteriormente, la N-terminal de la conformacin beta de ubiquitina ha sido el centro de diseo de la horquilla beta. Ms recientemente, Jourdan y Searle han informado de la reconstitucin de la ubiquitina en solucin acuosa, desplegada a partir de dos fragmentos correspondientes a los residuos 1-35 y 36-76. Encontraron que, en una proporcin de 1:1, los fragmentos son aislados en el lento intercambio con el nativo reconstituido sobre la estructura de plazos de RMN. Asimismo,

  • Proyecto Final : NANOTECNOLOGIA GRUPO 1

    Nanotecnologa 23

    sugieren que la estructuracin inicial en el fragmento N-terminal puede formar el fragmento nuclear en caso de condensacin. En la figura 1, se pueden observar que las letras: T, E, B, H, G, I, C siginifican lo siguiente:

    Tabla 1: Cdigos de las estructuras secundarias

    T Turn

    E Extended conformation ( sheets) B Isolated bridge

    H Alpha helix

    G 3-10 helix

    I Pi helix

    C Coil

    Fuente: Ref

    Por lo que se observa que hay 76 residuos en la molecula, siendo estos 1 MET 2 GLN 3 ILE 4 PHE 5 VAL 6 LYS 7 THR 8 LEU 9 THR 10 GLY 11 LYS 12 THR 13 ILE 14 THR 15 LEU 16 GLU 17 VAL 18 GLU 19 PRO 20 SER 21 ASP 22 THR 23 ILE 24 GLU 25 ASN 26 VAL 27 LYS 28 ALA 29 LYS 30 ILE 31 GLN 32 ASP 33 LYS 34 GLU 35 GLY 36 ILE 37 PRO 38 PRO 39 ASP 40 GLN 41 GLN 42 ARG 43 LEU 44 ILE 45 PHE 46 ALA 47 GLY 48 LYS 49 GLN 50 LEU 51 GLU 52 ASP 53 GLY 54 ARG 55 THR 56 LEU 57 SER 58 ASP 59 TYR 60 ASN 61 ILE 62 GLN 63 LYS 64 GLU 65 SER 66 THR 67 LEU 68 HIS 69 LEU 70 VAL 71 LEU 72 ARG 73 LEU 74 ARG 75 GLY

    Para determinar el peso de la protena y el nmero de tomos se realiza la siguiente funcin en el formato TK Console: Primero, para llamar a la TK consola, realizar los siguientes comandos:

    RAMACHANDRAN GN Ramachandran, cientfico hind, uso modelos de pequeos polipptidos para variar sistemticamente estos ngulos con el objeto de encontrar conformaciones estables. Para cada una de las conformaciones, la estructura fue examinada para detectar los contactos cercanos entre los tomos. Los tomos fueron considerados como esferas rgidas con dimensiones correspondientes a su radio de van der

  • Proyecto Final : NANOTECNOLOGIA GRUPO 1

    Nanotecnologa 24

    Waals. Por lo tanto, los ngulos que causaban una colisin de las esferas correspondan a ngulos prohibidos y correspondan a conformaciones no permitidas de la cadena polipeptdica. Para visualizar la grfica de Ramachandran en el VMD, debe realizarse las siguientes acciones: EXTENSIONS ANALYSIS RAMACHANDRAN PLOT, para visualizar la siguiente ventana:

    En el diagrama anterior las zonas blancas corresponden a conformaciones donde los tomos del polipeptido estn ms cercanos que sus radios de van der Waals. Estas regiones son estericamente no permitidas para todos los aminocidos, excepto para Glicina, la cual se encuentra en la mayora de estas zonas, ya que es el nico aminocido que no presenta cadena lateral. Las regiones azules corresponden a conformaciones donde no hay impedimentos estericos, es decir estas son zonas permitidas llamadas conformaciones -hlices y Hojas-. Las zonas verdes muestran las regiones permitidas s en los clculos se usan radios van der Waals ligeramente ms pequeos, es decir se permite que los tomos puedan estar un poco mas cercanos. Adems se puede ver, que la hlice alfa, que se encuentra en la molcula de la UBIQUITINA, es derecho. Para visualizar el histograma en 3D, se da click en el icono, de lado derecho inferior. Y se crea la siguiente imagen

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    Nanotecnologa 25

    Se puede realizar de dos formas, desde GRAPHICAL REPRESENTATIONS, realizando multples secuencias o por medio de comandos. Se realizar desde GRAPHICAL REPRESENTATIONS. En primer lugar, se crea una nueva representacin REP, en el cuadro: CREATE REP (dos veces, una para mostrar las partes hidrofbicas y otras para las hidroflicas.) Se escogi como Coloring Method ELEMENT y como Drawing Method LICORE. Para dividir, se esocgio un radio de enlace de 0.7 para los HIDROFILICOS (EN SELECTIONS, SE COLOCA en Singleword not hidrophobic) y para los HIDROFBICOS, se coloco un radio de enlace de 1.4 y en Material: MetallicPastel. (Blancos) Obteniendo la siguiente figura:

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    Nanotecnologa 26

    ESTRUCTURA SECUNDARIA Es la disposicin de la secuencia de aminocidos en el espacio. Los aminocidos, a medida que van siendo enlazados durante la sntesis de protenas y gracias a la capacidad de giro de sus enlaces, adquieren una disposicin espacial estable, Para visualizar la estructura de una hlice alfa, se debe crear una nueva representacin en CREATE REP. Luego de esto, se debe buscar en Selections alpha hlix y cambiar las diferentes opciones en Draw Style. En este caso, se escogi Coloring Method en USER, Drawing Method NewCartoon. Visualizando el siguiente resultado:

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    Nanotecnologa 27

    Estrictamente las hlices 3-10 ests forman una clase de hlices distintas pero son cortas y frecuentemente aparecen en la regin terminal de las a-hlices. El nombre El nombre 310 se origina porque hay tres residuos por vuelta y diez tomos forman el anillo que se forma con cada puente hidrgeno (ntese que tambin se incluye el Hidrgeno formando parte del anillo). Se debe crear una nueva representacin en CREATE REP. Luego de esto, se debe buscar en Selections hlix_3_10 y cambiar las diferentes opciones en Draw Style. En este caso, se escogi Coloring Method en ColorID, Drawing Method NewCartoon. Visualizando el siguiente resultado:

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    Nanotecnologa 28

    En esta disposicin los aminocidos no forman una hlice sino una cadena

    en forma de zigzag, denominada disposicin en lmina plegada,

    generalmente se visualiza como una flecha. Para visualizar la estructura de la conformacin beta, se debe crear una nueva representacin en CREATE REP. Luego de esto, se debe buscar en Selections beta_sheet y cambiar las diferentes opciones en Draw Style. En este caso, se escogi Coloring Method en ColorID7, Drawing Method NewCartoon. Visualizando el siguiente resultado:

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    Nanotecnologa 29

    Visualizando todas la estructura secundaria, se tiene:

  • Proyecto Final : NANOTECNOLOGIA GRUPO 1

    Nanotecnologa 30

    La Estructura Terciaria describe el plegamiento de la cadena polipeptdica para ensamblar los diferentes elementos de la estructura secundaria en un ordenamiento particular. As como las hlices y las hojas son las unidades de la estructura secundaria, los dominios son las unidades de la estructura terciaria. En esta clase se juntan todas los plegamiento que incluyen un alto nmero de elementos de estructura secundaria alfa y beta, pero estos elementos estn mezclados, en el sentido que ellos no presentan la topologa de alfa/beta. Esta clase de plegamiento es nominada como +

    Zona A Zona B Zona C

    Zona D

  • Proyecto Final : NANOTECNOLOGIA GRUPO 1

    Nanotecnologa 31

  • Proyecto Final : NANOTECNOLOGIA GRUPO 1

    Nanotecnologa 32

    Se puede visualizar la estructura con esferas de Van der Waals, por medio de la herramienta que se encuentra Drawing Method, con VMD, obteniendo la siguiente figura.

  • Proyecto Final : NANOTECNOLOGIA GRUPO 1

    Nanotecnologa 33

    VISUALIZANDO SLO TOMOS DE CARBONO Para visualizar slo tomos de carbono, en este caso, se realizar utilizando el comando carbon de Selections; con un Drawing Method de CPK. Adems, se visualizarn los atomos alfa, colocando en Selections name CA., tambin en CPK, obteniendo las dos siguientes figuras:

  • Proyecto Final : NANOTECNOLOGIA GRUPO 1

    Nanotecnologa 34

    Carbones

    Carbones Alfa

    Referencias Bibliogrficas Theoretical and Computational Biophysics Group. (2007). VMD users Guide Version 1.8.6. USA: University of Illionis and Beckman Institute.

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    Nanotecnologa 35

    FACULTAD DE INGENIERA FACULTAD DE CIENCIAS QUMICAS Y

    FARMACIA

    MDULO 3

    CRISTALOGRAFA Y QUMICA DEL ESTADO SLIDO

  • Proyecto Final : NANOTECNOLOGIA GRUPO 1

    Nanotecnologa 36

    Curso de Alta Especializacin en Nanotecnologa

    Tpico: Qumica del Estado Slido

    Trabajo de Investigacin Mdulo III

    Nombre: GRUPO 1

    1. La clasificacin de los slidos cristalinos en funcin del enlace qumico permite predecir

    muchas de sus propiedades. Cmo esperara que fuera la densidad, el punto de fusin y la

    conductividad elctrica de i) un cristal molecular, ii) un cristal covalente. Justifique su

    respuesta.

    cristal molecular cristal covalente

    Densidad Densidad baja por sus

    molculas unidas con enlaces

    dipolares tipo van der Waals

    son extremadamente duros y

    difciles de deformar porque

    los tomos de los cristales se

    mantienen unidos en una red

    tridimensional

    Punto de fusin Bajo por sus molculas

    relativamente libres para

    separarse entre s

    muy alto por sus tomos

    unidos en red tridimensional

    Conductividad trmica conductividad es nula ya que

    sus molculas estn unidas por

    dipolos elctricos sin

    electrones libres

    son malos conductores del

    calor y la electricidad ya que

    no existen electrones libres

    que trasladen energa de un

    punto a otro

    2. Para un xido metlico (M++O=), represente la estructura ideal, la estructura real (no

    estequiomtrica) y la estructura dopada con un elemento monovalente mencionando, en

    cada caso, las consecuencias a nivel de la conductividad elctrica.

    Estructura ideal Estructura real Estructura dopada

  • Proyecto Final : NANOTECNOLOGIA GRUPO 1

    Nanotecnologa 37

    3. A partir de la estructura de Si (ver figura) explique:

    Si Si SiSi Si

    Si Si Si Si

    Si Si Si Si Si

    a) Formacin de un semiconductor tipo n y uno tipo p.

    n

    p

    b) Qu ocurre en cada caso con las propiedades elctricas del material?

    En el n hay disponibilidad de electrones producindose un nivel donante

    Por otra parte, en el p se genera un nivel aceptor ya que hacen falta electrones de

    valencia. El Si se vuelve un portador de carga positiva

    4. La perovskita, PbTiO3, a temperatura elevada se presenta como una estructura cbica

    primitiva (tipo P). Conociendo el valor del parmetro de celda

    a= 4.01 y que el difractograma ser tomado con un tubo de

    cobre (Cu = 1.54 ), deduzca y/o prediga el difractograma.

    Para ello, realice la indexacin de los picos correspondientes a

    (h2 + k2+ l2) entre 1 y 12 y calcule, el valor de d de stas 12

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    Nanotecnologa 38

    seales.

    sistema cristalino ortorrmbico (pseudocbico)

    No. x y x h k l d nm

    1 3/2 0 6 2 0 0.0634

    2 1 3 3/5 3 1 5 0.0678

    3 2 0 4 1 0 0.0973

    4 1 2 3 2 1 3 0.1072

    5 1 3/2 0 3 2 0 0.1112

    6 1 2 2 1 0.1337

    7 0 2 2 0 0.1418

    8 1 2 0 2 1 0 0.1793

    9 0 0 2 0 0 0.2005

    10 1 1 1 1 1 1 0.2315

    11 1 1 0 1 1 0 0.2835

    12 1 0 0 1 0 0 0.401

    5. Una slice fue sometida a un proceso de adsorcin de nitrgeno a la temperatura del N2

    lquido, obteniendo los siguientes resultados ilustrados en la isoterma que aparece en

    anexo a la tabla:

    Po= 641,430 mmHg

    P

    (mmHg)

    7,86 21,25 28,44 32,29 34,55 40,75 43,85 51,20 59,78 63,66 70,49 90,76 125,79

    Vads

    (cc/g)

    44,38 51,58 54,09 55,29 55,95 57,62 58,45 60,19 62,12 62,93 64,31 68,12 74,09

    Vads

    P/Po

  • Proyecto Final : NANOTECNOLOGIA GRUPO 1

    Nanotecnologa 39

    Empleando el modelo que considere ms adecuado (justifquelo), determine el valor del

    rea superficial de dicha slice.

    ANEXO

    No. x y x h k l d nm Estructura

    1 1 0 0 1 0 0 0.401

    2 1 1 0 1 1 0 0.283

    5

  • Proyecto Final : NANOTECNOLOGIA GRUPO 1

    Nanotecnologa 40

    3 1 2 0 2 1 0 0.179

    3

    4 1 3/

    2 0 3 2 0

    0.111

    2

    5 0 0 2 0 0 0.200

    5

    6 0 2 2 0 0.141

    8

    7 3/

    2 0 6 2 0

    0.063

    4

  • Proyecto Final : NANOTECNOLOGIA GRUPO 1

    Nanotecnologa 41

    8 2 0 4 1 0 0.097

    3

    9 1 1 1 1 1 1 0.231

    5

    10 1 2 2 1 0.133

    7

    11 1 2 2/3 2 1 3 0.107

    2

    12 1 3 3/5 3 1 5 0.067

    8

  • Proyecto Final : NANOTECNOLOGIA GRUPO 1

    Nanotecnologa 42

  • Proyecto Final : NANOTECNOLOGIA GRUPO 1

    Nanotecnologa 43

    FACULTAD DE INGENIERA FACULTAD DE CIENCIAS QUMICAS Y

    FARMACIA

    MDULO 4

    INSTRUMENTACIN PARA CARACTERIZAR NANOSISTEMAS

  • Proyecto Final : NANOTECNOLOGIA GRUPO 1

    Nanotecnologa 44

    Microscopa de Exploracin de Sonda (Scanning Probe Microscope) STM)

    Estos tipos de microscopio, forman una imagen por medio de una sonda, o una punta que explora a la muestra. Las tcnicas SPM, proporcionan imgenes tridimensionales en tiempo real, permitiendo monitorear un rea localizada para obtener las propiedades fsicas de los materiales simultneamente (Bonnell, 2001). Todos los SPMs tienen 5 elementos fundamentales: la punta, el escner, el detector, el sistema de control electrnico y el sistema de aislamiento de vibracin como se muestra en la figura 1. El diseo del escner tiene forma de tubo y es de un material cermico piezoelctrico que cambia de dimensiones como respuesta a un voltaje aplicado, se caracterizan por tener tres grados de libertad, expandindose en una direccin y contrayndose en otra como resultado del voltaje aplicado (Cruz y Castrelln-Uribe, 2005.9). Entre las ventajas de utilizar un SPM, es que la resolucin de los microscopios no es limitada por la difraccin, la interaccin punta-muestra, puede utilizarse para modificar la muestra y crear estructuras (nanolitografa), hay varios tipos de SPM, entre ellos, se encuentra microscopio de fuerza atmica (AFM), el microscopio de efecto de tnel (STM), el microscopio de fuerza magntica (MFM), el microscopio de fuerza de resonancia magntica (MRFM), el microscopio de efecto de tnel por exploracin de fotn (PSTM) y el microscopa de exploracin electroqumica (SECM).

    Figura 1. Esquema General de un SPM

    Fuente: Mary Cruz y Jess Castrelln. Microscopio de Fuerza Atmica, Pg. 9.

  • Proyecto Final : NANOTECNOLOGIA GRUPO 1

    Nanotecnologa 45

    Microscopio Efecto de Tnel (MBT o STM, siglas en ingles)

    Este microscopio se desarroll en 1981, por Gerd Binning y Heinrich Rohrer (Premio Nbel en 1986), en el Laboratorio de IBM (IBM Research Laboratory). En 1990 se pblico, la famosa imagen de I.B.M. con 35 tomos de xenn individuales, que se realizo manipulando cada tomo con un STM. La imagen que se obtiene por medio ste instrumento involucra el movimiento de la punta por encima de la superficie para obtener la informacin topogrfica, como analoga puede compararse con un lector Braille y como ste va tocando la superficie para obtener una imagen del objeto palpado. En la figura se muestra el esquema del funcionamiento del microscopio, basado en el control de la corriente que, por efecto tnel aparece entre la punta del microscopio y una superficie metlica cuando se aplica un pequeo voltaje entre ambas (alrededor de una dcima de voltio). Al ajustar la corriente se controla por medio de un piezoelctrico, la distancia de la punta-muestra a un nanmetro con una precisin de 0.01 nanmetros . La punta se mueve, en el modo corriente, a lo largo y ancho de la superficie, efectuando un barrido por encima de la superficie de una muestra elctricamente conductora (Group ETC, 2003.17 a), controlando que la distancia permanezca constante (para un voltaje fijo)

    Figura 2. Esquema de un microscopio efecto de tnel

    Fuente: Andrew Parella and Monica Plish. Atomic Resolution with Scanning Tunneling Microscopy, pg. 33.

    Al aplicar un ligero voltaje, las reglas de la mecnica quntica hacen que los electrones salten y fluyan como en un tnel atravesando el espacio entre la punta y la muestra (Terra, P., 1998). Conforme la punta se mueve por la superficie de la muestra, se realizan constantes ajustes a la posicin de la punta para asegurar la distancia (por lo tanto la corriente elctrica) para mantenerla constante (Biel et. al., 2006.17). De esta forma se obtiene un mapa de la corrugacin superficial con detalles de su estructura atmica (lo que se debe a la fuerte localizacin especial de

  • Proyecto Final : NANOTECNOLOGIA GRUPO 1

    Nanotecnologa 46

    la corriente tnel) (Biel et. al., 2006). Dado que esta tcnica se basa en el flujo elctrico entre la punta y la muestra, el STM slo puede usarse para materiales conductores. El STM puede usarse en ultra vaco, aire u otros ambientes. Preparacin de la muestra La resolucin inherente del STM, es una consecuencia directa del efecto cuntico de tnel que se da entre la muestra y la punta, esta corriente depende tanto de la anchura y de la altura de la barrera tnel como de la estructura electrnica de la punta y la muestra (Alba M., 2006.65). La punta del microscopio, es el elemento ms crtico de un STM, ya que al final es la que determina la resolucin y la calidad de la imagen en general, se utiliza generalmente de hilos de Tungsteno y Platino/Iridio y existen varios mtodos de preparacin de las mismas (Alba M., 2006.61). Entre los mtodos para la preparacin de la punta, se encuentra el dispositivo de grabado electroqumico. Al pasar una corriente a travs de una disolucin de NaOH, utilizando un electrodo de grafito como positivo y el cable de tungsteno como negativo, la parte que est sumergida en la disolucin de este ltimo acaba por caerse, dejando as una punta afilada en el otro extremo que est en el aire. En ese momento ha de cerrarse la fuente de tensin (Weinstein et. al, 1995.3075). La muestra requiere ser semiconductora, para muestras biolgicas puede agregarse una pequea capa de oro o carbono. Para trabajar esta tcnicas al vaco se requiere modificar el equipo, a un STM de alto vaco.

    Microscopio de Fuerza Atmica (AFM por sus siglas en ingls) El microscopio atmico de fuerza, fue desarrollado para superar una desventaja bsica del STM, de utilizarse nicamente en superficies semiconductoras. El AFM sin embargo, tiene la ventaja de proyectar casi cualquier tipo de superficie, incluyendo los polmeros, la cermica, los cristales y muestras biolgicas. El AFM es un microscopio de proximidad basado en la deteccin de la fuerza que acta entre la punta del microscopio y una superficial metlica o aislante. El AFM, monitorea la superficie de la muestra con una punta de radio de curvatura de 20 a 60 nm que se localiza al final de un cantilever. Las fuerzas entre la punta y la muestra provocan la deflexin del cantilever, simultneamente un detector mide esta deflexin a medida que la punta se desplaza sobre la superficie de la muestra generando una micrografa de la superficie. La fuerza interatmica que contribuye a la deflexin del cantilever es la fuerza de Van der Waals (Cruz y Castrelln-Uribe, 2005.9). En la figura 3 se muestra el esquema de funcionamiento de un AFM, el movimiento del cantilever, se mide por medio de la luz que se refleja del lado de arriba del cantilever y es registrada por un fotodectector.

  • Proyecto Final : NANOTECNOLOGIA GRUPO 1

    Nanotecnologa 47

    Figura 3. Esquema del funcionamiento de un AFM

    Fuente: J.H. Hafner, C.L. Cheung, A.T. Woolley, C.M. Lieber. Structural and functional imaging with carbon nanotube AFM probes, pg. 76.

    Preparacin de la muestra La ventaja del microscopio de fuerza atmica AFM, es la versatilidad del mismo. Puede utilizarse bajo vaco, en medio lquido (para muestras biolgicas) y aire ambiente. Analiza tanto materiales aislantes como conductores, no hay restricciones en el tipo de muestra y no requieren una preparacin especial y tampoco un sistema de vaco. Por ejemplo, en componentes biolgicos (clulas, tejidos, protenas, etc.) no requiere de procesos previos de recubrimiento, teido, etc. En el caso de materiales, los polvos, deben ser suspendidos en una monocapa, los slidos, deben adherirse sobre una superficie.

    Microscopio Electrnico de Transmisin (TEM por sus siglas en ingles)

    Un microscopio electrnico de Transmisin (TEM) utiliza un haz de electrones para visualizar un objeto debido a que la potencia amplificadora de un microscopio ptico est limitada por la longitud de onda de la luz visible. Debido a que los electrones tienen una longitud de onda mucho menor (0.005 nm), permite un alto poder de resolucin. El microscopio electrnico se asemeja en algunos aspectos al microscopio ptico, ya que consta de sistema de iluminacin, sistema de manipulacin de la muestra, sistema de formacin y proyeccin de la imagen. La fuente de iluminacin es un fino filamento de tungsteno (ctodo) que al ser calentado por el paso de una corriente emite electrones, los cuales son

  • Proyecto Final : NANOTECNOLOGIA GRUPO 1

    Nanotecnologa 48

    desprendidos a gran velocidad al establecerse una diferencia de potencia elctrico entre el ctodo y el nodo, pasando a travs de este ltimo por una apertura hacia una columna metlica hueca, donde existe un alto vaco. Una vez acelerados los electrones por el nodo, a traviesan un campo magntico producido por la condensadora, la cual concentrarn los electrones en un haz fino y lo dirigirn hacia la muestra. Esta ltima se introduce dentro de la columna por un dispositivo especial que expone el objeto a estudiar al haz de electrones el cual constituye el sistema de manipulacin de la muestra. El choque de los electrones con los tomos de la muestra, provocan que estos pierdan velocidad y varen su trayectoria. Los electrones que no chocan se proyectan sobre una pantalla fluorescente, placa fotogrfica o CCD, formando imgenes reales. A medido que aumenta el espesor de la muestra la imagen resulta ms confusa y menos luminosa debido a la perdida de electrones. La muestra debe ser procesada a fin de obtener secciones ultrafinas (60 nm) para poder visualizar en el TEM. Se utiliza para estudios biolgicos, micropartculas y nanopartculas, estructura interna de lminas delgadas, etctera. Preparacin de la muestra Las muestras para un TEM, requiere ser lo suficientemente delgadas para que los electrones las traspasen, esto depender de la densidad del material en cuestin por ejemplo, un polmero tendra que tener entre 60 u 80 nm de espesor. Las muestras a estudiar requieren una preparacin compleja especfica y la obtencin de secciones ultrafinas mediante ultramicrotoma. En general se requiere muestras conductoras y sin humedad. En el caso de determinadas muestras biolgicas tales como bacterias, macromolculas y otras pequeas partculas se requieren tcnicas especiales de preparacin, comnmente se recubre con oro o carbono de unos cuantos nm de espesor.

    Microscopio Electrnico de Barrido (SEM por sus

    siglas en ingles) El microscopio de barrido (SEM) es similar a un microscopio electrnico de transmisin (TEM), ambos tienen caractersticas comunes. Entre las caractersticas comunes, se encuentran un can de electrones, lentes condensadores, objetivo y sistema de vaco. La diferencia principal, entre ellos, es la manera en que forman y magnifican la imagen. Los electrones no pasan a travs de la muestra, sino exploran a travs de la superficie de la muestra, para crear una imagen de alta resolucin tridimensional. Adems de la imagen tambin existe la posibilidad de realizar anlisis qumico en la muestra de estudio. Para ello, el microscopio lleva acoplada una sonda de anlisis de energas dispersivas de rayos X. Una de las seales que emite la muestra al incidir sobre ella el haz de electrones es la de rayos X. Estos rayos son caractersticos de cada elemento, por lo que se

  • Proyecto Final : NANOTECNOLOGIA GRUPO 1

    Nanotecnologa 49

    puede determinar y cuantificar la cantidad de cada elemento que posee la muestra, es decir, permite un anlisis qumico. El SEM, es un instrumento que permite la observacin y caracterizacin superficial de materiales inorgnicos y orgnicos, entregando informacin morfolgica del material analizado. A partir de l se produce distintos tipos de seal que se generan desde la muestra, esta equipado con diversos detectores, entre los que se pueden mencionar: un detector de electrones secundarios para obtener imgenes de alta resolucin, un detector de electrones retrodispersados que permite la obtencin de imgenes de composicin y topografa de superficie, adems del detector de energa dispersiba (Rayos X). Las aplicaciones del SEM, son muy variadas, como petroqumica, metalrgica, medicina forense, ciencia de los materiales, geologa entre otros. Puede mostrar detalles muy finos de la morfologa y la topografa exterior de muestras biolgicas y no biolgicas. Las ampliaciones de 10 a 300,000 veces son comunes. Preparacin de la muestra Debido a que existe una gran variedad de campos de aplicacin del SEM, hay muchos tipos de muestras que pueden ser observadas. Se han desarrollado diversas tcnicas de preparacin que dependen de la muestra. En general, requieren un tamao reducido de hasta 7 cm., la muestra debe estar limpia y seca, se debe mantener la morfologa original y no debe tener cargas electrostticas. Algunas muestras se deben preparar y cubrir cuidadosamente con una capa delgada de metal de oro para asistir a la formacin de la imagen.

    Espectroscopia

    Los mtodos espectroscpicos se basan en las transiciones que se producen entre los diferentes estados energticos de los tomos o las molculas como consecuencia de la interaccin entre la materia y una radiacin electromagntica de determinada energa (Martnez; Gil, y Barn, 2006.790). Se pueden producir espectros ya sea por emisin o absorcin de energa. Entre los espectrmetros utilizados se encuentran:

    Espectrmetro de fluorescencia de rayos X (XRF). Dentro de la caracterizacin de los materiales, el XRF, es una tcnica utilizada para cuantificar materiales (Nebesny et. al., 1989.453).). Es un conjunto de tcnicas que permiten detectar y cuantificar la composicin de una muestra de material desconocido irradindola con Rayos X,). Esta tcnica es utilizada para llevar a cabo

  • Proyecto Final : NANOTECNOLOGIA GRUPO 1

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    anlisis cualitativos de muestras slidas (filtros, metales, rocas, muestras en polvo, tejidos, etc.), sin preparacin de la muestra, el nico requisito es que sta tenga un tamao inferior al del portamuestras, son capaces de proporcionar anlisis cuantitativos de materiales complejos con una precisin bastante aceptable (Martnez; Gil, y Barn, 2006.792).

    Espectrmetro fotoelectrnico de Rayos X (XPS). En esta tcnica los fotones incidentes causan la emisin de electrones, en energas caractersticas de un nivel atmico particular (Mathew et. al., 2005.85). La medicin de la energa emitida por los fotoelectrones, permiten determinar la composicin superficial de los slidos, la aproximacin estequiomtrica se mide con la intensidad correcta de la ionizacin elemental. Los cambios pequeos de energa de los fotoelectrones reflejan los enlaces de determinado tomo (Mathew et. al., 2005.85). Se utiliza para analizar qumicamente y cuantitativamente la superficie de materiales, adems de presenta la composicin qumica de materiales.

    Espectroscopia Raman. A lo largo de los aos, se han desarrollado varias tcnicas basadas en la espectroscopia Raman, entre ellas, se encuentra la espectroscopia Raman con transformadas de Fourier, que permiten analizar materiales orgnicos e inorgnicos, verificar reacciones qumicas, analizar polmeros y sus modificaciones, adems de observar muestras de origen biolgico. Otros equipos desarrollados dentro de la nueva instrumentacin Raman, se encuentra el sistema de alta eficiencia de sistemas Raman que incorporan lseres de bajo poder. Estos sistemas que permiten mediciones ms exactas en la nanoescala incorporando equipo microscopio, el Raman-SEM. Entre las aplicaciones de la Espectroscopia Raman, se encuentra la caracterizacin de los materiales (pelculas, etc.), en medicina, en muestras biolgicas, etc.

    Difraccin de rayos X (XRD por sus siglas en

    ingls). Para el anlisis de difraccin por rayos X normalmente se utilizan radiaciones de Cu, Co, Fe, y Cr, cada uno de ellos tiene diferente poder de difraccin y longitudes de onda caractersticas. La muestras, no se coloca en un recipiente determinado, ya que, la radiacin con rayos X afecta a los electrones de las capas ms internas de los tomos del analito, por lo tanto, no importa si la muestra es lquida, slida o gaseosa. Esta tcnica permite identificar, cuantificar y caracterizar toda clase de materiales slidos, identificando y cuantificando los elementos contenidos en la muestra. Determina parmetros asociados con la estructura cristalina tales como,

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    fases presentes, orientacin preferencial, tamao de grano, porcentaje de cristalinidad. A continuacin se presentan el resumen de los diferentes espectrmetros. Tabla XIV: Resumen de los diferentes equipos empleados en un laboratorio de Nanotecnologa enfocado en el rea de materiales Sigla Equipo Definicin Aplicaciones STM Microscopio de

    Efecto de Tnel

    Microscopio de gran eficiencia que permite ver y manipular las superficies a escala atmica

    Se utiliza para aplicaciones fsicas, qumicas, biolgicas y de ciencia de los materiales

    AFM

    Microscopio de Fuerza Atmica

    Obtiene imgenes basadas en el funcionamiento de barrido de una punta a distancias atmicas de la muestra. Las deflexiones de la punta que resulta de este contacto adquieren informacin sobre las caractersticas fsicas de la superficie.

    Se utiliza en la caracterizacin de materiales, pelculas, etc. es un ensayo no destructivo. Permite medir la fuerza superficial sobre una muestra del material.

    TEM Microscopio Electrnico de Transmisin

    Obtiene imgenes de alta resolucin por medio de electrones, se utiliza mayormente en estudio de materiales y superficies

    Ciencia de los Materiales, Geologa, Morfologa, Estructuras Cristalinas, compasin Qumica, muestras biolgicas.

    XRF

    Espectroscopia Fluorescencia de Rayos X

    Tcnica que permite conocer la composicin elemental de una muestra, analizando la emisin de rayos X

    Se utiliza para determinar contaminantes en: agua, aceite, gasolina, polmeros, concretos (Wirth, 1990.58) Adems en mineraloga, geologa, cermica, cementos, metales,etc.

    XPS Espectroscopia de Fotoelectrones de rayos X

    En esta tcnica los fotones incidentes causan la emisin de electrones, en energas caractersticas de un nivel atmico particular.

    Se utiliza para analizar qumicamente y cuantitativamente la superficie de materiales, presenta la composicin qumica de materiales.

    RS

    Espectroscopia Raman

    Tcnica que hace pasar un haz de luz a travs de un medio, cierta cantidad de la luz se dispersa y puede detectarse efectuando observaciones en sentido perpendicular al haz incidente.

    Puede procesar muestras, acuosas, slidas, gaseosas, transparentes u opacas. Se utiliza para caracterizacin en ciencia de los materiales, medicina.

    NMR

    Resonancia Magntica Nuclear

    Tcnica que utiliza un campo magntico esttico que permite que los spines nucleares distintos de cero, absorban energa cuando se irradian con una fuete de energa de radiofrecuencia

    Se utiliza para realizar anlisis cualitativos y cuantitativos, (molculas orgnicas e inorgnicas), la principal limitacin de esta tcnica es su escasa sensibilidad. Se utiliza para caracterizar materiales (Listerud; Sinton, and Drobny,1989.147)

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    Nanotecnologa 52

    Fuente: Rodas Morn, A.E.. Compilacin Monogrfica de Informacin para un Proyecto de Desarrollo de la Nanotecnologa en Guatemala.

    Otras tcnicas de caracterizacin utilizadas son:

    Resonancia Magntica Nuclear La resonancia magntica nuclear (RMN) utiliza una combinacin de imanes grandes, radiofrecuencias y una computadora para producir imgenes detalladas de los rganos y las estructuras de la muestra. El campo magntico, junto con una radiofrecuencia, altera el alineamiento natural de los tomos de hidrgeno en la muestra y posteriormente se usan computadoras para formar imgenes bidimensionales de la estructura de la misma basndose en la actividad de los tomos de hidrgeno. Para detectar ms detalles, se pueden obtener vistas transversales. La RMN no utiliza radiacin.

    ELIPSOMETRIA

    Es una tcnica de anlisis ptica que se basa en el cambio del estado de polarizacin de la luz que se incide sobre un material. Dicho anlisis es no destructivo y es til para la determinacin de espesores de pelculas delgadas, y constantes pticas de materiales (ndices de refraccin). Existen diferentes formas de polarizacin, las que tpicamente se estudian en esta tcnica son la polarizacin lineal y la polarizacin elptica. La primera de ellas ocurre cuando las componentes Ez y Ey del vector elctrico se mantiene constantes a travs del tiempo y la segunda cuando existe una variacin de ambos componentes que den como vector resultante aquel que traza una elipse. La interaccin luz-slido se relaciona con el hecho de que parte de la luz es reflejada por el solido por medio de las leyes de transmisin y reflexin de ondas planas, los coeficientes de Fresnel y la ley de Snell.

    ESPECTROSCOPIAS PTICAS

    Llamada tambin espectroscopia de campo o espectroscopia de emisin, la espectroscopia ptica para el estudio de plasmas es una tcnica de caracterizacin que permite conocer las propiedades de un plasma. Suele utilizarse como una herramienta auxiliar en sistemas de crecimiento de lminas delgadas tales como ablacin lser y sputtering. En este tipo de procesos se generan plasmas dentro de cmaras de alto vaco. Es deseable estudiar la composicin qumica y dems caractersticas de dichos plasmas para conocer la fisicoqumica, es decir, las reacciones que se llevan a cabo al crear estos nuevos materiales. De manera similar

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    Nanotecnologa 53

    se utiliza la espectroscopia de emisin para el estudio de plasmas astrofsicos al ser montado el equipo en el sistema de un telescopio.

    TERMOGRAVIMETRIA CON ANALISIS TERMICO DIFERENCIAL (TG-ATD)

    Las termobalanzas estn equipadas con sistemas de balanzas digitales, construidas en vertical con una disposicin de carga de muestras por la parte superior y medicin directa de la temperatura en la muestra. Casi todos los modelos trabajan al vaco. Junto con el registro exacto de los cambios de masa en funcin de la temperatura y la atmsfera, puede calcularse opcionalmente informacin sobre los procesos endotrmicos y exotrmicos.

    TCNICAS DE ADSORCIN FISICA - POROSIDAD

    La adsorcin fsica (o fisisorcin) de gases y vapores (adsorbatos) en slidos (adsorbentes) es una de las tcnicas ms usadas para el estudio de la textura porosa de slidos de todo tipo, aunque no es la nica. Existen otras tcnicas como la porosimetra de mercurio, tcnicas calorimtricas, difraccin de rayos-X, microscopa electrnica, aunque estas ltimas permiten el estudio de la porosidad en un intervalo algo ms restringido. En la caracterizacin de la textura porosa de un slido los parmetros a determinar son el rea superficial (o superficie especfica) y el volumen y la distribucin de tamao de poros. Para la determinacin de estos parmetros se puede recurrir, entre otros, a la adsorcin de un gas (N2, CO2, hidrocarburos) a temperatura constante (para N2 77K, para CO2 273K, etc...), obtenindose as la isoterma de adsorcin.

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