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Hay futuro para lo pequeño.
          Aportaciones de la Química a la
                   Nanociencia
              I Curso de divulgación
    Los avances de la Química y su impacto en la
                     sociedad




          Nazario Martín
Departamento de Química Orgánica. Facultad de
               Química, UCM
   IMDEA-Nanociencia, Cantoblanco, Madrid




         Aportaciones de la Química a la Nanociencia
         Contenido:

        • Introducción a la Nanociencia
        • Medidas de propiedades sobre moléculas individuales
        • Manipulando y ordenando moléculas sobre superficies sólidas
        • ¿Aplicaciones fotovoltaicas?
Long Waves of Innovation
           Major conceptual advances that spur new industries occur about twice a century
           and lead to massive wealth creation


                                                1853          1913              1969          2025          2081


                   Rapid
                   adoption
                                  Textile          Railway        Auto          Computer Nanotecnology

                           1800             1853          1913              1969           2025

                    1771           1825            1886              1939           1997


                        Industrial revolution                               Information evolution



                       Introduction of technology

                                                       Today we are at the intersection of three major innovation advances:
                                                       One nearing its end, one that will continue another 10-20 years, and
                                                       one that is just starting. These innovation waves spur enormous
                                                       investments and radically alter the economics of affected industries.
                                                       As with the computer wave, the current one, “distributed intelligence”
                                                       is affecting virtually all industries.




                                              La nanociencia está unida desde la década de los 80 con Drexler y sus aportaciones
                                              a la"nanotecnología molecular", esto es, la construcción de nanomáquinas hechas
                                              de átomos y capaces de construir ellas mismas otros componentes moleculares.




               K. Eric Drexler, PhD

Is a researcher, author, and policy advocate focused on emerging
technologies and their consequences for the future. He peioneered
studies of productive nanosystems and their products
(nanotechnology). He has authored numerous technical
publications on this topic as well as books including “Engines of
creation: the coming era of nanotechnology” which firts introduced
the basic concepts to a general audience, and “Nanosystems:
molecular machinery, manufacturing and computation”
an applied-physics analysis of advanced productive nanosystems.
He was Chief Technical Advisor of Nanorex, a company
developing software for the design and simulation of molecular
machine systems. He is presently the president of the Foresight
Institute.                                                                    Engines of Creation: The Coming Era of
In 1991 he received a doctoral degree in the field of molecular                          Nanotechnology
nanotechnology from MIT, the first degree of this kind.                          Anchor Books, New York, 1986
CRONOLOGÍA DE LA NANOCIENCIA

Acontecimiento
                         Von Neuman estudia la posibilidad de crear sistemas que se auto-reproducen
Los años 40                  como una forma de reducir costes.
                         Richard Feynmann habla por primera vez en una conferencia sobre el futuro de
                             la investigación científica: "A mi modo de ver, los principios de la Física no
1959                         se pronuncian en contra de la posibilidad de maniobrar las cosas átomo a
                             átomo".
                         Se realiza la película "Viaje alucinante" que cuenta la travesía de unos científicos
                             a través del cuerpo humano. Los científicos reducen su tamaño al de una
                             partícula y se introducen en el interior del cuerpo de un investigador para
1966                         destrozar el tumor que le está matando. Por primera ve en la historia, se
                             considera esto como una verdadera posibilidad científica. La película es un
                             gran éxito.
1985                     Se descubren los buckminsterfullerenos
                         Se realiza la película "Cariño he encogido a los niños", una película que cuenta
1989                         la historia de un científico que inventa una máquina que puede reducir el
                             tamaño de las cosas utilizando láser.
                         Sir Harry Kroto, R. Kurl y R. Smalley ganan el Premio Nobel de Química por el
1996                          descubrimiento de los fullerenos
                         Se fabrica la guitarra más pequeña el mundo. Tiene el tamaño de un glóbulo
1997                         rojo.
                         Se logra convertir un nanotubo de carbono en un nanolapiz que se puede utilizar
1998                          para escribir.
                         James Gimzewski entra en el libro de récords Guinness por haber inventado la
2001                        calculadora más pequeña del mundo.




         Acontecimientos relevantes en el desarrollo de la Nanotecnología
       Año                                              Acontecimiento
    1905       Albert Einstein publica un artículo en el que calcula el diámetro de una molécula de azúcar en
               aproximadamente un nanómetro.
    1959       Richard Feynman da su famosa conferencia sobre miniaturización: "There is plenty of room at the
               bottom"
    1968       Alfred Y. Cho y John Arthur de los Laboratorios Bell y sus colegas inventan la epitaxia molecular
               (molecular-beam epitaxy), una técnica que posibilita depositar un solo nivel atómico (atomic layers)
               en una superficie.
    1974       Norio Taniguchi concibe la palabra "nanotecnología" refiriéndose al trabajo con materiales de
               menos de un micrón.
    1981       El verdadero nacimiento de la Nanociencia y la Nanotecnología se produce con la invención del
               microscopio de efecto túnel por Binnig y Rohrer.
    1985       Robert F. Curl Jr., Harold W. Kroto y Richard E. Smalley descubren la "buckminsterfullerenos",
               también conocidos como "buckyballs" de alrededor de un nanómetro de diámetro.
    1991       Sumio Iijima de NEC en Tsukuba, Japón, descubre los nanotubos de carbono.

    1998       El grupo de trabajo de Cees Dekker de la Universidad Delft de Tecnología en los Países Bajos crea
               un transistor a partir de un nanotubo de carbono.
    1999       James M. Tour, ahora de la Universidad Rice, y Mark A. Reed de la Universidad de Yale
               demostraron que las moléculas individuales pueden actuar como interruptores moleculares
               (molecular switches).
    2000       La administración de Clinton anuncia la Iniciativa Nacional en Nanotecnología, la cual, además de
               financiar ese campo de la investigación en EUA, también da un gran impulso a las expectativas que
               ésta genera. Los laboratorios Luncent y Bell, en alianza con la Universidad de Oxford, crean el
               primer nanomotor de ADN.
    2002       IBM logra desarrollar un dispositivo de almacenamiento de información con capacidad de 1 billón
               de bits por pulgada cuadrada o lo que sería un disco duro de unos 100 gigas. Para agosto, esa
               misma multinacional informa que desarrolló un microscopio electrónico con capacidad para
               observar el radio de un solo átomo de hidrógeno.
Efectos de tamaño cuántico y su importancia para la
           reactividad y estabilidad de nanoestructuras

   En la base misma de la nanociencia está el concepto de que la materia muestra
   nuevas propiedades si reducimos su tamaño, por debajo de una cierta longitud
   crítica. Detrás de este concepto esta el hecho de que el confinamiento
   electrónico produce la aparición de un conjunto nuevo de estados cuánticos
   discretos, llamados Estados de Pozo Cuántico, cuya ocupación secuencial por
   los electrones resulta en que muchas propiedades físicas oscilen con el tamaño
   del objeto. Esto es lo que se conoce como Efectos de Tamaño Cuántico: Aquí se
   describen efectos de este tipo en lo que refiere a la reactividad química y a la
   estabilidad de nanoestructuras.




   Nos interesa, más que su concepto, lo que representa potencialmente dentro del conjunto
   de investigaciones y aplicaciones actuales cuyo propósito es crear nuevas estructuras y
   productos que tendrían un gran impacto en la industria, la medicina, etc..




   Tamaño del Universo
       Galaxias
                 Sistema Solar
                                        Tierra
                                                    Humanos
                                                                Célula
                                                                    Átomo de C
                                                                        Partículas



1024     1018       1012 106      100    10-6                    10-12      10-18
                    Tamaño de las cosas (m)
                                                        nanómetro
HERRAMIENTAS DE LA
          NANOTECNOLOGIA

                                    Metodo de abajo hacia
                                   Metodo de abajo hacia
 Método de arriba hacia
Método de arriba hacia              arriba (bottom-up)
                                   arriba (bottom-up)
 abajo (top-down)
abajo (top-down)                    -Manipulación de átomos y
                                   -Manipulación de átomos y
 crear nanoobjetos a partir de
crear nanoobjetos a partir de       moléculas (microscopio de
                                   moléculas (microscopio de
 macroobjetos
macroobjetos                        efecto túnel)
                                   efecto túnel)
 (Fotolitografía,nanolitografia,
(Fotolitografía,nanolitografia,
 …)                                --Autoensamblado químico
                                     Autoensamblado químico
…)                                  de átomos y moléculas
                                   de átomos y moléculas
Método de arriba hacia abajo (top-down)




                            Ciudad de Petra, 312 aC
                            Capital de los Nabateos




Metodo de abajo hacia arriba (bottom-up)
Método de abajo hacia arriba (bottom-up)



                      Ingredientes elementales de un cuerpo humano



                       -una bombona de oxígeno, otra de
                       hidrógeno y otra de nitrógeno

                       -unos kilos de carbono y calcio

                       -unos gramos de azufre, fósforo,
                       hierro y magnesio

                       - pequeñas pizcas de otros 20
                       elementos químicos




                       Método de arriba hacia abajo (top-down)




Miniaturización de objetos
El toro micrométrico de Kawata,
del tamaño de los glóbulos rojos,
ha sido obtenido mediante
fotopolimerización de una resina
(Nature 2001).




   Fotolitografía
NANOTECNOLOGIA




                   Construyendo el mundo
                 átomo a átomo, molécula a
                          molécula



                     La copa de Licurgo




IV century BC,
British Museum                                                   Au and Ag nanoparticles,
                                                                    60-70 nm in diameter



 Color cambiante de la Copa de Licurgo (verde con luz reflejada y rojo con luz transmitida) y
 una de las nanopartículas de Au que contiene el vidrio del que está hecha
Rosetón de la Iglesia de San Felipe (Brihuega, s.XIII)




Propiedades que dependen del tamaño y estados de pozo cuántico

En los últimos años la nanociencia y nanotecnología se ha convertido en una de
las más importantes y excitantes fronteras científicas, donde confluyen la Física,
la Química, la Biología y la Ingeniería. Mientras que la palabra nanotecnología es
relativamente nueva, la existencia de dispositivos funcionales y estructuras de
dimensiones nanométricas, no lo es. De hecho, estructuras de este tipo han
existido en la Tierra desde que existe la vida.
La concha del molusco avalón, muy común en el Caribe, que presenta una
dureza excepcional, está compuesta por bloques nanoestructurados de carbonato
cálcico "pegados" por una mezcla de carbohidratos y proteínas y es una
demostración viva de que los materiales nanoestructurados son mecánicamente
más resistentes. Los humanos hemos aprovechado los materiales nano-
estructurados desde hace mucho tiempo.
PREMIO NOBEL DE QUÍMICA 2007
Los procesos catalíticos vistos con detalle atómico. Las investigaciones básicas de
Gerhard Ertl sobre procesos en superficies sólidas tienen múltiples aplicaciones directas




Gerhard Ertl paseó por el jardín del Instituto Fritz-Haber de Berlín
tras ser galardonado con el Nobel de Química 2007.
                                                                       Nazario Martín León y Enrique García Michel.
                                                                       EL PAÍS, FUTURO
                                                                       miercoles 17 de octubre de 2007




                         PREMIO NOBEL DE QUÍMICA 2007
Se considera con razón a Gerhard Ertl uno de los creadores de una nueva disciplina, la
fisicoquímica de superficies sólidas, que involucra por igual a físicos y químicos.




 La investigación básica y la aplicada configuran las dos caras de una misma
 moneda y, por tanto, son indisociables.
GERHARD ERTL             Premio Nobel en Quimica 2007




          Nanopartículas de Au (3-5 nm) son
          reactivas para oxidar CO a 200 K




Masatake Haruta, Osaka
Au nanoparticles are active for CO oxidation at 200 K




                Au/TiO2
Masatake Haruta, Osaka




                 Semiconductor nanocrystals
                 as fluorescent biological labels




       In As       InP        CdSe               Mouse 3T3 fibroblasts
       6.0-2.8 nm 4.6-3.0 nm 4.6-2.1 nm
       6.0-       4.6-       4.6-


P. Alivisatos et al, Science, 281, 2013 (1998)
Gerd Binnig




   Demócrito     Heinrich Rohrer



Nobel prize in Physics in 1986
“for their design of the
Scanning Tunneling Microscope”




         ULTRA HIGH VACUUM CHAMBER




       SCANNING TUNNELING
           MICROSCOPE
Método de abajo hacia arriba (bottom-up)

Manipulación de átomos: Ver y mover átomos
Manipulación de átomos: Ver y mover átomos




                                  MICROSCOPIOS
                                  DE EFECTO TUNEL




Scanning Tunneling Microscope (STM)



                             0.1 mm




                          324 m
Método de abajo hacia arriba (bottom-up)

                     Escribir con átomos (IBM 1989)
                     Escribir con átomos (IBM 1989)




             Átomos de xenón sobre una superficie de níquel (-270 ºC)
                   Se podían construir cosas a nanoescala !!!
                                                     IBM, San José (California)




         Manipulando átomos y moléculas
                  en superficies




Átomos de Fe en Cu(111)                                                 Moléculas de
                                                                        CO en Pt(111)
NANOMAGNETISM
    Self-organized growth of magnetic nanodots




                                         Toshiba, 2004— 4 Gb Drive.


                     ADVANCED MAGNETIC STORAGE
                     ORDERED CATALYTIC REACTORS
     Tumor
                Magnetic nanoparticles

                       HYPERTHERMAL CANCER TREATMENT
                       ADVANCED CONTRAST AGENTS




Tratamiento de tumores mediante hipertermia




        Tumor




             Nanopartículas magnéticas
Magnetic nanoparticles
HYPERTHERMAL CANCER TREATMENT
  ADVANCED CONTRAST AGENTS




                                               Tumor




                     NANOPARTÍCULAS MAGNÉTICAS PARA
                     NANOPARTÍ             MAGNÉ
                     APLICACIONES BIOMÉDICAS
                                       BIOMÉ
   Línea celular HeLa (células tumorales epiteliales humanas)
martes, abril 17, 2007


Peligros de las nanopartículas
Científicos de la Universidad de California, en San Diego, y del
Veterans Affairs Medical Healthcare System, en La Jolla, ha
concluido recientemente que las nanopartículas magnéticas
pueden ser perjudiciales para la salud.

Una serie de experimentos han revelado que las partículas de
óxido de hierro de menos de 10 nanómetros de diámetro
atrofian el crecimiento de las células nerviosas. Otros
experimentos independientes, realizados in vitro en el National
Institute of Standards and Technology (NIST), han concluido
también que los nanotubos de menos de 200 nanómetros de
largo interfieren en las células pulmonares humanas.

Ambos grupos han hecho un llamamiento para realizar pruebas
con animales que cuantifiquen los efectos tóxicos de los
nanomateriales en los organismos vivos y caractericen los tipos
más tóxicos de nanomateriales. Actualmente, la National
Science Foundation (NSF) invierte casi 10 veces más en el
desarrollo de nanomateriales que en investigación para evitar
sus efectos tóxicos.




  viernes, marzo 09, 2007


  Nanopartículas de platino para
  tratar diabetes
  Un biosensor hecho con nanopartículas de platino podría
  permitir a los médicos combatir la diabetes con mayor
  eficacia que antes.

  El sensor, que es capaz de detectar la glucosa con mucha
  más eficacia que la tecnología existente, ha sido desarrollado
  por un equipo de investigadores de la Universidad de
  Arkansas (UA), quienes descubrieron que los nanotubos
  recubiertos con nanopartículas de platino son mucho más
  sensibles que los nanotubos estándar.

  El equipo de la UA descubrió que por cada centímetro
  cuadrado examinado, el sensor recubierto de platino tenía una
  sensibilidad de alrededor de 50 microamperios por milimol,
  una de las más altas registradas hasta ahora.

  Se cree que el uso del platino mejora la detección de la
  glucosa originando un área electroactiva mayor para los
  nanotubos de carbono, lo que facilita la oxidación de la
  glucosa y ayuda a inmovilizar los óxidos de glucosa lo que
  significa que éstos pueden ser detectados de forma más
  eficaz.
Nanomedicina
                   Nanotecnología aplicada a la medicina
Nanomedicina: Una de las vertientes más prometedoras dentro de los potenciales
nuevos avances tecnologicos en la medicina. Podríamos aventurar una definición
situándola como la rama de la nanotecnología que permitiría la posibilidad de curar
enfermedades desde dentro del cuerpo y al nivel celular o molecular.

                                                           Se considera que determinados campos
                                                           pueden ser objeto de una autentica
                                                           revolución, especialmente: monitorización
                                                           (imágenes), reparación de tejidos, control de
                                                           la evolución de las enfermedades, defensa y
                                                           mejora de los sistema biológicos humanos;
                                                           diagnóstico, tratamiento y prevención, alivio
                                                           del dolor, prevención de la salud,
                                                           administración de medicamentos a las
                                                           células, etc. etc. Todos ellos constituirían
                                                           nuevos avances tecnológicos en la medicina
                                                           que la posicionarían en una nueva era
                                                           científica y asistencial.




                              Nanomedicina
                   Nanotecnología aplicada a la medicina
 La descripción de algunos últimos avances científicos lleva a lo que hace poco sería considerado
 ciencia ficción dentro de la Medicina. Biosensores, nuevas formas de administrar medicamentos más
 directas y eficaces y el desarrollo de nuevos materiales para injertos, entre otras, son algunos de los
 avances en lo que se trabaja en la actualidad en multitud de laboratorios de los centros de
 nanotecnología en todo el mundo.




                                                           El siguiente párrafo recoge de forma clara
                                                           algunas de sus aplicaciones:

                                                           La posibilidad de diseñar sensores que se
                                                           activan cuando determinadas constantes
                                                           biológicas cambian. Por ejemplo, los
                                                           pacientes diabéticos podrían verse
                                                           favorecidos al recibir insulina encapsulada
                                                           en células artificiales, que la dejen salir
                                                           cuando aumente la glucosa en la sangre.
Nanotecnología
       y
Ciencia-ficción

   Nano-robot
El Viaje de los Nano-Cirujanos
  Científicos financiados por la NASA desarrollan naves microscópicas, capaces de
         internarse en el cuerpo humano y reparar problemas – célula a célula



                                                                     Aunque las aplicaciones espaciales
                                                                     serán el principal objetivo de los
                                                                     investigadores, las nanopartículas tienen
                                                                     también un gran potencial para muchos
                                                                     campos de la medicina, especialmente
                                                                     para el tratamiento del cáncer. La
                                                                     seductora promesa de entregar venenos
                                                                     capaces de matar tumores, directamente
                                                                     a las células cancerosas, evitando así los
                                                                     devastadores efectos secundarios de la
                                                                     quimioterapia, ha generado un gran
                                                                     interés en la comunidad médica por las
                                                                     nanopartículas.



Minúsculas cápsulas, mucho más pequeñas que estas células de
sangre, podrían ser un día inyectadas en la corriente sanguínea de
las personas, para tratar enfermedades que van desde el cáncer a
daños por radiación
Efectos de la radiación cósmica

                                                                                Este proyecto se orienta hacia un
                                                                                problema relacionado con el cáncer --
                                                                                las    altas     dosis     de   radiación
                                                                                (radioactividad) que experimentan los
                                                                                astronautas        en      el     espacio,
                                                                                especialmente en los viajes a la Luna o
                                                                                a Marte, que exigen abandonar el
                                                                                paraguas protector del gigantesco
                                                                                campo magnético que rodea a la Tierra.
                                                                                Ni siquiera los materiales más
                                                                                avanzados, utilizados para protegerse
                                                                                de la radiación en las naves espaciales,
                                                                                son capaces de aislar completamente a
                                                                                los astronautas de la radiación de alta
                                                                                energía del espacio. Estos fotones y
                                                                                partículas atraviesan sus cuerpos como
                                                                                balas     infinitesimales,    destruyendo
                                                                                moléculas a su paso. Cuando el ADN
                                                                                sufre daños por esta radiación, las
                                                                                células se comportan erráticamente,
                                                                                ocasionalmente generando cánceres.

       La radiación cósmica de alta energía puede producir daños en el ADN y
       hacer que las células se comporten erráticamente. Imagen cortesía de
       NASA/OBPR




                            Efectos de la radiación cósmica


   •    Cuando las células son dañadas por la
        radiación, producen marcadores de una
        clase particular de proteínas llamadas
        "CD-95" y los colocan en su superficie
        exterior.
   •    Implantando moléculas en la superficie
        exterior de las nanopartículas que se
        adhieren e los marcadores CD-95, los
        científicos pueden "programar" las
        nanopartículas para que busquen las
        células dañadas por la radiación.




Una membrana de dos capas separa el interior de la célula, abajo a la derecha de esta imagen, del ambiente que la rodea. Las
moléculas complejas en esta membrana exterior controlan la forma como el interior de la célula interactúa con su ambiente
Towards the future electronics…




     The aim is the incorporation of molecular
        properties into electronic circuits
Molecular junction (incorporates one or more molecules in electrical contact with
two (usually) conductors,such that electrons are transmitted through
the molecule(s)




                             3.7 nm




It can be figured out as …
A more classical viewpoint …




Conductancia a través de moléculas




  X=
a)    Síntesis de los cables moleculares derivados de 1,4-bis-(4´-amino-
      feniletinil)benceno (4) y 1,4-bis-(4´-ditiocarbamoilfeniletinil)benceno (5):


                                                                                                 H
                                                                     TMS
                        I
                            Pd(PPh3)2 Cl2                             K 2CO3
                                                                                               89%
                            CuI/ PPh3                                THF/ MeOH
          I                 Piper./ TMS acetyl                                             3
                   1                                     2                         H
                                          TMS          66%
                                                                                                NH2


                                                 HS    S                               I

                                                      NH
                                                                                               NH 2
                                                             CS2
                                                             NEt 3




                               5
                                                                               4
          HN                   24%
                                                           H 2N                79%
     SH        S




                       Conductancia de la diamina:




     X=
                                                 G0: cuanto fundamental de conductancia; G0 = 2e2 / h
                                                 β: factor de atenuación, representación de la fuerza
                                                    del acoplamiento electrónico a lo largo del camino
                                                   de los electrones.
Conductancia a través de moléculas




                        Chem. Commun., 2007




       Break Junction
Conductancia del cable de TTF:




      Conductancia máxima de 10-2 G0 (para la diamina se estima en 5.10-4 G0), superior a la de los
   sistemas estudiados hasta ahora.
      Medidas muy reproducibles en los dos cables.
      Debido a que el TTF presenta tres estados de oxidación estables, puede presentar una
   conductancia modulable, pudiéndose comportar como un interruptor molecular.




        It is possible to order donor and acceptor materials
                        at a nanometer scale?
• Some specific systems exhibits a strong selectivity in the adsorption site of the adsorbate and,
  therefore, it determines the final morphology.
• Au (111) shows a preferential nucleation at the elbow of the “herringbone” reconstruction

                  [112]
               [110] 63 Ǻ




 We have studied the crossover of the site-selectivity in the adsorption and self-assembly of
 PCBM on the Au (111) surface as a function of the coverage.




                                                          Angew. Chem. Int. Ed., 2007, 46, 7874
From Selective Nucleation to Ordered Nanonetworks
STM images (taken at 170 K) in UHV




                                                       Preferential nucleation at the elbow
                                                       of the “herringbone” reconstruction


                                     • The fragments do not run parallel to the fcc lines
                                     • Molecules separated 10 Å
                                     • Further deposition forms molecular chains hundred
                                       of nm long, till they cover the fcc areas of the surface



                                     • Then, the growth proceeds along the lines joining
                                      the elbows of the reconstruction forming organized
                                      2D network (spiderweb)


                                            Angew. Chem. Int. Ed., 2007, 46, 7874




From Selective Nucleation to Ordered Nanonetworks
STM images (taken at 170 K) in UHV




                                                       Preferential nucleation at the elbow
                                                       of the “herringbone” reconstruction



                                     This supramolecular ordering is the result of two
                                     combined effects:
                                     1) The interaction of the molecular tail with the surface
                                     2) The π,π-interactions among the C60 cages




                                            Angew. Chem. Int. Ed., 2007, 46, 7874
Ordered Nanonetworks of PCBM on Au(111) Surface




          O                                  O                                    O

      O                                  O                                    O




          < 0.1 ML                               > 0.5 ML                             > 0.7 ML

When the deposited molecules exceeds that of the fcc areas (0.7 ML < coverage < 1
ML) the interactions between the organic addends remove the site-selectivity
forcing the molecules to reorganise into a compact arrangement of double-row
chains equally spaced disregarding the surface reconstruction




      Ordered Nanonetworks of PCBM on Au(111) Surface



                                                                                       Energy gain:
                                                                                       2.19 Kcal/mol




                                                                                       Distances c-c:
                                                                                       Calc.: 23.7 Å
                                                                                       Exp.: ~21 Å




     • H-bonds can be only form when the PCBM tails face each other in the right geometry. Therefore,
       the tails are not in contact with the surface any more.
     • The adsorption goes from site-sensitive to site-insensitive.
     • Further deposition destroys the molecular order and produces almost amorphous material

                                                     Angew. Chem. Int. Ed., 2007, 46, 7874
Nanoscience: A New Avenue for TTFs and Fullerenes
                                        exTTF stripes (1D arrays of molecular rows)

   exTTF on a Au(111) surface

   S    S

                                            -2 e-

                                            + 2 e-


   S    S




                                         Lateral periodicity of the elbows is severely distorted

             Clean Au(111) patches

                                                              Nano Lett., 2007, 7, 2602




            STM imaging of Organic Adsorbates (exTTF) with
                      Intramolecular Resolution




                               50
                                    Å




                1 ML of exTTF on Au(111)
500 Å
                                                                Nano Lett., 2007, 7, 2602
Photoemission spectra of Ex-TTF molecules deposited on a clean Au (111) surface
                                 for different coverages

                  ExTTF/Au(111)
                                                  PES
                                                  S 2p
                                                hν=220 eV


                                                   4 ML




                                                   2 ML




                                                   1 ML




                                                  0.5 ML


                                                                      This is in good agreement with theoretical calculation on
             47     48    49      50      51      52       53
                                                                      the Ex-TTF molecule arrangement on a Au (111) surface, in
                          Kinetic Energy (eV)                         which two of the four S atoms of the molecule are in direct
                                                                      contact with the Au (111) surface whereas the other two S
        S 2p photoemission spectra of the ex-                         atoms remain upwards
        TTF molecules deposited on Au (111)
        as a function of the coverage



The spectra for low coverages (0.5, 1 and 2 ML) clearly show that each main peak of the 2p doublet in the S 2p
spectra is formed by two peaks, thus indicating that two different S atomic positions are observed in the
spectra.




                          Mixing PCBM and exTTF on Au (111)




                                                                                    PC
                                                                ex                     BM
                                                                     TT
                                                                        F




                                                                118 nm x 115 nm                                P: 5 x 10-10 Torr
                                                                                                               T: 300 K
                                                                                                               V≈1V
                                                                                                               I ≈ 50 pA




                                                                                                Nano Lett. 2007, 7, 2602
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                                                                       CO2M




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                                        J.M. Tour et al. Nano Lett. 2005, 5, 2330
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        Luces y sombras de la nanociencia en España



Luces

• Aumento del conocimiento
• Desarrollo del bienestar social
• Avance en la curación de enfermedades
• Buena posición de España en el concierto internacional
• Creación de nuevos institutos y centros de investigación
• Apoyo de las instituciones públicas y privadas

Sombras

• Escaso conocimiento del uso de la nanotecnología
• Posibles efectos nocivos en la salud?
• España lidera escasos proyectos de carácter internacional
• Pocas aplicaciones prácticas reales.
• Escasa transferencia de conocimientos del sector científico al tejido industrial
• Elevadas inversiones
Provisional location of IMDEA-Nano
Facultad de Ciencias UAM C-IX 3ª Planta




                      Building of IMDEA-
  Labs, Offices and Nano Infrastructures
                    Common                                    7000 m2



Singular Facilities: Nanofabrication Centre
                       Ultra-High Resolution Electron Microscopy and
                                              Scanning Probe Microscopies
“Graphene loves you”
                                              Electron pockets on rippled graphene


“Molecular smile”
10 CO molecules on Cu(111)


                                     Contact
        Phone. 34 91 497 6849, Fax: 34 91 497 6855, contact@imdea.org
                      Facultad de Ciencias, C-IX, 3rd floor
               Campus de Cantoblanco, Madrid 28760 Madrid. Spain

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APORTACIONES DE LA QUIMICA A LA NANOCIENCIA

  • 1. Hay futuro para lo pequeño. Aportaciones de la Química a la Nanociencia I Curso de divulgación Los avances de la Química y su impacto en la sociedad Nazario Martín Departamento de Química Orgánica. Facultad de Química, UCM IMDEA-Nanociencia, Cantoblanco, Madrid Aportaciones de la Química a la Nanociencia Contenido: • Introducción a la Nanociencia • Medidas de propiedades sobre moléculas individuales • Manipulando y ordenando moléculas sobre superficies sólidas • ¿Aplicaciones fotovoltaicas?
  • 2. Long Waves of Innovation Major conceptual advances that spur new industries occur about twice a century and lead to massive wealth creation 1853 1913 1969 2025 2081 Rapid adoption Textile Railway Auto Computer Nanotecnology 1800 1853 1913 1969 2025 1771 1825 1886 1939 1997 Industrial revolution Information evolution Introduction of technology Today we are at the intersection of three major innovation advances: One nearing its end, one that will continue another 10-20 years, and one that is just starting. These innovation waves spur enormous investments and radically alter the economics of affected industries. As with the computer wave, the current one, “distributed intelligence” is affecting virtually all industries. La nanociencia está unida desde la década de los 80 con Drexler y sus aportaciones a la"nanotecnología molecular", esto es, la construcción de nanomáquinas hechas de átomos y capaces de construir ellas mismas otros componentes moleculares. K. Eric Drexler, PhD Is a researcher, author, and policy advocate focused on emerging technologies and their consequences for the future. He peioneered studies of productive nanosystems and their products (nanotechnology). He has authored numerous technical publications on this topic as well as books including “Engines of creation: the coming era of nanotechnology” which firts introduced the basic concepts to a general audience, and “Nanosystems: molecular machinery, manufacturing and computation” an applied-physics analysis of advanced productive nanosystems. He was Chief Technical Advisor of Nanorex, a company developing software for the design and simulation of molecular machine systems. He is presently the president of the Foresight Institute. Engines of Creation: The Coming Era of In 1991 he received a doctoral degree in the field of molecular Nanotechnology nanotechnology from MIT, the first degree of this kind. Anchor Books, New York, 1986
  • 3. CRONOLOGÍA DE LA NANOCIENCIA Acontecimiento Von Neuman estudia la posibilidad de crear sistemas que se auto-reproducen Los años 40 como una forma de reducir costes. Richard Feynmann habla por primera vez en una conferencia sobre el futuro de la investigación científica: "A mi modo de ver, los principios de la Física no 1959 se pronuncian en contra de la posibilidad de maniobrar las cosas átomo a átomo". Se realiza la película "Viaje alucinante" que cuenta la travesía de unos científicos a través del cuerpo humano. Los científicos reducen su tamaño al de una partícula y se introducen en el interior del cuerpo de un investigador para 1966 destrozar el tumor que le está matando. Por primera ve en la historia, se considera esto como una verdadera posibilidad científica. La película es un gran éxito. 1985 Se descubren los buckminsterfullerenos Se realiza la película "Cariño he encogido a los niños", una película que cuenta 1989 la historia de un científico que inventa una máquina que puede reducir el tamaño de las cosas utilizando láser. Sir Harry Kroto, R. Kurl y R. Smalley ganan el Premio Nobel de Química por el 1996 descubrimiento de los fullerenos Se fabrica la guitarra más pequeña el mundo. Tiene el tamaño de un glóbulo 1997 rojo. Se logra convertir un nanotubo de carbono en un nanolapiz que se puede utilizar 1998 para escribir. James Gimzewski entra en el libro de récords Guinness por haber inventado la 2001 calculadora más pequeña del mundo. Acontecimientos relevantes en el desarrollo de la Nanotecnología Año Acontecimiento 1905 Albert Einstein publica un artículo en el que calcula el diámetro de una molécula de azúcar en aproximadamente un nanómetro. 1959 Richard Feynman da su famosa conferencia sobre miniaturización: "There is plenty of room at the bottom" 1968 Alfred Y. Cho y John Arthur de los Laboratorios Bell y sus colegas inventan la epitaxia molecular (molecular-beam epitaxy), una técnica que posibilita depositar un solo nivel atómico (atomic layers) en una superficie. 1974 Norio Taniguchi concibe la palabra "nanotecnología" refiriéndose al trabajo con materiales de menos de un micrón. 1981 El verdadero nacimiento de la Nanociencia y la Nanotecnología se produce con la invención del microscopio de efecto túnel por Binnig y Rohrer. 1985 Robert F. Curl Jr., Harold W. Kroto y Richard E. Smalley descubren la "buckminsterfullerenos", también conocidos como "buckyballs" de alrededor de un nanómetro de diámetro. 1991 Sumio Iijima de NEC en Tsukuba, Japón, descubre los nanotubos de carbono. 1998 El grupo de trabajo de Cees Dekker de la Universidad Delft de Tecnología en los Países Bajos crea un transistor a partir de un nanotubo de carbono. 1999 James M. Tour, ahora de la Universidad Rice, y Mark A. Reed de la Universidad de Yale demostraron que las moléculas individuales pueden actuar como interruptores moleculares (molecular switches). 2000 La administración de Clinton anuncia la Iniciativa Nacional en Nanotecnología, la cual, además de financiar ese campo de la investigación en EUA, también da un gran impulso a las expectativas que ésta genera. Los laboratorios Luncent y Bell, en alianza con la Universidad de Oxford, crean el primer nanomotor de ADN. 2002 IBM logra desarrollar un dispositivo de almacenamiento de información con capacidad de 1 billón de bits por pulgada cuadrada o lo que sería un disco duro de unos 100 gigas. Para agosto, esa misma multinacional informa que desarrolló un microscopio electrónico con capacidad para observar el radio de un solo átomo de hidrógeno.
  • 4. Efectos de tamaño cuántico y su importancia para la reactividad y estabilidad de nanoestructuras En la base misma de la nanociencia está el concepto de que la materia muestra nuevas propiedades si reducimos su tamaño, por debajo de una cierta longitud crítica. Detrás de este concepto esta el hecho de que el confinamiento electrónico produce la aparición de un conjunto nuevo de estados cuánticos discretos, llamados Estados de Pozo Cuántico, cuya ocupación secuencial por los electrones resulta en que muchas propiedades físicas oscilen con el tamaño del objeto. Esto es lo que se conoce como Efectos de Tamaño Cuántico: Aquí se describen efectos de este tipo en lo que refiere a la reactividad química y a la estabilidad de nanoestructuras. Nos interesa, más que su concepto, lo que representa potencialmente dentro del conjunto de investigaciones y aplicaciones actuales cuyo propósito es crear nuevas estructuras y productos que tendrían un gran impacto en la industria, la medicina, etc.. Tamaño del Universo Galaxias Sistema Solar Tierra Humanos Célula Átomo de C Partículas 1024 1018 1012 106 100 10-6 10-12 10-18 Tamaño de las cosas (m) nanómetro
  • 5. HERRAMIENTAS DE LA NANOTECNOLOGIA Metodo de abajo hacia Metodo de abajo hacia Método de arriba hacia Método de arriba hacia arriba (bottom-up) arriba (bottom-up) abajo (top-down) abajo (top-down) -Manipulación de átomos y -Manipulación de átomos y crear nanoobjetos a partir de crear nanoobjetos a partir de moléculas (microscopio de moléculas (microscopio de macroobjetos macroobjetos efecto túnel) efecto túnel) (Fotolitografía,nanolitografia, (Fotolitografía,nanolitografia, …) --Autoensamblado químico Autoensamblado químico …) de átomos y moléculas de átomos y moléculas
  • 6. Método de arriba hacia abajo (top-down) Ciudad de Petra, 312 aC Capital de los Nabateos Metodo de abajo hacia arriba (bottom-up)
  • 7. Método de abajo hacia arriba (bottom-up) Ingredientes elementales de un cuerpo humano -una bombona de oxígeno, otra de hidrógeno y otra de nitrógeno -unos kilos de carbono y calcio -unos gramos de azufre, fósforo, hierro y magnesio - pequeñas pizcas de otros 20 elementos químicos Método de arriba hacia abajo (top-down) Miniaturización de objetos El toro micrométrico de Kawata, del tamaño de los glóbulos rojos, ha sido obtenido mediante fotopolimerización de una resina (Nature 2001). Fotolitografía
  • 8. NANOTECNOLOGIA Construyendo el mundo átomo a átomo, molécula a molécula La copa de Licurgo IV century BC, British Museum Au and Ag nanoparticles, 60-70 nm in diameter Color cambiante de la Copa de Licurgo (verde con luz reflejada y rojo con luz transmitida) y una de las nanopartículas de Au que contiene el vidrio del que está hecha
  • 9. Rosetón de la Iglesia de San Felipe (Brihuega, s.XIII) Propiedades que dependen del tamaño y estados de pozo cuántico En los últimos años la nanociencia y nanotecnología se ha convertido en una de las más importantes y excitantes fronteras científicas, donde confluyen la Física, la Química, la Biología y la Ingeniería. Mientras que la palabra nanotecnología es relativamente nueva, la existencia de dispositivos funcionales y estructuras de dimensiones nanométricas, no lo es. De hecho, estructuras de este tipo han existido en la Tierra desde que existe la vida. La concha del molusco avalón, muy común en el Caribe, que presenta una dureza excepcional, está compuesta por bloques nanoestructurados de carbonato cálcico "pegados" por una mezcla de carbohidratos y proteínas y es una demostración viva de que los materiales nanoestructurados son mecánicamente más resistentes. Los humanos hemos aprovechado los materiales nano- estructurados desde hace mucho tiempo.
  • 10. PREMIO NOBEL DE QUÍMICA 2007 Los procesos catalíticos vistos con detalle atómico. Las investigaciones básicas de Gerhard Ertl sobre procesos en superficies sólidas tienen múltiples aplicaciones directas Gerhard Ertl paseó por el jardín del Instituto Fritz-Haber de Berlín tras ser galardonado con el Nobel de Química 2007. Nazario Martín León y Enrique García Michel. EL PAÍS, FUTURO miercoles 17 de octubre de 2007 PREMIO NOBEL DE QUÍMICA 2007 Se considera con razón a Gerhard Ertl uno de los creadores de una nueva disciplina, la fisicoquímica de superficies sólidas, que involucra por igual a físicos y químicos. La investigación básica y la aplicada configuran las dos caras de una misma moneda y, por tanto, son indisociables.
  • 11. GERHARD ERTL Premio Nobel en Quimica 2007 Nanopartículas de Au (3-5 nm) son reactivas para oxidar CO a 200 K Masatake Haruta, Osaka
  • 12. Au nanoparticles are active for CO oxidation at 200 K Au/TiO2 Masatake Haruta, Osaka Semiconductor nanocrystals as fluorescent biological labels In As InP CdSe Mouse 3T3 fibroblasts 6.0-2.8 nm 4.6-3.0 nm 4.6-2.1 nm 6.0- 4.6- 4.6- P. Alivisatos et al, Science, 281, 2013 (1998)
  • 13. Gerd Binnig Demócrito Heinrich Rohrer Nobel prize in Physics in 1986 “for their design of the Scanning Tunneling Microscope” ULTRA HIGH VACUUM CHAMBER SCANNING TUNNELING MICROSCOPE
  • 14. Método de abajo hacia arriba (bottom-up) Manipulación de átomos: Ver y mover átomos Manipulación de átomos: Ver y mover átomos MICROSCOPIOS DE EFECTO TUNEL Scanning Tunneling Microscope (STM) 0.1 mm 324 m
  • 15. Método de abajo hacia arriba (bottom-up) Escribir con átomos (IBM 1989) Escribir con átomos (IBM 1989) Átomos de xenón sobre una superficie de níquel (-270 ºC) Se podían construir cosas a nanoescala !!! IBM, San José (California) Manipulando átomos y moléculas en superficies Átomos de Fe en Cu(111) Moléculas de CO en Pt(111)
  • 16. NANOMAGNETISM Self-organized growth of magnetic nanodots Toshiba, 2004— 4 Gb Drive. ADVANCED MAGNETIC STORAGE ORDERED CATALYTIC REACTORS Tumor Magnetic nanoparticles HYPERTHERMAL CANCER TREATMENT ADVANCED CONTRAST AGENTS Tratamiento de tumores mediante hipertermia Tumor Nanopartículas magnéticas
  • 17. Magnetic nanoparticles HYPERTHERMAL CANCER TREATMENT ADVANCED CONTRAST AGENTS Tumor NANOPARTÍCULAS MAGNÉTICAS PARA NANOPARTÍ MAGNÉ APLICACIONES BIOMÉDICAS BIOMÉ Línea celular HeLa (células tumorales epiteliales humanas)
  • 18. martes, abril 17, 2007 Peligros de las nanopartículas Científicos de la Universidad de California, en San Diego, y del Veterans Affairs Medical Healthcare System, en La Jolla, ha concluido recientemente que las nanopartículas magnéticas pueden ser perjudiciales para la salud. Una serie de experimentos han revelado que las partículas de óxido de hierro de menos de 10 nanómetros de diámetro atrofian el crecimiento de las células nerviosas. Otros experimentos independientes, realizados in vitro en el National Institute of Standards and Technology (NIST), han concluido también que los nanotubos de menos de 200 nanómetros de largo interfieren en las células pulmonares humanas. Ambos grupos han hecho un llamamiento para realizar pruebas con animales que cuantifiquen los efectos tóxicos de los nanomateriales en los organismos vivos y caractericen los tipos más tóxicos de nanomateriales. Actualmente, la National Science Foundation (NSF) invierte casi 10 veces más en el desarrollo de nanomateriales que en investigación para evitar sus efectos tóxicos. viernes, marzo 09, 2007 Nanopartículas de platino para tratar diabetes Un biosensor hecho con nanopartículas de platino podría permitir a los médicos combatir la diabetes con mayor eficacia que antes. El sensor, que es capaz de detectar la glucosa con mucha más eficacia que la tecnología existente, ha sido desarrollado por un equipo de investigadores de la Universidad de Arkansas (UA), quienes descubrieron que los nanotubos recubiertos con nanopartículas de platino son mucho más sensibles que los nanotubos estándar. El equipo de la UA descubrió que por cada centímetro cuadrado examinado, el sensor recubierto de platino tenía una sensibilidad de alrededor de 50 microamperios por milimol, una de las más altas registradas hasta ahora. Se cree que el uso del platino mejora la detección de la glucosa originando un área electroactiva mayor para los nanotubos de carbono, lo que facilita la oxidación de la glucosa y ayuda a inmovilizar los óxidos de glucosa lo que significa que éstos pueden ser detectados de forma más eficaz.
  • 19. Nanomedicina Nanotecnología aplicada a la medicina Nanomedicina: Una de las vertientes más prometedoras dentro de los potenciales nuevos avances tecnologicos en la medicina. Podríamos aventurar una definición situándola como la rama de la nanotecnología que permitiría la posibilidad de curar enfermedades desde dentro del cuerpo y al nivel celular o molecular. Se considera que determinados campos pueden ser objeto de una autentica revolución, especialmente: monitorización (imágenes), reparación de tejidos, control de la evolución de las enfermedades, defensa y mejora de los sistema biológicos humanos; diagnóstico, tratamiento y prevención, alivio del dolor, prevención de la salud, administración de medicamentos a las células, etc. etc. Todos ellos constituirían nuevos avances tecnológicos en la medicina que la posicionarían en una nueva era científica y asistencial. Nanomedicina Nanotecnología aplicada a la medicina La descripción de algunos últimos avances científicos lleva a lo que hace poco sería considerado ciencia ficción dentro de la Medicina. Biosensores, nuevas formas de administrar medicamentos más directas y eficaces y el desarrollo de nuevos materiales para injertos, entre otras, son algunos de los avances en lo que se trabaja en la actualidad en multitud de laboratorios de los centros de nanotecnología en todo el mundo. El siguiente párrafo recoge de forma clara algunas de sus aplicaciones: La posibilidad de diseñar sensores que se activan cuando determinadas constantes biológicas cambian. Por ejemplo, los pacientes diabéticos podrían verse favorecidos al recibir insulina encapsulada en células artificiales, que la dejen salir cuando aumente la glucosa en la sangre.
  • 20. Nanotecnología y Ciencia-ficción Nano-robot
  • 21. El Viaje de los Nano-Cirujanos Científicos financiados por la NASA desarrollan naves microscópicas, capaces de internarse en el cuerpo humano y reparar problemas – célula a célula Aunque las aplicaciones espaciales serán el principal objetivo de los investigadores, las nanopartículas tienen también un gran potencial para muchos campos de la medicina, especialmente para el tratamiento del cáncer. La seductora promesa de entregar venenos capaces de matar tumores, directamente a las células cancerosas, evitando así los devastadores efectos secundarios de la quimioterapia, ha generado un gran interés en la comunidad médica por las nanopartículas. Minúsculas cápsulas, mucho más pequeñas que estas células de sangre, podrían ser un día inyectadas en la corriente sanguínea de las personas, para tratar enfermedades que van desde el cáncer a daños por radiación
  • 22. Efectos de la radiación cósmica Este proyecto se orienta hacia un problema relacionado con el cáncer -- las altas dosis de radiación (radioactividad) que experimentan los astronautas en el espacio, especialmente en los viajes a la Luna o a Marte, que exigen abandonar el paraguas protector del gigantesco campo magnético que rodea a la Tierra. Ni siquiera los materiales más avanzados, utilizados para protegerse de la radiación en las naves espaciales, son capaces de aislar completamente a los astronautas de la radiación de alta energía del espacio. Estos fotones y partículas atraviesan sus cuerpos como balas infinitesimales, destruyendo moléculas a su paso. Cuando el ADN sufre daños por esta radiación, las células se comportan erráticamente, ocasionalmente generando cánceres. La radiación cósmica de alta energía puede producir daños en el ADN y hacer que las células se comporten erráticamente. Imagen cortesía de NASA/OBPR Efectos de la radiación cósmica • Cuando las células son dañadas por la radiación, producen marcadores de una clase particular de proteínas llamadas "CD-95" y los colocan en su superficie exterior. • Implantando moléculas en la superficie exterior de las nanopartículas que se adhieren e los marcadores CD-95, los científicos pueden "programar" las nanopartículas para que busquen las células dañadas por la radiación. Una membrana de dos capas separa el interior de la célula, abajo a la derecha de esta imagen, del ambiente que la rodea. Las moléculas complejas en esta membrana exterior controlan la forma como el interior de la célula interactúa con su ambiente
  • 23. Towards the future electronics… The aim is the incorporation of molecular properties into electronic circuits
  • 24. Molecular junction (incorporates one or more molecules in electrical contact with two (usually) conductors,such that electrons are transmitted through the molecule(s) 3.7 nm It can be figured out as …
  • 25. A more classical viewpoint … Conductancia a través de moléculas X=
  • 26. a) Síntesis de los cables moleculares derivados de 1,4-bis-(4´-amino- feniletinil)benceno (4) y 1,4-bis-(4´-ditiocarbamoilfeniletinil)benceno (5): H TMS I Pd(PPh3)2 Cl2 K 2CO3 89% CuI/ PPh3 THF/ MeOH I Piper./ TMS acetyl 3 1 2 H TMS 66% NH2 HS S I NH NH 2 CS2 NEt 3 5 4 HN 24% H 2N 79% SH S Conductancia de la diamina: X= G0: cuanto fundamental de conductancia; G0 = 2e2 / h β: factor de atenuación, representación de la fuerza del acoplamiento electrónico a lo largo del camino de los electrones.
  • 27. Conductancia a través de moléculas Chem. Commun., 2007 Break Junction
  • 28. Conductancia del cable de TTF: Conductancia máxima de 10-2 G0 (para la diamina se estima en 5.10-4 G0), superior a la de los sistemas estudiados hasta ahora. Medidas muy reproducibles en los dos cables. Debido a que el TTF presenta tres estados de oxidación estables, puede presentar una conductancia modulable, pudiéndose comportar como un interruptor molecular. It is possible to order donor and acceptor materials at a nanometer scale? • Some specific systems exhibits a strong selectivity in the adsorption site of the adsorbate and, therefore, it determines the final morphology. • Au (111) shows a preferential nucleation at the elbow of the “herringbone” reconstruction [112] [110] 63 Ǻ We have studied the crossover of the site-selectivity in the adsorption and self-assembly of PCBM on the Au (111) surface as a function of the coverage. Angew. Chem. Int. Ed., 2007, 46, 7874
  • 29. From Selective Nucleation to Ordered Nanonetworks STM images (taken at 170 K) in UHV Preferential nucleation at the elbow of the “herringbone” reconstruction • The fragments do not run parallel to the fcc lines • Molecules separated 10 Å • Further deposition forms molecular chains hundred of nm long, till they cover the fcc areas of the surface • Then, the growth proceeds along the lines joining the elbows of the reconstruction forming organized 2D network (spiderweb) Angew. Chem. Int. Ed., 2007, 46, 7874 From Selective Nucleation to Ordered Nanonetworks STM images (taken at 170 K) in UHV Preferential nucleation at the elbow of the “herringbone” reconstruction This supramolecular ordering is the result of two combined effects: 1) The interaction of the molecular tail with the surface 2) The π,π-interactions among the C60 cages Angew. Chem. Int. Ed., 2007, 46, 7874
  • 30. Ordered Nanonetworks of PCBM on Au(111) Surface O O O O O O < 0.1 ML > 0.5 ML > 0.7 ML When the deposited molecules exceeds that of the fcc areas (0.7 ML < coverage < 1 ML) the interactions between the organic addends remove the site-selectivity forcing the molecules to reorganise into a compact arrangement of double-row chains equally spaced disregarding the surface reconstruction Ordered Nanonetworks of PCBM on Au(111) Surface Energy gain: 2.19 Kcal/mol Distances c-c: Calc.: 23.7 Å Exp.: ~21 Å • H-bonds can be only form when the PCBM tails face each other in the right geometry. Therefore, the tails are not in contact with the surface any more. • The adsorption goes from site-sensitive to site-insensitive. • Further deposition destroys the molecular order and produces almost amorphous material Angew. Chem. Int. Ed., 2007, 46, 7874
  • 31. Nanoscience: A New Avenue for TTFs and Fullerenes exTTF stripes (1D arrays of molecular rows) exTTF on a Au(111) surface S S -2 e- + 2 e- S S Lateral periodicity of the elbows is severely distorted Clean Au(111) patches Nano Lett., 2007, 7, 2602 STM imaging of Organic Adsorbates (exTTF) with Intramolecular Resolution 50 Å 1 ML of exTTF on Au(111) 500 Å Nano Lett., 2007, 7, 2602
  • 32. Photoemission spectra of Ex-TTF molecules deposited on a clean Au (111) surface for different coverages ExTTF/Au(111) PES S 2p hν=220 eV 4 ML 2 ML 1 ML 0.5 ML This is in good agreement with theoretical calculation on 47 48 49 50 51 52 53 the Ex-TTF molecule arrangement on a Au (111) surface, in Kinetic Energy (eV) which two of the four S atoms of the molecule are in direct contact with the Au (111) surface whereas the other two S S 2p photoemission spectra of the ex- atoms remain upwards TTF molecules deposited on Au (111) as a function of the coverage The spectra for low coverages (0.5, 1 and 2 ML) clearly show that each main peak of the 2p doublet in the S 2p spectra is formed by two peaks, thus indicating that two different S atomic positions are observed in the spectra. Mixing PCBM and exTTF on Au (111) PC ex BM TT F 118 nm x 115 nm P: 5 x 10-10 Torr T: 300 K V≈1V I ≈ 50 pA Nano Lett. 2007, 7, 2602
  • 33. exTTF on 0.5 ML PCBM /Au(111) CO2M A nanostructured mixture of electron donor and acceptor molecules The design of future for optimized PV cells? Nano Lett., 2007, 7, 2602 80 nm En ruta hacia un nanocoche motorizado J.M. Tour et al. Nano Lett. 2005, 5, 2330
  • 34. En ruta hacia un nanocoche motorizado J.M. Tour et al. Nano Lett. 2005, 5, 2330 Luces y sombras de la nanociencia en España Luces • Aumento del conocimiento • Desarrollo del bienestar social • Avance en la curación de enfermedades • Buena posición de España en el concierto internacional • Creación de nuevos institutos y centros de investigación • Apoyo de las instituciones públicas y privadas Sombras • Escaso conocimiento del uso de la nanotecnología • Posibles efectos nocivos en la salud? • España lidera escasos proyectos de carácter internacional • Pocas aplicaciones prácticas reales. • Escasa transferencia de conocimientos del sector científico al tejido industrial • Elevadas inversiones
  • 35. Provisional location of IMDEA-Nano Facultad de Ciencias UAM C-IX 3ª Planta Building of IMDEA- Labs, Offices and Nano Infrastructures Common 7000 m2 Singular Facilities: Nanofabrication Centre Ultra-High Resolution Electron Microscopy and Scanning Probe Microscopies
  • 36. “Graphene loves you” Electron pockets on rippled graphene “Molecular smile” 10 CO molecules on Cu(111) Contact Phone. 34 91 497 6849, Fax: 34 91 497 6855, contact@imdea.org Facultad de Ciencias, C-IX, 3rd floor Campus de Cantoblanco, Madrid 28760 Madrid. Spain