Fabricación y caracterización mecánica de nanomateriales (2018)
Entre los desafíos actuales de la ciencia y la tecnología se encuentra el lograr manipular los materiales desde las escalas atómicas. La manipulación de la materia a estas escalas ha permitido crear dispositivos con arquitecturas y dimensiones de unos pocos nanómetros, lo que ha demostrado ser potencialmente óptimo para múltiples aplicaciones relacionadas, entre otras, con la óptica, super-hidrofobicidad, electrónica y bioquímica. De igual manera se ha logrado adquirir un importante conocimiento relacionado con la respuesta de diferentes materiales a estímulos externos, permitiendo de manera objetiva predecir su respuesta en una aplicación dada. Para continuar satisfaciendo dichos desafíos es necesario continuar investigando y desarrollando nuevos métodos de nanofabricación junto con técnicas experimentales para la medición de propiedades en la nano escala. Este trabajo doctoral se centra tanto en el desarrollo de métodos de fabricación de nanoestructuras metálicas, como en la generación de una herramienta experimental para la extracción de propiedades mecánicas de materiales viscoelásticos utilizando microscopía de fuerza atómica (AFM). Se propone un método de nanofabricación utilizando el confinamiento de una onda de choque generada por un pulso de láser. De esta manera se logra inducir superplasticidad sobre materiales metálicos contra la cavidad de un molde previamente patronado con dimensiones nanométricas. Este método puede ser utilizado a temperatura ambiente, es simple, económico y no requiere cuartos limpios para su funcionamiento. Este método brinda la novedad de utilizar láseres con fuente de CO2, permitiendo que estos sistemas, que de manera habitual son utilizados en la industria para el corte, prototipado rápido o grabado superficial, sean utilizados para fabricar nanoestructuras metálicas sobre grandes áreas. Con este proceso se logró generar nano arquitecturas con 40 nm como dimensión mínima. Las nanoestructuras metálicas fueron soldadas sobre superficies poliméricas que actuaron como sustrato de soporte a la nanoestructura, brindando así una herramienta para la fabricación de dispositivos resistentes que pueden ser utilizados para aplicaciones, por ejemplo en el campo de la óptica. Para estudiar el comportamiento mecánico de materiales viscoelásticos en la nanoescala se desarrollo un método de indentación en el cual se considera la dependencia del tiempo de los materiales mediante el control de las velocidades de indentación (penetración) de puntas comerciales de AFM sobre la superficie del material estudiado. Con base en los resultados experimentales se propuso un modelo en el que el comportamiento mecánico en la nano escala está descrito por una componente elástica, caracterizada por el modelo de contacto Hertziano, y una componente dependiente del tiempo o viscosa caracterizada por un comportamiento de creep de ley de potencia. La técnica experimental propuesta, junto con el modelo, generan una metodología simple y de fácil implementación y ejecución para caracterizar las propiedades mecánicas de materiales en la nano escala, lo cual supone un avance significativo en el conocimiento del efecto de ix características inherentes al procesamiento sobre nano materiales, logrando así estimar el efecto de los procesos de manufactura sobre las propiedades de los nano materiales desarrollados. La siguiente tesis esta dividida en cuatro capítulos: El capítulo 1 presenta un contexto teórico que contiene información actual, concerniente y relevante acerca de tres temáticas, las cuales reúnen los conceptos que se discuten con profundidad a lo largo de este trabajo. En la primera parte de este capítulo se muestra un panorama actualizado de lo que es considerado como Nanotecnología. En la segunda parte, se introduce técnicas de nano litografía que han permitido hasta la fecha la fabricación de materiales y dispositivos en la escala nano. Esta sección es acentuada a técnicas no convencionales, como las denominadas litografías flexibles. En la última parte del capítulo se expone un estado del arte sobre el papel de la microscopía de fuerza atómica (AFM) en la caracterización de propiedades mecánicas en la escala nano. En resto de los capítulos se describen los estudios realizados: En el capítulo 2 se propone un método capaz de fabricar nano estructuras metálicas sobre grandes áreas, mediante una técnica económica y de fácil implementación. Mientras que en el capítulo 3 se brinda una técnica útil para caracterizar la incidencia del tiempo en el comportamiento mecánico de materiales viscoelásticos en la nano escala. Finalmente, en el capitulo 4 se encuentran las conclusiones más relevantes de esta tesis.