La Nanotecnologia, Nanociencia o Nanotech
¿Qué es la Nanotecnología, Nanociencia o Nanotech?
La Nanotecnología,
Nanociencia o Nanotech tiene tres definiciones diferentes que son:
Definición # 1
“Estructuras, dispositivos y sistemas con propiedades y funciones novedosas
debido a la disposición de sus átomos en la escala de 1 a 100 nanómetros.
Muchos campos de trabajo contribuyen a la nanotecnología, incluyendo la física
molecular, la ciencia de los materiales, la química, la biología, la informática,
la ingeniería eléctrica y la ingeniería mecánica”.
Esta definición de The
Foresight Institute añade una mención a los diversos campos de la ciencia que
entran en juego con la nanotecnología.
La Comisión Europea ofrece
esta definición de lo que es la nanotecnología, que repite el
hecho mencionado en la definición anterior de que los materiales a nanoescala tienen
propiedades novedosas y posiciona a la nanotecnología frente a su potencial en
el mercado económico.
Esta definición de la Iniciativa Nacional de Nanotecnología añade
el hecho de que la nanotecnología implica ciertas actividades, como la medición
y manipulación de la materia a nanoescala.
Esta última está tomada de una
definición de nanotecnología de Thomas Theis, director de ciencias físicas del
IBM Watson Research Center. Ofrece una perspectiva más amplia e interesante del
papel y el valor de la nanotecnología en nuestro mundo.
La Nanotecnología Hoy
“Estructuras, dispositivos y sistemas con propiedades y funciones novedosas debido a la disposición de sus átomos en la escala de 1 a 100 nanómetros. Muchos campos de trabajo contribuyen a la nanotecnología, incluyendo la física molecular, la ciencia de los materiales, la química, la biología, la informática, la ingeniería eléctrica y la ingeniería mecánica”.
10
avances de la Nanotecnología que debe conocer (2018)
La nanoelectrónica es
increíblemente relevante hoy en día. Su afiliación con la nanotecnología no se
ve uniformemente en la práctica de las políticas científicas y de
investigación. Los efectos y la influencia de las partículas producidas
artificialmente en el medio ambiente son poco claras e inexploradas en muchas
áreas.
Una dirección de desarrollo de la
nanotecnología puede verse como una continuación y expansión de la microtecnología(enfoque
de arriba hacia abajo), pero una reducción adicional de las estructuras
micrométricas suele requerir enfoques nuevos completamente no convencionales.
La química a menudo sigue el
enfoque opuesto en nanotecnología: de abajo hacia arriba. Los químicos,
empleados generalmente a nivel molecular, las dimensiones de los nanómetros se
realizan a partir de un gran número de moléculas a nanoescala.
Un ejemplo son los dendrímeros.
Una pequeña rama de la
nanotecnología se ocupa de nanomáquinas o
nanobots.
Con la Nanotecnología se podría
ser capaz de crear nuevos materiales y dispositivos que pueden ser empleados de
muchas maneras, en medicina, dando pie a la nanomedicina, o a la electrónica ,
convirtiéndola en nanoelectrónica.
Gracias a esta ciencia, desastres
ambientales , enfermedades terminales y muchos otros problemas que enfrenta el
planeta se podrán solventar a escala microscópica, es aquí cuando la ciencia
ficción deja de serlo y la Nanociencia se convierte en la verdadera solución a
todos los problemas de la humanidad.
Ya sabemos que es la
Nanotecnolgia, pero y los nanomateriales?
Nanomateriales
Es todo material con componentes
estructurados , osea que no son aleatorios , los cuales tienen al menos una
dimensión inferior a los 10 nm. ¿Pero que es una dimensión? Todos
conocemos , el largo, ancho y alto de los objetos, pues si un material tiene
una de estas dimensiones menor a los 100 nm , entonces se considera como
un nanomaterial.
Dimensionalidad en nanomateriales
Los nanomateriales se pueden
clasificar en nanomateriales 0D, 1D, 2D y 3D. La dimensionalidad desempeña un
papel importante en la determinación de las características de los
nanomateriales, incluidas las características físicas, químicas y biológicas.
Con la disminución de la dimensionalidad, se observa un aumento en la relación
superficie-volumen. Esto indica que los nanomateriales dimensionales más
pequeños tienen una mayor superficie en comparación con los nanomateriales 3D.
Recientemente, los nanomateriales bidimensionales (2D) han sido ampliamente investigados
para aplicaciones electrónicas, biomédicas, de administración de fármacos y
biosensores. Lee la entrada principal : Los nanomateriales
Enfoques
Principales – Formas de construcción de los nanomateriales
Dos enfoques principales se
utilizan en la nanotecnología: una es un enfoque “de abajo hacia arriba” donde
los materiales y dispositivos se construyen átomo por átomo, y el otro enfoque
es de “arriba hacia abajo” donde los materiales son sintetizados o construidos
mediante la eliminación del material existente de los componentes más grandes.
Orígenes e Historia de la nanotecnología
¿Como
empezó todo?
Las ideas y conceptos detrás de
la nanociencia y la nanotecnología comenzaron con una charla titulada “There’s
Plenty of Room at the Bottom” (Hay mucho espacio en el fondo) por el
físico Richard Feynman en una reunión de la Sociedad
Americana de Física en el Instituto Tecnológico de California (CalTech) el 29
de diciembre de 1959, mucho antes de que se utilizara el término
nanotecnología.
En su charla, Feynman describió
un proceso en el que los científicos podrían manipular y controlar átomos y
moléculas individuales. Más de una década después, en sus exploraciones de
mecanizado de ultraprecisión, el profesor Norio
Taniguchi acuñó el término nanotecnología. No fue hasta 1981,
con el desarrollo del microscopio de barrido de túneles que podía “ver” átomos
individuales, que comenzó la nanotecnología moderna.
Richard
Feynman: El Precursor
Richard
Feynman es considerado como el padre de la nanotecnología ,
debido a su conferencia de 1959 titulada “Hay mucho espacio en la parte
inferior” (There’s Plenty of Room at
the Bottom) donde se explica la probabilidad de que los
átomos puedan ser manipulados directamente. Feynman evoca un posible campo de
investigación que entonces era inexplorado: lo extremadamente pequeño, el mundo
de la nanoescala.
Basándose en el pequeño tamaño de
los átomos, Feynman considera que es posible escribir grandes cantidades de
información en superficies muy pequeñas: “Grandes volúmenes de información,
bibliotecas enteras, en superficies tan pequeñas como la punta de una aguja”,
mencionaba Freynman. Una afirmación que no fue específicamente señalada, y que
ahora se cita amplia-mente (de hecho, lo que en ese momento era inviable, ahora
parece perfectamente factible, gracias a los avances en las microtecnologías).
Feynman quería ir más allá de las máquinas macroscópicas con las que vivimos:
imagina un mundo donde los átomos serían manipulados uno a uno y dispuestos en
estructuras coherentes de muy pequeño tamaño.
En si, el concepto de
“nanotecnología” fue primeramente usado por el profesor Norio
Taniguchi del la Universidad de Ciencia de Tokyo en el año
1974.
Así que, usando los estudios
realizados por el premio nobel de Fisica en 1965, Richard Feyman, la
nanotecnología se define como el cambio de materiales, ya sea átomo por átomo o
molécula por molécula. Esto implica que las propiedades críticas de materiales
o dispositivos pueden estar en el rango de nanómetros, y que estos materiales y
dispositivos están construidos a partir de átomos o moléculas individuales. Hoy
en día, sin embargo, la nanotecnología se utiliza rara vez en este sentido
estricto. Como se ha mencionado anteriormente, la producción de nanomateriales
está químicamente integrado en este concepto.
Las maquinas
que permiten interactuar a nivel sub atómico : Los Microscopios
El desarrollo de nanociencias y
nanotecnologías se basa en la invención de los instrumentos que permiten
observar e interactuar con la materia en una escala atómica o sub-atómica. El
primero de estos aparatos es el microscopio de túnel que fue inventado en 1981
por dos investigadores de IBM (Gerd Binnig y Heinrich Rohrer), y que permite
recorrer superficies conductoras o semiconductoras utilizando un fenómeno
cuántico denominado “el efecto túnel” , para determinar la morfología y
densidad de estados electrónicos de las superficies que este explora. El segundo es el microscopio de fuerza
atómica, que es un derivado del microscopio de túnel, y que mide las fuerzas de
interacción entre la punta del microscopio y la superficie explorada. A
diferencia del microscopio de túnel, esta herramienta permite visualizar
materiales no conductores. Estos instrumentos combinados con la
fotolitografía permiten observar, manipular y crear nanoestructuras.
Fullerènes y nanotubos
En 1985, tres
investigadores, Richard Smalley, Robert F. Curl (en la Universidad Rice
en Houston) y Harold W. Kroto (Universidad de Sussex) descubrieron una nueva
forma alotrópica del carbono, la molécula C60 que consta de 60 átomos de
carbono dividida sobre los vértices de un poliedro regular formado de facetas
hexagonales y pentagonales. Cada átomo de carbono tiene un enlace con otros
tres. Esta forma es conocida como la Buckminsterfullereno o buckyball y lleva el nombre
del arquitecto e inventor estadounidense Richard Buckminster Fuller quien creó
varias cúpulas geodésicas cuya forma es similar a la C6014.
Más generalmente, los fullerenos
de los cuales el C60 es solo una parte, son una nueva familia de compuestos del
carbón. Estos no son equiláteros, su superficie consiste en una combinación de
hexágonos y pentágonos como las facetas de un balón de fútbol. Esta disposición
les da estructuras que están siempre cerradas en forma de jaula de carbono. Sin
embargo, hubo que esperar hasta 1990 para que Huffman y Kramer, de la Universidad de Heidelberg, desarrollaran un proceso
de síntesis para la obtención de estas moléculas en cantidades macroscópicas.
Los nanotubos fueron identificados seis años después en un subproducto de la
síntesis de fullereno.
La Vision de
Drexler
Sin embargo fue Eric
Drexler que en 1986 , hizo que el término “nanotecnología”
fuera amplia mente conocido. Con su libro “Motores de la Creación“,
inspiró a muchos médicos y científicos algunos muy conocidos, incluyendo
Richard E. Smalley , para empezar a estudiar las diversas aplicaciones de esta
nueva ciencia. La definición de Drexler es más estricta que la Taniguchis: esta
se limita a la construcción de máquinas y materiales complejos a partir de
átomos individuales.
Drexler, en 1986 , co-fundo El Instituto de Estudios
Prospectivos, para promover el estudio y aplicación de
la Nanotecnologia. Drexler
ya no tiene relación con este instituto al día de hoy. Fue Drexler el que
pavimento el camino para la popularización de la nanociencia que atrajeron
mucha atención, especialmente de grandes empresas.
Drexler escribe que si el
desarrollo de las nanotecnologías, aparentemente
inevitable en el proceso evolutivo, nos llevara enormemente a grandes áreas,
también es muy probable que estas tecnologías se vuelvan destructivas si no las
dominamos completamente.
En este sentido, una de las
preguntas que se pueden plantear es la fuerte capacidad de penetración de
las nanopartículasen los tejidos celulares. De hecho,
debido a su tamaño más pequeño que las células, ya que estas últimas están en
el estado de partículas, pueden anular ciertas barreras naturales. Esta
propiedad ya está explotada en la industria cosmética.
Así las leyes físicas que parecen
insuperables hoy en día podrían ser anticuadas en un futuro cercano, los
productos creados podrían ser menos costosos, más sólidos, más eficientes
gracias a la manipulación molecular. Pero Drexler también previó lo que podría
llamarse el otro lado de la moneda, ya que esas tecnologías capaces de reproducirse
o al menos replicarse a sí mismas podrían ser simplemente cataclísmicas o
apocalipticas ya que, por ejemplo, las bacterias creadas con algún interés
oscuro podrían replicarse al infinito y causar estragos en la flora, pero
también en la fauna e incluso en la humanidad.
La nanotecnología en si de hoy
por hoy no cae en lo que Drexler considera lo que es la nanotecnología . A lo
largo de los años noventa, Drexler repensó su concepto de esta ciencia como una
de-limitación de la nanotecnología molecular (MNT), ya que el término se ha
utilizado con frecuencia para describir todo el trabajo que se ocupa de
las nanoestructuras, a pesar de que incluso se pueden usar
la química ordinaria, métodos farmacéuticos o métodos físicos.
La
otra versión de la Nanotecnología | Nanotech
De hecho, muchos científicos se
oponen actualmente a la visión de Drexler de la nanotecnología. A pesar de que
según los defensores de la MNT (nanotecnología molecular), los oponentes de la
MNT no han logrado producir argumentos científicos convincentes contra la
viabilidad de la MNT, muchos consideran que su viabilidad es poco probable;
aunque Drexler y Nanosystems publicaron un libro de texto sobre MNT en 1991,
que, sobre la base de su tesis doctoral en el Massachusetts Institute of
Technology (MIT), describe en términos científicos los pasos necesarios para su
llevada a cabo.
A lo largo de los años, los
supuestos de Drexler han sido confirmados experimentalmente, pero hay muchas
reservas que se interponen en la forma de realización: incluso si fuera posible
producir un nanomotor de metal, por ejemplo, no sería de larga duración sobre
la superficie metálica , esta paralizaría el motor. Los metales tales como
hierro, acero o aluminio forman una fina película de óxido en el aire que no
interfiere con las piezas de trabajo ordinarias. Sin embargo, la oxidación de
nanometales conduce usualmente a la conversión completa en óxido.
Un nanomotor de metal sería
quemado completamente por el oxígeno en el aire. Por lo tanto, sólo se podría
construir un motor que consista en una sustancia que no se oxide por el agua.
Si las macromoléculas se movieran en el vacío o en el aire a una distancia de
menos de unos pocos diámetros atómicos, se pegarían juntas por las fuerzas
de Van-der-Waals.
Sin embargo, si las macromoléculas están incrustadas en agua u otro líquido
adecuado, el líquido asume las fuerzas de Van-der-Waals y las
macromoléculas se pueden mover entre sí con poca fricción. De esta manera, las
células vivas funcionan, y el flagelo de la bacteria alcanza 50 revoluciones
por segundo.
También es difícil mantener o
liberar los átomos o moléculas individuales mecánicamente por las fuerzas
de Van-der-Waals, que se denominan como el “Problema del
dedo pegajoso” (“Sticky Finger Problem”). Este problema, así como la producción
puramente mecánica de enlaces covalentes, fue superado por la aplicación de una
tensión eléctrica.
Física
de la nanociencia
En el nivel de la nanoescala,
el material tiene propiedades particulares que pueden justificar un enfoque
específico. Por supuesto, hablamos de las propiedades cuánticas, pero también
los efectos de la superficie, el volumen o los efectos del borde. Por lo tanto,
de acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica, una partícula puede adoptar
un comportamiento ondulatorio en la nanoescala a
expensas del comportamiento normal que conocemos de las partículas a nivel
macroscópico. Esta dualidad onda-partícula es particularmente evidente en el
experimento de las ranuras de Young. Un haz de partículas (luz, electrones,
etc.) interfiere con una serie de ranuras estrechamente espaciadas y crea un
patrón de interferencia, característico de un fenómeno ondulatorio. Esta
particularidad doble onda-partícula de la materia, sigue siendo hasta el día de
hoy una de las grandes cuestiones de la física que causará diversos fenómenos a
nivel nanométrico, por ejemplo:
Cuantificación de la
electricidad: en nanocables (o nanoalambre) se observó que la corriente
eléctrica ya no está constituido por un flujo continuo de electrones pero es
cuantificada, es decir que los electrones circulan por “paquetes” en el
circuito;
Cuantificación del calor: similar
mente en un circuito de tamaño nanométrico, se ha observado que el calor se
propaga de una manera cuantificada.
Estos fenómenos fueron observados
por primera vez en el año 2001, con la “cadena conductora eléctricamente” por
su inventor, el termodinámico Hubert Juillet, que permitió confirmar las
teorías de la mecánica cuántica en este campo. Este comportamiento cuántico nos
obliga a revisar nuestro pensamiento: cuando queremos describir una partícula,
ya no hablamos en términos de posición en un momento dado, sino más bien en
términos de probabilidad de que se detecte la partícula en un solo lugar en vez
de a otro.
El principal desafío de las
nanociencias es, por tanto, comprender estos fenómenos, pero también y sobre
todo beneficiarse de ellos al diseñar un sistema a nanoescala.
Muchos laboratorios alrededor del mundo están trabajando en este tema.
El
surgimiento de las nanotecnologías
Se han realizado varios estudios
para comprender la evolución de las nanotecnologías y las nanociencias. Por lo
tanto, considerando que las definiciones no se estabilizan, el componente común
de los diversos métodos utilizados es medir la actividad de la nanotecnología
desde tres ángulos distintos: publicaciones científicas (más bien para
conocimiento básico), patentes (más bien para aspectos tecnológicos) , y
posiblemente las instituciones y empresas afectadas o el capital invertido
(para medir la actividad económica e industrial real). Ya sea para patentes o
publicaciones científicas, los valores presentados en las siguientes tablas
fueron insignificantes antes de los años noventa.
El cambio
tecnológico de 1995 a 2003 en el mundo
Según el artículo publicado en la
revista Nature Nanotechnology en
2006, se observa la siguiente evolución de las patentes presentadas ante la
Oficina Europea de Patentes (EPO):
|
Año
|
1995
|
2000
|
2003
|
|
Número de patentes del año
|
950
|
1600
|
2600
|
Si bien estas cifras representan
un cambio importante, también hay una estabilidad relativa para estos dos
períodos. Sin embargo, esta evolución no tiene en cuenta el crecimiento más
rápido (1997-1999) y las disminuciones (2000-2001).
En 2005, muchos centros de
investigación comenzaron a estudiar los nanocables para tratar de producir los
para las industrias, usando diversos procesos, principalmente mediante un
proceso llamado “crecimiento”, un nanocablesuficientemente
largo y sólido tendría, como peculiaridad, los mismos efectos cuánticos que la
cadena conductora de la electricidad.
Evolución
del conocimiento fundamental entre 1989 y 2000 en el mundo
|
Periodos
|
1989-1990
|
1991-1992
|
1993-1994
|
1995-1996
|
1997-1998
|
1999-2000
|
|
Publicaciones acumuladas
|
1000
|
10000
|
20000
|
35000
|
55000
|
80000
|
|
Nuevas publicaciones
|
1000
|
9000
|
10000
|
15000
|
20000
|
25000
|
Para caracterizar la evolución de
las publicaciones científicas, se utilizó un artículo que utilizó una
metodología más completa que la utilizada en Nature Nanotechnology y que caracterizó la
evolución de las publicaciones de nanotecnología:
Períodos de
creaciones de las empresas afectadas por las NST
|
Periodos de Creación
|
Antes de 1900
|
1900-1950
|
1951-1980
|
1981-1990
|
1991-2000
|
|
Número de empresas involucradas
|
20
|
60
|
45
|
75
|
230
|
Siguiendo un informe emitido por
la Comisión Europea con respecto a la estimación del desarrollo económico de
las NST, podemos mirar las fechas de creación de empresas afectadas por esta
actividad.
Estas cifras se basan en un
directorio particular de empresas que parece subestimar la fuerza de trabajo
real. Ellos muestran una aceleración clara de las empresas de nanotecnología
desde la década de 1990, pero otras fuentes, más completas las estima muy por
encima de estas cifras. El sitio NanoVIP estimó que en el 2005 más de 1.400 empresas
fueron identificadas como afectadas por las nanotecnologías. Más recientemente,
se reporta más de 6.000 empresas para el 2006. Esta investigación se basa en un
método de combinación de fuentes de información mediante la adición de varios
marcadores de actividad del uso de la nanotecnología, como las patentes . En
2006, el 48% de las empresas que invierten en nanotecnologías están en Estados
Unidos, mientras que en Europa (con 27 países asociados a la UE) representa el
30% y Asia el 20%.
Disciplinas
fundamentales : ¿Que estudia la Nanotecnología?
El desarrollo actual de las
nanociencias y las nanotecnologías moviliza y abarca un amplio espectro de
dominios y disciplinas científicas.
Principales
campos científicos
Desde el punto de vista del
conocimiento científico , varias subdisciplinas son particularmente útiles para
el desarrollo de los conocimientos básicos de la Nanotecnología. De hecho, un
analisis detallado sobre la manera en que los artículos científicos sobre
nanotecnologías y nanociencias se publican muestran la aparición de tres
subcampos específicos:
·
– biociencias y farmacología: alrededor de la
biología, laboratorios farmacéuticos y biotecnologías. Este campo puede
calificarse como el de nanobiología;
·
– nanomateriales y síntesis
química: alrededor de la química y los nanomateriales. Este campo
puede calificarse como el de los nanomateriales;
·
– superconductividad y computación cuántica: esencialmente derivada de la
microelectrónica, este campo puede calificarse como el de la nanoelectrónica.
Estos tres campos se articulan
entre sí con más o menos intensidad . Tienen un gran impacto en la organización
de la actividad industrial en la que se mueven. De hecho, la nanobiología se
estructura esencialmente en torno a numerosas pequeñas empresas y grandes
grupos farmacéuticos, mientras que las actividades industriales relacionadas
con la nanoelectrónica se organizan principalmente en
torno a grupos muy grandes y algunas pequeñas empresas .
Ingeniería Molecular
Engranaje
molecular de una simulación de la NASA
La ingeniería molecular, posibilitada por la invención de un instrumento
como el microscopio de tunelización, consiste en construir y desarrollar
moléculas “personalizadas”.
Industria
Médica | Nanotecnología en la Medicina
Las comunidades biológicas y
médicas explotan las propiedades de los nanomateriales para una variedad de
aplicaciones (agentes de contraste para imágenes de células, terapias para el
control del cáncer, etc).
Las aplicaciones en este campo se
agrupan bajo el término de nanobiología y nanomedicina. En Francia, Patrick
Couvreur es el representante más antiguo de los investigadores de este tipo de
Nanotecnología actual.
Las funciones que se le pueden
dar a los nanomateriales interconectándolos con estructuras o moléculas biológicas
son amplias. Por lo tanto, los nanomateriales son útiles para la investigación
y aplicaciones en seres vivos e incluso in vitro. Esta integración permite la
aparición de herramientas para el diagnóstico o la administración de fármacos.
Industria Energética
·
Podemos ver avances en almacenamiento,
producción de energía y ahorro de energía.
Las estructuras semiconductoras apiladas permiten obtener rendimientos mucho mejores para las células fotovoltaicas.
Las estructuras semiconductoras apiladas permiten obtener rendimientos mucho mejores para las células fotovoltaicas.
·
Las reducciones en el consumo de energía son posibles
gracias a los sistemas de aislamiento térmico, una mejora de los
materiales conductores. En el campo de la producción de luz, el
uso de materiales derivados de nanotecnologías como los LEDs permite obtener un
rendimiento muy interesante.
·
El uso de materiales nanoporosos para el
almacenamiento de hidrógeno podría finalmente democratizar su uso, actualmente
bloqueado por la pequeña cantidad de hidrógeno almacenada en depósitos
convencionales que de otro modo están llenos de defectos (fugas, rendimientos
pobres, pesado, caro, etc.)
Este hidrógeno podría utilizarse
entonces en motores de combustión o pilas de combustible.
·
El uso de nanotubos de carbono en el campo del
almacenamiento de electricidad podría conducir a la creación de una batería
llamada supercapacitor, que se recargaría en segundos, siendo más ligero que
una batería química y teniendo una vida util de unos 3.000 años.
Electrónica
Las estructuras de chips
electrónicos o circuitos integrados ya están a escala nanométrica y se utilizan
intensamente las nanotecnologías en su fabricación. El progreso continúa en las
áreas de comunicaciones, almacenamiento de información e informática.
Durante mucho tiempo , la
integración de componentes de dos micras, es decir, 2 * 10-6 m, sería
considerada como el umbral absoluto de miniaturización para dispositivos
semiconductores (el espesor de la línea en los circuitos de los primeros
procesadores de Intel era del orden de 10 micrones. En ese momento se pensó que
sería muy difícil superar la barrera de un micrón).
En 2004, las arquitecturas de 90
nanómetros (0,09 micras) son el común de los procesadores que ahora se producen
en masa con una finura de 65 nanómetros desde el primer semestre del 2006. Los
chips grabados en 45 nanómetros se liberaron a mediados del 2007, chips de 32
nanómetros fueron lanzados en el 2009, de 22 nanómetros en 2012 y 14 nanómetros
en el 2013.
Pero hay un límite absoluto, al
menos para una tecnología convencional heredada de la fotolitografía,
incluyendo las evoluciones de las tecnologías actuales, tales como
fotolitografía “UV extrema”, litografía de rayos X, grabado con haz de
electrones, etc. La nanotecnología sugiere un nuevo enfoque más radical cuando
las vías convencionales alcanzan sus límites.
Predominan dos grandes
dificultades en la construcción de circuitos electrónicos basados en la
nanotecnología y, por lo tanto, en la aparición de la nano-computación:
·
A la escala del nanómetro,
cada objeto es sólo un conjunto de los mismos ladrillos elementales: los
átomos. A esta escala de una milionésima de un milímetro, las propiedades
físicas, mecánicas, térmicas, eléctricas, magnéticas y ópticas dependen
directamente del tamaño de las estructuras y pueden diferir fundamentalmente de
las del material a nivel macroscópico que ha sido explotado hasta presente.
Esto se debe a un conjunto de razones que incluyen el comportamiento cuántico,
pero también la creciente importancia de los fenómenos de interfaz.
·
Hasta el día de hoy, es imposible controlar el
montaje coordinado de un número muy grande de estos dispositivos de conmutación
(por ejemplo, el transistor de nanotubos de carbono – CNFET para los circuitos
electrónicos mono-moleculares híbridos “Transistor de efecto de campo de nanotubo de
carbono” etc) en un circuito y aún menos a nivel industrial.
Nanotecnología Actual
La ciencia que estudia la
dispersión ha llevado al desarrollo de diversos materiales con multitud de usos
, por ejemplo las nanobarras , todos los fullerenos como los nanotubos de carbono y las nanopartículas .
El uso común en estos días es
usar los nanomateriales en volumen.
Los nanomateriales tienen hoy por
hoy un importante uso en la nanomedicina.
Los materiales de la nanoescala se
utilizan a veces en las células solares de silicio que reducen el coste de las
mismas.
Las nanoparticulas son usadas en
la nanocomputación, dando pie para el desarrollo de mejores aparatos
electrónicos. Vea nuestro articulo principal sobre la Nanocomputación.
La construcción y elaboracion de
los nanomateriales tiene dos enfoques, de lo mas grande a lo mas pequeño y
viceversa.
De lo mas
pequeño a los mas grande en Ingles Bottom-up
Es un proceso de construcción que
funciona usando las mas pequeñas unidades de un material primero (en este
contexto, los átomos) y los manipula uno a uno para dar vida a un producto
mayor. Su fabricación es mucho mas barata que el método Top-Down
El enfoque “de lo mas pequeño a
lo mas grande” , busca crear nanomateriales átomo por átomo o molécula por
molécula en estructuras mas grandes.
En el estudio y la modificación
del DNA , a partir de ácidos nucleicos se pueden esculpir otras estructuras
buscando que componentes de una sola molécula se unan para formar moléculas mas
grandes.
La nalolitografia se
usa en la fabricación de circuitos integrados.
De lo mas
grande a lo mas pequeño. Top-Down EN Ingles
Es un proceso de construcción en
el que primero trabajamos a gran escala y luego se corta o se esculpe hasta que
se tiene un producto más pequeño.
El proceso de fabricación usa
grandes estructuras iniciales (macroscópicas), que pueden ser controlados
externamente en el procesamiento de nanoestructuras.
Ejemplos típicos es el uso de la
“molienda”
Se comienza con un patrón
generado en una mayor escala, para luego reducirlo a la a nanoescala.
Es un proceso caro y lento, haciendo que no sea conveniente usarlo en producción masiva.
Es un proceso caro y lento, haciendo que no sea conveniente usarlo en producción masiva.
Enfoques
funcionales
Estos enfoques buscan desarrollar
componentes con una funcionalidad deseada sin tener en cuenta cómo se podría
montar.
La electrónica molecular busca desarrollar moléculas
con propiedades electrónicas útiles. Entonces podría ser utilizadas como
componentes de un dispositivo nanoelectrónico de la molécula. Como ejemplo
el rotaxano.
Los métodos químicos sintéticos también se pueden utilizar para crear lo que se denominan motores moleculares sintéticos, como en el llamado nanocar o nanocoche como se le conoce en Español.
Los métodos químicos sintéticos también se pueden utilizar para crear lo que se denominan motores moleculares sintéticos, como en el llamado nanocar o nanocoche como se le conoce en Español.
Biomateriales
La biomineralización (por
ejemplo la petrificación) es bastante común en el mundo biológico y ocurre en
bacterias, organismos unicelulares, plantas (madera petrificada, por ejemplo),
y animales (invertebrados y vertebrados). Los minerales cristalinos formados en
este tipo de ambiente tienen a menudo características mecánicas excepcionales
(e.g. fuerza, dureza, tenacidad) y ellas tienden a formar estructuras jerárquicas
que exhiben un orden microestructural sobre un gama de escalas longitudinales o
espaciales.
Biomineralización
Típicamente los minerales
cristalizan de una atmósfera que está debajo de la saturación con respecto a
ciertos elementos del metal tales como el silicio, calcio y fósforo, y que se
oxidan inmediatamente en una posición al pH neutral y a baja temperatura (0-40
grados C) .
La formación del mineral puede
ocurrir dentro o fuera de la pared celular de un organismo, y hay reacciones
bioquímicas específicas para la deposición mineral que incluyen los lípidos,
las proteínas y los carbohidratos. La importancia de la maquinaria celular no
puede ser sobre enfatizada, y es gracias a los avances en técnicas
experimentales en biología celular y la capacidad de imitar el ambiente
biológico que actualmente están obteniendo avances significativos.
Los ejemplos incluyen silicatos
en algas y diatomeas, carbonatos en invertebrados, y fosfatos de calcio y
carbonatos en vertebrados. Estos minerales a menudo forman características
estructurales como conchas de mar y huesos, mamíferos y aves. Estos organismos
han estado produciendo esqueletos mineralizados hace casi 600 millones años.
Los biominerales más comunes son
las sales de fosfato y carbonato de calcio que se utilizan en conjunción
con polímerosorgánicos como el colágeno y la quitina para
dar fuerza mecánica a los huesos y conchas. Otros ejemplos incluyen yacimientos
de cobre, hierro y oro que involucran bacterias.
Además, la mayoría de los
materiales naturales (o biológicos) son compuestos complejos cuyas propiedades
mecánicas son a menudo excepcionales, teniendo en cuenta los componentes
débiles a partir de los cuales se constituyen. Estas complejas estructuras, que
han surgido de cientos de millones de años de evolución, son materiales que
inspiran a los científicos interesados principalmente en el diseño de nuevos
materiales con propiedades físicas excepcionales para ser duraderos en
condiciones adversas.
Previsión
o especulación
Se pretende anticipar lo que
la National
Nanotechnology Initiative: FY 2008 Budget & Highlights podrían
llegar a producir e incluso trata de proponer una agenda o guía en la cual la investigación
actual se base y avance siguiendo sus pautas. A menudo tienen una visión en
perspectiva de la nanotecnología, con más énfasis en sus implicaciones para la
sociedad que en los detalles de cómo se podrían materializar tales invenciones.
Por ejemplo, la nanotecnología
molecular que consiste en manipular moléculas con precisión. Esto es más
teórico que todo lo anterior y está más allá de las capacidades actuales de
producción.
Nanorobots
actuando en las celulas
La Nanorobotica se centra en
máquinas autosuficientes con alguna funcionalidad operando en la nanoescala.
Hay esperanzas de aplicar nanorobots en medicina, pero puede no ser fácil
hacerlo debido a varias desventajas de estos dispositivos. Sin embargo, el
progreso en materiales y métodos innovadores han demostrado con algunas
patentes concedidas en los nuevos mecanismos de la nanofabricación para las
aplicaciones comerciales futuras, que también contribuyen progresivamente en la
manera hacia el desarrollo de nanorobots con el uso de conceptos nuevos como la
nanobioelectronica.
La materia programable basada en
átomos artificiales busca diseñar materiales cuyas propiedades puedan ser
controladas de forma fácil, reversible y de manera externa.
Nanopartículas, nanomateriales
y aplicaciones comerciales
Aunque ha habido un gran interés
en las posibles aplicaciones de las nanotecnologías, gran parte de las
aplicaciones comerciales se limitan al uso de una “primera generación” de
nanomateriales pasivos. Esto incluye nanopartículas de dióxido
de titanio en protectores solares, cosméticos y algunos
productos alimenticios; nanopartículas de
hierro en envases alimentarios; nanopartículas de
óxido de zinc en protectores solares y cosméticos, en revestimientos
exteriores, pinturas y barnices de decoración; y nanopartículas de
óxido de cerio que actúan como catalizadores para combustibles, etc.
Un proyecto, The Project on Emerging Nanotechnologies, identifica
los diversos productos basados en nanopartículas .
En el 2014, el proyecto identificó más de 500 productos de consumo basados en
nanotecnologías. En el 2017, el informe de este proyecto nos dice que el principal
sector afectado por los productos de consumo nanotecnológico es el de la salud
y el deporte (ropa, complementos deportivos, cosméticos, cuidado personal,
protección solar, etc.), con el 59% de los productos, seguido por la
electrónica y la informática, que supone el 14% (audio y vídeo; cámaras y
películas; equipos informáticos; dispositivos móviles y comunicación).
Aplicaciones de la Nanotecnología
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| Aplicaciones de la Nanotecnologia |
Enfoque
ascendente y perspectivas
Además, las aplicaciones que
requieren la manipulación o disposición de componentes a nanoescala (atomo
por átomo) requieren más investigación antes de poder comercializarlos. De
hecho, las tecnologías que en la actualidad están marcadas con el prefijo “nano”
a veces no están muy estrechamente vinculadas y distan mucho de los objetivos
finales anunciados por las nanotecnologías, especialmente en el contexto de la
fabricación molecular, que es una idea siempre sugerida por el término. Por lo
tanto, puede existir el peligro de que se forme (o se forme) una “nanoburbuja”
como resultado del uso del término por científicos y empresarios para recaudar
recursos financieros adicionales, a expensas del interés real en el potencial
de cambio tecnológico a largo plazo.
La burbuja
de la nanotecnología o Nanotech
David M. Berube, en su libro sobre la burbuja de la
nanotecnología, también concluye en este sentido recordando que parte de lo que
se vende como “nanotecnologías” es en realidad una reelaboración de la ciencia
de los materiales. Esto podría llevar a que la nanotecnología estuviera
representada por una industria basada principalmente en la venta de nanotubos y
nanoalambres (alambres unidimensionales medidos en nanómetros), lo que
limitaría el número de proveedores a unas pocas empresas que vendieran
productos de bajo margen con volúmenes muy grandes.
Financiación
actual
La investigación científica
requiere una inversión significativa, a menudo en forma de grandes inversiones.
En el caso de las nanotecnologías, en las que el objeto de estudio se
especializa y requiere equipos específicos y costosos, las inversiones
necesarias no pueden ser apoyadas por un solo equipo. Para continuar su
investigación, los científicos e ingenieros son financiados por una amplia
variedad de interesados que pueden agruparse en tres categorías:
Organismos públicos (Estados):
Los gobiernos apoyan firmemente tanto la investigación aplicada como la
investigación básica. Algunos países tienen sus propios sistemas de validación
de patentes, así como un gran número de agencias y departamentos, que permiten
promover los contratos o la protección de la propiedad intelectual. Por lo
tanto, las organizaciones públicas desempeñan un papel importante en el
despliegue de los mecanismos de coordinación que permiten mejorar la
divulgación del conocimiento en la comunidad científica y estimular la
interacción entre investigadores, organizaciones, universidades e instituciones.
Organizaciones sin fines de
lucro: Las universidades son el núcleo de esta categoría, aunque para su
investigación a menudo reciben financiación de fuentes externas, como el
gobierno, pero también de importantes sectores industriales. Esta categoría
también incluye una multitud de organizaciones del sector privado y otras
entidades que apoyan la investigación científica sin objetivos financieros en
forma directa.
Las empresas y el sector privado:
Las empresas y el sector privado:
En la mayoría de los países
desarrollados, el sector privado es responsable de aproximadamente las tres
cuartas partes del gasto nacional en investigación y de desarrollo. La
importancia del sector privado mas que todo se da en los Estados Unidos o la
Unión Europea, que cuentan con gobiernos que invierten en las nanotecnologías
proponiendo una política de investigación e innovación sólida, especialmente en
las primeras etapas del desarrollo de nuevos sectores industriales.
Al tener en cuenta la inversión
pública y privada en investigación y desarrollo en nanotecnología, es posible posicionar a los países en
función del volumen de inversión realizado. Sin embargo, esta operación
requiere precauciones, ya que por un lado el tamaño de las entidades comparadas
es un factor y por otro lado, cada gobierno a menudo tiene su propio aparato y
modalidades específicas de financiación en investigación.
En el año 2005, por ejemplo, el
48,1% de la investigación y el desarrollo de las nanotecnologías fue financiada por los
gobiernos, el 46,6% por las empresas y el 5,2% por los capitales de riesgo, con
una inversión total de 9.570 millones de dólares. Tras este desglose, el país
líder es Estados Unidos (1.606 millones de dólares), seguido del Japón (1.100
millones de dólares), Alemania (413 millones de dólares), la Unión Europea (269
millones de dólares) y China (250 millones de dólares). Francia, por su parte,
ocupa el octavo lugar, con un total de 103 millones de dólares asignados a la
investigación y el desarrollo en nanotecnología.
En nuestra sección de Noticias,
puedes encontrar multitud de investigaciones y asombrosos descubrimientos por
los actores mas relevantes de la investigación en nanotecnología.
Estructura
institucional e instituciones interesadas
Para Europa, el VII Programa Marco de
Investigación y Desarrollo es un importante factor en la organización
de la investigación sobre Nanotecnologías a nivel
continental. Este programa tiene su origen en la Estrategia de Lisboa, cuyos objetivos generales se
decidieron en el año 2000, que define las orientaciones económicas y políticas
para una economía competitiva y dinámica basada en el conocimiento en la Unión
Europea: “Los objetivos generales del programa se han agrupado dentro de cuatro
grandes categorías: la Cooperación, las Ideas, las Personas y las Capacidades.
Hay un programa específico para cada uno de estos objetivos que corresponde a
los principales ámbitos de la actuación comunitaria en materia de investigación.
La totalidad de los proyectos
concretos trabajan conjuntamente para promover y fomentar la creación de
centros de excelencia europeos (científicos)1 en el ámbito científico. La Unión Europea
anuncia que los presupuestos asignados a los programas marco se duplicarán con
creces, pasando de unos 20 000 millones de euros (entre 2002 y 2006) a 53 200
millones de euros (período 2007-2013)2.
Las nanotecnologías están, por
tanto, bien situadas en la categoría de cooperación del PMID, que tiene como
objetivo principal fomentar las asociaciones entre los diferentes equipos de
investigación europeos (y los países socios) y desarrollar la investigación
multidisciplinar y transversal2.
En línea con el Programa Marco de
la Unión Europea, Estados Unidos ha definido la Iniciativa Nacional de
Nanotecnología (NNI) que arrancará en 2001.
Nanotecnología
Ejemplos | Los Nanomateriales
A diferencia de la Unión Europea,
este programa federal de investigación y desarrollo se dedica específicamente a
la nanotecnología, pero también tiene por objeto coordinar los esfuerzos de las
numerosas agencias que trabajan en una nanoescala de
ciencia y tecnología3. En 2008, el presupuesto asignado al NNI
ascendería a 1.500 millones de dólares, más del triple del gasto estimado para
2001 (464 millones de dólares)4.
En cuanto al importe invertido,
este tipo de programas influye fuertemente en la estructura de los espacios de
investigación científica y en la naturaleza de las colaboraciones realizadas.
De hecho, es a partir de los ejes iniciales de desarrollo que se definen
objetivos concretos que conducen a la construcción de convocatorias de
proyectos.
En nanotecnología, el tecnópolo
de Grenoble es un importante centro de investigación e ingeniería en este
campo, único en Europa. Los países emergentes, especialmente Marruecos, han
creado áreas prioritarias para la investigación en nanotecnología.
Referencias & Fuentes
·
CORDIS, « Comprendre
le 7e PC » ,
Oficina de Publicaciones, (consultado
el 24
septembre 2007).
·
a y b Dirección
General de Investigación de la Comisión Europea, El 7º Programa Marco: poner la
investigación europea al frente, Oficina de Publicaciones, 2007 (leer en línea), p. 2-5.
·
(en) National Nanotechnology Initiative, « About the NNI » (consulté le 24 septembre
2007).
·
National Nanotechnology
Initiative,”National Nanotechnology Initiative: FY 2008 Budget &
Highlights” , National Science and Technology Council, 2007
(consultado el 24 de septiembre de 2007).
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