NANOTECNOLOGIA

martes, 4 de septiembre de 2012

Nanotecnología

Nanotecnología (a veces abreviado como " nanotecnología ") es la manipulación de la materia a una atómico y molecular escala. Generalmente, la nanotecnología trabaja con materiales, dispositivos, y otras estructuras con al menos una dimensión de tamaño 1 a 100 nanómetros . mecánica cuántica efectos son importantes en este ámbito cuántico escala. Con una gran variedad de aplicaciones potenciales, la nanotecnología es una tecnología clave para el futuro y los gobiernos han invertido miles de millones de dólares en su investigación. A través de su Iniciativa Nacional de Nanotecnología , los EE.UU. han invertido 3,7 millones de dólares. La Unión Europea ha invertido 1,2 mil millones y Japón 750 millones de dólares. ^[ 1 ]

La nanotecnología es muy diversa, que van desde las extensiones convencionales de física de dispositivo para completamente nuevos enfoques basados en el autoensamblaje molecular , el desarrollo de nuevos materiales con dimensiones en la nanoescala para dirigir el control de la materia a escala atómica . La nanotecnología implica la aplicación de campos de la ciencia tan diversos como la ciencia de superficies , química orgánica , biología molecular , la física de semiconductores , microfabricación , etc

Los científicos debaten las futuras implicaciones de la nanotecnología . La nanotecnología puede ser capaz de crear muchos nuevos materiales y dispositivos con una amplia gama de aplicaciones , como en la medicina , la electrónica , los biomateriales y la producción de energía. Por otro lado, la nanotecnología plantea muchos de los mismos problemas que cualquier nueva tecnología, incluyendo las preocupaciones sobre la toxicidad y el impacto ambiental de los nanomateriales, ^[ 2 ] y sus posibles efectos en la economía global, así como la especulación sobre los diversos escenarios del fin del mundo . Estas preocupaciones han dado lugar a un debate entre los grupos de defensa y los gobiernos sobre la conveniencia especial regulación de la nanotecnología se justifica.

Orígenes

Buckminsterfullereno C ₆₀ , también conocido como la bola hueca , es un miembro representativo de las estructuras de carbono conocidas comofullerenos . Los miembros de la familia fullereno es un tema importante de investigación que cae bajo el paraguas de la nanotecnología.

Aunque la nanotecnología es un desarrollo relativamente reciente en la investigación científica, el desarrollo de sus conceptos centrales que sucedió durante un período más largo de tiempo. La aparición de la nanotecnología en la década de 1980 se debió a la convergencia de los avances experimentales, como la invención del microscopio de efecto túnel en 1981 y el descubrimiento de los fullerenos en 1985, con el esclarecimiento y la popularización de un marco conceptual para los objetivos de principio con la nanotecnología la publicación de 1986 de El libro Engines of Creation .

El microscopio de efecto túnel, un instrumento para superficies de imagen a nivel atómico, fue desarrollado en 1981 por Gerd Binning y Heinrich Rohrer en IBM Zurich Research Laboratory , por la que recibió el Premio Nobel de Física en 1986. ^[ 3 ]^[ 4 ] Los fullerenos Fueron descubiertas en 1985 por Harry Kroto , Richard Smalley y Robert Curl , que juntos ganaron el 1996 el Premio Nobel de Química . ^[ 5 ]^[ 6 ]

Aproximadamente al mismo tiempo, K. Eric Drexler desarrolló y popularizó el concepto de la nanotecnología y fundó el campo de la nanotecnología molecular . En 1979, Drexler encontrado Richard Feynman 's 1959 hablan "Hay mucho sitio al fondo". El término "nanotecnología", originalmente acuñado por Norio Taniguchi en 1974, se apropió, sin saberlo, por Drexler en su libro de 1986 motores de la creación: la próxima era de la nanotecnología , que propuso la idea de una nanoescala "ensamblador", que sería capaz de construir una copia de sí mismo y de otros elementos de complejidad arbitraria. También publicó por primera vez el término " plaga gris "para describir lo que podría suceder si un hipotético auto-replicante nanotecnología molecular se salió de control. Visión de Drexler de la nanotecnología a menudo se llama "Nanotecnología Molecular "(MNT) o" fabricación molecular ", y Drexler en un momento propuso el término" zettatech ", que nunca llegó a ser popular.

En la década de 2000, el campo fue objeto de una creciente conciencia pública y la controversia, con debates importantes sobre sus dos posibles consecuencias, ejemplificadas por la Royal Society informe 's en la nanotecnología, ^[ 7 ] , así como la viabilidad de las aplicaciones previstas por los defensores de la nanotecnología molecular, que culminó en el debate público entre Eric Drexler y Richard Smalley en 2001 y 2003. ^[ 8 ] Los gobiernos se trasladó a promover y financiar la investigación en nanotecnología, con programas como la Iniciativa Nacional de Nanotecnología .

La década de 2000 también marcó el inicio de las aplicaciones comerciales de la nanotecnología, aunque éstos se limitan a aplicaciones masivas de los nanomateriales , como el Silver Nano plataforma para el uso de nanopartículas de plata como agente antibacteriano, nanopartículas basadas en filtros solares transparentes, y los nanotubos de carbono para las manchas textiles resistentes.

Conceptos fundamentales

La nanotecnología es la ingeniería de sistemas funcionales a escala molecular. Esto abarca tanto el trabajo actual y los conceptos que están más avanzados. En su sentido original, la nanotecnología se refiere a la capacidad proyectada para la construcción de los elementos de abajo hacia arriba, utilizando técnicas y herramientas que se están desarrollando hoy en día para hacer productos completos y de alto rendimiento.

Un nanómetro (nm) es una milmillonésima, o 10 ^-9 , de un metro. En comparación, típicas carbono-carbono longitudes de enlace , o el espaciamiento entre estos átomos en una molécula , están en el rango0.12-0.15 nm , y un ADN de doble hélice tiene un diámetro de alrededor de 2 nm. Por otra parte, la más pequeña celulares formas de vida, las bacterias del género Mycoplasma , son alrededor de 200 nm de longitud. Por convención, la nanotecnología se considera el rango de la escala 1 a 100 nm según la definición utilizada por la Iniciativa Nacional de Nanotecnología en los EE.UU.. El límite inferior está fijado por el tamaño de los átomos (hidrógeno tiene los átomos más pequeños, que son aproximadamente un cuarto de una nm de diámetro) desde la nanotecnología debe construir sus dispositivos de átomos y moléculas. El límite superior es más o menos arbitraria, pero es de alrededor del tamaño de que los fenómenos no observados en estructuras más grandes comienzan a ser evidentes y se puede hacer uso de en el dispositivo nano. ^[ 11 ] Estos nuevos fenómenos hacer nanotecnología distinto de los dispositivos que no son más miniaturizados versiones de un equivalente macroscópico dispositivo; dichos dispositivos se encuentran a una escala mayor y están bajo la descripción de la microtecnología . ^[ 12 ]

Para poner esa escala en otro contexto, el tamaño comparativo de un nanómetro a un metro es la misma que la de un mármol con el tamaño de la tierra. ^[ 13 ] Otra forma de decirlo: un nanómetro es la cantidad que un hombre medio barba crece en el tiempo que le lleva a plantear la maquinilla de afeitar en la cara. ^[ 13 ]

Dos enfoques principales se utilizan en la nanotecnología. En los "de abajo hacia arriba", materiales y dispositivos se construyen a partir de componentes moleculares que se ensamblan químicamente por los principios de reconocimiento molecular . En el "top-down", nano-objetos se construyen a partir de entidades más grandes a nivel atómico sin control. ^[ 14 ]

Las áreas de la física como la nanoelectrónica , nanomecánica , nanofotónica y nanoionics han evolucionado durante las últimas décadas para proporcionar una base científica básica de la nanotecnología.

mayor a menor: una perspectiva de materiales

Imagen de la reconstrucción en un lugar limpio Oro ( 100 ) de superficie, como se visualiza mediante microscopía de efecto túnel . Las posiciones de los átomos individuales que componen la superficie son visibles.

Varios fenómenos convertido pronunciado como el tamaño de las disminuciones del sistema. Estos incluyen estadísticos mecánicas efectos, así como la mecánica cuántica efectos, por ejemplo el " quantum efecto tamaño "donde las propiedades electrónicas de los sólidos se alteran con grandes reducciones en el tamaño de partícula. Este efecto no entran en juego al pasar de macro a micro dimensiones. Sin embargo, los efectos cuánticos a ser dominante cuando el intervalo de tamaño nanométrico se alcanza, normalmente a una distancia de 100 nanómetros o menos, el llamado dominio cuántico . Además, un número de propiedades físico (mecánico, eléctrico, óptico, etc) cambia cuando se compara con los sistemas macroscópicos. Un ejemplo es el aumento de la relación de superficie a volumen de la alteración de las propiedades mecánicas, térmicas y catalíticas de los materiales. Difusión y reacciones a los materiales a nanoescala, nanoestructuras y nanodispositivos con el transporte de iones rápido se refieren generalmente nanoionics. Mecánicos propiedades de nanosistemas son de interés en la investigación nanomecánica. La actividad catalítica de los nanomateriales también abre riesgos potenciales en su interacción con biomateriales .

Materiales reducidos a nanoescala pueden mostrar propiedades diferentes en comparación con lo que exponer en una macroescala, lo que permite aplicaciones únicas. Por ejemplo, sustancias opacas se vuelven transparentes (cobre); materiales estables convertir combustible (de aluminio); materiales insolubles se vuelven solubles (oro). Un material tal como oro, que es químicamente inerte a escalas normales, puede servir como un potente químico catalizador en nanoscales. Gran parte de la fascinación con la nanotecnología se deriva de estos fenómenos cuánticos y la superficie que presenta la materia en la nanoescala.

simple a lo complejo: una perspectiva molecular

Modern química sintética ha alcanzado el punto en que es posible preparar moléculas pequeñas con casi cualquier estructura. Estos métodos se utilizan hoy en día para la fabricación de una amplia variedad de productos químicos útiles como productos farmacéuticos o comerciales polímeros . Esta capacidad se plantea la cuestión de la ampliación de este tipo de control para el siguiente nivel-más grande, la búsqueda de métodos para ensamblar estas moléculas individuales en agregados supramoleculares que consisten de muchas moléculas dispuestas de una manera bien definida.

Estos enfoques utilizan los conceptos de auto-ensamblaje molecular y / o química supramolecular para que automáticamente se organizan en algunos conformación útil a través de un bottom-up enfoque. El concepto de reconocimiento molecular es especialmente importante: las moléculas pueden ser diseñados de modo que una configuración específica o disposición se ve favorecido debido a no covalentes fuerzas intermoleculares . Los Watson-Crick emparejamiento de bases reglas son un resultado directo de esto, como es la especificidad de una enzima que se dirige a un solo sustrato , o la específicaplegamiento de la proteína en sí. Así, dos o más componentes pueden ser diseñados para ser complementarios y mutuamente atractivo de forma que tengan un conjunto más complejo y útil.

Tal enfoques de abajo arriba debería ser capaz de producir dispositivos en paralelo y ser mucho más barato que los métodos de arriba hacia abajo, sino que podría ser abrumado como el tamaño y la complejidad de los aumentos de montaje deseados. Estructuras más útiles requieren de arreglos complejos y poco probables termodinámico de los átomos. Sin embargo, hay muchos ejemplos de autoensamblaje basados en el reconocimiento molecular en biología , lo más notablemente emparejamiento de bases de Watson-Crick y de las interacciones enzima-sustrato. El reto para la nanotecnología es si estos principios se pueden utilizar para diseñar nuevas construcciones, además de los naturales.

nanotecnología molecular: una visión a largo plazo

La nanotecnología molecular, a veces llamada fabricación molecular, describe nanosistemas (máquinas de ingeniería a escala nanométrica) operando a escala molecular. Nanotecnología molecular está especialmente asociada con el ensamblador molecular , una máquina que puede producir una estructura deseada o dispositivo átomo por átomo utilizando los principios de mecanosíntesis . La fabricación en el contexto de nanosistemas productivos no se relaciona con, y debe distinguirse claramente de las tecnologías convencionales que se utilizan para la fabricación de nanomateriales como los nanotubos de carbono y nanopartículas.

Cuando el término "nanotecnología" fue acuñada independiente y popularizada por Eric Drexler (que en ese momento no tenía conocimiento de un uso anterior por Norio Taniguchi) se refiere a una tecnología de fabricación de futuro basado en máquinas moleculares sistemas. La premisa es que la escala molecular analogías biológicas de componentes de máquinas tradicionales demostrado máquinas moleculares eran posibles: por los innumerables ejemplos encontrados en la biología, se sabe que sofisticados, estocásticamente optimizadas máquinas biológicas pueden ser producidos.

Se espera que los desarrollos en nanotecnología harán posible su construcción por algún otro medio, tal vez usando biomiméticos principios. Sin embargo, Drexler y otros investigadores ^[ 16 ] han propuesto que la nanotecnología avanzada, aunque quizás inicialmente implementado por medio biomiméticos, en última instancia, podría basarse en principios de ingeniería mecánica, es decir, una tecnología de fabricación basado en la funcionalidad mecánica de estos componentes (tales como engranajes, cojinetes, motores y elementos estructurales) que permitirían montaje programable, posicional con las especificaciones atómica. ^[ 17 ] La física y el rendimiento de los diseños de ingeniería ejemplares fueron analizados en el libro de Drexler nanosistemas .

En general, es muy difícil de montar dispositivos en la escala atómica, como todo lo que uno tiene que posicionar en átomos de átomos de tamaño comparable y la pegajosidad. Otra visión, planteada por Carlo Montemagno, ^[ 18 ] es que nanosistemas futuras serán híbridos de la tecnología de silicio y máquinas moleculares biológicas. Sin embargo, otro punto de vista, presentado por el fallecido Richard Smalley, es que mecanosíntesis es imposible debido a las dificultades para manipular mecánicamente moléculas individuales.

Esto dio lugar a un intercambio de cartas en el ACS publicación Chemical & Engineering News en 2003. ^[ 19 ] A pesar de la biología demuestra claramente que los sistemas de máquinas moleculares son posibles, no biológicos máquinas moleculares son hoy sólo en sus comienzos. Los líderes en la investigación en materia de no-biológicos máquinas moleculares son el Dr. Alex Zettl y sus colegas de los Laboratorios Lawrence Berkeley y UC Berkeley. Ellos han construido por lo menos tres dispositivos distintos moleculares cuyo movimiento es controlado desde el escritorio con el cambio de tensión: un nanotubo nanomotor , un actuador molecular, ^[ 20 ] y un oscilador de relajación nanoelectromecánicos. ^[ 21 ] Véase nanomotor nanotubo para más ejemplos.

Un experimento indica que el montaje molecular posicional es posible se realizó por Ho y Lee en la Universidad de Cornell en 1999. Se utilizó un microscopio de efecto túnel para mover una molécula de monóxido de carbono individual (CO) a un individuo átomo de hierro (Fe) que se sienta en un cristal de plata plana, y unido químicamente el CO a la Fe mediante la aplicación de un voltaje.

Los nanomateriales

El campo de los nanomateriales incluye subcampos que se desarrollan o estudiar materiales que tienen propiedades únicas derivadas de sus dimensiones nanométricas. ^[ 24 ]

Interfaz y la ciencia de coloides ha dado lugar a muchos materiales que pueden ser útiles en la nanotecnología, tales como nanotubos de carbono y fulerenos otros, y nanopartículas diferentes y nanovarillas . Nanomateriales con el transporte de iones rápido está relacionada también con nanoionics y la nanoelectrónica.
Los materiales nanométricos también se puede utilizar para aplicaciones a granel; aplicaciones comerciales más actuales de la nanotecnología son de este sabor.
Se han hecho progresos en la utilización de estos materiales para aplicaciones médicas; ver Nanomedicina .
Los materiales nanométricos se utilizan a veces en células solares que combate el costo de los tradicionales de silicio células solares
Desarrollo de semiconductor aplicaciones incorporando nanopartículas para ser utilizado en la próxima generación de productos, tales como la tecnología de pantalla, la iluminación, las células solares y formación de imágenes biológicas, ver los puntos cuánticos .