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La nanotecnología , también abreviada como nanotecnología , es el uso de materia a escala atómica , molecular y supramolecular para fines industriales. La descripción más temprana y generalizada de la nanotecnología se refería al objetivo tecnológico particular de manipular con precisión átomos y moléculas para la fabricación de productos a macroescala, también conocida ahora como nanotecnología molecular . [1] [2] Posteriormente, la Iniciativa Nacional de Nanotecnología estableció una descripción más generalizada de la nanotecnología , que definió la nanotecnología como la manipulación de materia con al menos una dimensión de 1 a100 nanómetros . Esta definición refleja el hecho de que los efectos de la mecánica cuántica son importantes en esta escala del reino cuántico , por lo que la definición pasó de un objetivo tecnológico particular a una categoría de investigación que incluye todos los tipos de investigación y tecnologías que se ocupan de las propiedades especiales de la materia que se producen. por debajo del umbral de tamaño dado. Por lo tanto, es común ver la forma plural "nanotecnologías" así como "tecnologías a nanoescala" para referirse a la amplia gama de investigaciones y aplicaciones cuyo rasgo común es el tamaño.

La nanotecnología como se define por el tamaño es, naturalmente, amplio, incluyendo campos de la ciencia tan diversos como la ciencia de superficies , la química orgánica , biología molecular , la física de semiconductores , almacenamiento de energía , [3] [4] ingeniería , [5] microfabricación , [6] y la ingeniería molecular . [7] La investigación y las aplicaciones asociadas son igualmente diversas, desde extensiones de la física de dispositivos convencionales hasta enfoques completamente nuevos basados ​​en el autoensamblaje molecular , [8] desde el desarrollonuevos materiales con dimensiones a nanoescala para el control directo de la materia a escala atómica .

Actualmente, los científicos debaten las implicaciones futuras de la nanotecnología . La nanotecnología puede crear muchos materiales y dispositivos nuevos con una amplia gama de aplicaciones , como en nanomedicina , nanoelectrónica , producción de energía de biomateriales y productos de consumo. Por otro lado, la nanotecnología plantea muchos de los mismos problemas que cualquier nueva tecnología, incluidas las preocupaciones sobre la toxicidad y el impacto ambiental de los nanomateriales, [9] y sus posibles efectos en la economía mundial, así como la especulación sobre varios escenarios apocalípticos.. Estas preocupaciones han llevado a un debate entre los grupos de defensa y los gobiernos sobre si se justifica una regulación especial de la nanotecnología .

Orígenes

Los conceptos que sembraron la nanotecnología fueron discutidos por primera vez en 1959 por el renombrado físico Richard Feynman en su charla Hay mucho espacio en la parte inferior , en la que describió la posibilidad de síntesis mediante la manipulación directa de átomos.

Comparación de tamaños de nanomateriales

El término "nanotecnología" fue utilizado por primera vez por Norio Taniguchi en 1974, aunque no era muy conocido. Inspirado por los conceptos de Feynman, K. Eric Drexler utilizó el término "nanotecnología" en su libro de 1986 Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology , que propuso la idea de un "ensamblador" a nanoescala que podría construir una copia de sí mismo y de otros elementos de complejidad arbitraria con control atómico. También en 1986, Drexler cofundó The Foresight Institute (con el que ya no está afiliado) para ayudar a aumentar la conciencia pública y la comprensión de los conceptos e implicaciones de la nanotecnología.

El surgimiento de la nanotecnología como campo en la década de 1980 se produjo a través de la convergencia del trabajo teórico y público de Drexler, que desarrolló y popularizó un marco conceptual para la nanotecnología, y avances experimentales de alta visibilidad que atrajeron una atención adicional a gran escala sobre las perspectivas del control atómico de importar. En la década de 1980, dos importantes avances provocaron el crecimiento de la nanotecnología en la era moderna. Primero, la invención del microscopio de barrido de túnel en 1981, que proporcionó una visualización sin precedentes de átomos y enlaces individuales, y se utilizó con éxito para manipular átomos individuales en 1989. Los desarrolladores del microscopio, Gerd Binnig y Heinrich Rohrer, del IBM Zurich Research Laboratory, recibieron unaPremio Nobel de Física en 1986. [10] [11] Binnig, Quate y Gerber también inventaron el microscopio de fuerza atómica análogo ese año.

El buckminsterfullereno C 60 , también conocido como buckyball , es un miembro representativo de las estructuras de carbono conocidas como fullerenos . Los miembros de la familia de los fullerenos son un tema importante de investigación que cae bajo el paraguas de la nanotecnología.

En segundo lugar, los fullerenos fueron descubiertos en 1985 por Harry Kroto , Richard Smalley y Robert Curl , quienes juntos ganaron el Premio Nobel de Química en 1996 . [12] [13] C 60 no se describió inicialmente como nanotecnología; el término se usó con respecto al trabajo posterior con tubos de grafeno relacionados (llamados nanotubos de carbono y, a veces, tubos Bucky) que sugirieron aplicaciones potenciales para dispositivos y dispositivos electrónicos a nanoescala. El descubrimiento de nanotubos de carbono se atribuye en gran parte a Sumio Iijima de NEC en 1991, [14]por lo que Iijima ganó el Premio Kavli inaugural de Nanociencia en 2008 .

A. Rose propuso inicialmente un transistor de unión de metal-semiconductor ( unión M-S) a base de nanocapa en 1960, y fabricado por L. Geppert, Mohamed Atalla y Dawon Kahng en 1962. [15] Décadas más tarde, los avances en múltiples puerta tecnología permitió a la escala de óxido de metal-semiconductor transistor de efecto campo (MOSFET) dispositivos abajo a nano-escala niveles más pequeño que 20 nm longitud de la puerta, a partir de la FinFET (fIN transistor de efecto campo), un tridimensional, no -planar, MOSFET de doble puerta. En UC Berkeley, un equipo de investigadores que incluía a Digh Hisamoto, Chenming Hu , Tsu-Jae King Liu , Jeffrey Bokor y otros fabricaron dispositivos FinFET hasta un proceso de 17  nm en 1998, luego 15  nm en 2001 y luego 10  nm en 2002. [16]

A principios de la década de 2000, el campo obtuvo una mayor atención científica, política y comercial que condujo a la controversia y al progreso. Surgieron controversias con respecto a las definiciones y las posibles implicaciones de las nanotecnologías, ejemplificadas por el informe de la Royal Society sobre nanotecnología. [17] Se plantearon desafíos con respecto a la viabilidad de las aplicaciones previstas por los defensores de la nanotecnología molecular, que culminaron en un debate público entre Drexler y Smalley en 2001 y 2003. [18]

Mientras tanto, comenzó a surgir la comercialización de productos basados ​​en avances en tecnologías a nanoescala. Estos productos se limitan a aplicaciones a granel de nanomateriales y no implican el control atómico de la materia. Algunos ejemplos incluyen la plataforma Silver Nano para el uso de nanopartículas de plata como agente antibacteriano, protectores solares transparentes a base de nanopartículas , refuerzo de fibra de carbono con nanopartículas de sílice y nanotubos de carbono para textiles resistentes a las manchas. [19] [20]

Los gobiernos se movieron para promover y financiar la investigación en nanotecnología, como en los EE. UU. Con la Iniciativa Nacional de Nanotecnología , que formalizó una definición de nanotecnología basada en el tamaño y estableció fondos para la investigación en la nanoescala, y en Europa a través de los Programas Marco Europeos de Investigación y Desarrollo Tecnológico .

A mediados de la década de 2000, comenzó a florecer una atención científica nueva y seria. Surgieron proyectos para producir hojas de ruta de nanotecnología [21] [22] que se centran en la manipulación atómicamente precisa de la materia y discuten las capacidades, objetivos y aplicaciones existentes y proyectados.

En 2006, un equipo de investigadores coreanos del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST) y el Centro Nacional Nano Fab desarrollaron un MOSFET de 3 nm , el dispositivo nanoelectrónico más pequeño del mundo . Se basó en la tecnología FinFET gate-all-around (GAA). [23] [24]

Más de sesenta países crearon programas gubernamentales de investigación y desarrollo (I + D) en nanotecnología entre 2001 y 2004. La financiación gubernamental fue excedida por el gasto empresarial en I + D en nanotecnología, y la mayor parte de la financiación provino de empresas con sede en Estados Unidos, Japón y Alemania. Las cinco principales organizaciones que presentaron la mayor cantidad de patentes intelectuales sobre I + D en nanotecnología entre 1970 y 2011 fueron Samsung Electronics (2578 primeras patentes), Nippon Steel (1490 primeras patentes), IBM (1360 primeras patentes), Toshiba (1298 primeras patentes) y Canon.(1.162 primeras patentes). Las cinco principales organizaciones que publicaron la mayor cantidad de artículos científicos sobre investigación en nanotecnología entre 1970 y 2012 fueron la Academia de Ciencias de China , la Academia de Ciencias de Rusia , el Centro nacional de investigación científica , la Universidad de Tokio y la Universidad de Osaka . [25]

Conceptos fundamentales

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

Un nanómetro (nm) es una mil millonésima, o 10 −9 , de un metro. En comparación, las longitudes típicas de los enlaces carbono-carbono , o el espacio entre estos átomos en una molécula , se encuentran en el rango de 0,12 a 0,15 nm , y una doble hélice de ADN tiene un diámetro de alrededor de 2 nm. Por otro lado, las formas de vida celulares más pequeñas , las bacterias del género Mycoplasma , miden alrededor de 200 nm de longitud. Por convención, la nanotecnología se toma como el rango de escala de 1 a 100 nm.siguiendo la definición utilizada por la Iniciativa Nacional de Nanotecnología en los EE. UU. El límite inferior lo establece el tamaño de los átomos (el hidrógeno tiene los átomos más pequeños, que tienen aproximadamente un cuarto de nm de diámetro cinético ) ya que la nanotecnología debe construir sus dispositivos a partir de átomos y moléculas. El límite superior es más o menos arbitrario, pero está alrededor del tamaño por debajo del cual los fenómenos no observados en estructuras más grandes comienzan a hacerse evidentes y pueden utilizarse en el nanodispositivo. [26] Estos nuevos fenómenos distinguen a la nanotecnología de los dispositivos que son simplemente versiones miniaturizadas de un dispositivo macroscópico equivalente ; tales dispositivos están en una escala mayor y se encuentran bajo la descripción de microtecnología . [27]

Para poner esa escala en otro contexto, el tamaño comparativo de un nanómetro a un metro es el mismo que el de una canica al tamaño de la tierra. [28] O de otra forma: un nanómetro es la cantidad que crece la barba de un hombre promedio en el tiempo que le lleva llevar la navaja a la cara. [28]

En nanotecnología se utilizan dos enfoques principales. En el enfoque "de abajo hacia arriba", los materiales y dispositivos se construyen a partir de componentes moleculares que se ensamblan químicamente mediante principios de reconocimiento molecular . [29] En el enfoque "de arriba hacia abajo", los nanoobjetos se construyen a partir de entidades más grandes sin control a nivel atómico. [30]

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

De mayor a menor: una perspectiva de materiales

Imagen de reconstrucción en una superficie limpia Gold ( 100 ), tal como se visualiza mediante microscopía de túnel de barrido . Las posiciones de los átomos individuales que componen la superficie son visibles.

Varios fenómenos se vuelven pronunciados a medida que disminuye el tamaño del sistema. Estos incluyen efectos mecánicos estadísticos , así como efectos mecánicos cuánticos , por ejemplo, el " efecto de tamaño cuántico " donde las propiedades electrónicas de los sólidos se alteran con grandes reducciones en el tamaño de las partículas. Este efecto no entra en juego al pasar de macro a micro dimensiones. Sin embargo, los efectos cuánticos pueden volverse significativos cuando se alcanza el rango de tamaño nanométrico, generalmente a distancias de 100 nanómetros o menos, el llamado reino cuántico.. Además, una serie de propiedades físicas (mecánicas, eléctricas, ópticas, etc.) cambian en comparación con los sistemas macroscópicos. Un ejemplo es el aumento de la relación entre el área superficial y el volumen que altera las propiedades mecánicas, térmicas y catalíticas de los materiales. La difusión y las reacciones a nanoescala, los materiales de nanoestructuras y los nanodispositivos con transporte rápido de iones se denominan generalmente nanoiónicos. Las propiedades mecánicas de los nanosistemas son de interés en la investigación de la nanomecánica. La actividad catalítica de los nanomateriales también abre riesgos potenciales en su interacción con biomateriales .

Los materiales reducidos a nanoescala pueden mostrar propiedades diferentes en comparación con lo que exhiben en una macroescala, lo que permite aplicaciones únicas. Por ejemplo, las sustancias opacas pueden volverse transparentes (cobre); los materiales estables pueden volverse combustibles (aluminio); los materiales insolubles pueden volverse solubles (oro). Un material como el oro, que es químicamente inerte a escalas normales, puede servir como un potente catalizador químico a nanoescala. Gran parte de la fascinación por la nanotecnología proviene de estos fenómenos cuánticos y superficiales que la materia exhibe a nanoescala. [31]

De simple a complejo: una perspectiva molecular

La química sintética moderna ha llegado al punto en que es posible preparar pequeñas moléculas para casi cualquier estructura. Estos métodos se utilizan hoy en día para fabricar una amplia variedad de productos químicos útiles, como productos farmacéuticos o polímeros comerciales . Esta capacidad plantea la cuestión de extender este tipo de control al siguiente nivel más grande, buscando métodos para ensamblar estas moléculas individuales en ensamblajes supramoleculares que consisten en muchas moléculas dispuestas de una manera bien definida.

Estos enfoques utilizan los conceptos de autoensamblaje molecular y / o química supramolecular para organizarse automáticamente en alguna conformación útil a través de un enfoque de abajo hacia arriba . El concepto de reconocimiento molecular es especialmente importante: las moléculas pueden diseñarse de modo que se favorezca una configuración o disposición específica debido a fuerzas intermoleculares no covalentes . Las reglas de emparejamiento de bases de Watson-Crick son un resultado directo de esto, al igual que la especificidad de una enzima dirigida a un solo sustrato o el plegamiento específico de la proteína.sí mismo. Por tanto, se pueden diseñar dos o más componentes para que sean complementarios y mutuamente atractivos, de modo que formen un todo más complejo y útil.

Tales enfoques ascendentes deberían ser capaces de producir dispositivos en paralelo y ser mucho más baratos que los métodos descendentes, pero podrían verse abrumados a medida que aumenta el tamaño y la complejidad del ensamblaje deseado. La mayoría de las estructuras útiles requieren arreglos de átomos complejos y termodinámicamente improbables. Sin embargo, hay muchos ejemplos de autoensamblaje basados ​​en el reconocimiento molecular en biología , entre los que destaca el emparejamiento de bases Watson-Crick y las interacciones enzima-sustrato. El desafío para la nanotecnología es si estos principios se pueden utilizar para diseñar nuevas construcciones además de las naturales.

Nanotecnología molecular: una visión a largo plazo

La nanotecnología molecular, a veces llamada fabricación molecular, describe nanosistemas diseñados (máquinas a nanoescala) que operan a escala molecular. La nanotecnología molecular está especialmente asociada con el ensamblador molecular , una máquina que puede producir una estructura o dispositivo deseado átomo por átomo utilizando los principios de la mecanosíntesis . La fabricación en el contexto de nanosistemas productivos no está relacionada y debe diferenciarse claramente de las tecnologías convencionales utilizadas para fabricar nanomateriales como los nanotubos de carbono y las nanopartículas.

Cuando el término "nanotecnología" fue acuñado y popularizado independientemente por Eric Drexler (quien en ese momento desconocía un uso anterior de Norio Taniguchi) se refería a una tecnología de fabricación futura basada en sistemas de máquinas moleculares . La premisa era que las analogías biológicas a escala molecular de los componentes de las máquinas tradicionales demostraron que las máquinas moleculares eran posibles: por los innumerables ejemplos encontrados en biología, se sabe que se pueden producir máquinas biológicas sofisticadas y optimizadas estocásticamente .

Se espera que los avances en nanotecnología hagan posible su construcción por otros medios, quizás utilizando principios biomiméticos . Sin embargo, Drexler y otros investigadores [32] han propuesto que la nanotecnología avanzada, aunque quizás inicialmente implementada por medios biomiméticos, en última instancia podría basarse en principios de ingeniería mecánica, es decir, una tecnología de fabricación basada en la funcionalidad mecánica de estos componentes (como engranajes, cojinetes, motores y miembros estructurales) que permitirían un ensamblaje posicional programable según la especificación atómica. [33] El rendimiento de la física y la ingeniería de diseños ejemplares se analizaron en el libro Nanosystems de Drexler .

En general, es muy difícil ensamblar dispositivos a escala atómica, ya que hay que colocar átomos en otros átomos de tamaño y pegajosidad comparables. Otro punto de vista, presentado por Carlo Montemagno , [34] es que los nanosistemas del futuro serán híbridos de tecnología de silicio y máquinas moleculares biológicas. Richard Smalley argumentó que la mecanosíntesis es imposible debido a las dificultades para manipular mecánicamente moléculas individuales.

Esto llevó a un intercambio de cartas en la publicación de la ACS Chemical & Engineering News en 2003. [35] Aunque la biología demuestra claramente que los sistemas de máquinas moleculares son posibles, las máquinas moleculares no biológicas están hoy sólo en su infancia. Los líderes en la investigación de máquinas moleculares no biológicas son el Dr. Alex Zettl y sus colegas de Lawrence Berkeley Laboratories y UC Berkeley. [1] Han construido al menos tres dispositivos moleculares distintos cuyo movimiento se controla desde el escritorio con voltaje cambiante: un nanomotor de nanotubos , un actuador molecular [36] y un oscilador de relajación nanoelectromecánico. [37] Vernanomotor de nanotubos para más ejemplos.

Ho y Lee, de la Universidad de Cornell, realizaron un experimento que indica que el ensamblaje molecular posicional es posible en 1999. Utilizaron un microscopio de túnel de barrido para mover una molécula de monóxido de carbono (CO) individual a un átomo de hierro (Fe) individual sentado sobre una placa de plata plana cristal, y unió químicamente el CO al Fe aplicando un voltaje.

La investigación actual

Representación gráfica de un rotaxano , útil como interruptor molecular .
Este tetraedro de ADN [38] es una nanoestructura diseñada artificialmente del tipo que se fabrica en el campo de la nanotecnología del ADN . Cada borde del tetraedro es una doble hélice de ADN de 20 pares de bases , y cada vértice es una unión de tres brazos.
Vista giratoria de C 60 , un tipo de fullereno.
Este dispositivo transfiere energía de capas nanodelgadas de pozos cuánticos a nanocristales sobre ellos, lo que hace que los nanocristales emitan luz visible. [39]

Nanomateriales

El campo de los nanomateriales incluye subcampos que desarrollan o estudian materiales que tienen propiedades únicas derivadas de sus dimensiones a nanoescala. [40]

  • La ciencia de interfaces y coloides ha dado lugar a muchos materiales que pueden ser útiles en nanotecnología, como los nanotubos de carbono y otros fullerenos, y diversas nanopartículas y nanovarillas . Los nanomateriales con transporte rápido de iones también están relacionados con la nanoiónica y la nanoelectrónica.
  • Los materiales a nanoescala también se pueden utilizar para aplicaciones a granel; la mayoría de las aplicaciones comerciales actuales de la nanotecnología son de este tipo.
  • Se ha avanzado en el uso de estos materiales para aplicaciones médicas; ver Nanomedicina .
  • Los materiales a nanoescala, como los nanopilares, se utilizan a veces en las células solares, lo que combate el coste de las células solares de silicio tradicionales .
  • Desarrollo de aplicaciones que incorporan nanopartículas semiconductoras para ser utilizadas en la próxima generación de productos, como tecnología de visualización, iluminación, células solares e imágenes biológicas; ver puntos cuánticos .
  • Las aplicaciones recientes de nanomateriales incluyen una variedad de aplicaciones biomédicas , como ingeniería de tejidos , administración de fármacos , antibacterianos y biosensores . [41] [42] [43] [44] [45]

Enfoques ascendentes

Estos buscan organizar componentes más pequeños en ensamblajes más complejos.

  • La nanotecnología del ADN utiliza la especificidad del emparejamiento de bases Watson-Crick para construir estructuras bien definidas a partir del ADN y otros ácidos nucleicos .
  • Los enfoques del campo de la síntesis química "clásica" (síntesis orgánica e inorgánica ) también tienen como objetivo diseñar moléculas con una forma bien definida (por ejemplo, bis-péptidos [46] ).
  • De manera más general, el autoensamblaje molecular busca utilizar conceptos de química supramolecular, y reconocimiento molecular en particular, para hacer que los componentes de una sola molécula se organicen automáticamente en alguna conformación útil.
  • Las puntas de los microscopios de fuerza atómica se pueden utilizar como una "cabeza de escritura" a nanoescala para depositar una sustancia química sobre una superficie en un patrón deseado en un proceso llamado nanolitografía de pluma de inmersión . Esta técnica encaja en el subcampo más amplio de la nanolitografía .
  • La epitaxia de haz molecular permite ensamblajes de materiales de abajo hacia arriba, sobre todo materiales semiconductores comúnmente utilizados en aplicaciones de chips y computación, pilas, compuertas y láseres de nanocables .

Enfoques de arriba hacia abajo

Estos buscan crear dispositivos más pequeños utilizando otros más grandes para dirigir su ensamblaje.

  • Muchas tecnologías que descienden de los métodos convencionales de silicio de estado sólido para fabricar microprocesadores ahora son capaces de crear características de menos de 100 nm, que entran dentro de la definición de nanotecnología. Los discos duros gigantes basados ​​en magnetorresistencia que ya están en el mercado se ajustan a esta descripción, [47] al igual que las técnicas de deposición de capa atómica (ALD). Peter Grünberg y Albert Fert recibieron el Premio Nobel de Física en 2007 por su descubrimiento de la magnetorresistencia gigante y sus contribuciones al campo de la espintrónica. [48]
  • Las técnicas de estado sólido también se pueden utilizar para crear dispositivos conocidos como sistemas nanoelectromecánicos o NEMS, que están relacionados con sistemas microelectromecánicos o MEMS.
  • Los haces de iones enfocados pueden eliminar material directamente, o incluso depositar material cuando se aplican gases precursores adecuados al mismo tiempo. Por ejemplo, esta técnica se utiliza habitualmente para crear secciones de material por debajo de 100 nm para su análisis en microscopía electrónica de transmisión .
  • Las puntas del microscopio de fuerza atómica se pueden utilizar como una "cabeza de escritura" a nanoescala para depositar una capa protectora, que luego es seguida por un proceso de grabado para eliminar el material en un método de arriba hacia abajo.

Enfoques funcionales

Estos buscan desarrollar componentes de una funcionalidad deseada sin tener en cuenta cómo podrían ensamblarse.

  • Ensamblaje magnético para la síntesis de materiales superparamagnéticos anisotrópicos como las nanocadenas magnéticas presentadas recientemente . [29]
  • La electrónica de escala molecular busca desarrollar moléculas con propiedades electrónicas útiles. Luego, estos podrían usarse como componentes de una sola molécula en un dispositivo nanoelectrónico. [49] Véase un ejemplo en rotaxano.
  • Los métodos químicos sintéticos también se pueden utilizar para crear motores moleculares sintéticos , como en el llamado nanocoche .

Enfoques biomiméticos

  • La biónica o biomimetismo busca aplicar métodos y sistemas biológicos que se encuentran en la naturaleza, al estudio y diseño de sistemas de ingeniería y tecnología moderna. La biomineralización es un ejemplo de los sistemas estudiados.
  • La bionanotecnología es el uso de biomoléculas para aplicaciones en nanotecnología, incluido el uso de virus y conjuntos de lípidos. [50] [51] La nanocelulosa es una aplicación potencial a gran escala.

Especulativo

Estos subcampos buscan anticipar qué inventos podría producir la nanotecnología, o intentar proponer una agenda a lo largo de la cual la investigación podría progresar. Estos suelen tener una visión de conjunto de la nanotecnología, con más énfasis en sus implicaciones sociales que en los detalles de cómo se podrían crear tales invenciones.

  • La nanotecnología molecular es un enfoque propuesto que implica la manipulación de moléculas individuales de formas deterministas y finamente controladas. Esto es más teórico que los otros subcampos, y muchas de sus técnicas propuestas están más allá de las capacidades actuales.
  • La nanorobótica se centra en máquinas autosuficientes de alguna funcionalidad que operan a nanoescala. Hay esperanzas de aplicar nanorobots en medicina. [52] [53] Sin embargo, el progreso en materiales y metodologías innovadoras se ha demostrado con algunas patentes otorgadas sobre nuevos dispositivos de nanofabricación para futuras aplicaciones comerciales, lo que también ayuda progresivamente en el desarrollo hacia nanorobots con el uso de conceptos nanobioelectrónicos integrados. [54] [55]
  • Los nanosistemas productivos son "sistemas de nanosistemas" que serán nanosistemas complejos que producirán piezas atómicamente precisas para otros nanosistemas, no necesariamente utilizando nuevas propiedades emergentes de nanoescala, sino fundamentos bien entendidos de la fabricación. Debido a la naturaleza discreta (es decir, atómica) de la materia y la posibilidad de crecimiento exponencial, esta etapa se considera la base de otra revolución industrial. Mihail Roco , uno de los arquitectos de la Iniciativa Nacional de Nanotecnología de EE. UU., Ha propuesto cuatro estados de la nanotecnología que parecen ser paralelos al progreso técnico de la Revolución Industrial, pasando de nanoestructuras pasivas a nanodispositivos activos, a nanomáquinas complejas y, en última instancia, a nanosistemas productivos. [56]
  • La materia programable busca diseñar materiales cuyas propiedades puedan controlarse de manera fácil, reversible y externa mediante una fusión de la ciencia de la información y la ciencia de los materiales .
  • Debido a la popularidad y exposición mediática del término nanotecnología, las palabras picotecnología y femtotecnología se han acuñado por analogía con él, aunque solo se usan raramente y de manera informal.

Dimensionalidad en nanomateriales

Los nanomateriales se pueden clasificar en 0D, 1D, 2D y 3D nanomateriales . La dimensionalidad juega 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 área de superficie en comparación con los nanomateriales 3D. Recientemente, los nanomateriales bidimensionales (2D) se han investigado exhaustivamente para aplicaciones electrónicas , biomédicas , de administración de fármacos y biosensores .

Herramientas y técnicas

Configuración típica de AFM . Un voladizo microfabricado con una punta afilada se desvía por características en una superficie de muestra, como en un fonógrafo pero en una escala mucho más pequeña. Un rayo láser se refleja en la parte trasera del voladizo hacia un conjunto de fotodetectores , lo que permite medir la desviación y ensamblarla en una imagen de la superficie.

Hay varios desarrollos modernos importantes. El microscopio de fuerza atómica (AFM) y el microscopio de túnel de barrido (STM) son dos versiones iniciales de sondas de barrido que lanzaron la nanotecnología. Existen otros tipos de microscopía de sonda de barrido . Aunque conceptualmente similar al microscopio confocal de barrido desarrollado por Marvin Minsky en 1961 y al microscopio acústico de barrido (SAM) desarrollado por Calvin Quate y sus colaboradores en la década de 1970, los microscopios de sonda de barrido más nuevos tienen una resolución mucho mayor, ya que no están limitados por la longitud de onda de sonido o luz.

La punta de una sonda de exploración también se puede utilizar para manipular nanoestructuras (un proceso llamado ensamblaje posicional). La metodología de escaneo orientada a características puede ser una forma prometedora de implementar estas nanomanipulaciones en modo automático. [57] [58] Sin embargo, este sigue siendo un proceso lento debido a la baja velocidad de exploración del microscopio.

También se desarrollaron diversas técnicas de nanolitografía, como la litografía óptica , la litografía de rayos X , la nanolitografía con lápiz de inmersión, la litografía por haz de electrones o la litografía por nanoimpresión . La litografía es una técnica de fabricación de arriba hacia abajo en la que un material a granel se reduce en tamaño a un patrón a nanoescala.

Otro grupo de técnicas nanotecnológicas incluyen las que se utilizan para la fabricación de nanotubos y nanocables , las que se utilizan en la fabricación de semiconductores, como la litografía ultravioleta profunda, la litografía por haz de electrones, el mecanizado por haz de iones enfocado, la litografía por nanoimpresión, la deposición de capa atómica y la deposición de vapor molecular, entre otras. técnicas de autoensamblaje molecular como las que emplean copolímeros de di-bloques. Los precursores de estas técnicas precedieron a la era de la nanotecnología, y son extensiones en el desarrollo de avances científicos más que técnicas que fueron diseñadas con el único propósito de crear nanotecnología y que fueron resultado de la investigación en nanotecnología. [59]

El enfoque de arriba hacia abajo anticipa los nanodispositivos que deben construirse pieza por pieza en etapas, al igual que se fabrican los artículos manufacturados. La microscopía de sonda de barrido es una técnica importante tanto para la caracterización como para la síntesis de nanomateriales. Los microscopios de fuerza atómica y los microscopios de túnel de barrido se pueden utilizar para observar superficies y mover átomos. Al diseñar diferentes puntas para estos microscopios, se pueden usar para tallar estructuras en superficies y para ayudar a guiar estructuras de autoensamblaje. Mediante el uso, por ejemplo, de un enfoque de exploración orientado a características, los átomos o moléculas se pueden mover sobre una superficie con técnicas de microscopía de sonda de exploración. [57] [58] En la actualidad, es caro y requiere mucho tiempo para la producción en masa, pero muy adecuado para la experimentación de laboratorio.

En contraste, las técnicas de abajo hacia arriba construyen o hacen crecer estructuras más grandes átomo por átomo o molécula por molécula. Estas técnicas incluyen síntesis química, autoensamblaje y ensamblaje posicional. La interferometría de polarización dual es una herramienta adecuada para la caracterización de películas delgadas autoensambladas. Otra variación del enfoque ascendente es la epitaxia de haz molecular o MBE. Investigadores de Bell Telephone Laboratoriescomo John R. Arthur. Alfred Y. Cho y Art C. Gossard desarrollaron e implementaron MBE como una herramienta de investigación a finales de los sesenta y setenta. Las muestras hechas por MBE fueron clave para el descubrimiento del efecto Hall cuántico fraccional por el que se otorgó el Premio Nobel de Física de 1998. MBE permite a los científicos establecer capas de átomos atómicamente precisas y, en el proceso, construir estructuras complejas. Importante para la investigación de semiconductores, MBE también se usa ampliamente para hacer muestras y dispositivos para el campo emergente de la espintrónica .

Sin embargo, se están desarrollando nuevos productos terapéuticos, basados ​​en nanomateriales sensibles, como las vesículas Transfersome ultradeformables y sensibles al estrés, que ya están aprobados para uso humano en algunos países. [60]

Investigación y desarrollo

Debido a la variedad de aplicaciones potenciales (incluidas las industriales y militares), los gobiernos han invertido miles de millones de dólares en investigación en nanotecnología. Antes de 2012, EE. UU. Invirtió 3.700 millones de dólares mediante su Iniciativa Nacional de Nanotecnología , la Unión Europea invirtió 1.200 millones de dólares y Japón invirtió 750 millones de dólares. [61] Más de sesenta países crearon programas de investigación y desarrollo (I + D) en nanotecnología entre 2001 y 2004. En 2012, EE.UU. y la UE invirtieron 2.100 millones de dólares cada uno en investigación en nanotecnología, seguidos de Japón con 1.200 millones de dólares . La inversión global alcanzó los $ 7,9 mil millonesen 2012. La financiación del gobierno fue excedida por el gasto corporativo en I + D en investigación en nanotecnología, que fue de $ 10 mil millones en 2012. Los mayores gastadores corporativos en I + D fueron los de EE. UU., Japón y Alemania, que representaron un total de $ 7,1 mil millones . [25]

Aplicaciones

Una de las principales aplicaciones de la nanotecnología es en el área de la nanoelectrónica con MOSFET 's que se hace de pequeños nanocables ≈10 nm de longitud. Aquí hay una simulación de tal nanoalambre.
Reproducir medios
Las nanoestructuras proporcionan a esta superficie una superhidrofobicidad , lo que permite que las gotas de agua rueden por el plano inclinado .
Láseres de nanocables para la transmisión ultrarrápida de información en pulsos de luz

Al 21 de agosto de 2008, el Proyecto sobre nanotecnologías emergentes estima que más de 800 productos de nanotecnología identificados por el fabricante están disponibles al público, y que nuevos productos llegan al mercado a un ritmo de 3 a 4 por semana. [20] El proyecto enumera todos los productos en una base de datos en línea de acceso público. La mayoría de las aplicaciones se limitan al uso de nanomateriales pasivos de "primera generación" que incluyen dióxido de titanio en filtros solares, cosméticos, revestimientos de superficies [62] y algunos productos alimenticios; Alótropos de carbono utilizados para producir cinta de gecko ; plata en envases de alimentos, ropa, desinfectantes y electrodomésticos; óxido de zinc en protectores solares y cosméticos, revestimientos de superficies, pinturas y barnices para muebles de exterior; y óxido de cerio como catalizador de combustible.[19]

Otras aplicaciones permiten que las pelotas de tenis duren más, que las pelotas de golf vuelen más rectas e incluso que las bolas de bolos sean más duraderas y tengan una superficie más dura. Los pantalones y los calcetines se han infundido con nanotecnología para que duren más y mantengan a la gente fresca en el verano. Se están infundiendo vendajes con nanopartículas de plata para curar los cortes más rápido. [63] Las consolas de videojuegos y las computadoras personales pueden volverse más baratas, más rápidas y contener más memoria gracias a la nanotecnología. [64]Además, para construir estructuras para la computación en chip con luz, por ejemplo, en el procesamiento de información cuántica óptica de chip y transmisión de información en picosegundos. [sesenta y cinco]

La nanotecnología puede tener la capacidad de hacer que las aplicaciones médicas existentes sean más baratas y fáciles de usar en lugares como el consultorio del médico de cabecera y el hogar. [66] Los automóviles se fabrican con nanomateriales, por lo que es posible que necesiten menos metales y menos combustible para funcionar en el futuro. [67]

Los científicos ahora están recurriendo a la nanotecnología en un intento de desarrollar motores diesel con gases de escape más limpios. El platino se utiliza actualmente como catalizador de motor diesel en estos motores. El catalizador es lo que limpia las partículas de los gases de escape. Primero se emplea un catalizador de reducción para tomar átomos de nitrógeno de las moléculas de NOx con el fin de liberar oxígeno. A continuación, el catalizador de oxidación oxida los hidrocarburos y el monóxido de carbono para formar dióxido de carbono y agua. [68] El platino se utiliza tanto en los catalizadores de reducción como en los de oxidación. [69]Sin embargo, usar platino es ineficaz porque es caro e insostenible. La empresa danesa InnovationsFonden invirtió 15 millones de coronas danesas en la búsqueda de nuevos sustitutos de catalizadores utilizando nanotecnología. El objetivo del proyecto, lanzado en otoño de 2014, es maximizar la superficie y minimizar la cantidad de material necesario. Los objetos tienden a minimizar su energía superficial; dos gotas de agua, por ejemplo, se unirán para formar una gota y reducirán la superficie. Si se maximiza el área de la superficie del catalizador que está expuesta a los gases de escape, se maximiza la eficiencia del catalizador. El equipo que trabaja en este proyecto tiene como objetivo crear nanopartículas que no se fusionen. Cada vez que se optimiza la superficie, se ahorra material. Por lo tanto,La creación de estas nanopartículas aumentará la eficacia del catalizador del motor diesel resultante, lo que a su vez generará gases de escape más limpios, y reducirá los costos. Si tiene éxito, el equipo espera reducir el uso de platino en un 25%.[70]

La nanotecnología también tiene un papel destacado en el campo de rápido desarrollo de la ingeniería de tejidos . Al diseñar andamios, los investigadores intentan imitar las características a nanoescala del microambiente de una célula para dirigir su diferenciación hacia un linaje adecuado. [71] Por ejemplo, al crear andamios para apoyar el crecimiento del hueso, los investigadores pueden imitar las fosas de reabsorción de los osteoclastos . [72]

Los investigadores han utilizado con éxito nanobots basados ​​en origami de ADN capaces de realizar funciones lógicas para lograr la administración de fármacos dirigida a las cucarachas. Se dice que el poder computacional de estos nanobots se puede escalar al de un Commodore 64 . [73]

Nanoelectrónica

La fabricación de dispositivos semiconductores nanoelectrónicos comerciales comenzó en la década de 2010. En 2013, SK Hynix comenzó la producción comercial en masa de un proceso de 16 nm , [74] TSMC comenzó la producción de un proceso FinFET de 16 nm , [75] y Samsung Electronics comenzó la producción de un proceso de 10 nm . [76] TSMC comenzó la producción de un proceso de 7 nm en 2017, [77] y Samsung comenzó la producción de un proceso de 5 nm en 2018. [78]     En 2019, Samsung anunció planes para la producción comercial de un proceso GAAFET de 3  nm para 2021. [79]

La producción comercial de memoria semiconductora nanoelectrónica también comenzó en la década de 2010. En 2013, SK Hynix comenzó la producción en masa de memoria flash NAND de 16  nm , [74] y Samsung comenzó la producción de memoria flash NAND de celda multinivel (MLC) de 10 nm . [76] En 2017, TSMC comenzó la producción de memoria SRAM utilizando un proceso de 7 nm . [77] 

Trascendencia

Un área de preocupación es el efecto que la fabricación y el uso de nanomateriales a escala industrial tendrían sobre la salud humana y el medio ambiente, como sugiere la investigación en nanotoxicología . Por estas razones, algunos grupos abogan por que la nanotecnología sea regulada por los gobiernos. Otros contrarrestan que la regulación excesiva sofocaría la investigación científica y el desarrollo de innovaciones beneficiosas. Las agencias de investigación de salud pública , como el Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional, están investigando activamente los posibles efectos en la salud derivados de la exposición a nanopartículas. [80] [81]

Algunos productos de nanopartículas pueden tener consecuencias no deseadas . Los investigadores han descubierto que las nanopartículas de plata bacteriostáticas que se utilizan en los calcetines para reducir el olor de los pies se liberan en el lavado. [82] Estas partículas luego se arrojan a la corriente de aguas residuales y pueden destruir las bacterias que son componentes críticos de los ecosistemas naturales, las granjas y los procesos de tratamiento de desechos. [83]

Las deliberaciones públicas sobre la percepción del riesgo en los EE. UU. Y el Reino Unido llevadas a cabo por el Centro de Nanotecnología en la Sociedad encontraron que los participantes eran más positivos sobre las nanotecnologías para aplicaciones de energía que para aplicaciones de salud, y las aplicaciones de salud plantean dilemas morales y éticos como el costo y la disponibilidad. [84]

Expertos, incluido el director del Proyecto sobre nanotecnologías emergentes del Woodrow Wilson Center, David Rejeski, han testificado [85] que la comercialización exitosa depende de una supervisión adecuada, una estrategia de investigación de riesgos y la participación del público. Berkeley, California, es actualmente la única ciudad de los Estados Unidos que regula la nanotecnología; [86] Cambridge, Massachusetts en 2008 consideró promulgar una ley similar, [87] pero finalmente la rechazó. [88]

Preocupaciones por la salud y el medio ambiente

Reproducir medios
Un video sobre las implicaciones de la nanotecnología en la salud y la seguridad

Las nanofibras se utilizan en varias áreas y en diferentes productos, desde alas de aviones hasta raquetas de tenis. La inhalación de nanopartículas y nanofibras en el aire puede provocar una serie de enfermedades pulmonares , por ejemplo, fibrosis . [89] Los investigadores han descubierto que cuando las ratas inhalaron nanopartículas, las partículas se asentaron en el cerebro y los pulmones, lo que condujo a un aumento significativo de los biomarcadores para la respuesta a la inflamación y el estrés [90] y que las nanopartículas inducen el envejecimiento de la piel a través del estrés oxidativo en ratones sin pelo. [91] [92]

Un estudio de dos años en la Facultad de Salud Pública de la UCLA encontró que los ratones de laboratorio que consumían dióxido de nano-titanio mostraban daños en el ADN y los cromosomas en un grado "relacionado con todos los grandes asesinos del hombre, a saber, el cáncer, las enfermedades cardíacas, las enfermedades neurológicas y el envejecimiento". [93]

Un importante estudio publicado más recientemente en Nature Nanotechnology sugiere que algunas formas de nanotubos de carbono, un símbolo de la "revolución de la nanotecnología", podrían ser tan dañinos como el asbesto si se inhalan en cantidades suficientes. Anthony Seaton, del Instituto de Medicina Ocupacional de Edimburgo, Escocia, quien contribuyó al artículo sobre nanotubos de carbono, dijo: "Sabemos que algunos de ellos probablemente tienen el potencial de causar mesotelioma. Por lo tanto, ese tipo de materiales deben manipularse con mucho cuidado". [94] En ausencia de una regulación específica por parte de los gobiernos, Paull y Lyons (2008) han pedido que se excluyan las nanopartículas de ingeniería en los alimentos. [95]Un artículo de un periódico informa que los trabajadores de una fábrica de pinturas desarrollaron una enfermedad pulmonar grave y se encontraron nanopartículas en sus pulmones. [96] [97] [98] [99]

Regulación

Los llamamientos para una regulación más estricta de la nanotecnología se han producido junto con un creciente debate relacionado con los riesgos para la salud humana y la seguridad de la nanotecnología. [100] Existe un importante debate sobre quién es responsable de la regulación de la nanotecnología. Algunas agencias reguladoras actualmente cubren algunos productos y procesos de nanotecnología (en diversos grados) - al "atornillar" la nanotecnología a las regulaciones existentes - hay claros vacíos en estos regímenes. [101] Davies (2008) ha propuesto una hoja de ruta reglamentaria que describe los pasos para abordar estas deficiencias. [102]

Las partes interesadas preocupadas por la falta de un marco normativo para evaluar y controlar los riesgos asociados con la liberación de nanopartículas y nanotubos han establecido paralelismos con la encefalopatía espongiforme bovina (enfermedad de las "vacas locas"), la talidomida , los alimentos modificados genéticamente, [103] la energía nuclear, la reproducción tecnologías, biotecnología y asbestosis . El Dr. Andrew Maynard, asesor científico en jefe del Proyecto de Nanotecnologías Emergentes del Woodrow Wilson Center, concluye que no hay fondos suficientes para la investigación en salud y seguridad humana y, como resultado, actualmente existe una comprensión limitada de los riesgos para la salud y la seguridad humanos asociados con la nanotecnología. . [104]Como resultado, algunos académicos han pedido una aplicación más estricta del principio de precaución , con aprobación de comercialización retrasada, etiquetado mejorado y requisitos adicionales de desarrollo de datos de seguridad en relación con ciertas formas de nanotecnología. [105] [106]

El informe de la Royal Society [17] identificó el riesgo de que se liberen nanopartículas o nanotubos durante la eliminación, la destrucción y el reciclaje, y recomendó que "los fabricantes de productos que caen bajo regímenes de responsabilidad ampliada del productor, como las regulaciones al final de su vida útil, publiquen procedimientos que describan cómo estos los materiales se manejarán para minimizar la posible exposición humana y ambiental "(p. xiii).

El Centro de Nanotecnología en la Sociedad ha descubierto que las personas responden a las nanotecnologías de manera diferente, dependiendo de la aplicación, y los participantes en las deliberaciones públicas son más positivos sobre las nanotecnologías para la energía que sobre las aplicaciones para la salud, lo que sugiere que cualquier solicitud pública de nanoregulaciones puede diferir según el sector tecnológico. [84]

Ver también

  • Nanotubo de carbono
  • Deflexión electrostática (física molecular / nanotecnología)
  • Aplicaciones energéticas de la nanotecnología
  • Ética de las nanotecnologías
  • Formación de nanopartículas inducida por la implantación de iones
  • Nanopartícula de oro
  • Lista de tecnologías emergentes
  • Lista de organizaciones de nanotecnología
  • Lista de software para el modelado de nanoestructuras
  • Nanocadenas magnéticas
  • Materiomics
  • Nano-termita
  • Software de diseño molecular
  • Mecánica molecular
  • Nanobiotecnología
  • Relé nanoelectromecánico
  • Nanoingeniería
  • Nanofluidos
  • NanoHUB
  • Nanometrología
  • Nanopartícula
  • Redes a nanoescala
  • Educación en nanotecnología
  • Nanotecnología en la ficción
  • Nanotecnología en el tratamiento de aguas
  • Nanoarmas
  • Iniciativa Nacional de Nanotecnología
  • Autoensamblaje de nanopartículas
  • De arriba hacia abajo y de abajo hacia arriba
  • Investigación traslacional
  • Nanotecnología húmeda

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External links

  • Nanotechnology at Curlie
  • What is Nanotechnology? (A Vega/BBC/OU Video Discussion).