Nanotecnología

Fullerene Nanogears

Nanotecnología, también abreviado como nanotecnología, es el uso de materia a escala atómica, molecular y supramolecular con fines industriales. La descripción más antigua 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, ahora también conocida como nanotecnología molecular. Posteriormente, la Iniciativa Nacional de Nanotecnología estableció una descripción más generalizada de la nanotecnología, que definió la nanotecnología como la manipulación de la materia con al menos una dimensión con un tamaño de 1 a 100 nanómetros (nm). 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 cambió 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 ocurren. 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, definida por el tamaño, es naturalmente amplia e incluye campos de la ciencia tan diversos como la ciencia de superficies, la química orgánica, la biología molecular, la física de semiconductores, el almacenamiento de energía, la ingeniería, la microfabricación y la ingeniería molecular. 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, desde el desarrollo de nuevos materiales con dimensiones en la nanoescala hasta el control directo de la materia en la escala atómica.

Los científicos debaten actualmente las implicaciones futuras de la nanotecnología. La nanotecnología puede ser capaz de crear muchos materiales y dispositivos nuevos con una amplia gama de aplicaciones, como la nanomedicina, la nanoelectrónica, la producción de energía con biomateriales y los 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 y sus efectos potenciales en la economía global, así como la especulación sobre varios escenarios del fin del mundo. Estas preocupaciones han dado lugar 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 dieron origen a la nanotecnología fueron discutidos por primera vez en 1959 por el renombrado físico Richard Feynman en su charla Hay mucho espacio en el fondo, en la que describió la posibilidad de síntesis a través de manipulación de átomos.

Comparación de tamaños de los nanomateriales

El término "nanotecnología" fue utilizado por primera vez por Norio Taniguchi en 1974, aunque no era muy conocido. Inspirado en 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 proponía la idea de un "ensamblador" que sería capaz de 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 y las 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 público y teórico 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. a las perspectivas de control atómico de la materia. En la década de 1980, dos avances importantes provocaron el crecimiento de la nanotecnología en la era moderna. Primero, la invención del microscopio de efecto 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 en el Laboratorio de Investigación de IBM Zurich recibieron un Premio Nobel de Física en 1986. Binnig, Quate y Gerber también inventaron el microscopio de fuerza atómica análogo ese año.

Buckminsterfullerene C₆₀, también conocido como el bólido, es un miembro representativo de las estructuras de carbono conocidas como fullerenes. Los miembros de la familia fullerene son un tema importante de la 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. C₆₀ no se describió inicialmente como nanotecnología; el término se usó con respecto al trabajo posterior con nanotubos de carbono relacionados (a veces llamados tubos de grafeno o tubos Bucky) que sugirieron aplicaciones potenciales para dispositivos y dispositivos electrónicos a nanoescala. El descubrimiento de los nanotubos de carbono se atribuye en gran medida a Sumio Iijima de NEC en 1991, por el cual Iijima ganó el Premio Kavli inaugural de 2008 en Nanociencia.

A principios de la década de 2000, el campo atrajo una mayor atención científica, política y comercial que condujo tanto a la controversia como al progreso. Surgieron controversias con respecto a las definiciones y las implicaciones potenciales de las nanotecnologías, ejemplificadas por el informe de la Royal Society sobre nanotecnología. 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.

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.

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 que se centran en la manipulación atómicamente precisa de la materia y analizan las capacidades, los objetivos y las aplicaciones existentes y proyectadas.

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 de construir artículos 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 parte, 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, están en el rango 0.12–0.15 nm, y una doble hélice de ADN tiene un diámetro alrededor de 2 nm. Por otro lado, las formas de vida celular 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 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 ser evidentes y pueden utilizarse en el dispositivo nano. Estos nuevos fenómenos diferencian a la nanotecnología de los dispositivos que son meras versiones miniaturizadas de un dispositivo macroscópico equivalente; tales dispositivos están en una escala mayor y entran bajo la descripción de microtecnología.

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. O de otra manera: un nanómetro es la cantidad de barba que crece un hombre promedio en el tiempo que tarda en llevarse la navaja a la cara.

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

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 de oro(100), como se visualiza mediante la microscopía de túneles de escaneo. 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, normalmente 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 generalmente se denominan nanoiónicos. Las propiedades mecánicas de los nanosistemas son de interés para la investigación en nanomecánica. La actividad catalítica de los nanomateriales también abre posibles riesgos en su interacción con los biomateriales.

Los materiales reducidos a nanoescala pueden mostrar diferentes propiedades en comparación con lo que exhiben a 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 exhibe la materia en la nanoescala.

Simple a complejo: una perspectiva molecular

La química sintética moderna ha llegado al punto en que es posible preparar moléculas pequeñas 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 apareamiento de bases de Watson-Crick son un resultado directo de esto, al igual que la especificidad de una enzima que se dirige a un solo sustrato o el plegamiento específico de la proteína misma. Por lo tanto, dos o más componentes pueden diseñarse para que sean complementarios y mutuamente atractivos, de modo que formen un todo más complejo y útil.

Estos enfoques de abajo hacia arriba deberían ser capaces de producir dispositivos en paralelo y ser mucho más baratos que los métodos de arriba hacia abajo, 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, sobre todo el emparejamiento de bases de Watson-Crick y las interacciones enzima-sustrato. El desafío para la nanotecnología es si estos principios pueden usarse 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 se asocia especialmente con el ensamblador molecular, una máquina que puede producir una estructura deseada o un dispositivo átomo por átomo utilizando los principios de la mecanosíntesis. La fabricación en el contexto de los nanosistemas productivos no está relacionada con las tecnologías convencionales utilizadas para fabricar nanomateriales como los nanotubos de carbono y las nanopartículas, y debe distinguirse claramente de ellas.

Cuando el término "nanotecnología" fue acuñado y popularizado de forma independiente 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 tradicionales de las máquinas demostraron que las máquinas moleculares eran posibles: por los innumerables ejemplos encontrados en biología, se sabe que se pueden producir máquinas biológicas sofisticadas optimizadas estocásticamente.

Se espera que los avances en nanotecnología hagan posible su construcción por otros medios, tal vez utilizando principios biomiméticos. Sin embargo, Drexler y otros investigadores han propuesto que la nanotecnología avanzada, aunque tal vez implementada inicialmente 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. El rendimiento de la física y la ingeniería de los diseños ejemplares se analizó en el libro Nanosystems de Drexler.

En general, es muy difícil ensamblar dispositivos a escala atómica, ya que uno tiene que colocar átomos sobre otros átomos de tamaño y adherencia comparables. Otro punto de vista, presentado por Carlo Montemagno, es que los futuros nanosistemas 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 condujo a un intercambio de cartas en la publicación de ACS Chemical & Engineering News en 2003. Aunque la biología demuestra claramente que los sistemas de máquinas moleculares son posibles, las máquinas moleculares no biológicas están hoy en día en su infancia. Los líderes en investigación sobre máquinas moleculares no biológicas son el Dr. Alex Zettl y sus colegas de Lawrence Berkeley Laboratories y UC Berkeley.[1] Archivado el 8 de octubre de 2015 en Wayback Machine. 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 y un oscilador de relajación nanoelectromecánico. Consulte nanomotor de nanotubos para obtener más ejemplos.

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

Investigación actual

Representación gráfica de un rotaxano, útil como interruptor molecular.

Este tetraedro de ADN es una nanoestructura artificial del tipo hecho en el campo de la nanotecnología del ADN. Cada borde del tetraedro es un doble helix de 20 pares base, y cada vértice es una unión de tres brazos.

Vista rotativa de C₆₀Una especie de fullerene.

Este dispositivo transfiere la energía de las capas nanofinales de pozos cuánticos a los nanocristals sobre ellos, causando que los nanocristals emitan luz visible.

Nanomateriales

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

• La ciencia interfase y coloides ha dado lugar a muchos materiales que pueden ser útiles en la nanotecnología, como los nanotubos de carbono y otros fullerenes, y varias nanopartículas y nanorods. Los nanomateriales con transporte de ion rápido están relacionados también con nanoionicos y nanoelectrónica.
• Los materiales nanoscales también se pueden utilizar para aplicaciones a granel; la mayoría de las aplicaciones comerciales presentes de la nanotecnología son de este sabor.
• Se ha avanzado en el uso de estos materiales para aplicaciones médicas; vea Nanomedicina.
• Los materiales nanoscales como los nanopillares se utilizan a veces en células solares que combaten el costo de las células solares de silicio tradicionales.
• Desarrollo de aplicaciones que incorporan nanopartículas semiconductoras para ser utilizadas en la próxima generación de productos, tales como tecnología de visualización, iluminación, células solares e imágenes biológicas; vea puntos cuánticos.
• La aplicación reciente de los nanomateriales incluye una gama de aplicaciones biomédicas, como ingeniería de tejidos, suministro de drogas, antibacterianos y biosensores.

Enfoques de abajo hacia arriba

Estos buscan organizar componentes más pequeños en ensamblajes más complejos.

• La nanotecnología del ADN utiliza la especificidad de la base de Watson-Crick para construir estructuras bien definidas fuera del ADN y otros ácidos nucleicos.
• Los enfoques del campo de la síntesis química "clásica" también tienen como objetivo diseñar moléculas con forma bien definida (por ejemplo, bis-peptides).
• En términos más generales, la autoasamblea molecular busca utilizar conceptos de química supramolecular, y el reconocimiento molecular en particular, para hacer que los componentes monomoléculas se organicen automáticamente en alguna conformación útil.
• Las puntas del microscopio de fuerza atómica se pueden utilizar como una "cabeza de escritura" nanoescala para depositar un químico sobre una superficie en un patrón deseado en un proceso llamado nanolitografía de plumas dip. Esta técnica encaja en el subcampo más grande de la nanolitografía.
• Molecular Beam Epitaxy permite montajes inferiores de materiales, sobre todo materiales semiconductores utilizados comúnmente en aplicaciones de chip y computación, pilas, gating y láser nanowire.

Enfoques de arriba hacia abajo

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

• Muchas tecnologías que descendieron de métodos convencionales de silicio de estado sólido para fabricar microprocesadores ahora son capaces de crear características más pequeñas que 100 nm, cayendo bajo la definición de nanotecnología. Los discos duros basados en magnetoresistencia gigantes ya en el mercado encajan en esta descripción, así como 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 magnetoresistencia gigante y contribuciones al campo de la espinatónica.
• Las técnicas de estado sólido también se pueden utilizar para crear dispositivos conocidos como sistemas nanoelectromecánicos o NEMS, relacionados con sistemas microelectromecánicos o MEMS.
• Las vigas de iones focalizadas pueden eliminar directamente el material, o incluso depositar material cuando se aplican gases precursores adecuados al mismo tiempo. Por ejemplo, esta técnica se utiliza rutinariamente para crear secciones sub-100 nm de material para el análisis en microscopía de electrones de transmisión.
• Las puntas del microscopio de fuerza atómica se pueden utilizar como una "cabeza de escritura" nanoescala para depositar una resistencia, 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.

• Montaje magnético para la síntesis de materiales superparamagnéticos anisotrópicos como cadenas magnéticas recientemente presentadas.
• La electrónica de escala molecular busca desarrollar moléculas con propiedades electrónicas útiles. Estos pueden ser utilizados como componentes monomoléculas en un dispositivo nanoelectrónico. Por ejemplo véase rotaxane.
• También se pueden utilizar métodos químicos sintéticos para crear motores moleculares sintéticos, como en un denominado nanocar.

Enfoques biomiméticos

• Bionics or biomimicry seeks to apply biological methods and systems found in nature, to the study and design of engineering systems and modern technology. La biomineralización es un ejemplo de los sistemas estudiados.
• La bionanotecnología es el uso de biomoléculas para aplicaciones en nanotecnología, incluyendo el uso de virus y conjuntos de lípidos. La nanocelulosa es una posible aplicación a granel.

Especulativo

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

• La nanotecnología molecular es un enfoque propuesto que implica manipular moléculas individuales de manera finamente controlada, determinista. Esto es más teórico que los otros subcampos, y muchas de sus técnicas propuestas están más allá de las capacidades actuales.
• Nanorobotics se centra en máquinas autosuficientes de alguna funcionalidad que opera en la nanoescala. Hay esperanzas de aplicar nanorobots en la medicina. Sin embargo, se han demostrado avances en materias y metodologías innovadoras con algunas patentes otorgadas sobre nuevos dispositivos de nanomanufactura para futuras aplicaciones comerciales, lo que también ayuda progresivamente en el desarrollo hacia nanorobots con el uso de conceptos incrustados de nanobioelectrónica.
• Los nanosistemas productivos son "sistemas de nanosistemas" que serán nanosistemas complejos que producen piezas atómicamente precisas para otros nanosistemas, no necesariamente utilizando propiedades nanoescala-emergente novedosas, sino fundamentales bien entendidos de fabricación. Debido a la naturaleza discreta (es decir, atómica) de la materia y a 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 los Estados Unidos, ha propuesto cuatro estados de nanotecnología que parecen 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.
• La materia programable busca diseñar materiales cuyas propiedades pueden ser fácilmente, reversible y controlada externamente, aunque una fusión de la ciencia de la información y la ciencia de los materiales.
• Debido a la popularidad y la exposición mediática del término nanotecnología, las palabras picotecnología y femtotecnología han sido acuñadas en analogía con él, aunque sólo se utilizan raramente e informalmente.

Dimensionalidad en nanomateriales

Los nanomateriales se pueden clasificar en nanomateriales 0D, 1D, 2D y 3D. 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 de dimensiones más pequeñas tienen un área de superficie más alta en comparación con los nanomateriales 3D. Recientemente, los nanomateriales bidimensionales (2D) se investigan ampliamente para aplicaciones electrónicas, biomédicas, de suministro de fármacos y de biosensores.

Herramientas y técnicas

Configuración típica de AFM. Un cañonerador microfabricado con una punta afilada es desviado por características en una superficie de muestra, como en un fonógrafo pero en una escala mucho más pequeña. Un rayo láser refleja la parte posterior del cañón en un conjunto de fotodetecdores, permitiendo que la deflexión sea medida y ensamblada 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 tempranas 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 colaboradores en la década de 1970, los microscopios de sonda de barrido más nuevos tienen una resolución mucho más alta, ya que no están limitados por la longitud de onda de sonido o luz.

La punta de una sonda de escaneo también se puede usar 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. Sin embargo, este sigue siendo un proceso lento debido a la baja velocidad de exploración del microscopio.

También se desarrollaron varias técnicas de nanolitografía, como la litografía óptica, la litografía de rayos X, la nanolitografía con pluma 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 enfocados, la litografía por nanoimpresión, la deposición de capas atómicas y la deposición de vapor molecular, e incluir además técnicas de autoensamblaje molecular tales como las que emplean copolímeros dibloque. Los precursores de estas técnicas precedieron a la era de la nanotecnología y son extensiones en el desarrollo de avances científicos en lugar de técnicas que fueron diseñadas con el único propósito de crear nanotecnología y que fueron el resultado de la investigación en nanotecnología.

El enfoque de arriba hacia abajo anticipa los nanodispositivos que deben construirse pieza por pieza en etapas, al igual que se hacen 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 las estructuras de autoensamblaje. Al usar, por ejemplo, un enfoque de escaneo orientado a características, los átomos o las moléculas se pueden mover alrededor de una superficie con técnicas de microscopía de sonda de barrido. En la actualidad, es costoso y requiere mucho tiempo para la producción en masa, pero muy adecuado para la experimentación en laboratorio.

Por el contrario, las técnicas ascendentes construyen o desarrollan estructuras más grandes átomo por átomo o molécula por molécula. Estas técnicas incluyen la síntesis química, el autoensamblaje y el 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 haces moleculares o MBE. Investigadores de Bell Telephone Laboratories como John R. Arthur. Alfred Y. Cho y Art C. Gossard desarrollaron e implementaron MBE como una herramienta de investigación a fines de los años sesenta y setenta. Las muestras realizadas 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 atómicamente precisas de átomos y, en el proceso, construir estructuras complejas. Importante para la investigación de semiconductores, MBE también se usa ampliamente para fabricar 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 transfersomas ultradeformables y sensibles al estrés, y ya se han aprobado para uso humano en algunos países.

Aplicaciones

Una de las principales aplicaciones de la nanotecnología es en el área de la nanoelectrónica con la fabricación de MOSFET de pequeños nanowires ♥10 nm de longitud. Aquí hay una simulación de tal nano-wire.

Láseres Nanowire para transmisión ultrarrápida de información en pulsos ligeros

A partir del 21 de agosto de 2008, el Proyecto sobre nanotecnologías emergentes estima que más de 800 productos de nanotecnología identificados por el fabricante están disponibles públicamente, y los nuevos llegan al mercado a un ritmo de 3 o 4 por semana. 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 "primera generación" nanomateriales pasivos que incluyen dióxido de titanio en filtros solares, cosméticos, revestimientos de superficies 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.

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

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 general y en el hogar. Los automóviles se fabrican con nanomateriales, por lo que es posible que en el futuro necesiten menos metales y menos combustible para funcionar.

Los científicos ahora están recurriendo a la nanotecnología en un intento por desarrollar motores diésel con gases de escape más limpios. Actualmente, el platino se utiliza como catalizador del motor diésel 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 para liberar oxígeno. A continuación, el catalizador de oxidación oxida los hidrocarburos y el monóxido de carbono para formar dióxido de carbono y agua. El platino se utiliza tanto en los catalizadores de reducción como de oxidación. Sin embargo, usar platino es ineficiente porque es costoso 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 disminuir el área de superficie. Si se maximiza el área superficial 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 diésel 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 %.

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. Por ejemplo, al crear andamios para apoyar el crecimiento de los huesos, los investigadores pueden imitar los pozos de reabsorción de los osteoclastos.

Los investigadores han utilizado con éxito nanobots basados en origami de ADN capaces de llevar a cabo funciones lógicas para lograr la administración dirigida de fármacos en cucarachas. Se dice que el poder computacional de estos nanobots se puede escalar hasta el de un Commodore 64.

Implicaciones

Un área de preocupación es el efecto que la fabricación y el uso de nanomateriales a escala industrial tendrían en 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 responden 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 realizando activamente investigaciones sobre los posibles efectos en la salud derivados de la exposición a nanopartículas.

Algunos productos de nanopartículas pueden tener consecuencias no deseadas. Los investigadores han descubierto que las nanopartículas de plata bacteriostáticas utilizadas en los calcetines para reducir el olor de los pies se liberan en el lavado. Estas partículas luego se descargan en 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.

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 acerca de las nanotecnologías para aplicaciones energéticas que para aplicaciones de salud, con aplicaciones de salud que plantean dilemas morales y éticos como costo y disponibilidad.

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

Preocupaciones ambientales y de salud

Las nanofibras se utilizan en varias áreas y en diferentes productos, desde las alas de los aviones hasta las raquetas de tenis. La inhalación de nanopartículas y nanofibras transportadas por el aire puede provocar una serie de enfermedades pulmonares, p. fibrosis. Los investigadores han descubierto que cuando las ratas inhalaron nanopartículas, las partículas se asentaron en el cerebro y los pulmones, lo que condujo a aumentos significativos en los biomarcadores de inflamación y respuesta al estrés, y que las nanopartículas inducen el envejecimiento de la piel a través del estrés oxidativo en ratones sin pelo.

Un estudio de dos años en la Facultad de Salud Pública de la UCLA encontró que los ratones de laboratorio que consumían dióxido de nanotitanio presentaban daños en el ADN y los cromosomas en un grado 'relacionado con todos los grandes asesinos del hombre, a saber, el cáncer, enfermedades cardíacas, enfermedades neurológicas y envejecimiento".

Un estudio de Nature Nanotechnology sugiere algunas formas de nanotubos de carbono: un símbolo de la "revolución de la nanotecnología" – podría ser tan dañino como el asbesto si se inhala en cantidades suficientes. Anthony Seaton, del Instituto de Medicina Ocupacional de Edimburgo, Escocia, que contribuyó al artículo sobre los nanotubos de carbono, dijo: "Sabemos que algunos de ellos probablemente tengan el potencial de causar mesotelioma". Por lo tanto, ese tipo de materiales deben manipularse con mucho cuidado." En ausencia de una regulación específica por parte de los gobiernos, Paull y Lyons (2008) han pedido la exclusión de las nanopartículas diseñadas en los alimentos. Un artículo periodístico informa que los trabajadores de una fábrica de pintura desarrollaron una enfermedad pulmonar grave y se encontraron nanopartículas en sus pulmones.

Regulación

Los llamados para una regulación más estricta de la nanotecnología han ocurrido junto con un creciente debate relacionado con los riesgos para la salud humana y la seguridad de la nanotecnología. Existe un debate significativo 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 "aplicar" nanotecnología a las reglamentaciones existentes: existen claros vacíos en estos regímenes. Davies (2008) ha propuesto una hoja de ruta regulatoria que describe los pasos para abordar estas deficiencias.

Las partes interesadas preocupadas por la falta de un marco regulatorio 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, energía nuclear, tecnologías reproductivas, biotecnología y asbestosis. El Dr. Andrew Maynard, asesor científico principal del Proyecto sobre nanotecnologías emergentes del Centro Woodrow Wilson, concluye que no hay fondos suficientes para la investigación sobre la salud y la seguridad humanas y, como resultado, actualmente hay una comprensión limitada de la salud y la seguridad humanas. Riesgos asociados a la nanotecnología. 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.

El informe de la Royal Society identificó un riesgo de que se liberen nanopartículas o nanotubos durante la eliminación, destrucción y reciclaje, y recomendó que los "fabricantes de productos que caen bajo regímenes de responsabilidad extendida del productor, como las regulaciones de final de vida útil, publiquen procedimientos describiendo cómo se manejarán estos materiales para minimizar la posible exposición humana y ambiental&" (pág. XIII).

El Centro para la Nanotecnología en la Sociedad descubrió que las personas responden a las nanotecnologías de manera diferente, según la aplicación; los participantes en las deliberaciones públicas son más positivos acerca de las nanotecnologías para la energía que las aplicaciones para la salud, lo que sugiere que cualquier llamado público a favor de las nanoregulaciones puede diferir según el sector tecnológico..