jueves, 12 de diciembre del 2019 Fecha
Ir a la página principal Ir al blog

IMPRESIÓN NO PERMITIDA - TEXTO SUJETO A DERECHOS DE AUTOR




De la Nanociencia a la Nanotecnología. 1ª parte

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física    ~    Comentarios Comments (4)

RSS de la entrada Comentarios Trackback Suscribirse por correo a los comentarios

Es mucho lo que se habla de Nanotecnología y Nanociencia y, la mayoría de las veces, los actores de dichas conversaciones no tienen ni la menor idea de que va todo esto. Así que, para aclarar un poco el panorama y dejar una idea básica de esta moderna disciplina, aquí he transcrito un artículo de los Físicos D. José Angel Martín Gago y Pedro A. Serena Domingo que, fue publicado en la Revista Española de Física, Volumen 23, Número 4 de 2009 y que, para no hacerlo pesado, os pondré en varias partes.

En las fronteras de la Física del estado sólido

La Nanociencia y la Nanotecnología es un conjunto de conocimientos teóricos y prácticos que nos permiten determinar como se comporta el denominado nanomundo (el ámbito en el que el tamaño de los objetos tienen entre 1 y 100 nm). A partir de estos conocimientos se están haciendo continuamente interesantes y arriesgadas propuestas sobre nuevos procedimientos, materiales y dispositivos que muy probablemente se convertirán en los bienes de consumo que inundaran nuestras casas, oficinas, hospitales y vehículos, etc. en las próximas décadas. Demos un repaso a este interesante tema.

Puede decirse que el comienzo de la Nanotecnología se remonta a 1959 cuando el físico y premio Nobel Richard Feynman pronunció en el Instituto de Tecnología de California su ahora famoso discurso. Feynman trató en su conferencia del problema de la manipulación individual de objetos tan pequeños como átomos y moléculas y de las múltiples oportunidades tecnológicas que ofrecería dicha manipulación. En aquel momento su discurso no tuvo una gran repercusión, pero hoy día muchas de sus predicciones se han cumplido con bastante exactitud.

Sin embargo, la palabra “Nanotecnología” fue acuñada en 1974 por el profesor N. Taniguchi de la Universidad de Ciencias de Tokio en un artículo titulado “On the Basic Concept of  Nanotechnology”, que se presentó en una conferencia de la Sociedad japonesa de Ingeniería de Precisión. En este contexto la Nanotecnología se presenta como la tecnología que nos permitirá separar, consolidar y deformar materiales átomo a átomo o molécula a molécula.

En el año 1986 las ideas de Feynman y Taniguchi se concretaron algo más, cuando E. Drexler publicó el libro titulado “Engines of Creation” en el que describe como sería viable construir desde ordenadores hasta maquinaria pesada, ensamblando molécula a molécula, ladrillo a ladrillo, mediante nanorobots ensambladores, que funcionarán de un modo parecido a como lo hacen los ribosomas y otros agregados moleculares en las células de nuestro cuerpo. Este conjunto de ideas, elaboradas y desarrolladas en el período de 1960-1990, han sido el punto de arranque de lo que hoy día conocemos por Nanotecnología, el bagaje creciente de conocimientos teórico-prácticos que nos permitirán dominar la materia en la región de dimensiones comprendidas entre 1 y 100 nm, y que denominamos nanoescala.

El trabajo con objetos tan pequeños entraña una gran dificultad, y de hecho fue algo totalmente imposible hasta que se desarrollaron los microscopios de campo cercano (SPMs) a partir del microscopio de efecto túnel (STM) que fue inventado por H. Rohrer y G. Binnig a principios de la década de 1980, contribución por la que recibieron el premio Nobel en 1986. Las herramientas SPM permiten no sólo la visualización, sino también la manipulación de objetos de dimensiones nanométricas y de muy distinta naturaleza. En la actualidad, estas técnicas son de utilización rutinaria en los laboratorios de Nanociencia y Nanotecnología de todo el mundo, donde se diseñan, no tanto dispositivos concretos, sino experimentos que demuestren las posibilidades de estas “nuevas” tecnologías.

Todos los conocimientos generados han desembocado en la puesta a punto de diferentes iniciativas (programas de investigación, nuevos centros y equipamientos, etc.) para lograr que dichos conocimientos tuviesen una traducción en la tecnología, generando aplicaciones reales, tangibles. La gran belleza de estos experimentos, junto con las enormes expectativas para aplicaciones que de ellos se derivan, ha conducido a la gran proliferación del prefijo “nano” (muchas veces un tanto abusiva con el simple objetivo de intentar revalorizar una línea de investigación). Así, oímos hablar de disciplinas como nanoquímica, nanoelectrónica, nanofotónica, nanomedicina o nanobiotecnología; o de objetos tales como nanopartículas, nanotubos, nanoimánes o nanomotores. En definitiva, el colocar el prefijo “nano” delante de una palabra determinada nos indica que ese campo se va a estudiar enfatizando aquellos aspectos del mismo relacionados con la nanoescala.

Buscando un símil sencillo, el fundamento en el que se basa gran parte de la tecnología actual se asemeja al trabajo realizado por un escultor, que cincela, pule y modela un bloque de material para obtener un objeto más pequeño con la forma deseada. Puesto que cada vez son necesarias tecnologías de fabricación más precisas, es importante disponer de tamaños de cincel progresivamente más pequeños. Este planteamiento es conocido como tecnología de fabricación descendente o “top-down” (de arriba hacia abajo). Un ejemplo del éxito de esta aproximación lo encontramos en la industria de la electrónica que desde hace más de 40 años ha mantenido un incremento continuado de la densidad de transistores que se pueden integrar sobre una oblea de silicio, de forma que el número de elementos dentro de un dispositivo de estado sólido se dobla cada 18 meses. Esta tendencia, propuesta en los años 60 por G. Moore, co-fundador de Intel. Es lo que hoy se denomina “ley de Moore”.

Sin embargo sabemos que los métodos de fabricación “top-down” poseen una serie de limitaciones intrínsecas. El primero de estos problemas tiene que ver con el hecho de que a medida que se reduce el tamaño de un objeto, la relación superficie/volumen crece y, puesto que las propiedades físicas de una superficie son generalmente muy distintas a las del volumen, las propiedades funcionales del material cambiaran al reducir su tamaño a la escala nanométrica. Estas modificaciones en las propiedades se conocen como efecto del tamaño finito. El segundo problema con que nos encontramos en esta carrera hacia la miniaturización reside en que en la nanoescala se hacen más palpables los llamados efectos cuánticos. Por último, otro problema fundamental que aparece al intentar seguir disminuyendo el tamaño de un objeto es que cada vez resulta más difícil mejorar las herramientas que permiten su manipulación.

Enfrentarse a los desafíos planteados por la miniaturización extrema, que permita explorar las propiedades emergentes en la nanoescala, impone la necesidad de desarrollar una “nueva tecnología”: ese es el papel de la Nanotecnología. La aproximación “nano” es, por tanto, muy diferente de la “top-down”, pues el planteamiento está basado exactamente en lo contrario: ir de lo pequeño a lo grande, construyendo dispositivos a partir de sus componentes últimos. En este caso, se trata de trabajar no como un escultor,  sino como un albañil, que construye una pared partiendo de una serie de elementos básicos, los ladrillos. Esta aproximación, de tipo ascendente, que también se conoce como “bottom-up” (de abajo hacia arriba), utiliza para dar forma a diferentes materiales o dispositivos, componentes básicos muy variados tales como átomos, ácidos nucleicos, proteínas, nanopartículas o nanotubos.

Sólo se conoce un sistema que funcione verdaderamente siguiendo los principios fundamentales de la Nanotecnología que hemos expuesto anteriormente: la vida. Desde hace casi 4000 millones de años sobre la Tierra, los seres vivos realizan sus funciones vitales mediante procesos de reconocimiento molecular, auto-organización, auto-ensamblando, motores moleculares…Así pues, otra idea fundamental en Nanotecnología es la de aprovechar estos conceptos y procesos para llegar a construir nuevos dispositivos tecnológicos.

Hoy día estamos todavía lejos de la verdadera explosión de la Nanotecnología. La mayor parte del conocimiento se reduce a millares de experimentos de laboratorio, conocimiento que podríamos llamar Nanociencia. Las aplicaciones de la Nanotecnología están llegando poco a poco, aunque en el momento actual sólo un puñado de productos simples explota las nuevas propiedades de su nanoestructura. En este artículo ilustraremos, desde un punto de vista básico, la capacidad de la Nanociencia para generar futuras aplicaciones.

En la 2ª parte se hablará de nuevos materiales, nuevos procesos, nuevos dispositivos e iremos hacia la electrónica molecular, los fullerenos o “bucky-balls” y entraremos de lleno en los Nanotubos de Carbono.

Un saludo amigos.

 

  1. 1
    josé luis
    el 21 de junio del 2011 a las 14:29

    Emilio: Ya se esta incorporando actualmente materias referentes a la nanotecnología en las licenciaturas de ingeniería , en mi concepto estas técnicas serán a futuro de gran aplicación en la industria electrónica, química molecular, medicina
    Saludos desde México

    Responder
  2. 2
    emilio silvera
    el 22 de junio del 2011 a las 6:17

    Amigo José Luis:

    Como bien dices, la nanotecnología es cosa del presente, y, se está adelantando muchísimo en este campo que es muy amplio. En un futuro muy próximo, veremos y podremos disfrutar de auténticas maravillas que, basadas en estas nuevas técnicas, estarán presentes en muchos ámbitos de la Industria, la medicina, la electrónica, e, incluso, será utilizada en bio-nano-tecnología y en la ciencia de nuevos materiales.

    Otra gran sorpresa sobre este tema nos espera en el campo nanométrico molecular donde se pondrán de manifiesto nuevas propiedades electrónicas. Actualmente se estudian muchos aspectos de todos estos nuevos caminos que la ciencia recorre en la industria, en la medicina y en otros diversos ámbitos de la actividad humana.

    Se están generando sistemas autoensamblados de moléculas con propiedades definidas y muy especiales que esta´n dirigidas a la realización de funciones muy concretas y que etán abriendo caminos para cambiar el imperante paradigma del silicio, por ejemplo, en la electrónica, hacia otro basado en la electrónico molecular.

    En Medicina, el futuro que nos espera contemplar será asombroso, y, veremos como se suministrarán fármacos, que ahora se toman de forma indiscriminada para curar alguna enfermedad situada en un órgano determinado y que, al expandirse por todo nuestro organismo, no sólo cura el órgano enfermo sino que, de camino, daña al bueno. Con estas nuevas técnicas, no pasará así y, la nanotecnología conseguirá que el fármoco se dirija sólo y exclusivamente a la región dañada sin afectar a las demás.

    No digamos los adelantos que nos esperan en la construcción de naves y sondas espaciales, nanorobots, nanotubos, y, todo ello gracias a nuevos materiales, nuevos procesos y nuevos dispositivos que conformarán  un sin fin de maravillas que en el futuro de la Humanidad.

    Veremos la transformación de nuestro mundo con nuevas formas, nuevos adelantos, nuevas técnicas y, sobre todo, nuevas maneras de obtener lo que necesitamos con más economía de energía y menos contaminación del medio.

    Esperemos que todo marche por sendero adecuado.

    Un saludo.

    Responder
  3. 3
    Maolito
    el 29 de abril del 2013 a las 8:25

    ¿Qué papel puede ocupar el grafeno en todo esto?

    Responder
    • 3.1
      emilio silvera
      el 29 de abril del 2013 a las 11:26

      Amigo mío:
       

       
      Ya están las grnades empresas disputándose su control. El Grafeno, será el material del futuro y, quien lo pueda controlar, se hará de oro. El Grafeno es el material de más posibilidades para el futuro y su ductibilidad y propiedades hacen de él una materia prima para poder emplear en infinidad de cuestiones, tanto en la Industria como en la tecnología científica más avanzada.
      El Grafeno, amigo Maolito, está en los años venideros por todas partes y, nos sorprenderá, para todo lo que puede emplaearse, tanto en la Tierra como en el Espacio.
      SAludos.

      Responder

Deja un comentario



Comentario:

XHTML

Subscribe without commenting