Conceptos fundamentales de la nanotecnología


Conceptos fundamentales de la nanotecnología

La nanotecnología es la ingeniería de sistemas funcionales a escala molecular. Esto cubre tanto el actual trabajo como conceptos que son más avanzados. En su sentido original, la nanotecnología se refiere a la habilidad proyectada para construir elementos desde lo más pequeño a lo más grande, usando técnicas y herramientas, que actualmente están siendo desarrolladas, para construir productos completos de alto desempeño.

Un nanómetro (nm) es la mil millonésima parte, o 10−9, de un metro. Por comparación, los típicos largos de enlaces carbono-carbono, o el espacio entre estos átomos en una molécula, están alrededor de los 0,12–0,15 nm y la doble hélice de un ADN tiene un diámetro de alrededor de 2 nm. Por otra parte, la forma de vida celular más pequeña, la bacteria del género Mycoplasma, tienen alrededor de 200 nm de largo. Por convención, la nanotecnología es medida en el rango de escala de entre 1 a 100 nm de acuerdo a la definición usada por la Iniciativa Nanotecnológica Nacional en Estados Unidos. El límite inferior está dado por el tamaño de los átomos (el hidrógeno tiene los átomos más pequeños, que tienen un radio aproximado de un veinteavo de nm conocido como radio de Bohr) dado que la nanotecnología debe fabricar sus dispositivos a partir de átomos y moléculas. El límite superior es más o menos arbitrario, pero se encuentra alrededor del tamaño en que fenómenos que no pueden ser observados en estructuras más grandes comienzan a ser aparentes y pueden ser usados en el nanodispositivo. Estos nuevos fenómenos hacen que la nanotecnología sea distinta de los dispositivos que son meramente versiones miniaturizadas de un dispositivo macroscópico equivalente; tales dispositivos se encuentran a una escala más grande y caen bajo la descripción de microtecnología.

Para poner la escala en otro contexto, el tamaño comparativo de un nanómetro a un metro es lo mismo que el de una roca al tamaño de la Tierra.​ Otra forma de ponerlo: un nanómetro es la cantidad en que la barba de un hombre promedio crece en el tiempo al que a este le toma levantar la afeitadora a su cara.

Se usan dos aproximaciones a la nanotecnología. En la aproximación «del fondo hacia arriba», los materiales y dispositivos son construidos a partir de componentes moleculares que se ensamblan por sí mismos químicamente por los principios del reconocimiento molecular. En la aproximación «de arriba abajo», los nano-objetos son construidos a partir de entidades más grandes con un control a nivel atómico.

Áreas de la física tales como la nanoelectrónica, la nanomecánica, nanofotónica y la nanoiónica han evolucionado durante estás últimas pocas décadas para proporcionar un fundamento científico básico a la nanotecnología.

De lo más grande a lo más pequeño: una perspectiva desde los materiales

Varios fenómenos se vuelven pronunciados a medida que el tamaño del sistema disminuye. Estos incluyen efectos mecánicos estadísticos, así como efectos mecánicos cuánticos, por ejemplo el “efecto del tamaño del Cuanto” donde las propiedades electrónicas de los sólidos son alteradas con grandes reducciones en el tamaño de la partícula. Este efecto no se ponen en juego al ir desde las dimensiones macro a las dimensiones micro. Sin embargo, los efectos cuánticos pueden convertirse en significantes cuando el tamaño del nanómetro es alcanzado, normalmente en distancias de 100 nanómetros o menos, el así llamado dominio cuántico. Adicionalmente, una variedad de propiedades físicas (mecánicas, eléctricas, ópticas, etc.) cambian cuando se les compara con los sistemas macroscópicos. Un ejemplo es el aumento en la proporción del área superficial al volumen alterando las propiedades mecánicas, termales y catalíticas de los materiales. La difusión y reacciones a nivel de nano escala, los materiales de las nanoestructuras y de los nanodispositivos con rápido transporte de iones generalmente son conocidas como nanoiónicas. Las propiedades mecánicas de los nanosistemas son de interés en la investigación de la nanomecánica. La actividad catalítica de los nanomateriales también abren potenciales riesgos en su interacción con los biomateriales.

Los materiales reducidos a la nanoescala pueden mostrar propiedades diferentes cuando se les compara con las que ellos exhiben a macroescala, permitiendo aplicaciones únicas. Por ejemplo, las substancias opacas pueden convertirse en transparentes (cobre); materiales estables pueden convertirse en combustible (aluminio); materiales insolubles pueden convertirse en solubles (oro). Un material tal como el oro, que es químicamente inerte a escala normales, puede servir como un potente catalizador químico a nanoescalas. La mayor parte de la fascinación con la nanotecnología surge de estos fenómenos cuánticos y de superficie que la materia exhibe a nanoescala.

De lo simple a lo complejo: una perspectiva molecular

La química sintética moderna ha alcanzado el punto donde es posible preparar pequeñas moléculas para casi cualquier estructura. Estos métodos son usado hoy en día para fabricar una amplia variedad de químicos útiles tales como farmacéuticos o polímeros comerciales. Esta habilidad hace surgir la pregunta de extender esta clase de control al siguiente nivel más grande, buscando métodos para ensamblar estas moléculas únicas en estructuras o ensamblajes supramoleculares consistentes de muchas moléculas dispuestas en una forma bien definida.

Estas aproximaciones utilizan los conceptos de auto-ensamblaje molecular y/o química supramolecular para disponer en forma automática sus propias estructuras en algún ordenamiento útil a través de una aproximación desde el fondo hacia arriba. El concepto de reconocimiento molecular es especialmente importante: las moléculas pueden ser diseñadas de tal forma que una configuración u ordenamiento específico sea favorecida debido a las fuerzas intermoleculares no covalentes. Las reglas de emparejamiento de bases de Watson-Crick son un resultado directo de esto, así como la especificidad de una enzima siendo apuntada a un único sustrato o el plegamiento de la proteína en sí misma. Así, dos o más componentes pueden ser diseñado para complementariedad y atracción mutua de tal forma que construyan un todo más complejo y útil.

La aproximaciones desde el fondo hacia arriba debería ser capaces de producir dispositivos en paralelo y ser mucho más baratas que los métodos de arriba abajo, pero potencialmente podrían ser sobrepasadas a medida que el tamaño y la complejidad del ensamblaje deseado aumente. Las estructuras más exitosas requieren arreglos de átomos complejos y termodinámicamente poco probables. Sin embargo, existen muchos ejemplos de autoensamblaje basados en el reconocimiento molecular en la biología, uno de los más notables es el pareo de base de Watson-Crick y las interacciones enzima-substrato. El desafío para la nanotecnología es descubrir si estos principios pueden ser usados para lograr nuevas construcciones adicionales a las naturales ya existentes.

Nanotecnología molecular: una visión de largo plazo

La nanotecnología molecular, algunas veces llamada fabricación molecular, describe nanosistemas manufacturados (máquinas a nanoescala) operando a escala molecular. La nanotecnología molecular está asociada especialmente con el ensamblador molecular, una máquina que puede producir una estructura o dispositivo deseado átomo por átomo usando los principios de la mecanosíntesis. La fabricación en el contexto de los nanosistemas productivos no está relacionado con, y debería ser claramente distinguido de, las tecnologías convencionales usadas para la fabricación de nanomateriales tales como nanotubos y nanopartículas de carbono.

Cuando el término «nanotecnología» fue acuñado en forma independiente y popularizado por Eric Drexler (quien en ese momento no sabía de un uso anterior realizado por Norio Taniguchi) para referirse a una tecnología futura de fabricación basado en sistemas de máquina moleculares. La premisa era que las analogías biológicas a escala molecular de los componentes de máquinas tradicionales demostraban que las máquinas moleculares eran posibles: existen incontables ejemplos en la biología, se sabe que sofisticadas máquinas biológicas optimizadas estocásticamente pueden ser producidas.

Se espera que los desarrollos en la nanotecnología harán posible su construcción por algún otro medio, quizás usando principios de biomimesis. Sin embargo, Drexler y otros investigadores​ han propuesto que una nanotecnología avanzada, aunque quizás inicialmente implementada por medios biomiméticos, finalmente podría estar basada en los principios de la ingeniería mecánica, es decir, una tecnología de fabricación basada en la funcionalidad mecánica de estos componentes (tales como engranajes, rodamientos, motores y miembros estructurales) que permitirían un ensamblaje programable y posicional a una especificación atómica.​ La física y el desempeño ingenieril de diseños de ejemplo fueron analizados en el libro de Drexler llamado Nanosistemas.

En general es muy difícil ensamblar dispositivos a escala atómica, ya que uno tiene que posicionar átomos sobre otros átomos de grosor y tamaño comparables. Otra visión, expresada por Carlo Montemagno,​ es que los futuros nanosistemas serán híbridos de la tecnología del sílice y de máquinas moleculares biológicas. Richard Smalley argumenta que la mecanosíntesis es imposible debido a las dificultades en la manipulación mecánica de moléculas individuales.

Esto llevó a un intercambio de cartas entre la publicación Chemical & Engineering News de la ACS en el año 2003.​ Aunque la biología claramente demuestra que los sistemas de máquinas moleculares son posibles, las máquinas moleculares no biológicas actualmente están solo en su infancia. Los líderes en la investigación de las máquinas moleculares no biológicas son Alex Zettl y su colegas que trabajan en el Lawrence Berkeley National Laboratory y en la UC Berkeley. Ellos han construido al menos tres dispositivos moleculares distintos cuyos movimientos son controlados desde el escritorio cambiando el voltaje: un nanomotor de nanotubos, un actuador, y un oscilador de relajación nanoelectromecánico.​ Ver nanomotor de nanotubo de carbono para más ejemplos.

Un experimento que indica que un ensamblaje molecular posicional es posible fue desarrollado por Ho y Lee en la Universidad Cornell en el año 1999. Ellos usaron un microscopio de efecto túnel para mover una molécula de monóxido de carbono (CO) hacia un átomo individual de hierro (Fe) ubicado en un cristal plano de plata, y enlazar químicamente el CO con el Fe aplicando un voltaje.


Fuente: Wikipedia

David
Author: David

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